Морфодинамический анализ как метод для целей градостроительного планирования

П.Н. Брагин

1. Сущность метода морфодинамического анализа

Из всего многообразия природных условий рельеф наиболее характерное и определяющее состояние поверхности городской территории. Он является важнейшим фактором, оказывающим непосредственное влияние на планировку, застройку и благоустройство города и, в конечном счете, на экономику строительства. При оценке территории основное внимание уделяется существующему рельефу. Определяют наличие и расположение водоразделов и тальвегов, основные направления стока поверхностных вод, участки территорий с различными уклонами, территории, требующие мероприятий по инженерной подготовке, и пр. В зависимости от этих и других факторов проводится функциональное зонирование территории и основные мероприятия, обеспечивающие использование территории в необходимых целях [1].

В данной работе излагается опыт использования метода морфодинамического анализа рельефа для целей генерального планирования на примере Ярославля - одного из типичных городов Центра и Севера Русской равнины. В основу анализа рельефа территории была положена методика выявления элементарных поверхностей по А.Н. Ласточкину [2], доработанная применительно к задачам оценки территории равнинного города. Данная методика по сути явилась развитием и продолжением существовавшей до того методики вырисовывания пластики рельефа ручным способом, имевшей широкое применение у почвоведов и ландшафтоведов. Однако она была, в известной степени, произвольной, а потому возникла необходимость в методике анализа рельефа, имеющей под собой четкое математическое обоснование. Смысл операции морфодинамического анализа заключается в выявлении в пределах геоморфологических поверхностей элементарных поверхностей, обладающих, в достаточной мере, неизменными характеристиками (уклон, литология, экспозиция). Согласно современной теории морфодинамического анализа, границами поверхностей служат структурные линии рельефа, которые подразделяются на несколько типов: килевые, гребневые, линии вогнутого и выпуклого перегибов.

Линия вогнутого перегиба - это линия, разделяющая участок крутого склона от участка пологого склона; в свою очередь, линия выпуклого перегиба, наоборот, находится на границе между пологим и крутым участками склона. Килевая линия проходит по наиболее пониженным участкам в рельефе, тогда как гребневая, по сути, есть водораздел. Гребневые и килевые линии отыскиваются методом пластики рельефа, смысл которого сводится к преобразованию континуума изогипс топокарты в дисконтинуум путем соединения точек перегиба каждой соседней разновысотной изогип-сы (в точках нулевой кривизны) особой линией - морфоизографой, отделяющей выпуклости от вогнутостей [3]. В первую очередь на карте пластики изображается ложбинно-лощинная сеть и водоразделы разных порядков. Линии, проведенные по дну ложбин, как раз и являются килевыми линиями.

Основой для выполнения карты пластики рельефа служит исходная карта с изогипсами земной поверхности (горизонталями). Для работы по созданию карты пластики рельефа использовалась карта (план-схема) масштабом 1: 10000 с горизонталями, проведенными через 5 метров. Листы карты были сканированы, а затем оттрассированы, то есть переведены в векторный формат при помощи графического редактора Corel Draw 7.0.

Следующим этапом работы стала «сборка» всех фрагментов карты в единое целое. Для этого применялось пошаговое соединение всех элементов карты в разных слоях. Соединение проходило в два этапа: сначала фрагменты были собраны в 12 листов, соответствующих листам плана-схемы, полученные таким образом листы «сшивались» в единую карту, на которой, в итоге, получили отображение следующие объекты: рельеф города в виде горизонталей и элементы гидрологической сети - Волги, ее притоки, а также русла ручьев.

Затем при помощи метода пластики рельефа выявлялась ложбинно-лощинная сеть.

Она фиксировалась по так называемым «заливам горизонталей», то есть искривлениям линии горизонтали, направленным вверх по склону. Предполагалось, что «серия» заливов - несколько подряд чередующихся изгибов - фиксируют определенную линейную отрицательную форму рельефа. Затем посредством вписывания в изгиб горизонтали окружности подходящего радиуса определялся «истинный» размер неровности. Края последовательно чередующихся окружностей соединялись по касательной, таким образом прорисовывались ложбины и лощины (килевые линии).

Водоразделы фиксировались по «мысам горизонталей» - искривлениям линии горизонтали, направленной вниз по склону. Итоговая линия водораздела проводилась исходя из того, что серия таких изгибов фиксирует положительную форму рельефа. Таким способом на карту были нанесены основные водоразделы и водоразделы более низких порядков (ребра - гребневые линии).

2. Типизация городского рельефа посредством морфодинамического анализа

На основании данных морфодинамического анализа (а также согласно геологическим изысканиям) в первом приближении территория Ярославля представляет собой гетерогенное образование, которое может быть сведено к восьми генетическим типам геоморфологических поверхностей:

 современная пойма Волги и ее притоков

 первая надпойменная терраса аллювиального и озерного генезиса

 вторая надпойменная терраса сложного озерно-ледникового генезиса

третья надпойменная терраса озерно-ледникового и флювио-гляциального генезиса

 холмисто-грядовая поверхность морены напора

 моренно-водно-ледниковое плато на двучленных отложениях

 равнина основной морены, сложенная суглинками.

В свою очередь, эти генетические поверхности были представлены нами в виде совокупности элементарных поверхностей, выделенных согласно описанной выше методике.

Морфодинамический анализ выявил следующую зависимость - чем сложнее поверхность по строению, тем большее количество типов элементарных поверхностей можно выделить в ее пределах.

Поскольку поверхности поймы, первой и второй речных террас достаточно однородны по характеру уклонов территории (слабонаклонные, почти плоские), то в качестве элементарных поверхностей выделялись локальные повышения и понижения в пределах основной поверхности (гривы и межгривные понижения на пойме, "дюны" и "западины" в пределах первой террасы).

Для других генетических поверхностей набор типов элементарных поверхностей заметно усложняется (Табл. 1).

Каждая из выделенных генетических поверхностей обладает специфическим строением и особенностями, во многом определявшими исторический характер освоения (планировку, застройку, использование). Кроме того, литология и пластика рельефа генетических поверхностей во многом обусловливают развитие тех или иных неблагоприятных экзогенно-динамических процессов (подтопление, линейная и плоскостная эрозия, суффозия) а, следовательно, и проблемы существования городского ландшафта, необходимость реабилитации тех или иных элементов природного комплекса и потенциал конструирования новых ландшафтов «с заданными свойствами».

Таблица 1

Типы элементарных поверхностей

Генетическая поверхность	Элементы рельефа
Современная пойма Волги и ее притоков	Основные поверхности пойменных площадок Гривы Межгривные понижения
Первая озерно-аллювиальная терраса Волги и ее притоков	Основная поверхность террасовой площадки «Дюны» - взбугренные поверхности «Западины» - обширные депрессии
Вторая озерно-ледниковая терраса Волги и ее притоков	Основная поверхность террасовой площадки Одиночные и групповые холмы Западины полусточные, сложной формы
Третья водно-ледниковая терраса Волги	Основная поверхность Останцы в виде наложенных холмов и гряд Фасы — прямые стенки вдоль уступа Ячейки стока с развитой многовершинной структурой
Моренно-водноледниковая равнина	Привершинные поверхности Субвершины Фасы Своды Вдолькилевые одиночные ячейки стока
Равнина основной морены	Привершинные поверхности Субвершины Фасы Слаборазветвленные вдолькилевые ячейки стока Рассеивающие стенки над субвершинами
Холмисто-грядовая морена напора	Рассеивающие вдольгребневые «отроги» Привершинные поверхности Субвершины Фасы Своды Ячейки стока сильноразветвленные

3. Неблагоприятные экзогенно-динамические процессы и их характеристика

Подтопление в пределах города связано в первую очередь с изменением режима Волги. После строительства каскада ГЭС (прежде всего Горьковской ГЭС) уровень воды в реке находится на постоянном высоком уровне, а волжские притоки в своем нижнем (приустьевом) течении находятся в состоянии подпора. В результате этого происходит поднятие уровня стояния грунтовых вод, что в значительной мере затрудняет поверхностный сток на отдельных участках речной долины (например, при выходе водотоков с надпойменной террасы на пойму). Сезонные затопления поймы Волги повлияли на характер ее застройки. Исторически дома строились на возвышенных участках поймы (гривах), тогда как в межгривных понижениях находились сенокосы. Во многих местах заволжской части (например, в Тверицах) такой характер застройки сохранился и по сей день.

Кроме того, процесс подтопления наблюдается в местах существования мелких водотоков (ручьев и мелких рек), в процессе освоения территории засыпанных и заведенных в коллекторы. Зачастую такие участки на карте выглядят как впадающие в Волгу или Которосль ложбины (обычно однорукавные, длиной в несколько сотен метров). Поскольку реконструкция ложбинно-лощинной сети города не проводилась, зачастую здания и сооружения возводились без учета направления стока. Некоторые естественные водотоки оказались перегороженными, что способствовало развитию процесса подтопления и в худшую сторону отразилось на устойчивости самих зданий.

Проявление склоновых процессов также приурочено, в первую очередь, к речным берегам, поскольку вне береговой линии территория города не имеет значительных уклонов.

Оползнеобразование связано со спецификой строения волжских берегов, где водоупорный горизонт находится на уровне уреза воды, что наряду с высоким уровнем стояния грунтовых вод становится решающим фактором в возникновении негативного процесса. Наличие склоновых процессов легко угадывается по эффекту «пьяного леса» и по хорошо заметным конусам выноса. Деревья играют двоякую роль в динамике склонов. При нагрузках (до известного предела) корневые системы выполняют функцию укрепления бровок коренных склонов и обрывов. Однако после того, как за пределами ряда посадок возникают трещины и формируются стенки обрыва или оползания, наличие деревьев на уступе приводит к тому, что грунт передвигается вниз по склону целыми блоками. Склоновые процессы активизируются в весеннее время и связаны в первую очередь с работой текучих талых вод. Проблему усугубляют повышенные, имеющие четкую сезонную направленность (весенне-летний период) нагрузки, связанные со стихийной рекреацией. В период максимального подъема уровня воды в реках на процессы оползнеобразования оказывает влияние и волноприбойная деятельность.

Вытаптывание травяного покрова на склонах культурных набережных Волги и Которосли приводит к усилению интенсивности процессов линейной эрозии, когда вытоптанная тропка служит готовой ячейкой стока талых и дождевых вод. Не лучшим образом сказывается и несовершенство ливневой канализации, из-за чего большая часть стока осуществляется стихийно.

На слабонаклонных поверхностях, лишенных травяного покрова и нарушенных хозяйственной деятельностью (в частности при строительстве), наблюдается значительный плоскостной смыв. Особенно явно проявляется этот негативный процесс в местах высотной застройки, где придомовые пространства («газоны») полностью лишены травянистой растительности, вследствие вытаптывания. Потенциально предрасположенные плоскости смыва также хорошо фиксируются морфодинамическим анализом как «стенки» и «фасы» определенной крутизны, экспозиции и положения на склоне.

Значительные статические (связанные с плотностью застройки) и динамические (связанные с интенсивностью транспортных потоков) нагрузки, наряду с нарушением температурного режима грунтов, вследствие наличия отопительных сетей, ускоряют темпы естественного движения (крипа) территории. Кроме того, утечки из коллекторов и теплосетей, вибрационные и электромагнитные поля способствуют возникновению суф-фозионных процессов.

Для решения обозначенных проблем необходим комплекс инженерно-технических мероприятий, а также меры по сознательному конструированию ландшафтов (табл. 2), которые, к сожалению, до сих пор практически никак не планируются и не реализуются при градостроительном освоении территории

4. Характеристика основных генетических поверхностей территории г. Ярославля Современная пойма Волги и ее притоков

Поверхность поймы в пределах города неоднородна и дифференцируется (по рельефу и условиям существования городского ландшафта) на 3 подтипа (рис. 1.):

основная поверхность пойменных площадок, абс. выс. около 85-90 м., сложена песками желтовато-коричневыми, серыми, желтовато-серыми средней плотности, водонасыщенными;

гривы пойм, абс. выс. около 95-97,5 м., староосвоенные, с культурным слоем и отложениями супеси серой, голубовато-серой, желтовато-серой пластичной;

межгривные понижения абс. выс. около 82,5-85 м., сложенные суглинками желтовато-коричневыми, серыми и темно-серыми с прослоями пылеватых песков, торфами низинными и верховыми буровато-коричневыми и темно-коричневыми, водонасыщенными.

Рис. 1. Фрагмент поймы реки Волги с гривами и межгривными понижениями

Уклоны основной поверхности поймы небольшие - не превышают 0,5 °; уклоны поверхности возрастают на гривах.

Современная пойма Волги и ее притоков даже в пределах старозаселенных участков города, прошедших разные стадии градостроительного освоения, является наиболее «живой» (в геологическом смысле) поверхностью. Основное неблагоприятное воздействие на территорию связано с подтоплением. Также дестабилизирующим фактором выступает недельное колебание уровня воды Волги, связанное с режимом работы на Рыбинской и Горьковской ГЭС.

Первая озерно-аллювиальная терраса Волги и ее притоков В пределах первой надпойменной террасы отчетливо могут быть дифференцированы три подтипа поверхностей,

различающихся пластикой рельефа и литологией выстилающих грунтов (рис. 2.):

основная поверхность террасовой площадки абс. выс. около 90-95 м., сложенная грунтами культурного слоя, а также супесью серой, голубовато-серой, желтовато-серой пластичной;

 "дюны" - взбугренные поверхности абс. выс. около 95-97,5 м., сложенные песками и супесями навеянными средне-и крупнозернистыми;

 "западины" - обширные депрессии террас абс. выс. около 85-87,5 м., выполненные торфами низинными и верховыми буровато-коричневыми и темно-коричневыми слаборазложившимися.

Основная поверхность также очень слабонаклонная - уклоны не превышают 1°.

Первая надпойменная терраса Волги и ее притоков, так же как и пойма, относится к площадкам древнейшего и раннего освоения и прошла несколько этапов использования (старый город, ремесленный посад, частная усадебная застройка). Часть территории до сих пор находится в зоне слабого инженерного обустройства (Красноперекопский район и прибрежные части Фрунзенского района).

Особенностью этой террасовой поверхности является то обстоятельство, что в своей тыловой части по всему протяжению волжской долины терраса является зоной разгрузки слабовыраженных ложбин и лощин вышележащей ступени рельефа, что особенно отчетливо выражено в строении заволжской части города. В этой связи можно предположить, что большая часть «дневных» русел этих водотоков была засыпана в ходе многовекового освоения, что, безусловно, ухудшило местные условия дренажа.

Рис. 2. Фрагмент первой и второй надпойменных террас

Вторая  озерно-аллювиальная терраса Волги и ее притоков

В результате хозяйственного освоения территории рельеф данной зоны сильно изменен в направлении практически полного выравнивания. Тем не менее в пределах поверхности могут быть выделены следующие подтипы:

основная поверхность террасовой площадки абс. выс. около 95-105 м., выполненная супесями желтовато-коричневыми, подстилаемыми, суглинками бурыми и серовато-коричневыми (занимает центральную часть города);

одиночные и групповые холмы абс. выс. около 105 м. из песков пылева-тых и мелких, желтовато-коричневых и серых, водонасыщенных (в основном в заволжской части города на территории Яковлевского, Смоленского и Тверицко-го боров);

"западины" - полусточные, сложной формы, абс. выс. около 90 м., выровненные культурным горизонтом (насыпным или намывным грунтом);

прилощинные поверхности с намытым и окультуренным почвогрунтом.

В пределах практически всей террасы верхние горизонты почвогрунтов подвергались неоднократной педотурбации и планации, вследствие этого унаследованный рельеф реконструируется недостаточно отчетливо.

Третья  надпойменная  озерно-аллювиальная и водно-ледниковая терраса Волги

Генезис данной поверхности связан как с режимом длительного стояния Яро-славско-Костромского послеледникового озера, так и с вполне очевидным воздействием водно-ледниковых потоков последнего оледенения. С последним обстоятельством связано наличие на основной поверхности террасы вытянутых вдоль по долине пра-Волги длинных узких гряд, возвышающихся над основным уровнем на 7.5-12.5 м. Третья надпойменная терраса является поверхностью, к которой привязаны верхние (тыловые) стороны элементарных ячеек стока. Последние, объединяясь в пределах террасы, образуют верхние части небольших речных бассейнов, тальвеги которых разгружаются на нижележащие террасы и современную пойму Волги и ее притоков.

Поверхность третьей террасы может быть дифференцирована на следующие подтипы, различающиеся по условиям стока, литологии грунтов и направленностью современных экзогенно-динамических процессов (рис. 3.):

плато - основная поверхность террасы абс. выс. около 105-125 м., сложена покровными суглинками желтовато-коричневыми пластичными, полутвердыми;

останцы в виде "наложенных" холмов и гряд абс. выс. около 127,5-130 м. схожего литологического состава;

ячейки стока с развитой многовершинной структурой, выполненные глинами ленточными, коричневыми и различных оттенков, полутвердыми,