1.1 Изученность вопроса

Впервые крупномасштабные работы по изучению и картированию наледей на основе применения дистационных методов были предприняты в Северо-Восточном геологическом управлении в I949 году А.С. Симаковым и З.Г. Штильниковской. Созданный ими кадастр и карта насчитывали более 7000 наледей. Впоследствии эти материалы были дополнены и уточнены А.С. Кузнецовым. Использованию этих данных при выявлении связи наледей с тектоническими и мерзлотно-гидрогеологическими условиями посвящены работы А.С. Симакова, П.Ф. Швецова, Клешева, О.Н. Толстихина; выяснение вопросов взаимосвязи наледей и водных ресурсов рассматривается в работах А.И. Калабина, Б.Л. Соколова; изучение общих закономерностей распространения и динамики наледных процессов в годовом и многолетнем циклах нашли отражение в работах А.С. Симакова, О.Н. Толстихина, Б.Л. Соколова. Столь широкий диапазон научных и практических задач, решаемых на основе применения материалов аэросъемки, предопределил интенсивное развитие аэрометодов при всесторонних исследованиях наледей. Вопросам методики дешифрирования налядей по аэрофотоснимкам посвящены работы Д.М. Колосова, П.А. Соловьева, И.В. Протасьевой, А.М. Гольдмана и Р.И. Вольпе; методы картирования и каталогизации наледей рассмотрены в работах Л.А. Пластилина и А.И. Сизякова, Б.Л. Соколова и ВА. Усачева, А.С. Кузнецова и В.А. Мефодиева, А.В. Гаврилова и А.Г. Топчиева.

Дальнейшее углубление разработки дистанционных методов изучения наледей базируется на ставших классическими трудах М.И. Сумгина, Н.И. Толстихина, Б.В. Зонова, П.Ф. Швецова, а также результатах исследований в области теории наледных процессов последних десятилетий, выполненных В.Р. Алексеевым, В.Е. Афанасенко, И.А.Некрасовых, Н.Н. Романовским, Б.Л. Соколовым, О.Н. Толстихиным с использованием материалов аэрокосмической съемки. Трудами названных авторов на примере различных регионов страны проанализированы особенности площадного и высотного распространения наледей; исследован широкий комплекс климатических, мерзлотных и гидрогеологических условий формирования наледей; изучены закономерности режима и динамики наледных процессов; установлена и количественно оценена важная роль наледей в регулировании стока при переходе его из подземного в поверхностный. Тем самым создана теоретико-методическая база для качественно нового этапа развития дистанционных методов исследования наледей - разработки и реализации системы аэрокосмического мониторинга наледей на региональном и глобальном уровнях.

1.2. Вопросы терминологии и классификации при разработке методов дистанционного зондирования наледей

Среди принятых в настоящее время классификационных признаков (размеры, форма, степень негативного влияния на инженерные сооружения, местоположение, время формирования и т.д.) наибольший интерес с теоретической и практической точек зрения имеют признаки, позволяющие дифференцировать наледи по происхождению (типу) наледеобразующих вод и характеру их разгрузки.

В качестве теоретической основы для решения задачи дифференциации наледей по данным аэрокосмического мониторинга приняты классификации Н.И. Толстихина, Н.Н. Романовского, О.Н. Толстихина, В.Е. Афанасенко, В.Р. Алексеева.

На предварительном этапе разработки схемы подразделения наледей были определены принципы ее построения, главными из которых являются следующие.

1. Дифференциация наледей в схеме должна осуществляться с учетом генезиса наледеобразующих вод, а также особенностей их транзита и разгрузки.

2. В качестве критериев подразделения наледей по данным аэрокосмического мониторинга определены следующие группы признаков:

- комплекс геолого-структурных и сейсмотектонических факторов наледеобразования, выделяемых посредством ландшафтных индикаторов, дешифрируемых по материалам аэрокосмической информации через систему прямых и косвенных признаков, а также по данным априорной и текущей опорной информации;

- мерзлотно-гидрогеологические признаки, главными из которых являются температурный режим, мощность и морфология криолитозоны, генезис и строение таликов, характер циркуляции подземных вод;

- спектральные различия наледного льда (для зимних сроков съемки) и растительности наледных полян (для летних сроков съемки), определяемые различным химическим составом наледеобразующих вод и, следовательно, генетическим типом наледей;

- основные количественные характеристики наледных тел, отображаемые на материалах дистанционного зондирования (форма, размеры, ориентация, планово-высотное положение, морфология, местоположение в рельефе);

- результаты автоматизированной обработки мультиспектральной сканерной и фотографической информации, полученной на участки транзита, питания и разгрузки наледеобразующих вод, а также наледных тел.

3. Учитывая возможность глобального уровня организации аэрокосмического мониторинга, разрабатываемая схема дифференциации наледей должна в максимально возможной на данном уровне исследования степени удовлетворять условия универсальности применения в различных природно-климатических зонах развития наледных процессов.

На основе анализа литературных и фондовых данных, в также опыта реализации программ мониторинга в различных регионах страны в диссертации рассматриваются как обобщенная, так и регионально ориентированные схемы дифференциации наледей, разработанные на основе приведенных выл критериев.

Генетическая интерпретация дешифрируемых по материалам аэрокосмической съемки наледей возможна при условии комплексного анализа природных условий, определяющих характер питания, транзита и разгрузки наледеобразующих вод, что предусматривает применение геосистемного подхода к анализу исходной информации и, следовательно, введения в теорию наледных процессов понятия "наледная геосистема" (НГС), под которой следует понимать типологические единицы, представляющие собой сходные по своим морфологическим и функциональным особенностям совокупности природных участков питания, транзита и разгрузки наледеобразующих вод.

Применительно к ращению задач, поставленных в настоящем исследовании, аэрокосмический мониторинг наледных геосистем - комплекс систематических синхронных дистанционных и контактных измерений, выполняемых в пределах контрольно-измерительных нвледных полигонов, размещенных на основных элементах эталонных наледных геосистем (ЭНГС) с последующей тематической обработкой данных и экстраполяцией выявленных закономерностей на всю зону дистанционного контроля, обеспечиваемую аэрокосмической съемкой с заданной повторностью в целях получения информации о планово-высотном положении, размерах, внутригодовом режиме, многолетней динамике, плановой миграции и природных условиях формирования наледей.

Аэрокосмический мониторинг осуществляется в зоне дистанционного контроля (ЗДК), границы которой определяются в соответствии с поставленной на предварительном этапе главной задачей исследования (изучением условий формирования и распространения наледей заданного региона, оценкой наледной опасности в зоне проектирования или эксплуатации инженерного сооружения линейного типа и т.д.).

1.3. Методика аэрокосмического мониторинга наледей

1.3.1. Структура и организация аэрокосмического мониторинга наледей

Реализация программы аэрокосмического мониторинга наледей осуществляется в соответствии с функциональной блок-схемой.

Работа выполняется поэтапно, в соответствии с разработанной методикой, на основе анализа литературных и фондовых данных, а также дешифрирования материалов аэрокосмической съемки.

Первый этап завершается разработкой схемы районирования территории по условиям наледеобразования в целях обоснованного выбора эталонных наледных геосистем и размещения контрольно-измерительных наледных полигонов.

На втором этапе проводится разработка программы и технического проекта аэрокосмического мониторинга наледей.

Третий этап предусматривает реализацию двух синхронизированных по срокам направлений: комплекс контактных изменений на контрольно-измерительных наледных полигонах и выполнение лентно-съемочных работ в зоне дистанционного контроля.

На четвертом этапе выполняется обработка результатов дистанционных и наземных измерений с использованием комплекса технических средств автоматизированной и интерактивной обработки данных. Этап завершается созданием кадастра и комплекса карт наледной тематики.

На пятом этапе осуществляется сопряженный анализ данных аэрокосмического мониторинга с целью разработки теоретических проблем наледеведения, изучения природных условий зоны дистанционного контроля с использованием наледей в качестве комплексного геосистемного индикатора; разработки прикладных направлений теории наледных процессов.

1.3.2. Наледное районирование зоны дистанционного контроля.

В работе рассматриваются теоретико-методические подходы к проблеме наледного районирования в интерпретации различных авторов (О.Н. Толстихин, В.Р. Алексеев), основанные на определении соотношения площадей распространения наледей и расположения бассейнов поверхностного и подземного стока, а также глобальном подходе, базирующемся на учете влияния генерального лимитирующего фактора распределения суммы отрицательных температур воздуха. Определены принципы выделения региональных границ наледных районов о учетом перераспределения тепла и влаги в пределах морфоструктур, определяющих основные закономерности динамики поверхностных, подземных и атмосферных вод. Локальные наледные районы. выделены путем комплексного физико-географического анализа, основанного не изучении состава, строения и 'тектонической раздробленности верхней части земной коры; особенностей распространения, степени прерывистости, мощности и температурного режима многолетнемерзлых пород; закономерностей питания и разгрузки бассейнов подземных вод; климатических условий местности; соотношения морфоструктур.

Районирование зоны дистанционного мониторинга в соответствии с разработанными принципами, позволило сформулировать условия выбора и определить местоположение эталонных наледных геосистем.

I.3.3. Физические и ландшафтно-индикационные основы методов дистанционного зондирования неладных геосистем

Разработка количественных методов дистанционного мониторинга наледных геосистем базируется на построении иерархической структуры функциональных задач, решаемых в рамках программы мониторинга НГC.

Для каждой из 34 функциональных задач определены комплексы объектов дистанционного зондирования, информация о которых обеспечивает решение задачи; виды исходной информации; методы ее обработки. В результате выделено два класса индикаторов, поддающихся формализации по спектральным признакам: нивально-гляциальные и геоботанические. Определены следующие группы решаемых функциональных задач.

1. Задачи, решаемые на основе полной или частичной автоматизации процессе дешифрирования сканерной и фотографической информации. В качестве базовых классификационных признаков приняты: различия спектральных образов объектов, их пространственно временная изменчивость, геометрические и структурные различия.

2. Задачи, решаемые на основе визуально-инструментального дешифрирования разномасштабной и разновременной аэрокосмической информации. В качестве основного метода интерпретации данных принят ландшафтно-индикационный метод.

Проведенные исследования позволили определить граничные условия и принципы построения моделей взаимодействия оптического излучения с комплексами природных объектов, соответствующих основным элементам наледных геосистем.

На основе анализа теоретических положений моделей отражения радиации в системе "снег-лед - растительность-грунты" разработаны требования к составу и техническим параметрам используемой а полевых и камеральных исследованиях аппаратуры, методике экспериментов, объектам измерений.

Программа экспериментальных работ осуществлена в два этапа: камеральный и полевой с использованием типовой аппаратуры и унифицированных методик измерений. В качестве базового измерительного прибора применен спектрорадиометр Р-4000, имеющий следующие параметры: спектральный диапазон измерений 0,4 -1,2 мкм; разрешение по спектру - 0,02 мкм; скорость развертки - .2, 4, 8, I6, 32, 64 сек; частота сравнения излучения от объекта с эталоном 550 Гц; диапазон выходного сигнала - 0-5 в. Камеральный измерительный стенд, созданный на базе спектрорадиометра Р-4000, включает комплекс периферийных устройств, управляемых ПЭВМ и обеспечивает регистрацию измеряемого сигнала в аналоговой и цифровой форме; статистическую обработку информационных массивов; отображение данных в графической и табличной форме.

В целях моделирования естественных условий облученности применён эталонный галогеновый источник излучения с заданными параметрами.

Установка позволяет изменять положение источника излучения, обеспечивая возможность имитировать различные углы освещения к азимуты перемещения аэросъемочной системы.

В качестве объектов камеральных измерений были определены модели природных сред, имитирующие: наст, фирн, снег и лед в разливах стадиях увлажнения; лед, приготовленный из водных растворов различной минерализации' и химического состава, моделирующих природные условия реальных наледеобраэующих источников; образцы голубично-зеленомошной растительности и аналоги наледного аллюзия, соответствующие поверхности наледных полян свободных от льда.

В результате выполнения экспериментальных работ были получены спектральные индикатриссы рассеяния в плоскости главного вертикале и по нормали к ней; графики зависимости СКЯ от длины волны; спектральные образы измеряемых объектов. Анализ этих данных позволил решить следующие задачи.

I. Определены оптимальный состав бортовых систем ДЗ и спектральные диапазоны, съемка в которых обеспечивает разделение классов изучаемых объектов.

2. Установлены оптимальные природные условия фотографирования (освещенность, суточное и сезонное состояние объекта, метеоусловия и т.д.), обеспечивающие наибольшую достоверность выходной информации.

3. Определен предельный угол сканирования (полосы захвата аэрофотокамеры), при котором обеспечивается инвариантность спектральных образов для объектов, относящихся к одному и тому же классу, а также сохраняются допустимые величины погрешности и измеряемых площадных и линейных величин.

В работе рассматриваются ландшафтно-индикационные основы методов интерпретации материалов дистанционного зондирования применительно к исследованию наледных геосистем. Эта задача сводится к поиску двусторонних связей между основными характеристиками элементов НГС, определяющих особенности транзита, разгрузки и питания наледеобраэующих вод и внешними (формируемыми посредством системы дешифрирования) ландшафтными индикаторами. Установлено, что элементы НГС имеют особые, присущие конкретному ландшафтному типу литолого-генетические, мерзлотные, гидрогеологические и морфоструктурные характеристики, позволяющие произвести классификацию ландшафтов и фаций, соответствующих НГС, дать им пространственно-временную привязку и применить для их изучения ландшафтно-ключевой метод.

2.1. Принципы организации, аппаратурные средства и методы выполнения работ на контрольно-измерительных наледных полигонах

На основе анализа методик полигонных исследований наледей, разработанных ГГИ, МГУ, СибЦНИИС и другими организациями, а также учета требований программы дистанционного мониторинга НГС определены структура и содержание работ, выполняемых на контрольно-измерительных полигонах; разработаны и внедрены аппаратурные средства сбора контактной и дистанционной информации, методы обработки и экстраполяции данных.

Организация автоматизированного режима обработки мониторинговой информации, получаемой аэрокосмической системой, выдвигает задачу сбора количественной (главным образом спектрометрической) информации на больших площадях синхронно выполнению летно-съемочных работ. Это потребовало осуществить разработку и внедрение комплекса бортовых систем ДЗ на базе малой авиации (Ан-2, Ка-26). Измерительный блок создан на основе описанного в разделе 1.3 спектрорадиометра Р-4000. В состав комплекса включена телевизионная аэросъемочная система, позволяющая вести синхронно спектрометрированию видеозапись подстилающей поверхности в целях привязки, в также оперативный контроль с помощью цветного монитора на борту самолета в ходе выполнения летно-съемочных работ. Регистрация данных осуществляется по двум каналам на быстродействующий самописец, обеспечивая возможность оперативного визуального анализа, а также в аналоговой форме, синхронно видеоизображению, на звуковую дорожку видеокассеты. Обработка данных проводится в камеральных условиях, посредством преобразования модулированного по частоте сигнала в цифровую форму для ввода и обработки ПЭВМ.

В работе рассматриваются требования к содержанию и точности измерения традиционно получаемой контактной информации. Приведена оптимальная для дистанционного подхода схема выполнения полигонных работ, изложена технологическая схема предварительной обработки, кодирования и передачи с помощью терминальных абонентских пунктов наземной информации.

2.2. Бортовые авиационные и космические информационно-измерительные комплексы дистанционного зондирования НГС

Впервые в практике решения задач наледной тематики был применен бортовой информационно-измерительный комплекс ТУ-134 СХ, технологически замкнутый на систему обработки дистанционной информации Главного центра. В работе рассмотрены преимущества и ограничения сканерных, фотографических и СВЧ-систем сбора данных в соответствии с решаемыми задачами. На основе опыта работ в различных регионах страны даны рекомендации по применению отдельных компонентов и всего бортового комплекса средств ДЗ Ту-I34 СХ в целом.

Построение рациональной и экономически оправданной прогревы дистанционного мониторинга HTC невозможно без использования спутниковой информации. Поэтому в работе рассматриваются принципы комплексирования авиационной и спутниковой информации.

2.3. Методы оценки информативности материалов дистанционного зондирования при решении задач измерительного дешифрирования НГС

Исходя из аналитической схемы расчета информационной емкости К-зонального иэображения фотографических и сканерных систем с независимыми уровнями сигнала и шума, а также нормальным распределением параметров, обеспечивающих стационарность результатов съемки, определен ряд материалов ДЗ, отражающий распределение съемочных систем по их значимости в решении задач комплексного дешифрирования НГС. Одновременно проводился контроль качества и сравнительный анализ авиационной и спутниковой информации, фиксирующей наледные геосистемы в различных регионах страны, исходя из задач исследования по традиционной схеме: оценка разрешающей способности; определение элементов взаимного ориентирования (главным образом, для фотоинформации, получаемой системами ТАФА-I0, МКФ-6М, МСК-4, размещенных на самолете ТУ-134 СХ); вычисление коэффициента деформации пленки; оценка фотографического качества материалов (интегральная плотность, контраст негативов, определение стационарности режима фотохимической обработки, плотность вуали); определение фотограмметрических свойств материалов ДЗ при оценке погрешностей определения площадных и линейных величин.

В результате исследований, проведенных в рамках целевой комплексной программы "Космос" (задание 04.02), определен оптимальный состав дистанционной информации, наиболее полно обеспечивающий решение функциональных задач мониторинга НГС: телевизионная и спектрорадиометрическая информация, получаемая в видимом и ближнем ИК-диапазонах (400-1200 нм) с шагом 20 нм; аэрофотографическая информация, получаемая топографическими аэрофотоаппаратами ТАФА-10 (АФА 41/IO) с использованием пленок И-840, СН-I5, СН-IO в масштабе I:50000 и последующим увеличением до I:20000 масштаба; мультиспектральная сканерная информация высокого разрешения, получаемая МСС "Матра" в 3, 5, 6 каналах на магнитном носителе; радиолокационная информация, получаемая на фотоносителе в масштабе. I:100000 в полосе захвата 15 км; спутниковая спектрозональная фотоинформация, получаемая на фотоносителе в масштабе 1:200000 и мультиспектральная спутниковая информация Лзндсат-2, получаемая в спектральных диапазонах 0,6 - 0,7 мкм и 0,8-1, I мкм.

2.4. Технические средства и методы обработки мониторинговой информации

В работе рассматриваются визуально-инструментальный (качественный), интерактивный и автоматизированный (количественный) подходы к интерпретации материалов ДЗ.

На основе использования стандартного математического обеспечения систем интерактивной обработки проведена оценка различных вариантов интерпретации данных: оптико-электронного планиметрирования негативов и трансформированных снимков; цветового кодирования; синтезирования мультивременной и мультиспектральной информации; совмещения трансформированного изображения элементов НГС на материалах ДЗ с тематическими и топографическими картами; получения и анализа изометрических поверхностей, соответствующих распределению оптической плотности исследуемых фрагментов материалов аэрокосмической съемки. В рамках поставленных задач разработан и экспериментально подтвержден метод идентификации наледей среди широкого класса нивально-гляциальных объектов на основе построения и анализа кривых распределения площадей, занимаемых участками исследуемого изображения, которым соответствуют значения оптических плотностей, находящихся в заданном интервале.

Учитывая положительный опыт применения телевизионных и тепловизионных систем сбора информации с борта малой авиации, разработана и реализована технологическая схема интерактивной обработки данных, обеспечивающая решение задач оценки наледной опасности в зоне влияния инженерных сооружений линейного типа.

Автоматизированная обработка осуществлялась по следующим направлениям.

I. Обработка массивов наземной и дистанционной спектрорадиометрической информации в целях определения оптимальных параметров летно-съемочных работ, оценки влияния атмосферы и контроля пространственно-временной устойчивости спектроэнергетических характеристик основных элементов НГС на основе применения типовых программ статистической обработки данных для ПЭВМ.

2. Автоматизированная обработка сканерной информации на основе эксплуатации математического обеспечения и комплекса технических средств Главного Центра ВНИЦ "АИУС-агроресурсы" с целью получения количественной и графической, информации о плановом положении и морфометрических параметрах наледей.

В работе приведена последовательность и содержание основных этапов технологии применительно к решению поставленных задач.

В качестве теоретической основы создания комплекса информационных материалов наледной тематики принята концепция комплексной инвентаризации природных ресурсов по данным аэрокосмической информации, разработанная Востоковой Е.А., Кельнером Ю.Г., Сладкопевцевым С.А., реализованная на территории криолитозоны при создании комплекса тематических карт Южной Якутии (Гаврилов А.В., Кудрявцев В.А., Кондратьева К.А., Дунаева Е.Н., Топчиев А.Г.), в состав которого вошли карты наледной тематики и кадастр наледей. В ходе выполнения работ сформулированы и обоснованы следующие положения.

1. Создание комплекса информационных материалов наледной тематики является составной частью более общей задачи - комплексной инвентаризации природных ресурсов заданной территории, решаемой путем создания комплекса сопряженных тематических карт.

2. Создание комплекса карт осуществляется на обновленной по данным азрокосмической информации топооснове. При этом обеспечивается достоверность отображения гидросети, объектов инфраструктуры, населенных пунктов и т.д.

3. Применение ландшафтно-ключевого метода интерпретации материалов азрокосмической съемки определяет единство дешифрируемых ландшафтных контуров для всей серии карт наледной тематики. Это обеспечивает сопряженность тематической нагрузки по содержанию и контурам отображаемых объектов.

4. Материалы космической информации, используемые в качестве основы для выделения ландшафтных контуров и дешифрирования наледей, получены на обширные территории, соизмеримые с распространением гидрогеологических структур и крупных инженерных сооружений линейного типа в предельно короткие интервалы времени. Это определяет идентичность спектральных индикатрисс рассеяния генетически однородных объектов и, следовательно, устойчивость дешифровочных признаков по маршрутам съемки.

З.I. Кадастр и карта распространения наледей

Кадастр составляют данные о планово-высотном положении и морфометрических параметрах наледей. Дешифрирование наледей осуществлялось в соответствии с разработанной методикой в пределах районов, обеспеченных комплексом мониторинговой информации. Приведение линейных и площадных величин, Входящих в кадастр к истинным значениям осуществлялось на основе использования типовых алгоритмов и программ с учетом масштаба снимка, расстояния от местоположения наледи до центральной точки снимка и абсолютной отметки ее формирования. Вычисление объемов наледей производилось исходя из параболической зависимости между объемами и площадями наледных тел с учетом нормирующих коэффициентов, рассчитанных для различных бассейнов наледного питания Восточной Сибири. Расчет расходов наледного питания для элементарной НГС при формировании одиночных наледей проводился по схеме Соколова Б.Л. (ГГИ).

Сбор и обработка количественной информации о наледях выполнялись по единой методике с использованием однотипного дешифровочного оборудования и вычислительных средств.

Контроль результатов измерительного дешифрирования осуществлялся на основе данных полевой инструментальной съемки и привлечения фондовой информации изыскательских партий и проектных организаций.

Карты распространения наледей выполнены в той же проекции и разграфке, что и топографические карты соответствующего масштаба.

3.2. Методические основы создания карты оценки естественных ресурсов подземных вод по данным наледных характеристик

Обоснование возможности использования наледей для региональной оценки естественных ресурсов подземных вод в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород и наледной составляющей подземного стока для районов развития прерывистой и островной мерзлоты дано в работах Толстихина О.Н. и Соколова Б.Л.

Указанные характеристики нашли отражение в легенде карты оценки естественных ресурсов подземных вод зоны свободного водообмена.

3.3. Содержание комплекса сопряженных карт наледной тематики

В состав комплекса входят карты распространения наледей, оценки естественных ресурсов подземных вод и условий формирования наледей.

I. В качестве плановой основы для нанесения тематической нагрузки карты оценки естественных ресурсов подземных вод принята карта распространения наледей заданного региона. Специальная часть тематической нагрузки карты включает в себя следующие виды информации: значения модулей наледной составляющей подземного стока, отображенные различными видами штриховки; объем и генезис наледей по пяти градациям, отображенные знаковым способом. Зарамочная таблица позволяет определить суммарный дебет наледеобразующих источников (л/сек) и значение модуля наледной составляющей подземного стока (л/сек км2), рассчитанные для бассейнов наледного питания с измеренной площадью (км2).

2. Карта условий формирования наледей содержит сведения о распространении первых от поверхности водоносных горизонтов или комплексов с подробной характеристикой типа вод по генезису и характеру циркуляции, а также отношению к многолетнемерзлым породам. Мерзлотные условия и участки распространения сквозных водовыводящих таликов в местах локализации наледей отображены знаковым способом. Неотъемлемой частью рассматриваемой карты являются отображаемые в принятой системе знаков дизъюнктивные нарушения различного возраста, заложения и кинематического типа. Анализ условий формирования наледей требует районирования территории исследования с целью выделения регионов со сходными условиями наледеобразования. Поэтому на рассматриваемой карте отображены границы районов и соответствующие им индексы. В легенде даны характеристики современной геологической структуры и рельефа для выделенных районов. Легенда совмещена с гистограммами распределения площадей и абсолютных отметок формирования наледей, а также азимутов наледных долин.

Комплексный анализ информации, содержащейся на сопряженных тематических картах наледной тематики, осуществляется в целях решения теоретических и прикладных задач наледеведения с привлечением кадастра и карты распространения наледей.

Разработанная система аэрокосмического мониторинга НГС была апробирована на различных этапах ее совершенствования за десятилетний период (I980-I99I гг.) в различных регионах страны. Основной объем научных и экспериментальных материалов получен в контрастных по условиям наледеобразования Южно-Якутском и Восточно-Памирском регионах. Это определило структуру и содержание 4 главы диссертационной работы.

4.I. Южно-Якутский регион

Реализация программы аэрокосмического мониторинга НГС на территории Южно-Якутского региона позволила количественно подтвердить ранее установленные закономерности развития неледных геосистем, а также выявить и дать интерпретацию принципиально новым особенностям условий формирования и динамики наледных процессов.

I. При сохранении за десятилетний период среднего значения наледной составляющей подземного стока неизменным для всего Чульманского адартезианского бассейна отмечается перераспределение исследуемого параметра в отдельных частях структуры: возрастание его в гидрогеологической зоне, прилежащей к Южно-Якутскому разлому, и уменьшение не большей части территории исследования;

2. Подтверждена установленная ранее зависимость интенсивности проявления наледных процессов в различные годы от комплекса метеорологических параметров: количестве осадков осенне-летнего периода, предшествующего началу наледеобразования; высоты снежного покрова и хода отрицательных температур;

3. Плановая миграция наледей наиболее интенсивна в долинах, заложенных по древним дизъюнктивным нарушениям, направление которых совпадает с простиранием новейших разломов к минимальна в местах пересечения ими речных долин;

5. Наибольшая интенсивность наледных процессов отмечается на участках развития сквозных напорно-фильтрационных таликов, приуроченных к ортогональным нарушениям субширотного и субмеридионального простирания;

б. Наиболее крупные наледи, формируемые источниками подмерзлотных вод, функционирующими в течение всего воднокритического периода субширотных зонах, соответствующих долгоживущим расколам в фундаменте Чульманской мезокайнозойской впадины;

7. Данные аэрокосмического мониторинга наледных геосистем позволяют на основе исследования многолетней динамики планового положения наледей, их морфометрических параметров, а также режима роста и таяния выделить на территории Алдано-Тимптонского междуречья две субширотные и субмеридиональную зоны, определяющие следующие особенности наледепроявлений;

- выделенным зонам соответствуют наиболее крупные наледи территории;

- рост большинства наледей продолжается в течение всего воднокритического периода;

- наиболее крупные наледи по многолетним данным не изменяют своего планового положения;

- модул наледной составляющей подземного стоке в пределах выделенных зон имеют максимальные значения;

- в субширотной гидрологической зоне, прилежащей к Южно-Якутскому разлому, по сравнению со среднемноголетними данными, отмечается рост числа наледей, их суммарных площадей и модулей наледной составляющей подземного стока.

8. Разработанные методы, дополняя традиционные, позволяют анализировать закономерности высотного и площадного распространения наледей. В частности, путем статистической обработки данных о 300 наледях Алдано-Тимптонского междуречья и 602 наледях зоны Малого БАМа установлено:

- каждому из выделенных типов мерзлотных условий на участках наледеобразования соответствует определяемый ими характер распределения площадей наледей;

- гистограммы распределения площадей, абсолютных отметок формирования наледей и азимутов прямолинейных участков наледных долин на территории Алдано-Тимптонского междуречья, полученные для мерзлотно-инженерно-геологических районов, закономерно группируются характеризуя области со сходными условиями наледепроявлений;

- распределение азимутов прямолинейных участков наледных долин указывает на преобладание в пределах Алдано-Тимптонского междуречья трех главных направлений: субширотного, субмеридионалъного и диагонального, соответствующих общему структурному плату территории.

С позиций теории наледеведения наибольший интерес представляет впервые установленные в масштабах распространения гидрогеологических структур закономерности динамики наледных процессов во внутригодовом и многолетнем циклах.

В долинах, направление которых совпадает с простиранием новейших разломов, линейные размеры распределяющих грунтово-фильтрационных таликов превышают протяженность наледных полян. Поэтому плановая миграция наледей происходит на участках протяженностью до 3-5 км. Иной характер саморазвития наледей отмечается на участках, где долина. заложенная по тектоническому разрушению, пересекается вкрест простирания новейшим дизъюнктивным нарушениям. В этом случае обновление "залеченного" мерзлотой тектонического нарушения осуществляется в отличив от рассмотренного выше случая лишь на локальном участке пересечения древнего и новейшего цизъюнктивов. Поэтому протяженность "активного" участка речной долины в пределах которого осуществляется миграция наледи, ограничивается контурами наледной поляны.

Другой важной закономерностью, установленной по результатам анализа данных аэрокосмического мониторинга НГС за IO-летний период, является изменение значений площадей наледей в бассейнах рек на территории Чульманского адартезианского бассейна и краевых частей Алданского гидрогеологического массива. Приведенные в работе данные показывают, что за IO-летний период суммарные значения площадей наледей большинства притоков р. Чульман, фиксируемые по материалам космической съемки, возросли. Не фоне этой тенденции отмечено, что в гидрогеологической зоне, прилежащей к Южно-Якутскому разлому, отмечается возрастание значений модулей наледной составляющей подземного стока практически всех НГС и, следовательно, числа и объемов наледей. Обратная тенденция характерна для внутренних частей Чульманского адартезианского бассейна.

Анализ материалов аэрокосмического мониторинга НГС, а также данных наземных исследований в пределах наледных полигонов позволяет в качестве наиболее вероятных выдвинуть следующие гипотезы, поясняющие установленную закономерность.

I. За последние IO лет на территории Алдано-Тимптонского междуречья, по данным ряда авторов, отмечается повсеместная деградация многолетнемерзлых пород. Это обстоятельство по разному влияет на динамику НГС в различных частях рассматриваемой гидрогеологической структуры. Для внутренних частей Чульманского адартезианского бассейна отмечается увеличение емкости водораздельных радиационно-инфильтрационных таликов, выделенных при мерзлотно-гидрогеологическом дешифрировании материалов многозональной космической информации. Это явление сопровождается снижением пьезометрических уровней в области питания НГС, а также увеличением объемов подрусловых и пойменных грунтово-фильтрационных таликов, сопровождаемое возрастанием их пропускной способности и, следовательно, снижением гидростатических и криогенных напоров на участках наледеобразования.

В гидрогеологической зоне, прилегающей к Южно-Якутскому разлому, большинство наледей формируется на участках распространения сквозных гидрогенных и гидрогеогенных напорно-фильтрационных таликов. Деградация многолетнемерзлых пород приводит к увеличению сечения водовыводящих таликов, что неизбежно вызывает увеличение дебитов наледеобразующих источников, фиксируемых по материалам космической информации.

2. По данным Чульманской сейсмической станции института геологии Якутского филиала СО AH СССР, в тектонической зоне, прилегающей к Южно-Якутскому разлому, рост числа и размеров наледей сопровождался оживлением сейсмической активности.

Неизбежным следствием активизации тектонической активности является обновление "залеченных" мерзлотой сквозных водовыводящих таликов с соответствующим увеличением объемов и числа наледей. Такие явления имеют распространение практически во всех сейсмоактивных регионах криолитозоны и неоднократно отмечались для Чарской котловины и Северо-Востока СССР.

3. Коэффициент трещинной пустотности в зонах наиболее крупных, особенно ортогональных разрывов, на плоских водоразделах внутренних частей Чульманского адартезианского бассейна у поверхности достигает 8-1О м. Соответственно этому значения коэффициентов фильтрации составляют 0, 8-2,2 м/сут по сравнению с 0,02-O,I м/сут вне указанных зон. Карты изогипс, построенные по данным наземных измерений, обнаруживают закономерно вытянутые вдоль разломов поднятия уровней залегания подземных вод.

В теплый период года зоны разломов в пределах радиационно-тепловых водораздельных таликов Чульманского плато являются основными участками питания подземных вод, поглощая большую часть осадков и вод деятельного слоя. На водоразделах с островной мерзлотой локализованные зоны инфильтрации опознаются по участкам сосновых и сосново-лиственичных лесов сухих местопроизрастаний, линейно вытянутых вдоль разломов. Это отчетливо отражается на материалах спектрозональной съемки и позволяет провести уверенное дешифрирование зон питания НГС данного типа.

В гидрогеологической зоне Южнo-Якутского разлома областям питания НГС соответствуют системы тектонических нарушений, зоны оперяющей их трещиноватости и дробления. Эти объекты также отчетливо дешифрируются по материалам космической съемки через систему прямых и косвенных признаков.

Таким образом, для внутренних частей Чульманского адартезианcкoгo бассейна отмечается увеличение водопоглощающей способности пород. Это приводит при прочих равных условиях к снижению пьезометрических уровней и гидростатических напоров в водоносных горизонтах, аккумулирующих наледеобразующиее воды и, следовательно, значений модулей наледной составляющей подземного стока.

В зоне разгрузки адартезианского бассейна, прилежащей к Южно-Якутскому разлому, рассматриваемый кинематический тип дизъюнктивов и областей питания НГС, напротив, определяет обновление "залеченных" мерзлотой водовыводящих таликов с соответствующим увеличением дебита наледеобразующих источников, ростом числа и объемов наледей.

Другим направлением, реализуемым в ходе аэрокосмического мониторинга НГС, является исследование закономерностей изменчивости морфометрических параметров наледей во внутригодовом цикле. Анализ материалов космической информации и результатов их обработки с использованием аналого-цифровых и оптико-электронных интерактивных систем в соответствии с методикой основные положения которой изложены выше, позволяет дифференцировать НГС по характеру питания и разгрузки наледеобразуащих вод на две группы. К первой из них были отнесены наледи, формирование которых продолжается в течение всего водно-критического периода за счет источников, разгружающихся по сквозным напорно-фильтрационном таликам; ко второй - наледи, питание которых прекращается в первой половине зимы, после промерзания замкнутых подрусловых и пойменных таликов.

Наледи первой из этих зон располагаются в субширотном направлении вдоль Южно-Якутского разлома в бассейнах рек Малый и Большой Олонгра, верховьях Унгры, Самокит и Верхняя Нерюнгра, Улахан-Нохот, а также среднем течении р. Горбыллах. Другая, значительно менее четко выраженная зона, простирающаяся такое в субширотном направлении, расположена севернее. Этой зоне принадлежат наледи, формирующиеся в бассейнах рек Барыллах-0лонгро, верховьях Альдакая, среднем течении рек Синсирик, Унгры, Якокита, Нижней и Верхней Талумы. Третьей субмеридиональной зоне, соответствуют наледи, формирующиеся в пределах бассейна реки Большой Беркакит, нижних частях долин рек Самокит, Верхняя и Нижняя Нерюнгра, среднем течении ручья Локучакит, Верхней Талумы, Амнуначи, а также севернее, в верховьях Сап-Кюеля и Верхней Хотами.

Эти данные, дополняя теоретические представления о циклах саморазвития НГС и динамики наледных процессов, имеют важное народнохозяйственное значение при инженерно-геологической оценке территории, разработке противоналедных мероприятий, создании комплекса картографических материалов мерзлотно-гидрогеологической тематики, изысканий источников подземными вод и оценки их ресурсов.

4.2. Восточно-Памирский регион

Наледные процессы слабо изучены в пределах труднодоступного Восточно-Памирского региона. Вместе с тем, именно здесь в пределах высокогорных впадин, зандровых и троговых долин широко распространены наледи, формируемые водами глубокой циркуляции, уверенно дешифрируемые по материалам аэрокосмической информации. Анализ кадастра и комплекса картосхем наледной тематики, выполненных по данным аэрокосмического мониторинга в соответствии с методикой, изложенной в разделах З.I, 3.2, 3.3 показал, что наледи подземных вод достигают здесь гигантских размеров, часто перелетовывают, формируются водами глубокого стока, разгружающимися по гидрогенным напорно-фильтрационным таликам. Это позволяет реализовать преимущества разрабатываемых методов и установить новые данные, дополняющие теорию наледных процессов, а также получить информацию о планово-высотном положении и морфометрических параметрах наледей, необходимую для оценки ресурсов и изыскания источников подземных вод в целях водоснабжения высокогорных пастбищ, промышленных и гражданских .объектов.

Определены характерные особенности структурно-тектонической обстановки формирования наледей в пределах Каракульской котловины Восточного Памира. Наледи выступают как надежные индикаторы региональных разломов, являюшихся границами структурно-фациальных зон.

Установлено, что интенсивность проявления наледных процессов, динамика в к многолетнем цикле развития, в также миграция наледей в пределах речных долин определяются характером современных тектонических движений.

На участках наиболее контрастных современных тектонических движений формируются наиболее крупные наледи района исследования. В данном случае наледи являются дополнительными признаками, позволяющими выделить такие участки.

Количественный анализ данных аэрокосмического мониторинга позволил установить особенности циркуляции подземных вод, определяющие условия формирования наледей Восточно-Памирского региона.

I. Водоносный комплекс верхнечетвертичных современных отложений наиболее широко распространен на территории Кара-Кульской котловины в северной, восточной и южной части. Питание водоносного комплекса осуществляется за счет инфильтрации вод потоков, берущих начало на водораздельным частях хребтов, и в меньшей степени за счет атмосферных осадков, в виде дождя и снега. Разгрузка подземных вод происходит в понижениях рельефа, в виде нисходящих родников, находящихся на границе различных генетических комплексов или в местах выклинивания литологических разностей пород. Такие источники в большинстве случаев являются наледеобразующими.

2. Водоносный комплекс среднечетвертичных отложений на территории исследования распространен в долинах рек Караарат, Музкол, Караджилга и местами в долине р. Акджилга. Водовмещающие породы представлены ледниковыми образованиями, сложенными валунами, галечниками с песчано-суглинистыми заполнителями. В ряде случаев эти породы являются областями питания наледеобразующих источников, выполняя роль промежуточных коллекторов ледниковых вод и атмосферных осадков. Таковы условия питания группы наледей близ впадения рек Акбайтал и Музкол. Наиболее крупные наледи формируются группой источников, разгрузка которых приурочена к Караартской разрывной структуре. Локализация источников обусловлена наличием сквозных гидрогеогенных таликов под руслом р. Музкол. Питание наледей осуществляется водами водоносного комплекса срегнечетвертичных отложений.

3. В ряде случаев транзит наледеобразующих вод осуществляется в пределах замкнутых гидрогенных таликов. Локализация источников в местах формирования наледей обусловлена сужением подруслового потока на участках выхода терригенно-вулканогенных пород мезозойского возраста, представляющих собой естественный барраж подрусловому грунтово-фильтрационному потоку.

4. Значительное число наледей формируется вблизи пролювиальных, коллювиальных или лавинных конусов выноса, отчетливо дещифрируемых на КС. В ряде случаев пролювиальные конусы выноса служат естественными коллекторами талых ледниковых вод и атмосферных осадков. Разгрузке наледеобраэующих источников осуществляется на участках смены литолого-фациальных условий. Так, наиболее крупные наледи урочища Караджилга формируются на низкой пойме в долине р. Караджилга. Питание наледей происходит за счет талых вод ледника Октябрьского, фильтрующихся в пролювиальных отложениях гигантского конуса выноса. Разгрузка наледеобразующих источников осуществляется ниже перехода от пролювиальных отложений конуса вынос к аллювиальным отложениям долины р. Караджилга по сквозным гидрогеогенным напорно-фильтрационным таликам, приуроченным к Уйбулакской разрывной структуре в местах омоложения ее кайнозойскими разломами.

4.3. Дистанционная оценка наледной опасности на Амуро-Якутской магистрали

Внедрение методов аэрокосмического мониторинга НГС в практику проектно-изыскательских работ организаций системы Минтрансстроя осуществлялось совместно со специалистами МОСГИПРОГРАНС (Королев А.А., Кондратьев В.Г.) на примере участков трассы БАМ (ст. Тында - ст. Ургал) и АЯМ (ст. Вида - ст. Беркакит).

В ходе работ были поставлены и решены следующие задачи:

I. Разработаны технико-экономическое обоснование системы дистанционного инженерно-геологического мониторинга в зоне влияния действующих объектов транспортного строительства и комплекс нормативно-методических материалов, регламентирующих действия бортоператоров и специалистов по обработке мониторинговой информации.

2. Реализована программа дистанционного мониторинга действующих и проектируемых участков БAM и AЯM с использованием самолета ТУ-134 СХ, оборудованного штатными системами ДЗ, и АН-2, обеспеченного бортовым комплексом в конфигурации, изложенной в разделе 2.1.

3. Осуществлен сопряженный анализ мониторинговой информации в соответствии с методикой, изложенной в разделе 1.3. Окончательный анализ комплекса выходной информации осуществлялся на основе методики организации противоналедной защиты, разработанным Новосибирским филиалом НИИ Транспортного строительстве (Бурыкина Н.И.). Анализ эффективности противоналедных мероприятий был выполнен с учетом факторов техногенного воздействия на условия наледеобразования для различных генетических типов наледей. Количественная оценка осуществлялась на основе разработанного коэффициента эффективности противоналедных мероприятия. Выводная информация представлена в табличной и картографической форме.

В процессе выполнения исследований и период с 1975 по 1991 гг. разработаны теоретические основы, методология и проведено внедрение методов аэрокосмического мониторинга наледных геосистем в практику деятельности отраслевых центров дистанционного зондирования, проектных и изыскательских организаций. Получен обширный объем экспериментальных данных.

Анализ и систематизация материалов с целью определения их значимости для развития теории и практики дистанционного зондирования природных ресурсов Земли позволяет сформулировать основные результаты и выводы завершенного цикла исследований.

1. Определены основополагающие теоретические и методологические положения нового научного направления "Исследование и картирование наледных геосистем по данным аэрокосмического мониторинга".

I.I. Разработана схема подразделения наледей с учетом преимуществ и ограничений методов аэрокосмического мониторинга НГС. Теоретически и экспериментально обоснована возможность дифференциации наледей по типу питания и характеру разгрузки наледеобразующих вод.

I.2. Обоснована с позиций теории наледеведения структура и организация аэрокосмического мониторинга НГС, базирующаяся на учете требований, вытекающих из иерархической системы функциональных задач и возможностей систем дистанционного зондирования в видимом, ближнем ИК, тепловом и СВЧ-диапазонах с использованием авиационных и космических платформ.

I.З. Создана лабораторная экспериментальная установка в целях моделирования природных НГС и оптических измерений в видимом и ближнем ИК диапазонах посредством которой проведены исследования по определению оптимальных параметров ДЗ, состава бортовых информационно-измерительных систем и природных условий фотографирования.

2. Разработаны и экспериментально апробированы методы и технические средства реализации программы аэрокосмического мониторинга НГС.

2.2. На основе теоретических и экспериментальных исследований определен оптимальный состав бортовых систем ДЗ, а также космических и орбитальных платформ для их размещения.

2.3. Эксплуатация аналого-цифровых и оптико-электронных систем позволила определить оптимальную конфигурацию технического комплекса и режим использования средств интерпретации, требуемую точность измерения, виды выходной информации и формы ее представления.

3. На основе разработанных методов интерпретации мониторинговой информации впервые создан комплекс сопряженных карт наледной тематики и кадастр наледей Южно-Якутского региона.

Результаты внедрены в практику при оценке ресурсов подземных вод и изысканий источников водоснабжения, оценке наледной опасности в зоне влияния трасс БАМ и АЯМ.

4. Проведен анализ комплекса сопряженных карт, полученных по данным аэрокосмического мониторинга НГС, на примере Южно-Якутского и Восточно-Памирского регионов. В результате установлены и обоснованы выводы дополняющие теорию наледных процессов.

4.I. При сохранении за IO-летний период среднего значения наледной составляющей подземного стока неизменным для всего Чульманского криогенного адартезианского бассейна прерывистого промерзания (в пределах точности измерений, составляющей 5-7%), отмечается перераспределение исследуемого параметра в отдельных частях структуры: возрастание его в гидрогеологической зоне, прилегающей к Южно-Якутскому разлому и уменьшение на большей части исследования. Аналогичная тенденция отмечается при изучении динамики планового положения и морфометрических параметров наледей: за десятилетний период отмечается рост числа наледей и увеличение их объемов в гидрогеологической зоне, прилежащей к Южно-Якутскому разлому. Обратная тенденция характерна для внутренних частей Чульманского адартезианского бассейна. В работе выдвинуты и обоснованы гипотезы, объясняющие впервые установленные закономерности.

4.2. Анализ динамики морфометрических параметров наледей Кара-Кульской котловины, выполненный по данным аэрокосмического мониторинга, указывает на преобладание среди прочих причин и факторов наледеобразования сейсмотектонических факторов установлено влияние на активизацию процессов наледеобразования высокомагнитудных землетрясений, совпадающих по времени с наиболее важным для восполнения наледеобразующих вод осенне-летним периодом. Определено и обосновано значение наледей в качестве индикатора сейсмогенных разломов и дополнительного признака прогнозирования землетрясений.

4.3. Картирование и массовый статистический анализ кадастровых параметров наледей совместно с анализом широкого комплекса природных условий их формирования для Южно-Якутского и Памирского регионов позволил установить общие черты развития процессов наледеобразования..

4.3.I. Крупные наледи, формируемые источниками подмерзлотных вод, разгружающихся по напорно-фильтрационным таликам, наиболее широко распространены в области интенсивных неотектонических, движений и приурочены к местам омоложения сети древних тектонических нарушений, секущими их новейшими нарушениями.

4.3.2. Зоны интенсивного наледеобразования (выделенные по данным мониторинга) соответствуют крупным долгоживущим расколам в фундаменте Чульманской впадины в Южно-Якутском регионе и сейсмотектоническим разрывным структурам (Уйбулакская) в Восточно-Памирском регионе.

Наледи подземных вод, формируемые водами глубокой циркуляции, разгружающимися по гидрогенным таликам, представляют собой дополнительный надежный дешифровочный признак, маркируя как долгоживущие разломы так и сейсмогенные зоны.

4.4. Гистограммы распределения площадей, абсолютных отметок формирования наледей и азимутов прямолинейных участков наледных долин, полученные для различных мерзлотно-инженерно-геологических районов на территории Южно-Якутского региона, закономерно группируются, характеризуя отдельные части гидрогеологических структур со сходными условиями наледепроявлений. Это позволяет использовать результаты статистической обработки параметров наледей для инженерно-геологического районирования территории.

5. Разработана и экспериментально апробирована система дистанционной оценки наледной опасности объектов дорожно-транспортного строительства и контроля состояния противоналедных сооружений. Результаты работ внедрены в практику в системе МОСГИПРОГРАНС на примере дистанций пути Байкало-Амурской и Амуро-Якутской магистрали.