Репрезентативные точки на земной поверхности как основа закладки сети мониторинга

Выбор репрезентативных точек наблюдения сети экологического мониторинга.

Как указывалось ранее, попытки обоснованного выбора таких точек неизвестны. Обычно наблюдения и измерения различных параметров и характеристик осуществляются в произвольно или условно (по геометрически правильной сети) устанавливаемых точках не только экологами, исследующими антропогенные воздействия без учета дифференциации ОС, но и геологами и географами разного профиля. А ведь от выбора точек наблюдения зависят их эффективность — затраты труда и времени, а также ценность (точность, полнота, представительность, сравнимость, возможности истолкования) получаемого эмпирического материала. По мнению В. И. Стурмана (2000), цель выбора точек — «обеспечение типичности результатов», поскольку если «практические выводы распространяются на площади, научные привязаны к точке» (Д. Л. Арманд, 1975). Поэтому данный автор вслед за Ю. К. Ефремовым (1960) и Д. Л. Армандом (1975) придерживается идеи о выделении в пределах ландшафтов неких «ядер типичности», в которых и следует размещать репрезентативные точки наблюдения экологического мониторинга.

Но если говорить о ландшафте не как об «элементарном» ландшафте (т. е. расположенном в пределах одного местоположения), а как о геосистеме, состоящей из разнородных элементов (фаций, урочищ, местностей), приуроченных к разным по своим геотопологическим параметрам местоположениям, то выделение ядер «типичности» в их пределах для обеспечения типичности результатов весьма проблематично, если вообще возможно. Как уже указывалось, микроклиматические различия между фациями одного подурочища южной тайги равны межзональным различиям, а определяемый ими биотический облик фаций настолько разнится, что они как бы принадлежат разным природным зонам (в нашем случае — от лесотундровых до смешаннолесных). Как в таком случае определить ядро типичности — пойти по пути климатологов и метеорологов и выбирать для метеоплощадок выровненные места на водораздельных поверхностях, лишенные древесной растительности, чтобы свести к минимуму влияние местных, связанных с рельефом местности условий? А как быть в условиях селитебных ландшафтов (населенных пунктов)? Само название статьи Г. А. Исаченко (2001) «Типология местоположений СанктПетербурга как основа для долговременного мониторинга городских ландшафтов» свидетельствует о том, что есть лишь один способ решения проблемы размещения репрезентативных точек экологического мониторинга.

Учитывая, что ландшафтно-экологические исследования за некоторыми исключениями (при использовании аэрофотои фотокосмических материалов) носят не площадной, а точечный характер и что однородность элементарных единиц ландшафтной и геокомпонентной дифференциации относительна, а каждое место в ландшафтно-геоэкологическом пространстве обладает долей уникальности, необходимо найти в нем такие точки наблюдения (измерения, мониторинга, донного опробования и т. д.), которые удовлетворяли бы следующим требованиям: а) определенности положения в его структуре; б) однозначности фиксации на карте и уверенного отыскания на местности; в) минимизации зависимости наблюдаемых параметров от местных или локальных условий; г) представительности в них картируемых элементарных единиц дифференциации; д) их максимальной информативности.

Перечисленные требования выполнимы при использовании в качестве репрезентативных характерных точек в рельефе и ландшафтной оболочке, таких, которые образуются в результате пересечения каркасных линий двух взаимно-перпендикулярных систем структурной координатной сети. С одной стороны, они (аналогично вершинам в кристалле) в совокупности с площадными и линейными элементами (гранями и ребрами кристалла) наиболее выдаются и наиболее полно характеризуют морфологию ландшафтов, с другой — каждая из них имеет отношение сразу к нескольким структурным линиям и элементарным ландшафтам, что позволяет резко сократить объем наблюдений, увеличивает информативность измеренных показателей и облегчает истолкование их значений.

Полная группа репрезентативных точек (см. подразд. 4.6) выявляется на матрице с перечислением на одной ее оси линий системы X, а на другой — линий системы Y в пределах рельефа с коэффициентом анизотропии К_ш < 0. Направление Y представлено, во-первых, гребневыми и килевыми линиями L₁ и 1₂, проведенными в рельефе с положительной анизотропией и являющимися верхними и нижними ограничениями элементарных ландшафтов и Р_п_₂, и, во-вторых, этими же линиями L₍₁₎ и L₍₂), выделяемыми в рельефе с отрицательной анизотропией. При К_ш < 0 границы вдольгребневых и вдолькилевых ландшафтов отличаются друг от друга противоположными (или близкими к ним) инсоляционной, циркуляционной и гравитационной экспозициями, в то время как отрицательная анизотропия означает отсутствие той роли, которая отводится линиям I типа в элементаризации и членении земной поверхности. Названные неповерхностеобразующими линии Lq) и 1₍₂) ^не ограничивают, а осложняют элементарные ландшафты. Находящиеся по обе стороны от них (см. рис. 38) две части каждого ландшафта составляют неделимую элементарную единицу или поверхность с азимутами ее падения, лежащими в одном квадранте. При К_ш > 0, наоборот, азимуты падения векторных линий в разделенных элементарными границами и L₂ двух ландшафтах Pj__m или Р_п_₂ различаются более чем на 90°.

Отличия линий и 1₂ от L₍₁₎ и 1₍₂₎, предусмотренные легендой геоморфологической карты, проявляются и в разных приемах их трассирования (см. подразд. 4.6.). Являясь неповерхностеобразующими, они вместе с тем относятся к каркасным репрезентативным линиям, наиболее ярко представляющим те элементарные ландшафты, которые пересекаются ими сверху вниз по склону.

Из точечных элементов репрезентативны точки пересечения и сочленения каркасных линий I и III типов, а также этих линейных элементов с морфоизографами. Точки-узлы С₃__т и С₄__т (при т = 1, 2,…, 7), включаемые в конечное множество точечных элементов, характерными в полном смысле слова (вершинами) не являются и, кроме того, крайне редко встречаются в рельефе. Это же следует сказать об исключенных из числа репрезентативных всех точках сочленения, среди которых относительно часто встречаются лишь варианты С_г__г, С_г_^, С₂_2 ^и С₂_(2)• Данные разновидности предусмотрены в табл. 49 в качестве репрезентативных точек как сочленения, так и пересечения одноименных линий. Точки пересечения антиподальных линейных элементов С₁_₂, С₍₁₎_₂ и С_г_^₂) фиксируют антецедентные и (или) изгибающиеся в плане (долины огибания) участки долин, а также седловины, образованные в результате пересечения продольной гребневой линии поперечной килевой линией Ь₂. К репрезентативным относятся также показываемые специальными знаками на геоморфологической карте точки, приуроченные лишь к одной из линий I типа (С-^, С_г~, С₂⁺, С₂~) и наиболее низкие и не связанные с каким-либо линейным элементом (С₀⁺ и С₀^-). Не являются характерными (вершинами) точки С_т_₇. Однако их следует считать репрезентативными в том смысле, что чаще всего они принадлежат сразу четырем смежным элементарным ландшафтам и характеризуются однородной анизотропией (К_ан = — 1).

Таблица 49

Полная группа характерных репрезентативных точек

Наиболее распространенные репрезентативные характерные точки занимают в структуре ландшафтной оболочки строго определенное положение, одновременно относясь к двум латеральным системам структурной координатной сети. Это обусловливает однозначность их фиксации на карте, максимальную информативность и широкие возможности истолкования полученных в них значений исследуемых параметров, а также использования метода геотопологической интерполяции и экстраполяции при отражении распределения последних в ландшафтно-геоэкологическом пространстве.

Следующее требование —уверенное отыскание каждой точки на тех же материалах, но значительно более крупных масштабов и одновременно отыскание в полевых условиях при проведении исследований. Выполнение данного условия позволяет репрезентативным точкам выступать в роли реперов — опорных или проверочных точек, закрепленных на местности (знаками: столбом, рейкой, вешкой, буем и др.) и на крупномасштабных картах (планах, планшетах промера, аэрофотоснимках и т. д.) для многоразовых наблюдений при ландшафтном мониторинге.

Характерность репрезентативных точек определяется тем, насколько они выступают в надлитосферную часть ландшафтной оболочки либо, наоборот, заглубляются в ее литогенную основу. Вместе со структурными линиями I и III типов данные точки как бы создают «проволочный каркас, на который натянута земная поверхность». Максимально выступают точки С₀+, С₁₋₅ и С-^, а заглублены точечные элементы С₀^-, С₂_6 и С₂~. Важные элементы каркаса — антиподальные вершины-узлы С₁_₁ и С₂_₂. Некоторые характерные точки выдаются (С_а_₅, С₍₁₎_₅) или заглубляются (С₂_₆, С₍₂₎_₆) сразу в двух направлениях структурной координатной сети. Позиция других в этом каркасе более противоречива: выступая в одном направлении сети, они утоплены в ее второй латеральной системе (С_х_₆, С₍₁₎_₆ и С₂_₅, С₍₂₎_₅).

Требование показательности характерных точек или наиболее полной представительности полученных в них данных о геологогеографических и экологических свойствах элементарных ландшафтов нашло отражение в предлагаемом названии этих точечных элементов («репрезентативные точки»). Казалось бы, наиболее представительны точки, занимающие самое характерное и максимально приближенное к геометрическому центру положение внутри каждого ландшафта. Однако организация сети ландшафтно-экологических наблюдений по такому принципу имеет существенные недостатки: 1) оценивает любой интересующий нас геолого-географический и экологический параметр в виде одного-единственного значения для каждого элементарного ландшафта, в то время как часто на большой его площади данный параметр может сильно изменяться и поэтому должен быть представлен диапазоном величин; 2) не гарантирует однозначности их фиксации на карте и отыскания на местности, ибо если приуроченность их к наиболее ярко представляющим элементарный ландшафт и характерным для него репрезентативным линиям L₍₁₎ и 1₍₂₎ может быть общепринята, то расположение точек на этих линиях (сверху вниз на склоне) чаще всего вызывает разночтения даже при условии проведения по этим линиям детального профилирования (нивелирования); 3) не позволяет оценить приходную и расходную части баланса экологически значимых компонентов, поступающих и выносимых из него наиболее важными нисходящими потоками по земной поверхности и в ее ближайшей окрестности, что в свою очередь отрицательно сказывается на экологическом прогнозировании и оценках.

Для устранения этих недостатков предлагается наблюдать и измерять экологические параметры на границах каждого элементарного ландшафта (экотопа) Р_п-_т по его верхней (Ь_п) и нижней (L_m) границам в боковых точках их пересечения с морфоизографами (две точки.

С_п_₇ и две точки C_m_₇), а также в точках их пересечения с репрезентативной линией L₍₁₎ (для выпуклых в плане ландшафтов Р точки С₍₁)__т и С₍₁₎_") или 2) (для вогнутых в плане ландшафтов Р точки С (₂)__т и С (2)_")-(см. рис. 38, Б). Для выдержанных по простиранию ландшафтов (Р) аналогом репрезентативной линии служит медианная линия, идущая сверху вниз по склону и соединяющая середины верхней и нижней границ.

Следовательно, для каждого экотопа (элементарного ландшафта) экологически значимые параметры оцениваются в шести точках. Такая сеть наблюдений с количеством точек, превышающим отвергнутый выше вариант в общем случае в 2,2—2,5 раза, лишена его недостатков и имеет дополнительные преимущества. Во-первых, она предусматривает определение диапазона значений исследуемого параметра, которые чаще всего испытывают наибольшую изменчивость в направлении Y — по репрезентативным линиям 1₍₁₎ или L₍₂) — и могут также меняться в направлении X от этих линий до боковых ограничений элементарного ландшафта. Определение диапазона не исключает оценку одного, среднего, значения данного параметра для характеристики ландшафта в целом. Во-вторых, предлагаемая сеть наблюдений обеспечивает прослеживание нисходящих внутрисистемных (в геосистеме) потоков от наиболее верхних, инициальных, до самых нижних, терминальных, репрезентативных точек, а также использование линий выпуклых и вогнутых перегибов 1₅ и 1₆ (между ближайшими морфоизографами — боковыми ограничениями одного элементарного ландшафта) в качестве своеобразных створов, с оценкой переносимых этими потоками экологически значимых компонентов на входе и выходе из него. В-третьих, пары точек С₍₁₎__т и С₁__п (или С₍₂₎__т и С₍₂)__п) наиболее ярко представляют весь комплекс геотопологических свойств ландшафта Р_п-_т СР_п-т) ^и контролируемых ими кинематических характеристик проходящих через него потоков.

И наконец, фиксация перечисленных в табл. 49 репрезентативных точек не требует дополнительных построений и однозначно осуществляется в ходе картографирования рельефа с точностью составления геоморфологической карты. Она же позволяет минимизировать зависимость измеряемых (вычисляемых) значений анализируемого показателя от местных или более локальных, не нашедших отражения на геоморфологической (геотопологической) карте особенностей рельефа, обусловливающих гидроклиматические, почвенные, биогеографические и экологические отличия данной точки и ее ближайшей окрестности от изучаемых и представляемых ею смежных элементарных ландшафтов в целом. Речь идет о том, что фиксируемая, например, на среднемасштабной карте репрезентативная точка может попасть на такое место, которое в натуре и на крупномасштабной карте (плане) представлено относительно контрастным рельефом с глубокими эрозионными врезами, с одной стороны, недостаточными по вертикальным и латеральным размерам для показа в виде совокупности элементов на составляемой геоморфологической карте, а с другой — существенно влияющими на распределение и перераспределение тепла, влаги и различных компонентов (на отражающие все это показатели).

Следует также иметь в виду, что фиксируемой на среднеи тем более на мелкомасштабной и обзорной карте репрезентативной точке на местности соответствует значительная территория. Исходя из теории геоморфологической генерализации, по мере увеличения масштаба картографирования нуль-мерный точечный элемент «приобретает» два измерения (увеличивает свою мерность на два) и на картах все более крупного масштаба может соответствовать экотопу (элементарному ландшафту), геосистеме и даже составной геосистеме (ландшафтной формации). Любая из этих единиц часто отличается сложным рельефом, создающим более локальную, но не менее контрастную геотопологическую дифференциацию. Необходимо, по возможности, полностью снять влияние последней, выбрав на данной территории (в пределах входящих в нее геосистем меньших размеров) такую точку наблюдения, в которой измеренные значения параметров были бы показательными по отношению к картируемым смежным элементарным ландшафтам, а не к их приграничным частям — элементам геосистем меньшего размера.

Для минимизации и полного устранения местных влияний на величины параметров, а также однозначного отыскания на местности зафиксированную на обзорной или мелкомасштабной карте репрезентативную точку следует вынести на крупномасштабные топографические или аэрофотои другие материалы (достаточно детальные для непосредственной привязки ее к местности) в виде окружности. Исходя из того что отдельная точка на карте уверенно различима в качестве самостоятельного знака при условии его линейного размера около 1 мм (К. А. Салищев, 1982), радиус этой окружности должен быть не менее 0,5 мм в масштабе составляемой геотопологической карты. Его величина должна также учитывать разную точность ее составления. В рамках окружности репрезентативной считается ближайшая к ее центру точка на верхних элементах рельефа: на элементарной поверхности Р₊₅ (плосковершинной), вершине С₀+, вершине положительной ундуляций С₁⁺ или занимающей максимальное гипсометрическое положение точке на линии L_v Выбор одной из этих точек (элементов) в качестве репрезентативной определяется тем, что она находится вне воздействия внутрисистемных процессов распределения и перераспределения вещества и энергии на том более локальном уровне, который не выражен на составляемой геотопологической карте.

В геотопологии репрезентативность точек уживается с их выдающимся («видным») положением на границах выделенных ландшафтов. Фиксируемые репрезентативные точки представляют на карте определенного масштаба экотопы (элементарные ландшафты) соответствующего данному масштабу размера. Вместе с тем надо иметь в виду, что на изученной части ландшафтно-геоэкологического пространства всегда есть другие (неиспользуемые в ходе проведенного исследования) репрезентативные точки, которые представляют более крупные и, наоборот, более мелкие единицы дифференциации, не нашедшие отражения на карте данного масштаба. Можно говорить о репрезентативных точках применительно, например, к ландшафтам, составляющим изображаемую на обзорной карте геосистему Восточно-Сибирского плоскогорья, или к элементам, совокупность которых на крупномасштабном плане отражает геосистему конечно-моренного комплекса небольшого горного ледника.