Актуальность: В условиях развития глобальных экологических проблем, вызванных ростом городов, сокращением естественных ландшафтов, загрязнением поверхностных и подземных вод, остро встаёт проблема определения научно-обоснованных приоритетов и направлений природопользования в пределах речных бассейнов, выполняющих роль экологических коридоров и поддерживающих целостность биосферы на локальном и региональном уровне.
Успешное решение многих задач физической географии требует разработки новых методических средств исследования условий дифференциации и функционирования геосистем, одним из факторов которых является водный сток.
Интегрирующие структурообразующие свойства водных потоков с разных сторон исследовались географами в рамках географо-гидрологического и бассейнового подходов. Каскадные ландшафтно-геохимические системы [Глазовская М.А., 1964], ландшафтно-гидрологические системы [Антипов А.Н., 2003], парадинамические системы (Мильков Ф.Н., 1986), геоциркуляционные (потоковые) ландшафтные структуры [Солнцев В.Н. и др., 2006], водосборные геосистемы [Сысуев В.В., 2003], и собственно геосистемы [Соча-ва В.Б., 1978; Ретеюм А. Ю., 1977] рассматриваются как взаимообусловленные системы природных компонентов и геосистем меньшей размерности, объединенные в единое целое как совместным развитием в одних орографических условиях, так и потоками вещества и энергии. Во всех работах априори принимается связь структуры и гидрологического функционирования ландшафтов.
Достижения геоморфометрии как науки о количественном описании рельефа [Shary P.A., 1995; Шарый П. А., 2006; Pike R.J. и др., 2008] позволяют применить многие классические подходы ландшафтоведения и увязать их с высокопроизводительными моделирующими возможностями геоинформационных систем с целью получения географических прогнозов и выработки экологически ориентированных планировочных подходов к развитию территории речных бассейнов на основе изучения процессов функционирования геосистем.
Всё это может служить теоретико-методологической основой ландшафтного планирования и проводимого на его основе функционального зонирования территории, для которых в настоящее время требуется активное внедрение методик количественного ландшафтно-экологического анализа.
Цель работы: разработка методологии ландшафтно-экологического анализа на основе геоинформационного моделирования для решения задач отраслевого ландшафтного планирования бассейнов малых рек с различным уровнем хозяйственной освоенности.
Для реализации намеченной цели решались следующие задачи:
1. Провести обзор современных методов геосистемного анализа бассейнов малых рек;
2. Подготовить информационную основу исследования: выявить основные особенности геосистемной дифференциации территории, создать детальные цифровые модели рельефа бассейнов рек Ушайки и Самуськи, составить крупномасштабные ландшафтные карты названных территорий, разработать комплексную базу геоданных изучаемых бассейнов;
3. Рассчитать, апробировать в полевых условиях и провести анализ распределения ключевых морфометрических параметров геосистемной дифференциации бассейнов малых рек;
4. Разработать методику фациальной дифференциации территорий бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования;
5. Разработать методику адаптации вычислений прогнозов времени добегания поверхностных стоков с использованием пространственно-распределённой информации в программном комплексе SAGA к решению задач водоохранного зонирования бассейнов малых рек;
6. Разработать методику функционального зонирования территорий бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования геосистем;
7. Составить рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи.
Объект исследования: геосистемы западной части бассейнов р. Ушайки (протяжённостью 8 км от устья) и р. Самуськи (15 км от устья).
Предмет исследования: геоинформационное моделирование бассейновых геосистем как инструмент отраслевого ландшафтного планирования территории.
Материалы и методика исследования:
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на трудах отечественных и зарубежных учёных в области ландшафтоведения [Солнцев H.A., Исаченко.
A.Г., Дьяконов К. Н., Мамай И. И., Беручашвили H. JL, Сочава В. Б., Сысуев В. В., Хромых.
B.C. и др.), ландшафтно-гидрологического [Субботин А.И., Антипов А. Н., Ткачёв Б.П.] и бассейнового подхода [основные положения содержатся в трудах Арманда А. Д., Глазов-ской М.А., Перельмана А. Й., Милькова Ф. Н., Корытного JI.M., Симонова Ю. Г. и др.], гидрологии [Хортон P.E., Кучмент JI.C., Бураков Д.А.], геоморфометрии [Шарый П.А., Evans 5.
I.S. и др.], а также ландшафтного планирования [Антипов А.Н., Дроздов A.B., Колбовский Е. Ю., Семёнов Ю. М., Хорошев A.B.].
Информационную базу исследования составили крупномасштабные картографические источники, включая топокарты масштабов 1:10 ООО, 1:25 ООО, послуживших основой для создания детальных цифровых моделей рельефа. Кроме того, в работе использовались космические снимки высокого и сверхвысокого разрешения, материалы полевых исследований, а также разнообразная фондовая информация.
Базовые операции пространственного анализа: векторизация картографических материалов, создание и эксплуатация баз геоданных, классификация цифровых моделей рельефа и т. д. осуществлялись в полнофункциональном ГИС-пакете ArcGIS 10- привязка и обработка космических снимков — в программном комплексе Erdas Imagine 8.7. морфо-метрический анализ и вычисление гидрологических характеристик — в программном комплексе SAGA 2.0.6.
При решении поставленных задач использовались как традиционные, так современные методы, применяемые в комплексных ландшафтно-географических исследованиях. К ним относятся ландшафтный анализ и синтез, морфометрический, геоинформационного картографирования и моделирования, сравнительно-географический, метод ключевых участков и дистанционные методы.
Защищаемые положения:
1. Сочетание достижений географо-гидрологического, бассейнового подходов и геоморфометрии на основе моделирующих возможностей геоинформационных систем является эффективным способом ландшафтного планирования бассейнов малых рек.
2. Применение геоинформационного моделирования позволяет более объективно подойти к процессу ландшафтного картографирования и последующего решения отраслевых задач функционального зонирования территории бассейнов малых рек.
3. Разработанная методология ландшафтно-экологического анализа бассейнов рек Ушайки и Самуськи позволяет усовершенствовать существующие подходы к водоохранному зонированию бассейнов малых рек.
Научная новизна работы заключается в следующем:
S обосновано, что синтез географо-гидрологического, бассейнового подходов и геоморфометрии на основе геоинформационных технологий в более полной мере позволяет учесть функциональные основы ландшафтного планирования;
S проведено апробирование методики геоинформационного моделирования геосистем в пределах бассейнов малых рек Нижнетомской природной провинцииусовершенствована методика ландшафтного картографирования бассейновых геосистем с применением инструментов геоинформационного моделирования, разработан ряд сопутствующих авторских методик. на основе разработанной методики геоинформационного моделирования проведён морфометрический анализ геосистем бассейнов рек Ушайки и Самуськипредложена методика функционального зонирования бассейнов малых рек с применением геоинформационного моделирования. На её основе разработан рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек Ушайки и Самуськи. Практическая значимость:
Диссертация носит методический характер, иллюстрируя широкие возможности геосистемного анализа бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования. В работе разработан ряд авторских методик ландшафтного картографирования, геоинформационного моделирования бассейновых геосистем и проводимого на их основе отраслевого функционального зонирования территории, позволяющих существенно объективизировать и на качественно новом уровне подойти к решению задач природопользования в пределах бассейнов малых рек, в частности — водоохранного зонирования. Результаты работы могут быть использованы в качестве научно-методических основ, уточняющих схемы территориального устройства, Генеральные планы и другие руководящие документы планирования и развития территории.
Разработанные методики могут стать научно-методическим обоснованием действий экстренных служб по прогнозированию, ликвидации чрезвычайных ситуаций и расчётов ущербов, связанных с загрязнением территорий речных бассейнов.
Результаты диссертационной работы в части разработки методики геоинформационного моделирования геосистем были использованы при реализации проектов РФФИ «Ландшафтно-экологический анализ водосборов малых рек методами геоинформационного моделирования и полевого геофизического мониторинга» № 10−05−90 752 и № 11−590 754 в 2010 и 2011 гг.
Методики параметрического моделирования и проводимого на их основе отраслевого функционального зонирования использовались в рамках реализации проекта «Оценка экологических рисков при освоении инвестиционно-привлекательных территорий» в 2010;2012 гг. при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Госконтракт № П742 от 20 мая 2010 г.).
Методические подходы к геосистемному анализу речных бассейнов внедрены в проводимую автором учебную полевую ландшафтную практику и семинарские занятия по ландшафтоведению для студентов второго курса кафедры географии геолого-географического факультета Томского государственного университета.
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Современные проблемы географии и пути их решения» (г. Томск, 2012 г.), на V-й Международной конференции «Реки Сибири» (г. Томск, 2010 г.), Международной школе-конференции «Современные проблемы географии и гидрологии суши» (Московская область, Красновидово, 2010), Всероссийской научно-прикладной конференции «Теоретические и прикладные вопросы современной географии» (г. Томск, 2009 г.), а также на городской экологической конференции студентов и молодых учёных, проводимой департаментом природных ресурсов администрации Томской области" (г. Томск, 2009).
Публикации: По результатам исследований опубликованы 9 научных работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура работы: Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, объёмом 175 страниц, включая 63 рисунка, 15 таблиц, список литературы, состоящий из 244 наименований и 4 приложения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В настоящее время методология ландшафтно-экологического анализа территории не в полной мере учитывает достижения функционального направления. Внедрение в процесс ландшафтного анализа геоморфометрии позволит получить объективную количественную базу о распределении рельефом геофизических полей гравитации, как одного из важнейших и системообразующих процессов функционирования геосистем. Для успешного применения геоморфометрии при решении задач ландшафтного планирования необходимым условием является пространственный анализ системы морфометрических величин, раскрывающий их физический смысл. Для увеличения качества ландшафтно-планировочных мероприятий территория речных бассейнов р. Ушайки и Самуськи была разделена с учётом особенностей увлажнения поверхности на элементарные геосистемы (фации). Проведённое в фациях геоинформационное моделирование скоростей стока и времени добегания на основе априорных данных позволило выявить основные тенденции в распределении показателей, а на основе верификации модельных показателей с полевыми измерениями установлено, что существенное значение на скорость стока в элементарных геосистемах оказывает потенциальная способность рельефа аккумулировать поверхностные воды, выводимая через параметр площадь сбора. Для получения результатов моделирования поверхностных стоков (времени добегания, скорости стока и др.), приближенных к реальным показателям, необходим более тщательный подбор параметров (аппроксимация), расчёт по более детальным цифровым моделям рельефа, а также проведение дополнительных расчётов на участках элементарных бассейнов с наличием постоянных водотоков. В условиях недостатка или полного отсутствия информации значения, полученные при моделировании в ГИС, могут служить основой для расчёта прогнозных величин стока на труднодоступных территориях.
Экологическое состояние изучаемых бассейнов весьма различно. Экологические проблемы в бассейне р. Ушайки наглядно демонстрируют результаты отсутствия за долгое время научно-обоснованных подходов к градостроительному планированию территорий речных бассейнов. Малоосвоенная территория бассейна р. Самуськи обладает большим потенциалом как для городского и промышленного строительства, так и для расположения мест рекреации. Однако природопользование в пределах бассейна необходимо осуществлять с учётом предложенных в работе интегрированных подходов. В таком случае появляется возможность минимизации негативного влияния хозяйственной деятельности на окружающую среду и при этом сохранения потенциала её динамичного развития для будущих поколений.
Территориям, попавшим в зоны сохранения, целесообразно придавать статус особо-охраняемых природных территорий (ООПТ) местного значения. Такого рода внимание приведёт к усилению ёмкости и устойчивости геосистем данных зон. Для территорий, попавших в водоохранный каркас, следует вводить запрет на прямой вброс загрязнённых вод, а следовательно, необходимо развивать системы канализации и очистки стоков, а также вводить водосберегающие технологии.
В связи с намечающимся прогрессом геоморфометрии, предпосылки которого связаны с совершенствованием технологий получения дистанционной информации для построения детальных ЦМР (аэро, космической, наземной), интенсивным развитием программных средств её обработки, ожидается переход на более высокий уровень в скорости и точности проведения ландшафтно-экологического анализа речных бассейнов и выработки научно-обоснованных критериев планирования территории.
