Применение ГИС-технологий для оценки геоэкологического состояния северотаежных ландшафтов Архангельской области: На примере Беломорско-Кулойского плато

Актуальность темы

.

Одними из важных экзогенных геологических процессов (ЭПТ), идущих в северотаежных ландшафтах Русской равнины и, тем не менее, недостаточно изученных, являются эрозионные процессы.

Эрозионные процессы, протекающие на равнинных территориях, занятых лесными массивами, изучены слабо. Считается, что при сомкнутом растительном покрове смыв на склонах почти не происходит (Проблемы—, 1999). Однако вследствие антропогенного вмешательства сильно изменяется растительность и свойства грунтов, что обычно ведет к значительному увеличению темпов эрозии. Поэтому развитие эрозионных процессов хорошо изучено для территорий с большой площадью сельскохозяйственных угодий (Танасиенко и др., 1999), где проблема эрозии актуальна в связи с резким возрастанием скорости и интенсивности этих процессов на площадях с нарушенным почвенным и растительным покровом или испытывающим другие формы антропогенной нагрузки, а также высокой экономической значимостью таких земель.

В естественных северотаежных ландшафтах с низкой антропогенной нагрузкой эрозионные процессы протекают значительно медленнее и находят более слабое отражение в формах рельефа. В последнее время в связи с глобальными изменениями климата, приводящими к активизации экзогенных процессов, увеличением масштабов интенсивной хозяйственной деятельности человека, стал актуальным вопрос изучения эрозионной устойчивости равнинных лесопокрытых территорий.

Среди всех факторов, влияющих на эрозию почв, особо выделяют свойства рельефа. Это связано с тем, что параметры рельефа, такие как длина и крутизна склонов, определяют само возникновение поверхностного стока (Михайлов, 2000), а также концентрацию взвешенных частиц, скорость течения и т. д. В связи с этим встает проблема получения и анализа этих параметров.

В настоящее время эту проблему решают путем моделирования рельефа и анализа этой модели на ЭВМ. Модели рельефа, созданные и хранимые в цифровом виде, называют цифровыми моделями рельефа (ЦМР). Сейчас существует множество методов получения и хранения ЦМР (Цветков, 1998). Их отличия, преимущества и недостатки не всегда очевидны и могут изменяться в зависимости от характера моделируемой местности, исходных данных, параметров метода, реализации метода в программном обеспечении (Mitasova, Mitas, 1993).

С развитием методов дистанционного зондирования Земли (далее ДЗЗ) появилась возможность удобного подсчета территорий, занятых различными растительными формациями. Математические методы кластерного анализа даже позволяют частично автоматизировать процесс дешифрирования этих территорий.

Анализ гидросети, заболоченности и параметров рельефа позволяет вычислить у-разнообразие, т. е. инвентаризационное разнообразие крупных территориальных выделов, например, ландшафтов (Wittaker, 1977; Чернов, 1991).

Цели и задачи данной работы соответствуют приоритетным направлениям научных исследований РАН «6.26. Геоинформатика, создание геоинформационных систем» и Уральского отделения РАН — «7. Разработка и использование геоинформационных систем и компьютерных технологий для решения широкого круга научных и прикладных задач». Работы выполнялись в рамках комплексной темы «Комплексные системные исследования экологической ситуации Зимнебережно-Архангельского района (дельтовая часть р. Северная Двина и Беломорско-Кулойское плато)» (№ гос. регистрации 01.200.1 13 712), а также плановой ФНИР лаборатории глубинного строения и динамики литосферы института экологических проблем Севера УрО РАН «Изучение геоэкологического состояния Арктического сегмента земной коры по геолого-геофизическим данным. Районирование территории и прогноз развития экологически опасных процессов» (№ гос. регистрации 01.200.1 13 713).

Целью настоящей работы явилась оценка морфологии ландшафтов, степени развития ЭГП и структуры биотического компонента (на примере Беломорско-Кулойского плато) для проведения геоэкологических исследований в северотаежных ландшафтах Русской равнины с использованием технологий геоинформационных систем (ГИС).

Для достижения поставленной цели в процессе исследования решались следующие задачи:

1) определение наиболее подходящего метода моделирования рельефа;

2) построение ЦМР выбранным методом;

3) выделение на основе ЦМР, данных ДЗЗ и картографической информации типов ландшафтов и местностей исследуемого района;

4) оценка и анализ развития эрозионных процессов и заболачивания в северотаежных ландшафтах;

5) оценка мозаичности биотического компонента ландшафтов и местностей исследуемого района.

Научная новизна.

На основе анализа и оценки большого количества способов построения среднемасштабной ЦМР для равнинных территорий по нерегулярной сети высотных отметок определен наиболее подходящий метод интерполяции. Построена среднемасштабная ЦМР территории Беломорско-Кулойского плато (БКП). Получены и проанализированы численные параметры рельефа района исследований, влияющие на развитие ЭГП в северотаежных ландшафтах. Выделены различия в протекании ЭГП в разных местностях БКП. На основе методов многомерного математического анализа установлены ведущие факторы, влияющие на пространственную структуру биотического компонента.

Практическая значимость.

Проведенное исследование алгоритмов и методов построения ЦМР, ее всестороннего анализа в ГИС может быть использовано для обобщения и прогноза состояния природной среды, для поддержки принятия всесторонне сбалансированных научных, управленческих и инвестиционных решений.

Результаты, полученные в ходе исследования, могут быть использованы в вузовских курсах «Экология», «Геоэкология и краеведение» и обосновании последствий эксплуатации минерально-сырьевых ресурсов региона.

На территории района исследований диссертационной работы находятся особо охраняемые территории, такие как Пинежский заповедник, Соянский и Голубинский заказники, природный карстово-геологический заказник «Железные ворота», а также природный парк «Приморский». Вблизи этих уникальных природных объектов осуществляется доразведка и разработка открытым способом разведанных месторождений алмазов имени Ломоносова, Карпинского, и др., разрабатывается проект размещения водозаборов централизованного водоснабжения г. Архангельска на площади развития кондиционных пресных вод в районе верхнего течения р. Пачуги и оз. Пачозеро (Малов, 2001), ведутся лесозаготовительные работы. Поэтому для прогноза изменений окружающей среды под действием этих факторов необходимо оценить фоновое состояние и динамику природных процессов. Таким образом, данные о ЭГП и структуре биотического компонента экосистем могут быть использованы для проведения экологической экспертизы подобных проектов и мониторинга состояния окружающей среды на территории БКП.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием обширных фактических материалов 3-х летних полевых экспедиционных работ автора, применением современных методов исследования и анализа, использованием обширного картографического материала и данных ДЗЗ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для построения среднемасштабной ЦМР для равнинных территорий по нерегулярной сети высотных отметок наиболее подходящим является метод интерполяции регуляризованными сплайнами с натяжением.

2. Интенсивность эрозионных процессов в северотаежных ландшафтах Беломорско-Кулойского плато невысока, причем процессы донной эрозии и плоскостного смыва наиболее развиты на территориях распространения зандровых песков и карстующихся осадочных горных пород, а процессы боковой эрозии — в областях развития конечно-моренных образований.

3. Гипсометрическое положение оказывает наибольшее влияние на формирование растительного покрова в местностях с широким распространением карбонатных и карбонатно-сульфатных пород, где наблюдается наиболее низкая энтропия растительного покрова.

4. Ведущими факторами, вносящими значимый и достоверный вклад в различия структуры растительного покрова между местностями БКП, служат степень дренированности местности для площадной структуры растительности и эрозионной расчлененности рельефа — для экотонных зон.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на следующих научных конференциях.

1. Ломоносовские научные студенческие конференции (г. Архангельск, Поморский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 1997, 1998, 1999 гг.).

2. X Ломоносовские научные чтения (г. Архангельск, Поморский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 1998 г.).

3. Региональная конференция «Экология — 98» (г. Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1998 г.).

4. Межвузовская конференция «Экология» (г. Архангельск, Архангельский государственный технический университет, 1999 г.).

5. Международная конференция «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура» (г. Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2000 г.).

6. Молодежная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2001 г.).

7. Региональная научно-практическая конференция «Ломоносова достойные потомки (к 290 летнему юбилею М.В.Ломоносова)» (г. Архангельск, 2001 г.).

8. Международная конференция «Экология северных территорий России» (г. Архангельск, 2002 г.).

9. Международная молодежная конференция «Экология 2003» (г. Архангельск, 2003 г.).

Ю.Молодежная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г.

Сыктывкар, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2004 г.). И. Всероссийская конференция с международным участием «Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (г. Архангельск, Институт экологических проблем Севера АНЦ УрО РАН, 2004 г.).

Один из разделов диссертационной работы, посвященный анализу у-разнообразия и мозаичности биотического компонента ландшафтов северной тайги, явился разделом комплексной работы «Система баз данных по состоянию популяций редких видов флоры и фауны Архангельской области», которая стала победителем конкурса им. М. В. Ломоносова по проблемам охраны окружающей среды Архангельской области в области научных исследований с вручением премии Ломоносовского фонда и диплома. Связь работы с научными программами и фондами. Работа связана с рядом научных проектов, которые поддержаны федеральными научными программами и фондами:

1. проект ФЦП «Интеграция» № Э 0039 «Компоненты окружающей среды Соловецких островов в условиях меняющегося климата»;

2. проект ФЦП «Интеграция» № Э 3033 «Современное состояние популяций редких и исчезающих видов беспозвоночных животных Европейского Севера России и Урала»;

3. проект Баренц секретариата № 234 021 «Комплексное развитие Соловков 2002», финансирование за счет средств МИД Норвегии;

4. проект РФФИ и администрации Архангельской области № 02−04−97 505 «Анализ ландшафтной структуры биоразнообразия редких и исчезающих видов насекомых Беломорско-Кулойского плато на основе ГИС-технологий».

5. Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 13 «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы» проект «Мониторинг активных процессов в окружающей среде Европейского Севера. Информационная основа для организации сети наблюдений и прогнозирования природных и природно-техногенных катастроф».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 1 статья находится в печати.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст изложен на 124 страницах, включая 13 таблиц и 43 рисунка.

Список литературы

содержит 124 работ, из них 25 на иностранных языках. Благодарности.

ВЫВОДЫ.

1. Для построения среднемасштабной ЦМР для равнинных территорий по нерегулярной сети высотных отметок наиболее подходящим является метод интерполяции регуляризованными сплайнами с натяжением. Это является следствием того, что плотность данных, полученных из векторного материала, очень неоднородна, что сильно ухудшает качество построения ЦМР такими методами как TIN и IDW. В сравнении с методом кригинга примененный метод дает более точные результаты по нерегулярной сети высотных отметок при моделировании ЦМР на исследуемую территорию.

2. Наиболее высокое гипсометрическое положение занимает плоская столообразная возвышенность северной тайги в центральной части БКП со средней высотой 138 м, а наиболее низкое гипсометрическое положение занимают участки развития биогенных отложений холмисто-грядово-западинной денудационно-аккумулятивной возвышенности северной тайги. Влияние воздымающихся неотектонических движений особенно заметно в третьем типе ландшафтов БКП. Это проявилось в аномально высоком среднем гипсометрическом положении полого-волнистой денудационно-аккумулятивной наклонной равнины северной тайги развитой на карбонатно-сульфатных породах.

3. На основании анализа среднего наклона дневной поверхности, LS-фактора и кривизны поверхности установлено, что рельеф района исследований в большей мере способствует процессам седиментации, чем процессам эрозии. Это является следствием сочетания малых углов наклона и преобладания вогнутой формы склонов. Процессы эрозии интенсивно идут в основном вдоль сильно врезанных водотоков. Но и на этих участках рельеф не оказывает сильного влияния на увеличение интенсивности эрозионных процессов. Исключение составляют местности с широким распространением карстующихся карбонатных и сульфатно-карбонатных пород, где склоны нередко лишены древесной растительности и часты обнажения коренных пород.

4. Эрозионная работа водотоков, направленная на углубление речной долины, на большей части территории БКП выражена в средней степени: для таких территорий характерны сильно врезанные и умеренно извилистые долины рек с углом наклона потока около двух градусов. Наибольшее влияние на увеличение интенсивности процессов донной эрозии оказывает повышенное по отношению к прилегающим территориям гипсометрическое положение и пересечение долинами рек участков распространения карстующихся карбонатных и сульфатно-карбонатных пород.

5. Около 67% территории БКП занято местностями, водотоки которых характеризуются как умеренно извилистые. Основной причиной увеличения извилистости является распространение подстилающих пород, обладающих более низкими дренирующими возможностями и в слабой степени подверженных размыванию. Местности с незначительным проявлением процессов боковой эрозии расположены на участках относительных поднятий, обладающих малой густотой речной сети.

6. Экспозиция склонов в зависимости от местности может оказывать значительное влияние на благоприятность условий развития того или иного типа растительных формаций. Это влияние особенно заметно для тех типов растительных формаций, которые не являются типичными для этой местности. Для территорий развития биогенных отложений такой тип определить трудно, для остальных же местностей это светлохвойные и смешанные леса, болотные и луговые ассоциации. На интенсивность эрозионных процессов экспозиция склонов в масштабе местности не влияет.

7. При анализе данных внутри отдельных местностей выявлено, что гипсометрическое положение оказывает наибольшее влияние на формирование растительного покрова в местностях с широким распространением карбонатных и карбонатно-сульфатных пород, где наблюдается наиболее низкая энтропия растительного покрова.

8. При сравнительном анализе данных по местностям показано, что мозаичность и разнообразие растительного покрова на территории БКП слабо зависят от средней высоты местности и очень сильно — от условий дренажа и характера рельефа. Местности, имеющие низкие базисы эрозии и развитые на зандровых песках, карбонатных или сульфатных породах отличаются низкими значениями разнообразия и мозаичности растительности. В структуре ландшафта это проявляется в повышенных средних площадях выделов этих местностей и увеличении площади и доли самого крупного выдела.

9. По результатам кластерного и компонентного анализов выделены основные структурообразующие факторы растительного покрова БКП. Наибольшую значимость имеют степень дренированности местности для площадной структуры растительности (объясняет около 50% дисперсии) и эрозионной расчлененности рельефа — для экотонных зон (около 40%). На втором месте находятся комплекс факторов, влияющих на заболоченность плоских междуречий и густота гидросети (приблизительно по 30%) соответственно. Третье место по значению в обоих случаях занимает комплекс факторов, влияющих на заболоченность западин мезорельефа (около 20% и 15%).