Ландшафтно-экологический анализ бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования: на примере малых рек Томска и его окрестностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.23, кандидат географических наук Ерофеев, Александр Анатольевич

• Ерофеев, Александр Анатольевич
• кандидат географических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат географических наук Ерофеев, Александр Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ.

1.1 Ландшафтно-гидрологический подход.

1.2 Бассейновый подход.

1.2.1 Обзор взглядов на бассейновый подход.

1.2.2 Роль бассейна малой реки в ландшафтной организации территории.

1.3 Геоморфометрия в ландшафтно-экологических исследованиях.

1.3.1 Понятие и объект изучения геоморфометрии. Перспективы количественного описания рельефа при изучении геосистем.

1.3.2 Основные этапы развития теории геоморфометрии и её применения в ландшафтно-экологических исследованиях.

1.3.3 Система морфометрических величин и их геофизический смысл. Водосборные морфометрические величины.

1.4 Ландшафтное планирование.

2 ПРИРОДА И ЛАНДШАФТЫ БАССЕЙНОВ УШАЙКИ И САМУСЬКИ.

2.1 Физико-географическая характеристика территории.

2.1.1 Геологическое строение и история развития территории.

2.1.2 Рельеф и рельефообразующие процессы.

2.1.3 Климат.

2.1.4 Поверхностные и подземные воды.

2.1.5 Почвы.

2.1.6. Растительный покров.

2.2 Ландшафтная структура.

3 ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БАССЕЙНОВЫХ ГЕОСИСТЕМ

3.1 Методика геоинформационного моделирования бассейновых геосистем.

3.1.1 Геоинформационное моделирование геосистем как особый вид пространственного анализа в физической географии.

3.1.2 Исходные данные и источники для геоинформационного моделирования и создания ГИС.

3.1.3 Параметры геоинформационного моделирования гидрологического функционирования бассейновых геосистем и их классификация.

3.1.4 Апробация параметров и методики геоинформационного моделирования в условиях реальных геосистем.

3.1.5 Методика расчёта прогнозов времени добегания поверхностных стоков.

3.1.6 Крупномасштабное картографирование бассейновых геосистем.

3.1.7 Морфометрический анализ бассейновых геосистем.

3.1.7.1 Использование цифровых моделей рельефа в ландшафтно-экологических исследованиях.

3.1.7.2 Построение и первичная обработка цифровых моделей рельефа.

3.1.7.3 Методика определения структуры бассейновых геосистем на основе типологической карты урочищ и геоинформационного моделирования.

3.1.8 Методика функционального зонирования территории на основе геоинформационного моделирования.

3.2 Рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек

Ушайки и Самуськи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ландшафтно-экологический анализ бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования: на примере малых рек Томска и его окрестностей»

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 провинции; усовершенствована 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 Самуськи; предложена 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» № 10-05-90752 и № 11-0590754 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 диссертации по теме «Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов», Ерофеев, Александр Анатольевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Ерофеев, Александр Анатольевич, 2012 год

1. Александрова Т.Д. Понятия и термины в ландшафтоведении. М.: Наука, 1986.111 с.

2. Антипов А.Н., Корытный Л.М. Географические аспекты гидрологических исследований (на примере речных систем Южно-Минусинской котловины). Новосибирск: Наука, 1981. 174 с.

3. Антипов А.Н. Методические особенности использования географической информации в гидрологических целях // Гидрологические исследования ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1986

4. Антипов и др. ландшафтно-гидрологические характеристики Западной Сибири. Иркутск, 1989.221 с.

5. Антипов А.Н., Гагаринова О.В. Ландшафтно-гидрологические характеристики Ольхон-ского района (опыт территориального анализа) // География и природные ресурсы. 1997. - № 3. - С. 89-96.

6. Антипов А.Н. Ландшафтно-гидрологическая организация территории в условиях Сибири : дис. д-ра геогр. наук: 25.00.27 : Москва, 2003. 270 с.

7. Арманд Д.Л. Физико-географические основы проектирования сети полезащитных лесных полос / Д.Л.Арманд. — М.: Изд-во АН СССР 1961.

8. Арманд Д.Л. Наука о ландшафте (основы теории и логико-математические методы). — М.: Мысль, 1975.-287 с.

9. Атлас рисков природного, техногенного, биолого-социального характера на территории Томской области. Томск: ОАО «Томскгеомониторинг», 2008. 104 с.

10. Барышников Н.Б. Гидравлические сопротивления речных русел. Учебное пособие. СПб, изд. РГГМУ, 2003 147 с.

11. Беручашвили Н.Л. Четыре измерения ландшафта — М.: Мысль, 1986 -182 с.

12. Беручашвили Н.Л. Этология ландшафта и картографирование состояний природной среды Тбилиси: Изд-во Тбилисского ун-та, 1989 - 200 с.

13. Беручашвили Н.Л. Геофизика ландшафта М.: Высшая школа, 1990.— 287 с.

14. Беручашвили Н.Л. Персональные компьютеры в географии.- Тбилиси, 1992.- 180 с.

15. Беручашвили Н.Л., Жучкова В.К. Методы комплексных физико-географических исследований- М.: Изд-во МГУ, 1997.- 320 с.

16. Боровиков В. STATISTIC А. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов / В. Боровиков. — СПб.: Питер, 2003. 688 с.

17. Бураков Д.А. Кривые добегания и расчёт гидрографа весеннего половодья. Томск: Изд-во Томского госуниверситета,1978. - 130 с.

18. Бураков Д.А., Земцов В.А. Исследование и расчеты характеристик стока рек лесной зоны Западно-Сибирской равнины // Теория и методы гидрологических расчетов: Труды V Все-союз. гидрол. съезда, Т. 6. JL: Гидрометеоиздат, 1989. С. 429-436.

19. Бураков Д.А. Гидрологические прогнозы. 4.1: Учебное пособие: УОП Том. ун-та, 1994.74 с.

20. Вашковски И. Геология и грунты третичного и четвертичного возраста долины р. Оби (на участке с. Вороново г. Колпашево) и нижнего течения р. Томи: Автореф. дис. . канд. геол.-минер. наук - М., 1956 - 9 с.

21. Винкельбрант А. Концепция и опыт ландшафтного планирования в Германии как модель сложившейся системы / А. Винкельбрант, И. Шилер // Руководство по ландшафтному планированию. Т. 1. / под ред. A.B. Дроздова. — М.: ИГ АН РАН, 2000

22. Владимиров В. В. Город и ландшафт / В. В. Владимиров, Е. М. Микулина, З.Н. Яргина. -М.: Мысль, 1988.

23. Владимиров В. В. Урбоэкология / В. В. Владимиров. — М.: Изд-во МНЭПУ, 1999.

24. Водный кодекс Российской федерации электронный ресурс.: от 03.06.2006 N 74-ФЗ (ред. от 23.07.2008) // Консультант плюс: справочно-правовая система М., 2009. Доступ из локальной сети Науч. б-ки Том. гос. ун-та.

25. Врублевский В.А., Нагорский М.П. и др. Геологическое строение области сопряжения Кузнецкого Алатау и Колывань-Томской складчатой зоны. Томск, 1987. -115 с.

26. Гаусс К.Ф. (1827). Общие исследования о кривых поверхностях // Об основаниях геометрии. М.: Гостехтеориздат, 1956.

27. Гедымин A.B. Использование изображения рельефа горизонталями при создании почвенных карт крупного масштаба // Почвоведение, 1992, №5, с. 5-14.

28. Генезис и свойства почв Томского Приобья / Герасько Л.И., Изерская JI.A., Иванова Р.Г. и др.-Томск, 1980 -168 с.

29. География Томской области / Под ред. A.A. Земцова. Томск, 1988 - 245с.

30. Географическое обоснование экологических экспертиз / под ред. Т. В. Звонковой. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985.

31. Геометрия структур земной поверхности. Отв. ред. И.Н. Степанов, Пущино, 1991,199 с.

32. Геоэкологические принципы проектирования природно-технических геосистем. М.: ИГАН СССР, 1987.

33. Геоинформатика : в 2 кн. Кн. 1 : учебник для студ. высш. учебн. заведений / под ред. B.C. Тикунова. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд. центр «Академия», 2008. — 384 с.

34. Геренчук К.И. Тектонические закономерности в орографии и речной сети Русской равнины / К.И. Геренчук / Львов, гос. ун-т. Львов, 1960. - 242 с.

35. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов / М.А. Глазовская / МГУ. М, 1964. - 230 с.

36. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР / М.А. Глазовская. М.: Высшая школа, 1988. - 327 с.

37. Глушков В.Г. Географо-гидрологический метод. В кн. За рационализацию гидрологии. -Л.: Изд. ГГИ, 1934.

38. Глушков В.Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. М.: Изд-во АН СССР, 1961.416 с.

39. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29 декабря 2004 г. N 190-ФЗ (с изменениями от 22 июля, 31 декабря 2005 г., . 28 июля 2012) // «Российская газета» от 30 декабря 2004 г.

40. Грачёв А.Ф., Магницкий В.А., Мухамедиев Ш.А., Николаев В.А. Геометрические характеристики новейших тектонических движений земеной коры Северной Евразии // Российский журнал наук о Земле, 2000, Т.2, №1, С. 50-65.

41. Гришанин К.В. Гидравлические сопротивления естественных русел. Л.: Гидрометеоиздат, 1992.

42. Дзердзеевский Б.Л. Некоторые аспекты современной физической и динамической климатологии // Исследования генезиса климата М., 1974 - С. 6-32.

43. Дроздов A.B. Ландшафтное планирование и его перспективы в России // Известия АН СССР. Сер. Геогр. - 1996. -№1. - С. 21-32.

44. Докучаев В. В. Дороже золота русский чернозем / В.В.Докучаев. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1894.

45. Дьяконов К.Н. Влияние крупных равнинных водохранилищ на леса прибрежной зоны. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 127 с.

46. Дьяконов К. Н. Базовые концепции ландшафтоведения и их развитие // Вестник Московского университета. Серия 5. География. №1. 2005. с. 4-12.

47. Евсеева Н.С. География Томской области. Томск: Изд-во ТГУ, 2001. - 222 с.15250.