Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Бассейновый подход при территориальном планировании геоэкосистем 12
1.1. Геопланировочный подход к организации рационального природопользования и устойчивого развития территорий 12
1.2. Обоснование речного бассейна в качестве операционно-территориальной единицы геопланирования геоэкосистем 20
1.3. Экорегиональный подход к организации природопользования на бассейновых принципах 29
Глава 2. Пространственно-временная изменчивость эрозионной опасности земель белгородской области 37
2.1. Последствия водной эрозии почв в агроландшафтах речных бассейнов белгородской области 37
2.2. Факторы развития водно-эрозионных процессов и подходы к их моделированию 44
2.3. Геоинформационное обеспечение оценки эрозионного потенциала рельефа
2.3.1. Влияние морфометрических параметров рельефа на водно-эрозионные процессы 50
2.3.2. Оценка эрозионной опасности геоморфологических условий на основе цифровой модели рельефа 60
2.4. Климатическая изменчивость почвенно-эрозионного процесса 66
2.4.1. Зональная изменчивость соотношения талой и ливневой эрозии 66
2.4.2. Климатическая изменчивость эрозии при весеннем снеготаянии 68
2.4.3. Климатическая изменчивость ливневой эрозии 72
2.4.4. Прогнозная оценка изменения гидрометеорологического фактора водной эрозии почв 75
Глава 3. Решение проблем экологизации агроландшафтов
При геопланировании на бассейновых принципах 82
3.1. Подходы к оценке экологического состояния агроландшафтов 82
3.2. Типизация бассейнов белгородского экорегиона по эрозионной опасности и экологической устойчивости
3.2.1. Оценка эколого-ресурсного состояния речных бассейнов белгородского экорегиона 87
3.2.2. Типизация речных бассейнов по экологическому состоянию и предрасположенности развития водно-эрозионных процессов 3.3. Эффективность биологизации земледелия при экологической оптимизации агроландшафтов 104
3.4. Противоэрозионное обустройство агроландшафтов при бассейновой организации территории 108
Глава 4. Интеграция агроэкологического и гидроэкологического мониторинга при бассейновой организации природопользования 117
4.1. Оптимизация организационной структуры агро- и гидроэкологического мониторингов в белгородском экорегионе 117
4.2. Использование гис и ддзз для информационного обеспечения экологического мониторинга 132
Выводы 141
Библиографический список
- Обоснование речного бассейна в качестве операционно-территориальной единицы геопланирования геоэкосистем
- Факторы развития водно-эрозионных процессов и подходы к их моделированию
- Типизация бассейнов белгородского экорегиона по эрозионной опасности и экологической устойчивости
- Использование гис и ддзз для информационного обеспечения экологического мониторинга
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Белгородская область, занимающая 0,2% территории страны, входит в число лидирующих субъектов Российской Федерации по производству сельскохозяйственной продукции. В настоящее время около 61% территории области занимают пахотные земли, не менее половины которых (Соло-виченко, Тютюнов, 2013) в той или иной степени эродированы. Высокая земледельческая нагрузка в сочетании с ускоренной водной эрозией почв привели к значительному ухудшению ресурсного и экологического состояния агроландшафтов. Негативные изменения коснулись практически всех компонентов агроэкосистем. Прежде всего, это отразилось на их центральном звене – почвенном покрове: в результате долговременной эксплуатации и усиливающейся водной эрозии почв значительно снизились запасы гумуса и минеральных питательных веществ. Существенные изменения претерпела и речная сеть области: за последнее столетие ее протяженность сократилась на 35% от исходного состояния (Чендев, Петин, 2006).
Отмеченные тенденции развития процессов деградации определяют востребованность геопланировочных решений для обеспечения почвоводоохранной организации природопользования в Белгородской области. В сложившейся ситуации необходимо научно обоснованное преобразование агроландшафтов в устойчивые агро-экосистемы. При этом следует использовать комплексный геоэкологический подход к организации ландшафтной оболочки с рациональным пространственным сочетанием природных, хозяйственных и экистических компонентов. Данная идея легла в основу нового синтетического направления социально-экономической географии – геопланирования. Геопланировочный подход позволит через комплекс проектных решений использовать геоэкологические принципы организации природно-хозяйственных территориальных систем.
В целях восстановления и поддержания экологической устойчивости агроланд-шафтов и смежных земель операционно-территориальной единицей геопланирования на региональном и муниципальных уровнях должна быть целостная природно-хозяйственная система. Бассейновый подход к организации природопользования наиболее полно раскрывает причинно-следственные связи между хозяйственной обстановкой на водосборе и состоянием его водных ресурсов через общность и однонаправленность процессов гидрофункционирования, которые отражают интенсивность поверхностного стока и водной эрозии почв. Поэтому геопланирование территорий на бассейновых принципах является системным и наиболее рациональным способом почвоводоохранной оптимизации эрозионно опасных агроландшафтов.
Объектом исследования являются территории речных бассейнов в составе Белгородского экорегиона.
Предмет исследования – эрозионно опасные агроландшафты экорегиона в многообразии природно-хозяйственных обстановок.
Основная цель исследования заключалась в обосновании геопланировочных решений почвоводоохранной и экологической оптимизации агроландшафтов на основе бассейнового подхода с использованием ГИС-технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Используя бассейновый подход, определить границы экорегиона – целостного природно-хозяйственного образования в пределах Белгородской области.
-
Выявить пространственную и временню изменчивость основных факторов
водной эрозии почв как главной причины деградации агроландшафтов и речной сети.
-
Выполнить функциональную типологию и оценку бассейновых ландшафтных структур по наиболее информативным показателям экологической устойчивости и эрозионной опасности агроландшафтов.
-
Предложить пути рационального земле- и водопользования путем внедрения дифференцированного комплекса эколого-хозяйственных решений.
-
Внести предложения по оптимизации ведения подсистем экологического мониторинга речных бассейнов.
Теоретико-методологическая основа диссертационного исследования. При работе над диссертацией использовали принципы бассейново-ландшафтного подхода, отраженные в трудах Р. Хортона, А.Ю. Ретеюма, Ф.Н. Милькова, В.М. Разумовского, С.И. Зотова, Ю.Г. Симонова, Л.М. Корытного, В.М. Смольянинова, В.Н. Жерде-ва и др.
Впервые обоснованные В.В. Докучаевым подходы к экологической оптимизации ландшафтов раскрыты в работах по ландшафтному планированию А.Н. Антипова, А.В. Дроздова, В.А. Николаева, П.Г. Шищенко, А.Г. Топчиева и др.
Землеустроительные, гидрологические, эрозиоведческие, сельскохозяйственные аспекты, связанные с изучением водно-эрозионных процессов и противоэрозионной организации территории рассмотрены в работах Н.И. Маккавеева, Г.И. Швебса, М.Н. Заславского, Г.А. Ларионова, М.С. Кузнецова, Л.Ф. Литвина, А.А. Светличного, Ю.П. Сухановского, Ф.Н. Лисецкого, Н.Г. Конокотина, В.П. Герасименко, С.Ю. Булыгина, В.Н. Голосова, О.П. Ермолаева, М.В. Кумани и др.
Материалы исследования. В основу работы легли полученные автором векторные цифровые топографические карты для части территории Белгородской области, актуализированные по космическим снимкам высокого разрешения. В работе использованы авторские материалы рекогносцировочных полевых исследований. Сведения о структуре земельного фонда получены от муниципальных образований Белгородской области, фондовые и картографические материалы – от Управления Рос-реестра по Белгородской области, а также были привлечены данные Федерально-регионального центра аэрокосмического и наземного мониторинга объектов и природных ресурсов НИУ «БелГУ», сведения из Водного реестра РФ, многолетние метеоданные со станций Белгородской области, материалы космической съемки и данные о климатических изменениях Национального аэрокосмического агентства США (NASA).
В исследовании применяли следующие методы: сравнительно-географический, картографический, математико-статистический, методы дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ). Геоинформационное моделирование водно-эрозионных процессов производили в многофункциональном ГИС-приложении ArcGIS 9.2 с помощью модуля Spatial Analyst. Прогнозирование изменчивости эрозионного потенциала осадков осуществляли в рабочих модулях Time series and forecasting и Neural Networks лицензированного программного продукта STATISTICA 10.0. Для выявления циклических составляющих периодограммы временного ряда осадков использовали метод одномерного анализа Фурье, для временного прогнозирования динамики осадков использован трехпараметрический метод экспоненциального сглаживания Уинтерса. Анализ пространственного сочетания эколого-хозяйственных условий выполнен в ГИС методами оверлея, интерполяции и пространственной статистики. Для типизации речных бассейнов использован ал-
горитм древовидной кластеризации методом Уорда в квадрате Евклидова расстояния.
Достоверность результатов подтверждается использованием актуальных картографических материалов и данных дистанционного зондирования Земли, многолетних метеорологических данных, современных способов ГИС-моделирования на основе гидрологически корректной цифровой модели рельефа.
Научная новизна работы. Впервые для территории Белгородской области выделены границы обособленного целостного природно-хозяйственного образования – экорегиона, в пределах которого проведена типизация речных бассейнов по эрозионной опасности и экологической устойчивости; проведена оценка эрозионного потенциала рельефа на основе гидрологически корректной цифровой модели рельефа высокого разрешения; предложены экономически целесообразные мероприятия для экологизации агроландшафтов; разработана схема оптимизации сети гидроэкологического мониторинга на региональном уровне.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Интеграция бассейнового и экорегионального подходов для организации многоуровневой системы рационального земле- и водопользования.
-
Результаты оценки пространственно-временной изменчивости факторов водной эрозии почв, используемые для проектирования почвоводоохранных мероприятий с помощью ГИС-технологий.
-
Методика оценки эколого-ресурсного состояния бассейновых территориальных структур, позволяющая путем дифференциации агроландшафтов по эрозионной опасности обеспечить наиболее рациональное размещение приоритетных почвово-доохранных мероприятий.
-
Территориальная организация объединенной системы гидроэкологического и агроэкологического мониторингов на региональном уровне, обеспечивающая информационную основу для оценки эффективности использования земельных и водных ресурсов.
Практическая значимость результатов исследования определяется тем, что они могут быть использованы в качестве основы экологически ориентированного территориального планирования с целью эффективного и рационального природопользования и охраны окружающей среды. Использование результатов диссертационного исследования подтверждается справкой департамента природопользования и охраны окружающей среды Белгородской области о внедрении научно-исследовательской работы.
Материалы диссертации вошли составной частью в отчеты по следующим научным проектам: Государственное задание «Космические и геоинформационные технологии мониторинга антропогенно преобразованных ландшафтов и разработка модели экологической оптимизации природопользования для обеспечения устойчивого развития региона» (№ гос. рег. 114062370006); грант РФФИ «Разработка региональных моделей бассейновой организации природопользования на основе оптимизационных методов и геоинформационного моделирования» (№ гос. рег. 01201265024); грант Президента РФ «Оценка состояния аграрно преобразованных ландшафтов на основе данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационного моделирования» (№ гос. рег. 114121070017); муниципальные контракты 2012-2014 гг. по разработке проектов бассейнового природопользования в муниципальных районах Белгородской области (пример проекта размещен на геопортале ЦКП ФРЦ НИУ «БелГУ» по адресу maps.bsu.edu.ru/baskra/); внуривузовский грант
аспиранта НИУ «БелГУ» «Использование геоинформационных систем для типизации геоморфологических условий реализации эрозионно-аккумулятивных процессов в пределах Белгородской области» (ВКАС 12-13).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным трудом. Все научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Из научных трудов, опубликованных в соавторстве, в работе использованы лишь те идеи и положения, которые являются результатом личной работы соискателя.
Апробация работы. Материалы, входящие в диссертационную работу, доложены автором на следующих научно-практических конференциях: Всеукраинской конференции «Використання ГІС та ДЗЗ у землекористуванні» (Николаев, 14-16 ноября 2012 г.); Международной конференции «Структура и морфогенез почвенного покрова в условиях антропогенного воздействия» (г. Минск, 17-20 сентября 2013 г.); VII Международной конференции «Экология речных бассейнов» (г. Владимир, 9-11 октября 2013 г.); Всероссийской конференции «Эколого-географические исследования в речных бассейнах» (г. Воронеж, 26-28 сентября 2014 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 24 научных работы, в том числе 1 монография (в соавторстве), 2 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 4 статьи в изданиях из перечня ВАК Российской Федерации; получено свидетельство о регистрации базы данных «Мониторинг поверхностных и подземных вод при бассейновой организации природопользования», структура которой соответствует INSPIRE – европейскому стандарту организации инфраструктуры пространственных данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, библиографического списка из 286 наименований (из них 43 на английском языке) и четырех приложений. Основной текст диссертации изложен на 142 страницах машинописного текста и содержит 14 таблиц и 29 рисунков.
Обоснование речного бассейна в качестве операционно-территориальной единицы геопланирования геоэкосистем
После столыпинской аграрной реформы в ТП вошли элементы оптимизации землепользования – устранение черезполосицы и дальноземелья при выделении крестьянину земельного надела для личного владения. В советский период территориальное планирование в сельском хозяйстве осуществляли посредством межхозяйственного землеустройства (МХЗ), которое в условиях жесткой плановой экономики было направлено преимущественно на централизованное межотраслевое перераспределение земельных ресурсов. Главные приоритеты МХЗ определялись плановыми хозяйственными заданиями по структуре посевных площадей и поголовью скота и не имели тогда экологического обоснования. Основные функции экологически рациональной организации территории выполняло внутрихозяйственное землеустройство, которое было направлено главным образом на повышение экономической эффективности отдельного землепользования. Экологических аспектов оно касалось лишь частично, но более активное развитие получило с разработкой контурно-мелиоративных и адаптивно-ландшафтных систем земледелия в 1990-е гг.
С конца 70-х гг. в ТП обозначается тенденция его экологизации с активным внедрением ландшафтного подхода. Социально-экономическое направление развития территорий определяли схемы районной планировки, основной целью которой являлось рациональное, взаимосвязанное размещение производственных предприятий, городов и поселков, транспортных магистралей, инженерных коммуникаций и мест массового отдыха. Схемы районной планировки разрабатывали на основе всестороннего анализа физико-географических условий территории (Шищенко, 1988). Однако на практике эколого-ландшафтный аспект районной планировки зачастую воплощался весьма формально и недостаточно эффективно.
Природоохранную функцию в ТП выполняли территориальные комплексные схемы охраны природы (ТерКСОП) в качестве раздела районной планировки, так и самостоятельной формы ТП регионального уровня. В их состав входили карты существующего и планируемого антропогенного воздействия на природные объекты, их современное состояние, оценка их устойчивости и остроты экологических проблем, а также рекомендации по природоохранным мероприятиям.
В конце 80-х гг. XX в. получила развитие концепция агроландшафтного землеустроительного проектирования, которая внедряла экологический аспект и в организацию сельскохозяйственного производства. В ее основу легла дифференциация земель по ландшафтному принципу, в результате чего выделяли агроэкологические группы земель, ставшие территориальной основой конструирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия.
В процессе земельной реформы в 90-х гг. XX в. приоритеты ТП кардинально изменились, что затормозило развитие положительных тенденций его экологизации. С возникновением многообразных форм земельной собственности и введения земельного оборота основной задачей ТП стало удовлетворение экономических интересов всех субъектов земельных отношений (Волков, 2002). Эколого-ландшафтная составляющая ТП, уступила место фискальным и политическим целям. Новые задачи ТП были закреплены в федеральном законе «О землеустройстве» от 18.06.2001 № 78-ФЗ. Теперь ТП подразумевало образование новых и упорядочение существующих объектов землеустройства, а также юридическое закрепление их границ. Функции рациональной организации землепользования опять вернулись к внутрихозяйственному землеустройству.
В период становления частной собственности на землю ТП было ориентировано на перераспределение и кадастровый учет земель для реализации фискальной функции. Отсутствие государственного контроля за механизмом земельного оборота в процессе реализации земельной реформы и выбранный уравнительный принцип распределения земли привели к целому ряду несовершенств в сложившихся земельных отношениях (Хлыстун, 2005), которые не перестают быть актуальными и по сей день. Огромные площади нераспределенных сельскохозяйственных земель подверглись незаконному бесконтрольному использованию, что ведет к катастрофической по масштабам деградации ландшафтов, складывается произвольная хозяйственная инфраструктура с черезполосицей, вкрапливанием и дальноземельем. Для улучшения сложившейся ситуации необходимо совершенствование системы управления земельно-имущественным комплексом с помощью кадастровой информационной основы (Варламов, Шаповалов, 2012). Рассматриваются перспективы создания особой подсистемы – земельного кадастра сельскохозяйственных угодий (Хлыстун, 2012), который будет обеспечивать информационное регулирование земельных отношений при разработки стратегии развития аграрно развитых регионов.
В настоящее время понятие и функции ТП закреплены в Градостроительном кодексе РФ (гл. 1 ст. 1, гл. 3 ст. 9). Согласно ему, ТП – планирование развития территорий, в том числе для установления функциональных зон, определения планируемого размещения объектов федерального, регионального и местного значения. Примечательно, что впервые российским законодательством были закреплены принципы устойчивого развития, предложенные на конференции ООН в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Согласно Градостроительному кодексу, ТП должно обеспечить создание благоприятных условий жизнедеятельности человека, ограничение негативного воздействия на окружающую среду и обеспечение охраны и рационального использования природных ресурсов в интересах настоящего и будущего поколений. Использование понятия «планирование» уже подразумевает долгосрочную перспективу принятой стратегии управления территориями, что является положительным новшеством.
Факторы развития водно-эрозионных процессов и подходы к их моделированию
Более интенсивная эрозия почв на склонах южной экспозиции подтверждается и полевыми исследованиями. В результате сравнения (Иванов, Кузнецова, 2003) мощности гумусового горизонта у подтипов черноземов на склонах разных экспозиций с эталонным участком на плакоре было установлено, что на южных склонах наблюдается максимальное снижение мощности горизонта A1+B1 по сравнении с другими склонами.
Роль южной экспозиции определена на основании почвенно-морфологического метода. Однако при изучении экспозиционных различий в проявлении эрозионных процессов обязательно следует принимать во внимание почвенно-генетический фактор. Одним из ключевых факторов почвообразования является величина поступающей на поверхность солнечной радиации, которая неравномерно перераспределяется по рельефу. Поэтому для северного полушария на южных склонах потенциальные скорости почвообразования будут выше, чем на остальных. Повышенная скорость почвообразования может в некоторых случаях частично компенсировать темпы почвенных потерь (Голеусов, Лисецкий, 2009), что следует учитывать, особенно при оценке допустимых норм эрозии.
Мы рассмотрели основные параметры рельефа, используемые в различных эрозионных моделях. Каждый параметр доступен для автоматизированного ГИС-анализа на основе ЦМР. Новые возможности морфометрического анализа и моделирования в ГИС позволили по-новому интерпретировать геоморфологические условия. Это отражается не только в широких возможностях визуализации распределения параметров рельефа, но и в их количественной оценке и качественном анализе пространственного сочетания. В этом аспекте следует отметить преимущество одновременного учета в ГИС факторов длины и уклона через интегральную функцию рельефа, которая может быть использована для количественной оценки его эрозионного потенциала.
Под ЦМР понимают средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений аппликат в узлах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний (Геоинформатика, 2005).
Анализ ЦМР дает представление о геоморфологически обусловленных особенностях перераспределения вещественно-энергетических потоков в ландшафте. В связи с этим ЦМР, помимо эрозионного моделирования, используют во всех отраслях ландшафтных исследований: почвенном обследовании (Dobos et al., 2000; Park et al., 2001; Булыгин и др., 2012; и др.), оценке энергетики почвообразования (Лисецкий и др., 2012б), микроклиматической (Hetrick et al., 1993; Nichol, 1994; Svetlitchnyi et al., 2003; и др.) и агроэкологической (Thenkabail et al., 2000; Смирнова и др., 2011; и др.) оценках, геоморфологических исследованиях (Korup, 2004; Чернова и др., 2010; и др.), гидролого-геоморфологических исследованиях (Tarboton, 1997; Мальцев, Ермолаев, 2014; и др.) и др.
При оценке эрозионного потенциала рельефа в ГИС расчет его параметров производят в модулях морфологического и гидрологического моделирования. Первый модуль в результате обработки ЦМР рассчитывает параметры уклона, кривизны и экспозиции. Гидрологический модуль анализирует ЦМР с точки зрения перераспределения и концентрации водных потоков, и позволяет определить границы водосборов, оценить направление и длину линии стока, рассчитать вышележащую водосборную площадь, выделить водотоки и определить их порядки и др.
В настоящее время в свободном доступе имеются полученные в результате спутникового радарного сканирования ЦМР различного территориального охвата и пространственного разрешения: SRTM, ASTER GDEM, Etopo2 и др. Важным условием их использования в моделировании является устранение присутствующих артефактов и аномальных значений, которые делают многие автоматизированные процедуры геоанализа невозможными (Ермолаев и др., 2014).
Отмечено (Шелякин, 1993), что тесная связь наиболее значимого фактора рельефа – уклона – с эродированностью почв проявляется при исследовании по крупномасштабным картам в условиях конкретных водосборов, а при переходе к более мелкому масштабу утрачивается. Из этого следует, что оценка рельефного фактора модели смыва может быть сделана только на основе топографических карт крупного масштаба. Для этих целей в качестве основы построения ЦМР должна использоваться карта масштаба 1:10 000 или крупнее, размер ячейки растра не должен превышать 10 м, при среднемасштабных же исследованиях для этой цели можно использовать карты масштаба 1:25 000 с размером ячейки 50 м (Лисецкий и др., 2012а).
Для оценки эрозионного потенциала рельефа Белгородской области нами была построена гидрологически корректная ЦМР (рис. 2.4) и произведен ее комплексный анализ.
Отличительной особенностью полученной ЦМР является ее высокая точность, соответствующая масштабу 1:25 000, в отличие от ранее использованных (Ломиворотова, 2010; Лисецкий и др., 2011; и др.) данных радарного сканирования SRTM, масштаб которой приблизительно равен 1:155000 (Нарожняя, 2011). Нами впервые для территории Белгородской области была объединена векторная планово-высотная основа масштаба 1:25000, которая послужила базисом трехмерного моделирования рельефа. Создание ЦМР Белгородской области проводили в многофункциональном настольном ГИС-приложении ArcGIS 9.2, используя набор инструментов пространственного анализа (Spatial Analyst).
Типизация бассейнов белгородского экорегиона по эрозионной опасности и экологической устойчивости
При определении показателя эродированности мы перешли от количественных единиц измерения (доли площади) к качественным, выраженным через величину снижения потенциального плодородия почв. Выполненный анализ (Лисецкий, 2000) показал, что снижение уровня потенциального плодородия по отдельным степеням смытости почв различных генетических типов и подтипов сопоставимо со снижением урожайности сельскохозяйственных культур. Обзор результатов более двадцати исследований изменения почвенных свойств и урожайности сельскохозяйственных культур под влиянием эрозии (Лисецкий и др., 2012а) показал, что снижение урожайности сельскохозяйственных культур на почвах со слабой, средней и сильной степенью смытости в среднем составляет соответственно 19, 36 и 54%. На сильносмытых почвах урожайность снижается более чем в 2 раза по сравнению со слабосмытыми, что подтверждает необходимость более дифференцированной оценки, чем вычисление доли площадей эродированных почв. Поэтому показатель эродированности почв был выражен через средневзвешенный коэффициент урожайности для зерновых культур в зависимости от степени смытости и подтипа почвы.
Основой вычисления показателя служили материалы почвенного и эрозионного обследования Белгородской области (Соловиченко, 2005), представленные в виде электронных карт (Природные ресурсы…, 2005). По каждому сочетанию типа почв и его эродированности был определен коэффициент снижения урожайности. Расчеты средневзвешенного показателя степени эродированности Эу для каждого бассейна (см. рис. 3.1в) проводили методом оверлея векторных слоев бассейнов с почвенными и эрозионными ареалами.
Густота речной сети. Главная причина деградации малых рек – эрозия почв на их водосборах в условиях меняющегося климата. Многолетняя интенсивная поверхностная на склонах и овражная эрозия на ВосточноЕвропейской равнине привела к выносу в балочно-русловую сеть почти 100 млрд. т наносов, 90% которых переотложилось в руслах малых рек (Сидорчук, 1995). Показатель густоты речной сети К является определенным индикатором интенсивности развития водно-эрозионных процессов. В Белгородской области густота речной сети распределена неравномерно: на западе она выше и в среднем равна 0,2 км/км2, а с продвижением на восток снижается (Петин и др., 2005).
Для определения показателя К по картам масштаба 1:200000 была проанализирована длина современной речной сети Белгородской области (включая постоянные ручьи), которая при указанном масштабе составила 4457 км. С помощью инструмента Field Calculator в таблице атрибутов векторного слоя для каждого бассейна была вычислена густота речной сети (см. рис. 3.1г). Значения показателя К в пределах Белгородской области колеблются от почти нуля на юго-востоке до 0,9 на западе, что свидетельствует о том, что в некоторых бассейнах постоянные водотоки полностью отсутствуют.
Рельефная функция и доля площади склонов южной экспозиции. Рельефная функция LS отражает совокупное влияние длины и крутизны склонов на эрозионную опасность рельефа. LS рассматривается нами как основной фактор эрозионного потенциала рельефа. Для полученного ранее (см. главу 2) растра значений LS методом зональной статистики были вычислены средние значения рельефной функции LS (Morgan, 1979) для каждого бассейна (рис. 3.2а). Значения LS варьируют от 0,7 до 4,6. Наибольшим эрозионным потенциалом рельефа обладают бассейны восточной части экорегиона, наименьшим – в северной и юго-западной.
Доля площади склонов южной экспозиции Юск является дополнительным критерием и отражает предрасположенность бассейнов к проявлению эрозии при снеготаянии. Критерий Юск для каждого бассейна вычисляли на основе полученного из ЦМР растра распределения экспозиций, с выборкой значений азимута в интервале от 135 до 225. Предполагается, что если Юск 25%, то рельеф бассейна характеризуется повышенным эрозионным потенциалом при снеготаянии.
Эрозионный индекс осадков. Для определения данного показателя для территории Белгородской области использовали картограмму эрозионного индекса осадков – P (Альбом..., 1990), который характеризуется как произведение кинетической энергии дождя на его 30-минутную интенсивность. С использованием модуля SpatialAnalyst путем экстраполяции изолиний был получен растр распределения показателя Р на территорию Белгородской области. С помощью инструмента ZonalStatistics для каждого бассейна было определено средневзвешенное значение данного показателя (см. рис. 3.2б). Эрозионный потенциал осадков на территории Белгородской области равномерно увеличивается с юго-востока на северо-запад и изменяется от 7,8 до 9,1.
Таким образом, использование ГИС-инструментов анализа и моделирования позволило автоматизировать расчет оценочных параметров для характеристики каждого из бассейнов в пределах Белгородского экорегиона для их последующей типизации. В первом приближении по полученным картосхемам уже можно визуально (на качественном уровне) оценить пространственное распределение интенсивности эрозионных процессов и экологическую нагрузку в бассейнах. Но для научно обоснованной типизации бассейнов необходимо использовать объективный подход, основанный на методах математической статистики.
Большое число исследуемых объектов (188 бассейнов) предполагает использование автоматизированных средств статистической обработки данных и методов, обеспечивающих достоверное выделение типов бассейнов. Одним из таких методов является многомерный кластерный анализ. Он позволяет структурировать массив данных, исходя из сходимости их признаков, и сгруппировать объекты наблюдений в однородные кластеры по уровню агрегации, что позволяет выявить наиболее связанные компоненты. Чем выше уровень, тем меньше степень сходства между объектами в соответствующем кластере. В данной работе использован алгоритм древовидной кластеризации методом Уорда в квадрате Евклидова расстояния. Результаты кластерного анализа представлены в виде вертикальной дендрограммы иерархической группировки 188 речных бассейнов на рис. 3.3.
Использование гис и ддзз для информационного обеспечения экологического мониторинга
В почвенных исследованиях на основе ДДЗЗ накоплен значительный материал по связи отражательных свойств почв с их характеристиками (Ben-Dor, 2002): содержанием гумуса (Украинский, 2011), гранулометрическим составом (Украинский, Чепелев, 2011), пористости, объемной влажности (Васюков и др., 2012) и др. ДДЗЗ являются источником актуальной информации о процессах деградации земель: водной эрозии почв (Чепелев и др., 2009; Лисецкий, Марциневская, 2009; Буряк, 2014б; и др.), подтоплении (Кумани и др., 2012), самозарастании (Варламов и др., 2014) и прочих негативных процессах. Также широкое распространение получило использование ДДЗЗ для характеристики структуры и состояния сельскохозяйственных посевов (Huete, Jackson, 1987; Нейштадт и др., 2006; Терехин, 2015; и др.).
Во всех областях экологического мониторинга ГИС могут выступать как средство управления базами пространственно координированных данных.
Возможности ГИС позволили перейти от реляционных баз данных к объектно-ориентированным (Ларина, 2015). Единая систем управления базами данных (СУБД) в сочетании с ГИС-технологиями позволяет оперативно пополнять информационные потоки мониторинговых данных, осуществлять межведомственное информационное взаимодействие, производить статистический и пространственный анализ данных, обеспечивать интерактивный доступ пользователей к различного рода сведениям (в том числе и картографическим) через геопорталы. Геопортал – сайт, перечень функций которого, реализованных в виде WEB- геосервисов, включает поиск наборов данных по их метаданным, визуализацию данных, их загрузку и трансформирование (Кошкарев, 2009). Геопорталы могут содержать информационные ресурсы разного уровня и пространственного охвата, различной специализации и ведомственной принадлежности.
Широкую государственную поддержку в области автоматизированного информационного обеспечения получила система агроэкологического мониторинга. В 2010 г. Правительством РФ одобрена концепция развития государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и иных земель, используемых для ведения сельского хозяйства (Об утверждении…, 2010), разработанная Минсельхозом. Концепция определяет приоритетное внедрение информационных технологий и географических систем, а также использование современных технических средств ДДЗ. К 2020 г. планируется создание единой федеральной информационной системы о землях сельскохозяйственного назначения. В 2012 г. была закончена разработка федеральных геоинформационных систем «Атлас земель сельскохозяйственного назначения РФ» (ФГИС АЗСН) и «Система дистанционного мониторинга земель агропромышленного комплекса» (СДМЗ АПК), которые являются частями общей системы государственного мониторинга сельскохозяйственных земель. Доступ к системам, размещенным в сети Интернет в виде картографических WEB-приложений, открыт любому пользователю и осуществляется через геопорталы.
Сведения агроэкологического мониторинга могут быть представлены в качестве самостоятельного регионального информационного ресурса. Примерами уже функционирующих ГИС регионального мониторинга сельскохозяйственных земель являются «ГИС мониторинга плодородия земель», разработанная ФГБУ «ЦАС «Белгородский» (Чекмарев, Лукин, 2013); «ГИС мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Ростовской области» (Голобузов и др., 2014); государственная информационная система мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Краснодарского края «ГИС «Агроуправление» (Козубенко, Болсуновский, 2011) и другие.
В отношении гидроэкологического мониторинга на государственном уровне пока не разработана единая общедоступная информационная база. Согласно Водной стратегии развития РФ (Об утверждении..., 2009), к 2020 г. под общей координацией Федерального агентства водных ресурсов планируется создание единой автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов, сформированной в разрезе бассейновых округов, водохозяйственных участков и речных бассейнов. При этом перспективно использовать многофункциональные ГИС гидроэкологического мониторинга с множеством взаимосвязанных информационных блоков, которые базируются на автоматизированном получении данных с сети наблюдений о гидрологических характеристиках и изменении погодных условий (Широкова, Левин, 2012). Современные ГИС также оснащены возможностями пространственно-временного моделирования гидрологических процессов (Bugaets, 2014). Для некоторых регионов России разработаны комплексные ГИС по мониторингу и прогнозированию состояния водных ресурсов (Лукьянчикова и др., 2006; Куракина, 2014; и др.), однако такие проекты носят инициативный характер и зачастую лишены постоянного государственного финансирования.
В Белгородской области средствами Центра коллективного пользования НИУ «БелГУ» была разработана технология автоматизированного мониторинга гидрологических характеристик водоемов и оперативного прогнозирования наводнений (Соловьев и др., 2012). Данная система позволяет давать краткосрочные прогнозы опасных гидрологических явлений на основе поступающих сведений датчиков с сети автоматизированных гидропостов и может быть успешно использована при организации регионального гидроэкологического мониторинга.
Единая информационная система экологического мониторинга должна органично вписаться в национальную инфраструктуру пространственных данных (ИПД), разработка которой ведется с 2006 г. в соответствии с концепцией создания и развития ИПД Российской Федерации (О концепции..., 2006). Положения Концепции определяют цели, задачи, состав, структуру, основные принципы и направления работ в области создания и развития инфраструктуры пространственных данных в целях обеспечения свободного доступа граждан, организаций, органов государственной власти и органов местного самоуправления к национальным ресурсам пространственных данных, в том числе через глобальную сеть Интернет. Главной проблемой создания российской ИПД является отсутствие нормативной документации, четко регламентирующей стандарты в области создания, хранения, предоставления и использования базовых пространственных данных и метаданных (Миллер, 2010). В решении этой проблемы перспективно использовать опыт зарубежных стран, например США, где государственная ИПД (National Spatial Data Infrastructure, NSDI) функционирует с 1994 г., или Европейского Союза, где на основе директивы INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the EC) (Directive..., 2007) создана единая интернациональная ИПД.