Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние эколого геоморфологического картографирования 8
1.1. Состояние эколого-географического картографирования 9
1.2. Геоморфологическое картографирование: цели, основные принципы 27
1.3. Опыт эколого-геоморфологического картографирования 35
ГЛАВА 2. Состав и содержание серии эколого геоморфологических карт 55
2.1. Базовые карты и исходные материалы при эколого геоморфологическом картографировании 56
2.2. Содержание и принципы создания эколого геоморфологических карт 69
2.3. Возможности использования геоинформационных технологий при эколого-геоморфологическом картографировании
ГЛАВА 3. Эколого-геоморфологическое картографирование московской области 91
3.1. Эколого-геоморфологические карты Московской области 92
3.1.1 Характеристика геоморфологических условий и экологического состояния Московской области
3.1.2 Исходные материалы и базовые карты для эколого-геоморфологического исследования Московской области... 101
3.1.3 Создание и анализ эколого-геоморфологических карт Московской области 105
3.2. Эколого-геоморфологические карты Ногинского района Московской области 111
3.2.1 Характеристика природных условий и экологического состояния Ногинского района Московской области
3.2.2 Исходные материалы и базовые карты для создания эколого-геоморфологических карт на территорию Ногинского района Московской области 117
3.2.3 Создание и анализ эколого-геоморфологических карт
Ногинского района Московской области 122
Заключение 132
Список литературы
- Геоморфологическое картографирование: цели, основные принципы
- Опыт эколого-геоморфологического картографирования
- Возможности использования геоинформационных технологий при эколого-геоморфологическом картографировании
- Характеристика природных условий и экологического состояния Ногинского района Московской области
Геоморфологическое картографирование: цели, основные принципы
Эколого-географическое картографирование активно развивается последние десятилетия. Как уже отмечалось, первыми обратили внимание на возникновение и обострение экологического кризиса медики и биологи в середине XX века, поэтому на первым порах не происходило развитие экологического картографирования. Географические науки подключились к решению экологических проблем лишь в середине 70-х - начале 80-х гг., используя опыт прогнозных работ и ландшафтных исследований. Появилось учение о рациональном природопользовании, разрабатывались различные нормативы (ПДК и др.) и т.д. Именно тогда и появились экологические карты. Несмотря на достаточно большой накопленный опыт в экологических исследованиях в целом и эколого-географическом картографировании в частности, многие вопросы остаются не до конца проработанными, отсутствуют унифицированные методы и подходы решения различных задач. Но это разнообразие следует оценивать как один из этапов развития нового научного направления. Однако сама разноплановость работ в этой области связана также с различным пониманием сущности экологии.
Современное понимание экологии значительно шире классического, предложенного Геккелем в 1866 году: экология - это отношение организмов со средой обитания. Многие годы использовалось именно это или схожие с ним определения, поскольку занимались экологическими проблемами специалисты биологической направленности. Например, в известной работе Н.Ф Реймерса («Природопользование», 1990, с. 592-594), помимо традиционной трактовки экология определяется как наука, изучающая общие законы функционирования экосистем разного ранга. Но после подключения ученых других естественных специальностей к вопросам регулирования экологического кризиса понятие экология расширилось. Так в Экологическом энциклопедическом словаре (1999) экология рассматривается также как наука о совместном развитии человека, сообществ людей в целом и окружающей среды, включающей все остальные организмы. Цель экологии - это поиск путей обеспечения нормальных условий жизни. Общее представление о сущности современной экологии дается также в монографии «Комплексное экологическое картографирование» (1997, с. 5): «экология - это комплекс научных дисциплин, связанных с изучением и оценкой взаимоотношений общества и природы и имеющей конечной целью их оптимизацию».
Появилась тенденция выделять в экологии отдельное направление -геоэкологию. По К.М. Петрову, геоэкология - наука о взаимодействии географических (геосистем), биологических (биоценозов, биогеоценозов) и социально-производственных систем; В.З. Макаров считает, что объектом геоэкологических исследований выступают геосистемы, включающие природные и антропогенные компоненты, а предметом - последствия хозяйственной деятельности на геосистемы и реакция последних на эти воздействия. Г.Н. Голубев предлагает определять геоэкологию как междисциплинарное научное направление, изучающее экосферу как взаимосвязанную систему геосфер в процессе ее интеграции с обществом. Белорусские географы (Витчепко, 2001) считают, что геоэкология - область географической науки, занимающаяся изучением географической среды и слагающих ее природных и природно-антропогенных геосистем с использованием гуманитарно-экологического подхода с целью разработки теоретических основ, принципов и нормативов рационального природопользования, устойчивого развития общества и оптимизации его взаимодействия с окружающей средой. Некоторые географы и картографы часто используют традиционное определение экологии (Петров, 1997; Верещака, Добс, 1998; Жеребцова, 1994 и др.).
Сущность и основные направления эколого-географического картографирования.
Переходя к определению эколого-географического картографирования, хотелось бы сразу отметить, что многие географы и картографы не делают различий между экологическими и эколого-географическими картами, используют термины экологическое, эколого-географическое и геоэкологическое картографирование как синонимы. По-видимому, это является следствием той путаницы и разногласий, которые, как было показано выше, возникли при определении экологии и геоэкологии.
Понятие "экологическая карта" впервые появилось в 70-е гг., вычленилось из более широкого и достаточно неопределенного "карты окружающей среды". В.Б.Сочава определил их как "карты, раскрывающие связи человека и его деятельности с окружающим его материальным миром" (Сочава, 1973). Далее этот термин стал появляться в работах А.Г Исаченко, B.C. Преображенского, большой группы ученых СО ИГАН СССР. Одновременно он стал использоваться и зарубежом. В 80-е гг. термины «экологическая карта» и «экологическое картографирование» стали очень распространенными и начали применяться во многих публикациях. Тем не менее современные формулировки экологического и эколого-географического картографирования несколько различны.
Экологический энциклопедический словарь (1999) определяет экологическое картографирование как совокупность методов, процессов создания карт и атласов, охватывает все компоненты среды (рельеф, растительность и др.). Состоит из следующих направлений: оценочное, картографирование антропогенных возденйствий на среду, устойчивости среды к воздействию, экологического состояния и др.
Опыт эколого-геоморфологического картографирования
В опубликованных работах приводится мало определений и описаний эколого-геоморфологических карт, но в экологическом энциклопедическом словаре приводится следующее определение (1999, с. 782): «...один из видов специализированных карт, на которых изображаются особенности эколого-геоморфологических условий жизни и деятельности человека. На них должны быть приведены морфометрические показатели, типы и степени опасности природных и антропогенных геоморфологических процессов. Их содержанием может быть эколого-геоморфологическое районирование, когда выделенные районы оцениваются по типам экологических обстановок и степени благоприятствования или опасности стихийных процессов».
Одна из немногих работ, посвященных теоретическому обоснованию эколого-геоморфологического картографирования, опубликована коллективом авторов (Симонов, Ананьев, Лукашов, Рычагов и др., 1995). В ней предлагается для ускорения создания общей концепции составлять конкретные разномасштабные эколого-геоморфологические карты. Авторы считают, что для создания такой концепции необходимо рассмотреть ряд вопросов. По их мнению прежде всего, важно определить масштабы карт для решения различных задач различными потребителями; выработать принципы согласования содержания эколого-геоморфологических карт; разработать классификации форм рельефа и рельефообразующих процессов для разномасштабных карт; и наконец, проработать вопросы оформления эколого-геоморфологических карт.
В нашей стране сложилась система управления, в которой есть три уровня -федеральный, региональный, локальный. Поскольку территория нашей страны очень неоднородна по административному делению, то предлагается для каждого административного объекта своя группа масштабов в зависимости от размеров географического региона. Для федерального уровня это масштабы 1:4 000 000 - 1: 10 000 000; для регионального уровня (субъекты федерации) 1:500 000 - 1:1 000 000; для административных районов 1:100 00 - 1:500 000; для населенных пунктов 1:10 000 - 1:50 000; для отдельных хозяйств 1:5 000 - 1:10 000.
Несмотря на то, что в официальных документах речь идет только о геоморфологической карте и карте опасности современных геоморфологических процессов, следует создавать и другие карты. Вся информация о рельефе необходимая для решения экологических задач может оказаться столь большой, что одна карта станет трудно читаемой. Поэтому полезно размещать ее в серии сопряженных карт. Выделяется пять групп карт, отражающих влияние рельефа на жизнедеятельность человека: рельеф как существенный элемент морфолитогенной основы экосистем; рельеф как условие и природный ресурс развития некоторых типов хозяйства; типы реакций рельефа и современных рельефообразующих процессов на природоизменяющую деятельность человека; виды воздействия рельефа на социальные условия проживания человека; дифференцированная оценка рельефа и современных рельефообразующих процессов для принятия решения по оптимизации окружающей среды и природопользования; прогнозные с рекомендациями по управлению природопользованием. И.Г. Авенариус, В.И. Мысливец (1995) считают, что при эколого геоморфологическом картографировании следует уделять внимание следующим геоморфологическим элементам: морфоструктурным, определяющим генеральные черты рельефа и, следовательно, ландшафта: распределение в пространстве зон сноса, транзита и, главное, аккумуляции вещества, наличие наиболее опасных эндогенных процессов, интенсивность экзогенных процессов; морфолитодинамическим потокам, главное внимание обращается на участки активного развития тех или иных экзогенных процессов, которые способствуют быстрому, иногда катастрофически быстрому переносу вещества в особо опасных размерах, часто такие участки являются морфоструктурно обусловленными, особое внимание надо обратить на геохимическую природу потоков, которые характеризуются привносом вещества в природный ландшафт в результате хозяйственного освоения территории.
В другой работе (Кружалин, Лукашов и др., 1992) предлагается рассматривать рельеф как место обитания человека и как фактор, изменяющий экологическую обстановку, и вводятся понятия геоэкологическая обстановка, геоэкологическая ситуация и геоморфологический риск. Их выделение «...предполагает создание определенного вида карт» (Кружалин, Лукашов и др., 1992, с. 10). Авторы пишут, что возникновение различного рода геоэкологических ситуаций определяется хозяйственной деятельностью человека, и поэтому при эколого-геоморфологическом районировании должны применяться не только геоморфологические принципы, но и учитываться хозяйственная деятельность человека.
Ю.Г. Симонов (1995) считает при эколого-геоморфологическом анализе необходимым районирование территории с созданием серии карт. К основным картам, с помощью которых проводится деление территории по рельефу местности или проявлению процессов эндогенного и экзогенного рельефообразования, он предлагает относить следующие: 1. Карта современных рельефообразующих процессов - на ней выделяются ареалы экзогенных процессов различной природы и различной степени опасности - зоны преобладающей денудации, а также области активного транзита наносов и области их аккумуляции; 2. Карта морфологических типов рельефа - она составляется на морфоструктурном или морфотектоническом основании; 3. Карта речных бассейнов. Для более детальной характеристики это могут быть не три отдельные карты, а три группы карт. Далее проводится сопряженный анализ этих карт с картой природопользования (которая в случае отсутствия может быть составлена по данным земельного кадастра) и картами экономико- и социально-географическими. Их визуальное сопоставление позволяет выявить наличие/отсутствие связей между различными явлениями. Главным результатом такого анализа Ю.Г Симонов определяет выбор объектов для детальных исследований механизмов этих связей.
Возможности использования геоинформационных технологий при эколого-геоморфологическом картографировании
Водосборные бассейны отличаются между собою размерами, сложностью строения, уклонами склонов и продольных профилей, длинами водотоков и т.д. Для сравнения бассейнов в настоящий момент широко используются система определения порядков в зависимости от сложности их строения по Стралеру Философову и Хортон-анализ (Симонов, Симонова, Кружалин, 1995; Кичигин, 1999; Симонова, Шмыков, 2000 и др.).
Морфометрические характеристики водосборных бассейнов во многом определяют особенности процессов, формирующих сток воды и взвешенных наносов. В результате перераспределение токсичных веществ зависит от структуры водосборных бассейнов. Оценка влияния строения водосборных бассейнов на особенности перераспределения загрязнителей для равнинных территорий проводится в пределах бассейнов 3-4 порядков. Бассейны 1-го и 2-го порядка, имеющие небольшие размеры, дают слишком дробную характеристику территории. Особенности их функционирования полезно учитывать на стадии строительства отдельных предприятий или хозяйств. Для региональных исследований (на уровне административного района и выше) требуются обобщенные оценки. Кроме того, площадь водосбора 3-4 порядков, полученного по картам 1:200 000 масштаба, примерно соответствует площади административного района, и тогда их использование становится рациональным для управления на уровне субъекта Федерации. В свою очередь, на картах водосборных бассейнов, созданных по картам масштаба 1:50 000, на территориях административного района редко встречаются бассейны порядка выше 4, большая часть территории покрывается 3 порядками. Еще раз отметим, что речь идет о равнинных территориях, в горах это соотношение может быть иным.
При проведении анализа структуры водосборных бассейнов необходимо определить следующие характеристики для каждого водосборного бассейна: порядки водотоков, их длины и уклоны, площади водосборов. Далее для каждого бассейна вычисляются структурные индексы, которые характеризуют строение бассейна (см. прил. 2, 3.; Симонов, 1999; Симонов, Шмыков, 2000; Шмыков, 2000; Симонов, 2001; Симонова, 2001):
1. Индекс бифуркации (ИСБ) - параметр, определяющий наличие и соотношение в пределах каждого бассейна водотоков разного порядка. Для этого вычисляется количество разнопорядковых тальвегов, а цифра индекса означает, сколько водотоков более низкого порядка приходится в среднем на водоток более высокого порядка (например, индекс бифуркации 136 означает, что в этом бассейне есть водоток 3 порядка, на который приходится 3 водотока 2 порядка, на каждый из которых в среднем приходится 6 водотоков 1 порядка).
2. Индекс структуры площадей (ИСП) - показывает соотношение площадей бассейнов разных порядков (то есть, индекс 631 означает, что 60% площади всего бассейна приходятся на водосборы 1 порядка, 30% - на фасетки склонов, опирающихся на русла 2-го порядка и 10% - на фасетки склонов, опирающихся на русла 1-го порядка).
3. Индекс структуры длин вычисляется как соотношение средних длин водотоков разных порядков - для каждого порядка вычисляется средняя длина водотока, а потом они между собой сравниваются.
4. Индекс структуры уклонов - для каждого порядка вычисляется средний уклон водотока, а потом они между собой сравниваются.
Эти операции и вычисления легче всего провести с помощью различных программных средств, где, например, функции вычисления площади объекта или его длины можно задать автоматически.
Все бассейны являются отрицательными формами рельефа, и это определяет то, что на большом отрезке времени они становятся каналами преобладающего сноса вещества с этой территории. Вместе с тем, сам процесс выноса вещества с территории бассейна протекает по-разному в зависимости от строения бассейна. Некоторые бассейны обладают такими определенными характеристиками (соотношение уклонов и др.), что многие вещества «задерживаются» в них на продолжительное время. Это бассейны в соответствии с учением о речных бассейнах Ю.Г. Симонова относятся к бассейнам-«накопителям». Существуют также бассейны, в которых вещества с верхних звеньев приносится меньше, чем выносится. Они называются бассейны-«сбрасыватели». И наконец, третья группа бассейнов, у которых в каждой точке продольного профиля имеется определенное соответствие между приходом вещества со склонов и выше лежащих частей русла с выносом вещества. Это «транзитные» бассейны. Однако, водосборные бассейны являются сложными системами. На протяжении длительного отрезка времени места накопления и выноса вещества могут меняться как на выходе из бассейна, так и внутри него. Практически в каждом бассейне есть отдельные участки накопители, транзитные и сбрасыватели. Мы проводили оценку по особенностям функционирования интегрального звена (т.е. русел 3-4 порядков). По ходу своего развития все бассейны стремятся прийти в равновесное состояние, то есть стать транзитными. Таких бассейнов большинство, для них характерны некоторые определенные значения индекса структуры бифуркации, площади, уклонов и длин (Симонов, 1999; Кичигин, 1999; Шмыков, 2000; Симонов, Шмыков, 2002). Эти бассейны предлагается называть нормальными или модальными. Сравнивая изучаемые бассейны с модальными значениями, можно классифицировать бассейны разного порядка на накопители, транзитного типа и сбрасыватели, а затем по определенным правилам дать интегральную характеристику всему бассейну (см. прил. 1,2, 17, 18, 33, 34; Симонов, Симонова, Кружалин, 1995).
Характеристика природных условий и экологического состояния Ногинского района Московской области
В 90-х годах в Ногинском районе проводились почвенно-геохимические опробования. Сравнение карт загрязнения почвенного покрова из атласа Ногинского района показало совпадение очагов загрязнения с бассейнами-накопителями. Нами совместно проанализированы карта бассейнов, природопользование и почвенные пробы в пределах одного бассейна (см. прил. 35). Большая часть проб в данном бассейне имеет низкие показатели СПК (0-5), поэтому были отобраны только те точки опробования, в которых значение СПК высокое. Из 10 выбранных нами проб 5 расположены в бассейнах-накопителях 1 порядка. Следовательно, искать источники повышенного содержания концентраций следует в самих бассейнах. С нашей точки зрения, для точки опробования №1 таковыми могут являться железная и автомобильная дороги, сельскохозяйственные поля д. Есино; для точки №2 - животноводческая ферма д. Бабеево; для точки №4 - промышленные предприятия пос. им. Воровского; для точки №6 - поля фильтрации д. Пушкино; для точки №8 - промышленные предприятия г. Электростали. Точки 5 и 7 расположены в транзитном бассейне, поэтому источниками загрязнения могут являться как объекты, расположенные непосредственно в этом бассейне, так и в бассейнах-сбрасывателях, лежащих выше по течению. Причиной загрязнения в точке №5 могут быть животноводческая ферма, склад ядохимикатов, месторождения строительного песка, расположенные в самом транзитном бассейне выше по течению, а также расположенные в п. им. Воровского промышленные предприятия, месторождения торфа и глин. Точка №7 взята у полигона отходов, поэтому он, вероятнее всего, и является источником загрязнения. Точки опробования 3, 9, 10 лежат в бассейнах-сбрасывателях, выше которых находятся бассейны-накопители, значит причины загрязнения надо искать в их собственных бассейнах. Точка №3 расположена вблизи месторождения, можно предположить, что накопление происходит из-за лесной растительности -она сдерживает вещество, не давая ему свободно «уйти» вниз по течению. Точка №9, вероятнее всего, фиксирует сбросы очистных сооружений у д. Бабеево, а точка №10 - животноводческой фермы.
Для Ногинского района очень актуальной проблемой является загрязнение подземных вод и истощение их запасов. Гидрогеологами давно разрабатываются методика создания карт защищенности подземных вод. Отложения карбона в нормальном случае перекрываются отложениями мезо-кайнозойского комплекса. Когда водоносные горизонты карбона сверху «закрыты» глинистыми отложениями юры, мела и т.д., территорию принято относить к потенциально защищенным от проникновения загрязнителей в глубокие горизонты. Там же, где карбон перекрыт только четвертичными отложениями, надлежит рассмотреть и их состав по геоморфологической или четвертичной картам. Если над каменноугольными отложениями лежат легкопроницаемые породы или же они вообще вскрыты, то такие территории принято относить потенциально незащищенным. Вообще говоря, наличие глинистых фракций не означает, что загрязнители не будут просачиваться вниз, они лишь снизят скорость этого проникновения. Поэтому на карте мы выделили участки с относительно высокой скоростью проникновения вещества и низкой (см. прил. 36). При наличии геологических разрезов можно установить мощности надкарбонового слоя и еще больше дифференцировать территорию по принципу: где мощность больше, медленнее происходит просачивание. Ъц Vе 3
Защищенность подземных вод можно также определить по картам толщин дренируемого слоя водотоками разного порядка. Как отмечалось, гидрографическая сеть в районе представлена в основном водотоками 1-3 порядков. Для каждого из этих порядков создавались карта базисной поверхности -это поверхность, на которую опираются устья первого порядка. Тогда вычитанием цифровой модели базисной поверхности из дневной получаем толщину, дренируемую водотоками 1 порядка (см. прил. 37). Такая операция производится , для каждого порядка. При совместном рассмотрении карт выделяются участки, дренируемые 3 порядком, но не дренируемые 2-м и 1-м; а также участки, / %$ дренируемые 2-м, но не дренируемые 1-м. Это своеобразные «гидрогеологические \ _ окна», по которым собственно происходит проникновение вглубь загрязнителей, ( -К особенно, если мощность участка невелика. И наоборот, в местах, где толщины дренируемого слоя велики, маловероятно попадание вглубь поллютантов (см. прил. 38). Полученная карта сравнивалась с данными по загрязнению подземных и грунтовых вод из Атласа Ногинского района. В подавляющем большинстве случаев очаги наиболее высокого загрязнения вод по разным элементам совпадают в своем местонахождении с выделенными на карте «гидрогеологическими
окнами», причем степень совпадения гораздо лучше, чем на карте защищенности, созданной по распространению мезо-кайнозойского комплекса.
Основными выводами третьей главы являются следующие положения. Московская область в целом и Ногинский район в частности находятся в сложной экологической обстановке, которая вызвана интенсивной антропогенной деятельностью. Оба объекта довольно хорошо изучены в экологическом и геоморфологическом аспектах. Разнообразие рельефа, его типы определяют экологическую обстановку. Эколого-геоморфологическая обстановка зависит от маломеняющихся свойств рельефа. В различных исследованиях присутствуют элементы изучения влияния рельефа на жизнь и хозяйственную деятельность, ответных реакций рельефа на воздействие человека, но не в полной мере, то есть специальных работ не проводилось.
Серия эколого-геоморфологических карт для целей изучения типов тематических карт, методов их создания представляет научную задачу, а эколого-геоморфологическая информация, отображенная на этих картах, имеет прикладное значение.
При создании серии для области представляют интерес карты масштабов 1:1 000 000 - 1: 2 000 000, а для района целесообразно использовать масштабы 1:100 000 - 1:200 000. Состав серии не меняется от уровня исследования, но содержание карт зависит от него по степени детальности. Кроме того, в случаях, где для области показываются потенциальные изменения, возможности, явления и т.д., для района возможно подкрепление этих предположений конкретными данными.
Приведенные примеры карт эколого-геоморфологического содержания иллюстрируют не всю серию, но уже и они наглядно показывают роль рельефа в системе «природа-хозяйство-население». Наибольший интерес, вероятно, для принятия решений в области природопользования могут представлять карты, отражающие влияние рельефа и релъефообразующих процессов на формирование и перераспределение загрязнения, ведение хозяйства, а также карты ответных реакций рельефа. В третьей главе обращается особое внимание на то, что выделенные на картах бассейнов места вероятного накопления загрязнителей, а также на картах защищенности подземных вод «окна», по которым происходит просачивание загрязненных потоков в нижележащие горизонты, совпадают с реальными данными по загрязнению почвенного покрова и подземных водоносных горизонтов на 80-90%. В связи с тем, что хозяйственное освоение территории не прекратится, необходимо создавать и использовать эколого-геоморфологические карты для рационального планирования природопользования, для оптимального финансирования хозяйственной деятельности, для безопасного рекреационного освоения территории.
