Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мерзлотная картографическая информация как основа составления мерзлотно-экологических карт 11
1.1 Анализ содержания изданных мерзлотных карт 11
1.2 Обзор методических подходов к мерзлотно-экологическому картографированию 36
Глава 2. Научно-методические основы мерзлотно-экологического картографирования в региональных атласах (на примере атласа Ханты-Мансийского автономного округа -Югры) 47
2.1 Тематика раздела «Мерзлота» и содержание карт 47
2.2 Повышение информативности мерзлотных карт средствами ГИС-анализа 65
Глава 3. Концепция Мерзлотно-экологического атласа России 81
3.1 Назначение, задачи, направления использования атласа 81
3.2 Требования к атласу, масштабы, проекции, компоновки карт 84
3.3 Содержание и структура атласа 86
3.4 Формат, оформление, тексты и иллюстрации 92
Глава 4. Содержание и методы составления карт Мерзлотно-экологического атласа России 95
4.1 Мерзлотные карты 95
4.1.1Карта «Мерзлотно-ландшафтная дифференциация криолитозоны России» и ГИС-анализ 95
4.1.2 Карты «Распространение, температура», «Мощность мерзлых пород», «Льдистость мерзлых пород», «Сезонное промерзание и протаивание», «Криогенные процессы и формы рельефа» 110
4.2 Мерзлотно-экологические карты 124
4.2.1 Карта «Активизация мерзлотных процессов при механическом воздействии» 124
4.2.2 «Мерзлотно-экологическая карта Западной Сибири» 128
Глава 5. Картографическая база данных «Криолитозона России» и мультимедийная версия Мерзлотно-экологического атласа России 133
5.1 Картографическая база данных «Криолитозона России» 133
5.2 Мультимедийная версия Мерзлотно-экологического атласа России 138
Заключение 142
Список литературы 144
- Анализ содержания изданных мерзлотных карт
- Содержание и структура атласа
- Карты «Распространение, температура», «Мощность мерзлых пород», «Льдистость мерзлых пород», «Сезонное промерзание и протаивание», «Криогенные процессы и формы рельефа»
- Картографическая база данных «Криолитозона России»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Криолитозона России занимает 65% территории Российской Федерации. К настоящему времени накоплена обширная и разносторонняя информация о современном состоянии и условиях ее развития. Назрела необходимость сведения этой информации в единую систему, создания научно-методической основы для формирования баз и банков мерзлотно-экологической информации.
Актуальность изучения многолетнемерзлых пород (ММП) в пространстве и во времени возрастает в связи с интенсивным освоением природных ресурсов Севера и новыми проявлениями изменения климата. Анализ специальных мерзлотных мелкомасштабных карт приобретает первостепенное значение. Решение геоэкологических проблем в криолитозоне требует разностороннего анализа воздействия техногенеза на мерзлотные компоненты природного комплекса. С другой стороны, прогресс геоинформационного картографирования предоставляет большие возможности для всестороннего комплексного изучения криолитозоны России.
При больших объемах накопленной фактической и теоретической информации мерзлотно-экологическое состояние ландшафтов не получило целостного адекватного картографического отображения. Практика мерзлотно-экологического картографирования имеет в своем активе преимущественно рукописные (электронные) карты ряда регионов и крупномасштабные фрагменты отдельных территорий. Экологическая обстановка в целом для области вечной мерзлоты получила отражение на нескольких опубликованных обзорных картах, различающихся методическими подходами, набором используемых показателей, способами отображения и т. д. Отсутствует общая концепция мерзлотно-экологического картографирования, недостаточно разработаны критерии оценки экологического состояния криогенных ландшафтов, что существенно снижает эффективность применения мерзлотно-экологического картографирования при выработке рекомендаций и принятия решений по достижению мерзлотно-экологического равновесия.
Цель работы - создать научно-методическую основу для сведения мерзлотно-экологической информации в единую систему, применить современные средства картографирования для получения новых знаний о криолитозоне России.
Основные задачи:
изучить существующий опыт мерзлотного и мерзлотно-экологического
картографирования, проанализировать мерзлотные карты, которые могут быть использованы
в качестве источников составления мелкомасштабных мерзлотно-экологических карт и для
наполнения базы данных при ГИС-картографировании криолитозоны России;
разработать концепцию, структуру, содержание и принципы оформления Мерзлотно-экологического атласа России;
разработать принципы атласного мерзлотно-экологического картографирования на региональном уровне;
разработать методы создания, содержание, принципы оформления ряда мерзлотных и мерзлотно-экологических карт с применением геоинформационных технологий;
разработать мультимедийную версию атласа и структуру картографической базы данных «Криолитозона России».
Предмет исследования - мерзлотно-экологическое картографирование территории России. Объект исследования - ландшафты криолитозоны России.
Методика исследования. Исследование проведено на основе работ автора с 1986 года по составлению мерзлотных и мерзлотно-экологических карт на кафедре криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Основу диссертационной работы составляют материалы, собранные за 1987-2010 годы в результате выполнения кафедрой криолитологии и гляциологии мерзлотно-экологических исследований.
Работа опиралась на научно-методологические принципы и идеи комплексного и системного географического картографирования, заложенные К.А. Салищевым, И.П. Заруцкой, A.M. Берлянтом, А.Г. Исаченко и другими; теоретические принципы и опыт мерзлотного картографирования А.И. Попова, В.А. Кудрявцева, И.Я. Баранова, П.И. Мельникова, К.А. Кондратьевой, Н.А. Шполянской, Н.В. Тумель, А.В. Востоковой; теоретические построения, методы математико-картографического моделирования, представленные в трудах известных ученых в области геоинформационного картографирования С.Н. Сербенюка, A.M. Берлянта, B.C. Тикунова, И.К. Лурье и других.
В процессе исследований использованы ландшафтные, мерзлотные, геоэкологические методы изучения и картографирования территории, а также методы экспертных оценок и ГИС-анализа. Все карты созданы на основе методов и приемов геоинформационного картографирования.
Научная новизна работы.
1. На основе собранных материалов комплексного мерзлотно-экологического изучения
территории, их обработки и обобщения разработаны: концептуальные основы Мерзлотно-экологического атласа России, содержание карт, принципы комплексного мерзлотно-экологического картографирования на региональном уровне (на примере карт раздела «Мерзлота» атласа Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО), методы и
приемы создания, содержание ряда авторских мерзлотных и мерзлотно-экологических карт.
Обоснована целесообразность применения средств ГИС-анализа для повышения информативности мерзлотных карт и получения новых знаний о криолитозоне России.
Произведено картографирование, и установлена взаимосвязь мерзлотных и ландшафтных характеристик криолитозоны России.
Предложенные принципы и методы картографирования реализованы на примерах создания мелкомасштабных карт Мерзлотно-экологического атласа России, разделов «Мерзлота» региональных атласов Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО), Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (ХМАО), Экологического атласа России, Национального атласа России.
Защищаемые положения:
Систематизация и представление мерзлотной и мерзлотно-экологической информации требуют применения методов атласного картографирования.
Получению новых знаний о криолитозоне России способствуют использование методов ГИС-картографирования и ГИС-анализа.
Площадь криолитозоны составляет 65% от площади России; область сплошной мерзлоты занимает 49% криолитозоны, прерывистой - 22%, массивно-островной - 17%, островной - 12%; 40% составляют низко- и среднегорья, по 26% - равнины низменные и возвышенные, 6% - высокогорья и 2% -речные долины.
Наибольшее мерзлотно-ландшафтное разнообразие отмечается в областях прерывистой и массивно-островной мерзлоты; наиболее однозначна связь между ландшафтами и мерзлотой для крайних северных и южных территорий.
Ландшафты, занимающие максимальную площадь во всех областях мерзлоты, относятся к районам Средней и Восточной Сибири, как наиболее обширным платформенным массивам с достаточно однородными мерзлотно-ландшафтными условиями, сложившимися в ходе длительного исторического развития.
Практическая значимость. Предложенная структура логически взаимосвязанных мерзлотных и мерзлотно-экологических карт в атласах, методика составления и содержание ряда карт позволят систематизировать накопленный банк картографических данных, упорядочить методы и приемы создания карт. ГИС-картографирование и анализ в изучении мерзлоты позволяют получать новую информацию о криолитозоне России.
Разработанные карты могут быть использованы: для картографического исследования и изучения криолитозоны России посредством применения методов картографического анализа, для составления производных карт, в том числе обеспечивающих принятие управленческих решений; при планировании работ по освоению природных ресурсов в
области вечной мерзлоты; в качестве учебного пособия для ряда специальных курсов.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на 14-ти научных конференциях в том числе: Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», Тюмень, 2006; VIII научной конференции «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития», Иркутск, 2007; Общероссийской Конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в РФ», ПНИИИС, 2007-2010; Всероссийской научной конференции «Селиверстовские чтения», С-Петербург, 2009.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 публикации, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Соискатель является автором 13 и редактором 9-ти карт, изданных в пяти атласах (География России. Природа и человек. 8-9 класс, 2004; Экологический атлас России, 2002; атласы Ямало-Ненецкого автономного округа, 2004; Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, 2004; Национальный атлас России, 2006).
Личный вклад автора. Основу диссертации составляют многолетние (с 1986г. по настоящее время) работы по мерзлотному и мерзлотно-экологическому картографированию. Автор участвовала в выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ: ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", "Изучение реакции криосферы Земли (криолитозоны и гляциосферы) на природные и техногенные изменения окружающей среды", проект РФФИ №07-05-01138а, «Влияние криогенеза на динамику углеводородного загрязнения в почвах и грунтах криолитозоны". В рамках созданной базы данных при участии автора составлено 44 карты, из них издано 24 карты.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (153 наименования). В работе 153 страницы (печатного текста 104 страницы), 59 рисунков, 3 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность своим учителям - научному руководителю доценту Н.В. Тумель и доценту А.В. Востоковой за многолетнюю поддержку и неоценимую помощь; заведующему кафедрой криолитологии и гляциологии профессору В.Н. Конищеву за содействие работам и доброжелательное отношение; профессору B.C. Тикунову, д.г.н. Н.А. Шполянской, ведущим научным сотрудникам Л.И. Зотовой, Т.В. Котовой за помощь в работе и консультации. Автор признателен сотрудникам НИЛ комплексного картографирования, кафедры криолитологии и гляциологии за практическую помощь в осуществлении исследований.
Анализ содержания изданных мерзлотных карт
При оценке экологической ситуации в области вечной мерзлоты важными являются следующие характеристики:
- распространение многолетнемерзлых пород по площади и разрезу;
- среднегодовая температура ММП;
- криогенное строение верхней части разреза ММП;
- криогенные формы рельефа и криогенные образования;
- слой сезонного протаивания и промерзания;
- современные тенденции развития ММП;
- мощность ММП (особенно, если она невелика).
Существует большое количество мерзлотных карт, содержащих те или иные перечисленные характеристики. Тем не менее, лишь некоторые из них содержат информацию, пригодную для использования при составлении мерзлотно-экологических карт. Она должна быть современной, достоверной, опирающейся на фактические материалы полевых исследований, научно обоснованной, соответствующей точности и детальности выбранной географической основы составляемых мерзлотно-экологических карт [97, 102].
Этим требованиям удовлетворяют четыре мерзлотные карты, которые можно использовать в качестве источников составления мелкомасштабных мерзлотно-экологических карт. Это Геокриологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000 (1997), Геокриологическая карта СССР масштаба 1:5 000 000 (1970), Криолитологическая карта СССР масштаба 1:4 000 000 (1985), Циркумарктическая карта вечной мерзлоты и грунтовых льдов масштаба 1: 10 000 000 (1997) и Карта мерзлотных условий нечерноземной зоны РСФСР масштаба 1: 1 500 000 (1983).
Рассмотрим подробно некоторые из них. На сегодняшний день наиболее полная мерзлотная характеристика территории России представлена на Геокриологической карте СССР масштаба 1:2 500 000, 1997 г. (Рис. 1.1), составленной на геологическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Содержание карты разработано на основе большого количества фактического материала, анализа ряда существующих обзорных специальных и общих географических карт.
Карта дает возможность получить информацию о современных мерзлотных условиях по следующим показателям: распространение талых и многолетнемерзлых пород по площади и разрезу; среднегодовая температура пород на глубине годовых нулевых температур 5-20 м; мощность многолетнемерзлых толщ горных пород; состав, льдистость и строение пород первых от поверхности генетических типов кайнозойских пород и геологических формаций коренных пород; вертикальное строение толщ пород по криогенным ярусам, отличающимся температурой, наличием льда или соленых вод, рассолов и газогидратов; распространение мерзлотно-геологических современных и реликтовых явлений; распространение сквозных и несквозных таликов, тип сезонного промерзания и протаивания пород по глубине и устойчивости процесса. На карте все мерзлотные характеристики показаны раздельно, это дает возможность проследить изменения каждой из них от участка к участку в пределах любой территории с сезонными и многолетнемерзлыми породами в естественных условиях; установить изменения их от участка к участку в прогнозируемой природной обстановке; уточнить их в измененных природных условиях при освоении.
Распространение ММП показано в виде широтных зон и высотных поясов, закономерно сменяющих друг друга с юга на север и с увеличением высоты рельефа. В легенде карты (Рис. 1.2) указан только качественный характер распространения ММП (сплошное, несплошное и т.п.), в объяснительной записке к карте дополнительно дано количественное соотношение мерзлых и талых пород для каждого типа распространения.
Каждая область распространения мерзлых и талых пород характеризуется своим набором интервалов среднегодовых температур. Диапазоны шкал - перекрывающиеся, отражают как тенденцию изменения температур в связи с широтной зональностью и высотной поясностью теплообмена на поверхности, так и преобладающие и характерные для каждого участка среднегодовые температуры пород. Как следует из объяснительной записки, одни градации характерны для равнинных территорий, другие - для горных, третьи — как для равнин, так и для гор.
Мощность МЫЛ показана на карте при помощи 18 градаций, описывающих диапазоны изменения мощности верхней части разреза в каждой мерзлотно-геологической зоне. В объяснительной записке к карте сказано: «мощность криолитозоны неразрывно связана со сплошным и несплошным ее распространением по площади и по разрезу, а также с типом криогенного строения по составу пород, их льдистости и по способу промерзания», в легенде эта связь не отражена.
Мощность ММП в области их сплошного распространения представлена 14 градациями. Так же как и в шкале температур, некоторые диапазоны характерны для равнин, а некоторые для гор. Этой взаимосвязи в легенде нет.
Распространение, мощность и глубина залегания реликтовых мерзлых пород — очень важная информация для составления экологических карт, поскольку определяет устойчивость криогенных ландшафтов, - на карте показаны штриховками черного цвета.
Распространение и мощность пород с криопэгами необходимо знать при составлении мерзлотно-экологических карт зоны шельфа (например, для нефтедобычи).
Мерзлотно-геологические явления на Геокриологической карте СССР являются ведущим компонентом, несущим информацию об историческом и современном уровне геокриологических условий с позднего кайнозоя до настоящего времени. Внемасштабными знаками показаны такие явления, как полигонально-жильные льды, грунтовые жилы, пластовые залежи подземного льда, бугры пучения, выпуклобугристые торфяники, плоскобугристые торфяники, наледи, ледники, пещерный лед и туфуры. Посткриогенные образования представлены термокарстовьши озерами, котловинами и бугристо-западинным рельефом.
Почти для всех криогенных явлений на карте отражена масштабность их проявления. Разными знаками показаны широко распространенные явления, преобладающие в пределах выделенных геолого-генетических типов отложений, и локальные, имеющие конкретную привязку к месту проявления. Вид, размеры и частота распространения этих образований свидетельствует об устойчивости (или изменчивости) во времени условий теплообмена на поверхности и в толще пород. Такие явления, как наледи, ледники, пещерные льды показаны на карте преимущественно по их реальному расположению на местности. В северных районах на равнинах, в крупных впадинах и долинах широко распространенные повторно-жильные льды и термокарстовые котловины отображаются знаками на сетке в пределах соответствующих геолого-генетических типов пород. Гигантские наледи Северо-Востока, Якутии показаны в масштабе, остальные — внемасштабно.
Талики в пределах криолитозоны показаны на карте только в северной геокриологической зоне, и только те, которые обусловлены отепляющим влиянием поверхностных и подземных вод и проявляются под руслами рек и озер. В пределах сплошного распространения ММП по всем рекам и озерам показан тип подрусловых и подозерных таликов.
Выводы по карте. Геокриологическая карта и сопутствующие карты-врезки являются наиболее современным источником детальной всесторонней характеристики мерзлотных условий всей территории России.
Выбранные перекрывающиеся диапазоны шкалы температуры и мощности не позволяют проследить общие закономерности их формирования по всей территории. При составлении мерзлотно-экологических карт необходимо обобщение диапазонов шкалы, выделение характерных ступеней. Соответствие отдельных диапазонов шкалы элементам рельефа (равнины, горы) оговаривается в пояснительной записке к карте, но отсутствует в легенде. В дальнейшем необходимо установить взаимосвязь температур мерзлых пород с рельефом, а затем с ландшафтами, разработать отдельные шкалы для равнин, гор и речных долин с характерными диапазонами, выделить ступени, на которых происходят качественные изменения состояния мерзлых пород.
Содержание и структура атласа
Содержание атласа дает разностороннюю комплексную пространственно-временную характеристику криолитозоны России, природные условия и факторы ее развития, антропогенные воздействия и изменения природной среды, оценку и прогноз экологического состояния мерзлых пород, стратегию мерзлотно-экологической безопасности. В атласе предусмотрено три раздела (таблица 3.1):
I. Вводный - «Природа и хозяйство».
II. «Мерзлота».
III. «Геоэкология криолитозоны».
Карты первого раздела являются источником для общего изучения территории криолитозоны России, ее природных условий, степени освоения, федеративного устройства, т. е. дают физико-географическую и социально-экономическую характеристику территории, выявляя факторы и условия формирования мерзлых пород и экологических состояний криогенных ландшафтов. Карты таюке используются в качестве основы для составления тематических карт последующих разделов. Всего в разделе 6 карт.
Общее представление о пространственном соотношении распространения мерзлоты России и мира показано на карте «Криолитозона Земли».
Карта «Административно-территориальное деление» отражает современное государственное устройство Российской Федерации. Дополнительные справочные сведения указывают площадь субъекта РФ, численность населения, национальный состав, столицу или центр.
«Физико-географическая карта» на территорию России раскрывает особенности внешнего облика криогенных ландшафтов по основным физико-географическим элементам: гидрография, рельеф, болота, дополнительно показываются граница распространения вечной мерзлоты, особо охраняемые территории и культурные объекты.
О расселении населения в пределах территории криолитозоны, его приуроченности свидетельствует карта «Размещение и плотность населения». Карта необходима для оценки условий природы Севера для жизни людей, влияния городского строительства на активизацию криогенных процессов.
«Карта хозяйственного освоения» на территорию России отображает размещение основных для криолитозоны видов хозяйственной деятельности, вызывающих негативную реакцию природы: дорожного, горнодобывающего, нефтегазопромыслового и городского строительства, а также потенциальные зоны освоения. Главными элементами содержания карты являются: населенные и промышленные пункты, важнейшие транспортные узлы, месторождения и бассейны каменного и бурого угля, нефти и газа, цветных и драгоценных металлов, разрабатываемые и перспективные, дорожная сеть, трубопроводы, крупные электростанции (ГЭС, АЭС и т.п.), граница криолитозоны.
«Ландшафтная карта» (автор А. Г. Исаченко) отображает подразделение территории на целостные природные комплексы-ландшафты. Это основная карта раздела, она дает сетку природных контуров, к которой привязывается тематическое содержание карт последующих разделов и, таким образом, обеспечивает их согласование.
В разделе представлены два уровня картографирования- глобальный (карта Криолитозона Земли масштаба 1:75 000 000) и федеральный (все остальные карты, масштаб 1:15 000 000).
Второй раздел содержит собственно мерзлотные (базовые) карты, дающие пространственно-временную характеристику объекта исследования раздела- криогенных ландшафтов. Это карты-реконструкции прошлого («Развитие многолетнемерзлых пород в четвертичный период»), карты современного состояния (по ряду показателей: « распространение, температура, мощность, льдистость, генезис, криогенные процессы и формы рельефа, глубина и динамика сезонного промерзания и протаивания и т. п.) и карты прогноза при глобальном изменении климата (серия карт распространения мерзлоты для различных сценариев развития).
Уровень картографирования раздела - федеральный (общероссийский), для карт современного состояния принят масштаб 1:15 000 000, для палеомерзлотных и прогнозных -1:30 000 000.
Карты третьего мерзлотно-экологического раздела должны охарактеризовать экологическое состояние криогенных ландшафтов, условия и факторы (природные и антропогенные) его определяющие, тенденцию его изменения при антропогенном воздействии, меры по достижению мерзлотно-экологического равновесия. Содержание раздела даст представление о функционировании экосистем в условиях антропогенного воздействия на природную среду, а также об элементах прогноза и рекомендациях по оптимизации экологической ситуации в криолитозоне. Это основной раздел атласа, он должен охватить три уровня картографирования: федеральный (общероссийский), региональный и локальный. Для территории России предполагается 17 карт, природных регионов - около 10 карт, промышленных узлов и городов - около 10-15 карт.
Геоэкологическое картографирование России в целом (криолитозоны) включает:
оценку влияния природных факторов на формирование температурного поля мерзлых пород (климат, рельеф, тектоника, литологический состав пород, поверхностные и подземные воды, растительность, снежный покров);
оценку влияния деятельности общества на состояние мерзлых пород (проживание, добыча полезных ископаемых, обработка сырья; промышленное производство, транспорт, сельское хозяйство);
потенциальную устойчивость и мерзлотно-экологическое состояние криогенных ландшафтов;
оценку и прогноз активизации криогенных процессов при механическом воздействии;
прогноз потенциальной опасности геохимического загрязнения криогенных ландшафтов;
оценку мерзлотных условий по благоприятности для жизни людей;
районирование территорий криолитозоны по возможности опасных мерзлотно-экологических ситуаций при различных видах хозяйственной деятельности.
Региональный уровень картографирования представлен комплексными мерзлотно-экологическими картами на территории природных регионов (Европейский Север, Западная Сибирь, Средняя и Восточная Сибирь, Дальний Восток, горы юга). Мерзлотно-экологическая карта дает возможность оценить современное и прогнозируемое экологическое состояние естественных и техногенных ландшафтов криолитозоны.
Содержание карты включает четыре информационных слоя:
мерзлотная характеристика криогенных ландшафтов (типологическое районирование по сплошности, мощности, среднегодовой температуре, генезису, льдистости, литологическому составу мерзлых пород);
тип и степень антропогенной нагрузки на ландшафт;
оценка устойчивости криогенных ландшафтов к механическим нарушениям поверхностных условий;
оценка экологического состояния криогенных ландшафтов и природно-техногенных комплексов.
Подобные карты могут стать основой для разработки систем природоохранных мероприятий для регионов с критическими и кризисными экологическими ситуациями и районов «свертывания» производственной и иной хозяйственной деятельности, прогнозирования реакции ландшафтов в регионах предполагаемого освоения, разработки системы запретов на различные виды хозяйственной деятельности в зависимости от оценки устойчивости криогенных ландшафтов.
Карты «Распространение, температура», «Мощность мерзлых пород», «Льдистость мерзлых пород», «Сезонное промерзание и протаивание», «Криогенные процессы и формы рельефа»
Генерализация информации для всех рассматриваемых карт соответствует масштабу 1:15 000 000. Карта «Распространение, температура» (рис. 4.21). Криолитозона России занимает 65% площади, из них 49 % приходится на сплошное распространение мерзлых пород, 22 %-на прерывистое, 17 %- массивно-островное и 12 % - на островное распространение многолетнемерзлых пород. Каждый тип распространения ММП имеет свои особенности мерзлотно-ландшафтных условий, проявляющиеся в различной реакции природной среды на техногенез. При сплошном характере ММП техногенные воздействия вызывают повсеместное распространение опасных криогенных процессов. Для мерзлых пород прерывистого типа характерно уменьшение напряженности криогенных процессов и возрастание опасности возникновения техногенных таликов и загрязнения по ним подземных вод. Массивно-островные и островные ММП весьма неустойчивы и глубоко или полностью протаивают при нарушении природного равновесия. Здесь, вместе с тем, широко распространен процесс техногенного промерзания и образования перелетков мерзлоты.
Среднегодовая температура пород — наиболее изменчивая во времени и пространстве характеристика мерзлых пород. Обусловлено-это тем, что любые изменения природной среды в мерзлотном отношении проявляются через повышение или понижение среднегодовой температуры пород. Поэтому среднегодовая температура пород- одна из главных характеристик при геоэкологических оценках, поскольку является показателем устойчивости мерзлых и талых пород к изменениям природной среды. После прекращения техногенных нагрузок криогенные процессы затухают тем быстрее, чем ниже температура пород. Поэтому в области сплошной мерзлоты ее температуру следует относить к стабилизирующим факторам, а в области несплошного распространения ММП- к дестабилизирующим. По существующим методикам [96, 102, 138] среднегодовая температура мерзлых пород позволяет прогнозировать изменения мерзлотных условий при освоении, а также мероприятиях по охране природной среды. Это обстоятельство доказывает необходимость составления аналитической карты распространения температур для мерзлотно-экологического атласа, подчеркивает ее значимость.
Сложная пространственная картина распространения ММП, их температурного режима и сочетания в разрезе различных типов криогенных толщ обусловлена совместным взаимодействием ландшафтно-климатических условий, рельефа, состава и свойств пород, гидрологической и гидрогеологической обстановками и историей развития территории в неоген-четвертичное время. Распространение и среднегодовые температуры пород связаны с зональными и региональными условиями теплообмена на поверхности и в слое годовых температур в породах. Среднегодовая температура пород является теплофизическел характеристикой, которая отражает современное состояние почв и горных пород при определенном для каждого участка уровне теплообмена атмосферы с земной поверхностью и определяет изменчивость (устойчивость) глубин сезонного промерзания и протаивания в естественных условиях и при освоении территории [34, 80, 87].
Температурный режим горных пород различается по глубине и зависит от специфики происходящих в них тепловых процессов. Верхнему слою до глубины 10-15 м на равнинах, а в горах 15 -25 м от земной поверхности свойственны короткопериодные колебания температуры (суточные, сезонные), на больших глубинах мерзлых толщ изменения температур малы и медленны, они зависят от длиннопериодных колебаний климата [102].
При картографировании показывается средняя годовая температура пород в подошве слоя годовых колебаний температуры, т. е. на глубине годовых амплитуд. Средняя годовая температура на глубине нулевых годовых амплитуд тесно связана с процессами теплообмена самых верхних горизонтов и в то же время она определяет закономерности температурного поля в нижележащих слоях [80].
При составлении карты произведен анализ существующих мерзлотных карт, рассмотрены используемые способы и средства изображения температур пород, диапазоны температурных шкал, принципы построения легенд. Наиболее распространен показ районов или зон с определенными пределами температурных величин способом количественного фона (цвет и его интенсивность, штриховки разного рисунка), а также использование изолиний при достаточном количестве фактического материала. Отображение влияния различных природных компонентов на температуру пород достигается разграничением температурных величин, построением индивидуальных шкал, вьщелением специфичных диапазонов для территорий, где ведущими являются региональные факторы формирования среднегодовых температур пород.
В качестве основного источника детальной информации о распределении температур была принята Геокриологическая карта СССР масштаба 1: 2 500 000. Тематической основой для привязки мерзлотной информации послужила Ландшафтная карта масштаба 1:20 000 000 (масштаб составления 1:10 000 000) на территорию России А.Г.Исаченко. Значения среднегодовых температур пород определены для ландшафтных выделов на основе установленных закономерностей их соответствия.
Содержание карты ограничено показом температур, границы областей распространения ММП различной сплошности или прерывистости отражены в легенде. На карте представлены четыре крупные области распространения ММП, различающиеся по характеру залегания современной мерзлоты по глубине и % площади, занимаемой ММП, а именно: сплошное распространение (слитное залегание по глубине, 95 % площади и более занято ММП), прерывистое (мерзлота в разрезе может быть разделена талыми породами, ММП составляют 50-95 % площади), массивно-островное (10-50 % площади занято мерзлотой) и островное (мерзлота занимает менее 10% площади). Выделенные области коррелируются с современными ландшафтными зонами и имеют свои особенности в распределении температур и других мерзлотных характеристик. Структура легенды подчеркивает зональность распространения температурной характеристики мерзлых пород (выделение областей ММП) и зависимость от региональных природных факторов (рельефа).
Масштаб карты и связанная с ним степень обобщения материала позволяют показать на ней лишь общие закономерности в распределении среднегодовых температур пород в зависимости от региональных тенденций изменения мерзлотообразующих факторов. В силу этого, отраженные на карте диапазоны температур пород являются фоновыми, наиболее типичными по принципу преимущественности, свойственными доминирующим региональным природным комплексам, занимающим по площади более 50% территории картографируемого ландшафтного выдела. Остальная его часть может характеризоваться более низкими температурами (в случае оторфованности, сильной затененности, возвышенного положения и др.). При разработке шкалы температур пород необходимо было отразить тенденцию повышения или понижения среднегодовых температур в связи с широтной зональностью или высотной поясностью теплообмена на поверхности н в тоже время показать преобладающие и характерные для каждого ландшафтного выдела среднегодовые температуры пород. Так, для области сплошного распространения ММП диапазон изменения температур выдержан и равен 2С, а для территорий с пестрым температурным режимом выделены перекрывающиеся диапазоны среднегодовых температур пород: в зоне прерывистого от -1 до -3 С, массивно-островного распространения от 1 до -1С и островного- от 2 до -0.5 С. Для обширного среднесибирского южнотаежного ландшафтного выдела с прерывистым и массивноостровным распространением многолетнемерзлых пород принят особый диапазон от 1 до -6 .
В области сплошного распространения ММП для горных и равнинных ландшафтов среднегодовые температуры мерзлых пород имеют следующие градации: от -3 до -5, от -5 до -7, от -7 до -9, от -9 до -11, ниже -И С. Кроме того, для горных районов выделено два дополнительных диапазона от -5 до -6 и от -6 до -7 С в связи с тем, что условия теплообмена здесь менее выдержаны.
Для долинных комплексов, обычно расположенных в нескольких природных зонах, отличающимся пестрым литологическим составом и большой изменчивостью среднегодовых температур, принята своя шкала с широкими диапазонами: -0.5—2.5 - для островной и массивно-островной мерзлоты, 2—1 - для прерывистой и четыре градации для сплошной — -0.5-2, -0.5—5, -3-7, -7—1 ГС.
Картографическая база данных «Криолитозона России»
К настоящему времени появилась насущная необходимость в интеграции разнотематических данных, их совместном анализе, моделировании и прогнозировании ситуаций в криолитозоне и представлении данных в виде тематических карт. Наиболее актуальным методом анализа и представления результирующих данных является использование ГИС-пакетов.
ГИС интегрирует и использует методы и приемы работ таких областей науки и практики, как картография, информатика, автоматизированное проектирование, дистанционное зондирование и др. Пользователь ГИС имеет возможность не только применять методы перечисленных выше дисциплин, но и разрабатывать новые на основе уже существующих. Геоинформатика сформировалась на стыке многих дисциплин. Она берет от них наиболее передовые достижения, адаптирует для решения собственных задач и активно внедряет их в практику. Ни одна из дисциплин в отдельности не сможет столь полно и разносторонне удовлетворить запросы пользователей как геоинформатика.
Разнообразие задач геоэкологии требует и разнообразия методов работы с ними. Именно поэтому для создания информационной системы криолитозоны России выбрана ГИС. Разработка ее картографической БД опиралась на сложившиеся, как традиционные картографические подходы, так и исследования в области геоинформатики, опыт которых накоплен в последние десятилетия и представлен в научных трудах Тикунова В.С,, Ормелинга Ф., Кошкарева А.В., Берлянта A.M., Краака М и других [14-17, 30,46, 48, 75, 119, 122, 124].
БД «Криолитозона России» предназначена, прежде всего, для решения задач интеграции и научной систематизации информации о криолитозоне России, ее анализа и представления результатов в виде атласов в традиционном и мультимедийном варианте.
Наиболее целесообразно составлять Атлас одновременно в двух версиях — полиграфической и электронной, которые тесно взаимосвязаны между собой, взаимодополняют друг друга. База данных «Криолитозона России» представляет набор тематических слоев в растровом и векторном форматах, дополненный некартографическими видами информации. Мультимедийная версия атласа — наиболее полный и оперативный вариант для демонстрации в учебных целях. Традиционная (полиграфическая) версия -фундаментальное картографическое произведение, созданное с применением ГИС-технологий и методов анализа и синтеза содержательной сущности различных аспектов функционирования криолитозоны России. В дальнейшем рассматриваемая база данных послужит основой для создания полнофункциональной ГИС «Криолитозона России».
ГИС имеет ряд преимуществ перед традиционным Атласом.
1. Оперативность обработки и использования поступающей информации. Практически любая информация различных типов и уровней сложности может быть внесена в ГИС и использована в режиме реального времени.
2. Высокая актуальность данных системы. Информация об изменении ситуации да территории криолитозоны оперативно поступает потребителю. Внедрение ГИС позволяет существенно автоматизировать процесс ввода информации и сэкономить время.
3. Широкие возможности обработки и анализа информации, работы с различными типами данных. Современные ГИС обладают огромным инструментарием для работы с различными типами информации - бумажными и электронными, представленными в табличном, текстовом или графическом виде, растровом или векторном формате.
Важным аспектом информационных материалов для ГИС является то, что она отражает собранную и систематизированную в разные годы мерзлотную информацию.
В качестве основного ГИС-пакета использовалась программа Maplnfo Professional, в качестве картографической основы — электронная географическая основа масштаба 1:20 000 000 на территорию России в конической равнопромежуточной проекции, в качестве базовой тематической основы - мерзлотно-ландшафтная, составленная по электронной Ландшафтной карте России (ред. А. Г. Исаченко), масштаб генерализации информации 1:10 000 000.
ГИС любого уровня в общем случае представляет собой унифицированный набор следующих функциональных подсистем: сбора данных, базы данных, анализа данных, вывода данных и пользовательский интерфейс (Лурье, 2002).
Сбор данных. Основу информационных ресурсов для базы данных «Криолитозона России» составляют картографические источники (растровый и векторный форматы) .— физико-географические, топографические, мерзлотные, мерзлотно-экологические, тематические карты. Дополнительно привлекаются текстовые материалы, видео-, аудио-, фотодокументы, аэро- и космические снимки, статистические данные (табл. 5.1). Для использования этих данных применяются различные средства ввода, например, сканирование, векторизация, импорт из других форматов.
Подсистема базы данных. Позиционная составляющая данных БД характеризует положение географических объектов и представлена в виде картографических слоев, сгруппированных по блокам (табл. 5.2).
Вводный блок содержит слои географической основы и мерзлотно-ландшафтной, объекты природы (рельеф, литология, растительность, снежный покров, поверхностные и подземные воды, ландшафты), антропогенную нагрузку (нефте- и газопроводы, дороги, месторождения полезных ископаемых, предприятия ТЭК, электростанции, охраняемые территории). Географическая основа включает следующие слои — гидрографическая сеть, города, административные границы, подписи названий, элементы оформления карт. Основной территориальной единицей при наполнении базы данных (унификации базы данных) и геоинформационного анализа является выдел мерзлотно-ландшафтной сетки, полученной в результате обобщения и дифференциации ландшафтной основы уровня генерализации 1:10 000 000 в соответствии с особенностями распределения мерзлотных характеристик.
В блоке «Мерзлота» объединены слои, характеризующие свойства ММП (тип распространения, температура, мощность, льдистость, мощность СТС-СМС), а также криогенные процессы, подземный лед, криопэги. Экологический блок включает оценки влияния на ММП природных факторов и деятельности общества, оценки современного состояния ММП (потенциальная устойчивость, активизация процессов, кризисные экологические ситуации, мерзлотно-экологическое состояние ландшафтов, опасность геохимического загрязнения), оценки и районирование криолитозоны, прогноз при изменении климата и антропогенных нагрузках, рекомендации (охрана природы и рациональное природопользование) для различных территориальных уровней. Справочный раздел содержит дополнительную информацию, необходимую для всестороннего изучения территории криолитозоны (картографическую в растровом формате, текстовые материалы (пояснения к картам, библиографический каталог специальной литературы, статьи, данные научных отчетов, курсовых и дипломных работ), аэро- и космические снимки, видео-, аудио-, фотодокументы, статистические данные.
Непозиционная составляющая данных (атрибутивная информация) представляет качественную и количественную характеристику пространственных объектов. Она привязана к различным слоям и выборочно сведена в единую базовую таблицу (например, значения температур, снятые с разных источников, мощности, льдистости, мощность СТС-CMC, степень устойчивости, ландшафтные характеристики и т.п., привязанные к сети" мерзлотно-ландшафтных контуров). Информация, связанная с антропогенной нагрузкой, имеет объектную привязку, например, тип трубопровода, название месторождения и его экологическая оценка.
Анализ картографических данных имеет важное значение для исследования взаимосвязей, установления зависимостей, прогноза. Он включает процедуры оверлэя и запросов для обработки данных. Анализ данных групп слоев позволяет пополнять БД результатами их обработки. Средства вывода данных позволяют отображать итоговые данные в виде таблиц, графиков, диаграмм, а также создавать тематические, комплексные и синтетические карты, хранить, редактировать, выводить на печать картографическую информацию. В рамках ГИС-пакета Mpinfo составлено 44 карты на территории мира, России, Западной Сибири, ЯНАО, ХМАО.