Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоинформационное моделирование эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационное моделирование эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области"

На правах рукописи

Глотов Алексей Александрович

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 25.00.23. - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

005537955 1 4 НОЯ ¿013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Воронеж - 2013

005537955

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет"

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

Михно Владимир Борисович

Официальные оппоненты: Лисецкий Федор Николаевич

доктор географических наук, профессор; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», профессор кафедры природопользования и земельного кадастра

Тесленок Сергей Адамович

кандидат географических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», старший преподаватель кафедры геодезии, картографии и геоинформатики

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Защита состоится «13» декабря 2013 г. в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.038.17 при Воронежском государственном университете по адресу: 394068 г. Воронеж, ул. Хользунова, 40, ауд. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор географических наук, профессор

Куролап С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Долинно-речные ландшафты являются важнейшей категорией природно-территориальных комплексов Воронежской области. Они образуют здесь остов основного ландшафтно-экологического каркаса, роль которого в поддержании оптимальной экологической обстановки региона исключительно велика и требует к себе самого пристального внимания. Вместе с тем, долинно-речные ландшафты вносят значительное разнообразие в структурно-функциональную организацию природы региона, предопределяют ее устойчивость и высокий почвенно-растительный потенциал, снижают негативное влияние засух и суховеев, создают комфортные условия для жизни и деятельности населения.

Ландшафтные комплексы речных долин тесно взаимосвязаны направленными потоками вещества (жидкий и твердый сток, миграции химических элементов и др.) и образуют своеобразные парагенетические ландшафтные системы - наиболее динамичные структурно-функциональные элементы речных бассейнов. Учет ландшафтообразующей роли и состояния долинно-речных комплексов необходим при решении многих задач, связанных с совершенствованием системы природопользования и оптимизацией ландшафтно-экологической обстановки в пределах Воронежской области. Для реализации этих положений необходима разносторонняя и детальная информация о современном состоянии и функциональных особенностях долинно-речных ландшафтов. Получению таких данных способствовало бы внедрение в практику исследований долинно-речных ландшафтов методов геоинформационного моделирования.

Использование геоинформационного моделирования расширяет возможности создания структурно-динамических моделей долинно-речных ландшафтов, их структурных элементов, межкомпонентных и парадинамических связей, ландшафтообразующих процессов. Подобные модели необходимы для выявления скрытых связей, прогнозирования эволюции, оптимизации и рациональной организации долинно-речных ландшафтов. Реализация моделей долинно-речных комплексов на уровне базы пространственных данных позволяет использовать результаты исследования для целей создания информационно-аналитических систем в области рационального природопользования, что будет способствовать сохранению и устойчивому развитию природной среды исследуемого региона.

Цель и задачи исследования. Цель работы - анализ структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов Воронежской области с использованием методов геоинформационного моделирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать концептуальную геоинформационную модель долинно-речного ландшафта;

2. Определить основные этапы и тенденции развития долинно-речных ландшафтов Воронежской области;

3. Установить региональные различия долинно-речных ландшафтов исследуемой территории;

4. Выявить на основе методов геоинформационного моделирования и дистанционного зондирования особенности современной структурно-динамической организации и функционирования долинно-речных ландшафтов Воронежской области;

5. Осуществить прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов исследуемой территории на основе геоинформационных моделей ландшафтных процессов.

6. Разработать систему теоретических и практических положений для реализации ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются до-линно-речные ландшафты Воронежской области. Пред.ыетом - их эволюция.

Основными методами изучения эволюции долинно-речных комплексов выступают геоинформационное моделирование (ГИС-моделирование) и дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). Кроме того использовались палеоланд-шафтный, геофизический, картографический, системный и балансовый методы.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования выступает концепция парадинамических и парагенетических ландшафтных комплексов Ф.Н. Милькова, а также труды А.Д. Арманда, В.Б. Сочавы, A.M. Берлянта, И.К. Лурье, B.C. Тикунова, В.Г. Линника, В.В. Сысуева, A.B. Кошкарева, А.К. Черкашина и др.

Материалы исследования. В основе работы лежат полевые ландшафтные исследования автора, проведенные в период с 2006 по 2012 года на территории Воронежской области в пределах долин рек Дон, Хопер, Битюг и Черная Калитва. В рамках полевых исследований осуществлялось крупномасштабное ландшафтное картографирование, дешифрирование космических снимков, установление структурно-динамической организации долинно-речных ПТК. Для моделирования использовались топографические карты, цифровые модели компонентов ландшафта, а также разновременные мультиспектральные космические снимки среднего и высокого пространственного разрешения.

Научная новизна работы. Разработана и предложена система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта.

Выделены два вида региональных вариантов долинно-речных ландшафтов: зональные и геолого-геоморфологические. В пределах региональных комплексов на основе методов геоинформационного моделирования и анализа данных ДЗЗ впервые изучена структурно-динамическая и функциональная организация долинных комплексов исследуемой территории. Осуществлена количественная оценка процессов трансформации долинно-речных ландшафтов в разрезе типов местности.

Апробирован геоинформационный подход к прогнозированию эволюции долинно-речных ландшафтов на региональном и локальном уровнях с использованием геоинформационных моделей ландшафтных процессов USPED и LAPSUS, а также метода экстраполяции современных тенденций развития частных физико-географических процессов.

Научно-практическая значимость результатов. Научно-методические разработки, предложенные в данном исследовании, могут быть применены при создании информационно-аналитических систем управления и мониторинга в области природопользования, сельского и лесного хозяйства, мониторинга чрезвычайных и экологических ситуаций, ландшафтного планирования.

Данные о структурно-динамической организации и прогнозировании эволюции долинно-речных комплексов Воронежской области могут быть использованы при территориальном планировании, разработке мелиоративных мероприятий, совершенствовании системы природопользования, проектировании дорожной инфраструктуры и населенных пунктов, создании экологических каркасов, организации мониторинга ландшафтов и др.

Научно-практическая значимость исследования подтверждается актами о внедрении результатов работы в ФГБУ «Российский центр государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения» Министерства сельского хозяйства РФ и ФГБУ «Хоперский государственный природный заповедник» Министерства природных ресурсов и экологии РФ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Система положений геоинформационного моделирования ландшафта может выступать в качестве методологической основы использования ГИС и ДЗЗ при изучении долинно-речных ландшафтных комплексов.

2. В формировании долинно-речных ландшафтов Воронежской области выделены следующие основные этапы: древний, средний, новый и современный. Каждому этапу свойственна преемственность эволюционного развития и специфика структурно-динамической организации долинно-речных ПТК.

3. Структурно-динамическая организация региональных долинно-речных ландшафтов неоднородна, что позволяет выделить два основных вида их дифференциации: зональный и азональный (геолого-геоморфологический), которые отражаются в формировании зональных и геолого-геоморфологических вариантов, а также ландшафтных отрезков и участков долинно-речных ландшафтов.

4. Геоинформационное моделирование позволяет более точно (на основе количественных данных) установить структурно-динамическую организацию, интенсивность проявления природных и антропогенных факторов трансформации, и осуществить прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов.

5. Результаты ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов могут быть использованы для целей оптимизации природной среды Воронежской области, а также для ландшафтного планирования, совершенствования системы сельского и лесного хозяйства, организации мониторинга и моделирования чрезвычайных ситуаций, проектирования транспортной инфраструктуры и создания информационно-аналитических систем в области природопользования.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на ежегодной научной сессии Воронежского государственного университета в 2010-2012 годах, на Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2011 год), международной научно-практической конференции «Актуальные пробле-

мы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 2011 год), конференции «Открытые ГИС» (Москва, 2012 год), Пятой международной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения Ф.Н. Милькова «Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов» (Воронеж, 2013 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 в реферируемом журнале из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 195 наименований, в том числе 20 на иностранных языках. Общий объем работы составляет 208 страниц машинописного текста, содержит 53 рисунка и 3 таблицы.

Благодарности. Автор выражает благодарность за научное руководство д.г.н., проф. В.Б. Михно, а также всему коллективу кафедры физической географии и оптимизации ландшафта факультета географии, геоэкологии и туризма Воронежского государственного университета за консультации и помощь в написании работы.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрываются актуальность, цель и задачи, объект и предмет исследования, используемые материалы, достоверность результатов и научная новизна.

Первая глава посвящена теоретическим и методологическим основам изучения долинно-речных ландшафтов. В главе приведен анализ истории изучения речных долин, дано определение долинно-речных ландшафтов, их места в структуре ландшафтной сферы Земли. Отдельно рассматриваются типологический, региональный и парагенетический подходы к изучению структуры, дается определение понятий динамики и эволюционной формы развития, а также описываются основные научные принципы и методы изучения долинно-речных ландшафтов.

Во второй главе осуществлен анализ основных понятий и методов геоинформационного моделирования и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Предложена система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта, дано представление о геоинформационных моделях ландшафта (концептуальная и прикладные модели данных), компонентах ландшафта и ландшафтных процессах.

В третьей главе рассмотрен палеогеографический аспект и выделены основные этапы формирования долинно-речных ландшафтов Воронежской области. Во второй части главы выполнен анализ основных факторов формирования долинно-речных ландшафтов.

В четвертой главе проанализирована бассейновая организация ландшафтов Воронежской области и выделены региональные комплексы долинно-речных ландшафтов. На примере территории шести ключевых участков созданы модели структурно-динамической организации долинно-речных комплексов, геофизических параметров. С использованием разновременных мультис-

пектральных космических снимков (Landsat) выделены основные проявления структурной и хорологической динамики. В заключительной части осуществлено прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов на региональном и локальном уровнях с использованием геоинформационных моделей эрозионных ландшафтных процессов LAPSUS и USPED, а также метода экстраполяции современных тенденций развития частных физико-географических процессов (неотектонического и климатического).

Пятая глава посвящена прикладным аспектам оптимизации природной среды региона. На основе данных ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области раскрыты возможности практического применения результатов исследования для задач оптимизации и рациональной организации ландшафтов, сельского и лесного хозяйства, ландшафтного планирования, мониторинга и моделирования чрезвычайных и экологических ситуаций, проектирования транспортной и инженерной инфраструктуры, а также разработки информационно-аналитических систем в области природопользования.

В заключении выделены основные результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Система положений геоинформационного моделирования ландшафта может выступать в качестве методологической основы использования ГИС и ДЗЗ при изучении долинно-речных ландшафтных комплексов.

Система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта. В 90-х гг. XX в. была предложена концепция геоинформационного картографирования (Берлянт, 1997, Лурье, 2004), которая развивает представление о традиционных картографических методах в информационной среде. Применительно к ландшафтоведению данная концепция позволяет говорить о геоинформационном картографировании ландшафтов, т.е. создании комплексных и компонентных ландшафтных карт в ГИС. Данный подход включает лишь отдельные методы применения геоинформационных технологий в ландшафтоведении. Более полный взгляд на использование методов геоинформатики основывается на построении информационной модели природного комплекса с возможностью применения самых передовых разработок в области прикладной математики и информатики.

Моделирование ландшафтных комплексов в информационной среде целесообразно именовать геоинформационным моделированием ландшафта. Подобные модели ландшафта относятся к классу информационных (Арманд А.Д., 1975). Данное направление базируется на трудах А.Д. Арманда, A.M. Берлянта, И.К. Лурье, B.C. Тикунова, В.Г. Линника, В.В. Сысуева, А.К. Черкашина и др.

Отдельные аспекты ГИС-моделирования ландшафта (картографирование, морфометрический анализ, анализ геофизической дифференциации ландшафта и др.) и применения ГИС в физической географии в литературе освещены и имеют определенную апробацию (Линник, 1990; Сысуев, 2003; Истомина, 2006;

Козлов, 2008; Михно, 2010), но до настоящего момента не уделено должного внимания таким понятиям как «ландшафтная модель данных», «структурно-динамическая организация ПТК», «модель ландшафтного процесса» и др.

Объектом исследования геоинформационного моделирования ландшафта выступает ландшафт (природно-территориальный комплекс).

Предмет исследования - особенности представления и анализа структурно-динамической организации ландшафта средствами ГИС.

К числу основных методических задач геоинформационного моделирования ландшафта нами отнесены следующие положения:

- разработка и реализация теоретической модели ландшафта в среде ГИС (концептуальная ландшафтная модель данных) - подразумевается набор теоретических положений моделирования структуры, динамики, межкомпонентных взаимосвязей, а также парадинамических связей между ландшафтами;

- формирование прикладных ландшафтных моделей данных, характеризующих структурно-динамическую организацию природно-территориальных комплексов для конкретных целей исследования;

- разработка алгоритмов анализа данных - математических методов анализа формализованного представления геосистемы;

-разработка геоинформационных моделей ландшафтных процессов и др.

Нами предложено различать геоинформационные модели компонентов ландшафта, ландшафтных процессов и собственно ландшафтов.

Геоинформационные модели компонентов ландшафта представлены цифровыми моделями рельефа, климата, литогенной основы, флоры и фауны, а также цифровыми моделями использования земель (антропогенный фактор).

Геоинформационные модели ландшафтных процессов представляют собой определенные алгоритмы анализа данных в ГИС, в результате использования которых появляется информация о будущих состояниях исследуемой территории. Такие модели служат для изучения динамической составляющей ПТК, их эволюции, а также возможных последствий в результате различного типа воздействий.

Геоинформационная модель ландшафта реализуется в виде модели данных, описывающей структурно-динамическую организацию ПТК с позиции цели исследования. При этом можно выделить концептуальную и прикладные ландшафтные модели данных. Концептуальная ландшафтная модель данных представляет собой способ организации базы пространственных данных, наиболее полно соответствующей современным теоретическим представлениям о ландшафте, т.е. идеализированную модель. Прикладные модели данных разрабатываются для решения конкретных задач научно-практической деятельности. Например, ландшафтная модель данных для целей анализа склоновых процессов, эволюции долинно-речных ландшафтов и т.д.

Ландшафт как объект геоинформационного моделирования. Согласно воззрениям Ф.Н. Милькова, «ландшафт - пятимерная саморегулируемая и самовосстанавливаемая незамкнутая система взаимосвязанных компонентов и комплексов более низкого ранга, функционирующая под воздействием одного или нескольких компонентов, выступающего в роли ведущего фактора» (Мильков, 1981).

С позиции геоинформационного моделирования ландшафтный комплекс можно представить как сложную функцию (рис. 1):

L = f (Icm, lex, Есх, Еа, El, t), где L - ландшафт; Icm (Internal component) - внутренняя компонентная субсистема; Icx(Internal complex) - внутренняя комплексная субсистема; Есх (External complex) - внешняя комплексная субсистема; Еа (External aerial) - внешняя воздушная субсистема; El (External lithogenic) - подстилающая литогенная субсистема; t - время.

• :пс-і» ч

tt_LD (КЛК-■ SuGtrc* (Тип рривМ-О'О .0 ' Iniet Пі-дшафт-ьй ..іще«

> Иццмсы -----

Рельеф ........т*.

Пиютенмэя основ. El і

Почвенный покроя

Icm

Среднегодовая температура воздуха Pi-.TSiW= "Сії":

Рис. 1. Прикладная модель данных для изучения эволюции долинно-речного

ландшафта

При этом каждая из субсистем представляет собой функцию более низкого порядка.

Внутренняя компонентная субсистема (Icm) реализуется в виде системы цифровых моделей компонентов ландшафта: рельефа, климата, поверхностных и подземных вод, почвенного покрова, растительности и животного мира.

Внутренняя комплексная субсистема (lex) представляет собой отношение между природными комплексами различных таксономических уровней. Данная подсистема реализуется через создание связей между сущностями в базе геоданных типа один ко многим.

Внешняя комплексная субсистема (Есх) тесно связана с понятием паради-намических и парагенетических ландшафтных комплексов. В основе парадина-мических взаимосвязей между смежными ландшафтными комплексами лежат потоки вещества, энергии и информации. Моделирование подобных взаимосвя-

зей основывается на использовании информации о топологических отношениях природных объектов и параметрах, характеризующих направление и интенсивность вещественно-энергетических потоков.

Внешняя воздушная субсистема (Еа) включает в себя взаимодействие с удаленными природными комплексами и поступление солнечной радиации в ландшафтный комплекс. Моделирование данной подсистемы включает оценку потенциального количества солнечной радиации, а также учет воздушных пара-динамических связей между удаленными комплексами.

Подстилающая литогенная субсистема (Е1) включает информацию о горных породах, лежащих в основании природного комплекса, и гидрогеологических условиях во многом определяющих особенности структурно-динамической организации ландшафтов.

В формировании долинно-речных ландшафтов Воронежской области выделены следующие основные этапы: древний, средний, новый и современный. Каждому этапу свойственна преемственность эволюционного развития и специфика структурно-динамической организации долинно-речных ПТК.

Выявление основных этапов формирования долинно-речных ландшафтов потребовало привлечения и анализа таких понятий как динамика, эволюция, инвариант, палеоландшафт и современный ландшафт.

Методологической основой изучения долинно-речных ландшафтов в данном случае выступает концепция парадинамических и парагенетических ландшафтных комплексов, предложенная Ф.Н. Мильковым (Мильков, 1966), и развиваемая в дальнейшем в работах К.А. Дроздова, А.Ю. Ретеюма, В.Б. Михно, В.В. Козина и др.

Под долинно-речньш ландшафтом нами понимается сложная парагенети-ческая ландшафтная система, формирование которой обусловлено флювиаль-ным процессом.

К категории современного ландшафта целесообразно относить природно-территориальный комплекс с момента формирования его инварианта в современных физико-географических условиях до настоящего времени. Применительно к долинно-речным ландшафтам инвариантом выступает флювиальный парагенетический ландшафтный процесс.

При этом под эволюцией долинно-речного ландшафта понимаются постепенные изменения комплекса в целом и его структурных элементов, приводящие к его развитию в рамках одного инварианта.

Изучению эволюции речных долин Русской равнины посвящены работы Г.И. Горецкого, Г.В. Обедиентовой, Г.В. Холмового и др. На основе палеогеографических данных можно выделить несколько периодов формирования долинно-речных ландшафтов: древний, средний, новый и современный.

Древний период включает временной отрезок формирования долинно-речных ландшафтов с раннего протерозоя до кайнозоя. Рифейское время считают началом стока из центральных частей Русской платформы к её юга-

восточной окраине (Обедиентова, 1976). К особенностям долинно-речных па-леоландшафтов данного периода (по Г. И. Горецкому) относятся: залегание в глубоких и узких долинах; отсутствие аллювиальных фаций поймы и стариц; абиотический характер.

Средний период включает палеодолины кайнозоя до наступления Донского оледенения. Заложение долины Палео-Дона относят к раннемиоценовому времени и даже к верхнему олигоцену. Развитие крупной миоценовой палеореки связывают с Тамбовско-Борисоглебской ложбиной (Горецкий, 1982). В нижнем миоцене основная долина Палео-Дона только обозначилась в центре Окско-Донской равнины (Холмовой, 1993), но уже в средне-позднемиоценовое время гидрографическая сеть представлена хорошо разработанной основной долиной, унаследовавшей положение нижнемиоценовой между продолжением Среднерусской и Калачской и Приволжской возвышенностью, а также притоковыми долинами вдоль всех основных современных рек (Холмовой, 2006).

Плиоценовая долина Дона характеризуется повышенной мощностью аллювия, что свидетельствует о его принадлежности к крупнейшей речной системе Русской равнины. В эоплейстоцене для Палео-Дона отмечается флювиогля-циальный характер питания, а временами - частично ледниковый (Холмовой, 1985, 1993). В раннем плейстоцене отмечается сокращение площади бассейна Палео-Дона в результате появления Окско-Донского водораздела, рисунок речной сети во многом приближался к очертаниям современных долин.

Новый период соответствует эпохе Донского оледенения. Донское оледенение являлось новым и значительным этапом в развитии ландшафтов Воронежской области, что отражено в работах Б.В. Глушкова, М.Н. Грищенко, Г.В. Хол-мового, В.Б. Михно и О.П. Быковской и др. Ледник занимал полностью территорию Окско-Донской равнины, восточные отроги Среднерусской возвышенности и северные отроги Калачской возвышенности. Осадконакопление в долинах происходило, в основном не по аллювиальному типу.

Современный период. Начало послеледникового этапа можно считать отправной точкой формирования инварианта современных долинно-речных ландшафтов для большей части территории исследования. Послеледниковый этап развития долинно-речных ландшафтов Воронежской области характеризовался периодами похолоданий и потеплений, что оказывало большое влияние на структурно-динамическую организацию ландшафтов бассейна Дона. Формирование современных климатических условий и структуры долинно-речных ландшафтов (инвариантов типов местности) происходит с наступлением субатлантического периода (2,5 тыс. лет назад). Главной отличительной чертой в эволюции долины Дона в послеледниковье являются неуклонное и довольно значительное снижение объема стока и масштаба речного потока в течение среднего-верхнего плейстоцена.

Таким образом, возраст современных долинно-речных ландшафтов на территории Воронежской области различается: в зоне непосредственного геоморфологического воздействия Донского ледника он исчисляется со времени отступления ледника, во внеледниковой зоне датируется миоценом.

Структурно-динамическая организация региональных долинно-речных ландшафтов неоднородна, что позволяет выделить два основных вида их дифференциации: зональный и азональный (геолого-геоморфологический), которые отражаются в формировании зональных и геолого-геоморфологических вариантов, а также ландшафтных отрезков и участков долинно-речных ландшафтов.

Влияние геолого-геоморфологических и климатических факторов, а также особенности бассейновой организации ландшафтов Воронежской области предопределили формирование регионально неоднородных участков долинно-речных ландшафтов. Свидетельство тому - имеющиеся опыты районирования В.В. Козина (Козин, 1974) и Ф.Н. Милькова (Долина Дона..., 1982). Ф.Н. Мильков выделил ландшафтные отрезки и участки Дона как парагенетические комплексы. На наш взгляд, эти ландшафтные единицы принадлежат к категории региональных ПТК долины, так как подчеркивают её зональные и провинциальные особенности, а вся сист§ма региональных единиц образует единство в плане организации потоков вещества, энергии и информации.

Нами предлагается различать два вида региональной дифференциации до-линно-речных ландшафтов: зональный и азональный (геолого-геоморфологический), которые проявляются в формировании специфичных зональных и геолого-геоморфологических вариантов долинных геосистем.

В пределах территории Воронежской области представлены долинно-речные ландшафты двух зональных вариантов - лесостепного и степного. По характеру литогенной основы - геолого-геоморфологические варианты Окско-Донской низменной равнины, известнякового севера и мелового юга Среднерусской возвышенности, а также Калачской возвышенности (рис. 2).

Крупные долинно-речные системы, пересекающие неоднородные в геолого-геоморфологическом и неотектоническом отношении участки территории формируют региональные комплексы двух таксономических уровней - ландшафтный отрезок (соответствует уровню физико-географической провинции) и ландшафтный участок (уровень физико-географического района). Таких рек в пределах территории исследования три - Дон, Битюг и Хопер (представлен одним ландшафтным отрезком).

Объективность выделения региональных вариантов долинно-речных ландшафтов подтверждается анализом геофизических параметров природных комплексов вышеуказанных районов. Зональный вид дифференциации отчетливо прослеживается по показателям годового количества осадков, солнечной радиации и соотношения тепла и влаги. Распределение зональных параметров имеет пространственный тренд с северо-запада на юго-восток Воронежской области: количество осадков снижается с 580 до 490 мм, а показатели фотосинте-тически активной солнечной радиации возрастают с 56,5 до 61 ккал/см2. Влияние зональных факторов отчетливо проявляется в ландшафтно-типологической структуре долинно-речных ландшафтов - на юге области в пределах склонового и надпойменно-террасового типа местности возрастает доля степных урочищ.

Условные обозначения:

Зональные варианты долинно-речных ландшафтов

Лесостепной Степной

Геолого-геоморфолгические варианты долинно-речных ландшафтов Долинно-речные ландшафты Окско-Донской равнины

Долинно-речные ландшафты известнякового севера Среднерусской возвышенности Долинно-речные ландшафты мелового юга Среднерусской возвышенности Долинно-речные ландшафты Калачской возвышенности

| | Граница области

Буквенные индексы

А - Окско-Донской ландшафтный отрезок долины р. Дон; Б - Среднерусский ландшафтный отрезок долины р. Дон; В - Окско-Донской ландшафтный отрезок долины р. Битюг; Г - Калачский ландшафтный отрезок долины р. Битюг

Рис. 2. Региональная дифференциация долинно-речных ландшафтов Воронежской области

Геолого-геоморфологический вариант региональной дифференциации выражается в морфометрических и энергетических показателях долинно-речных комплексов. Так, средние показатели потенциальной энергии речных долин Окско-Донской равнины варьируются от 230 до 400 Дж, Среднерусской и Ка-

лачской возвышенностей от 500 до 800 Дж, с максимумом в долине Дона -1126,3 Дж.

Геоинформационное моделирование позволяет более точно (на основе количественных данных) установить структурно-динамическую организацию, интенсивность проявления природных и антропогенных факторов трансформации, и осуществить прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов.

Моделирование структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов выполнено в пределах шести ключевых участков, выбранных в соответствии с выделенными региональными вариантами. Для ключевых участков создана база геоданных, включающая таблицы по внутренней комплексной и компонентной структуре, ландшафтно-геофизическим параметрам, изученным с использованием дешифрирования данных многозональной космической съемки (Ьапёва!, ОМС, Яар1ёЕуе), цифровых моделей рельефа и полевого картографирования. На основе архивов разновременной многозональной космической съемки выявлены основные процессы трансформации долин-но-речных ландшафтов и их количественные характеристики.

Особенности долины Дона раскрываются через внутреннюю комплексную структуру ландшафтных отрезков. Окско-Донской ландшафтный отрезок характеризуется более высокой долей аквальных и болотных (12,9 и 6,3 % против 10,8 и 4,2 %), а также луговых ПТК в пределах пойменного типа местности по сравнению со Среднерусским. Лесистость выше в Среднерусском отрезке - 47,6 % против 25,7 %. Необходимо отметить, что в пределах степного варианта долины Дона на высокой пойме появляются степные ПТК, их общая доля составляет 1,7 %.

В пределах склонового типа местности на Среднерусской возвышенности возрастает доля степных урочищ - 65,5 % и 49,9 % на Окско-Донской равнине соответственно, полностью исчезают луговые ПТК (в связи с тем, что отсутствуют крупные балочные комплексы, а на Окско-Донском отрезке доля луговых урочищ достигает - 19,1 %), существенно увеличивается показатель овражной эрозии -11% площади типа местности.

Надпойменно-террасовый тип местности в пределах Окско-Донского отрезка характеризуется более высокой степенью антропогенизации: доля селитебных (42,6 %) и агроландшафтов (6,6 %) здесь существенно выше, чем в пределах Среднерусского ландшафтного отрезка (18,6 и 2,7 % соответственно). Общая лесистость с учетом выгоревших участков выше на Среднерусской возвышенности, но это обусловлено, на наш взгляд, антропогенными процессами. На Среднерусской возвышенности значительно выше доля степных ПТК - 15,8 % против 3,3 %, а также полностью отсутствуют луговые урочища (в Окско-Донском отрезке луговые ПТК встречаются по днищам балочных систем и занимают 1,7 % площади типа местности).

Ц Пойменный

Надпойменно-террасовый Склоновый

Рис. 3. Картографическая модель ландшафтной структуры долины р.

Битюг (Калачский ландшафтный отрезок) Условные обозначения: Пм1 - урочище мелководного речного русла с илистыми донными отложениями; Пм2 - урочище старицы с илистыми донными отложениями и водно-прибрежной растительностью; ПмЗ - урочище низкой поймы с луговыми болотными почвами и болотной растительностью; Пм4 -урочище низкой поймы с аллювиальными лугово-насыщенными почвами и луговым сообществом; Пм5 - урочище низкой поймы с аллювиальными почвами и ивняковой растительностью; Пмб - урочище высокой поймы с пойменными лу-гово-болотными почвами и луговой растительностью; Пм7 - урочище высокой поймы с аллювиальными лугово-насыщенными почвами и лугово-разнотравной растительностью; Пм8 - урочище высокой поймы с поименно-лесными слоистыми почвами и дубравным лесным сообществом; Пм9 - урочище высокой поймы с аллювиальными почвами и культурной древесной растительностью; ПмЮ -урочище высокой поймы с селитебным комплексом сельского типа; НТ1 - урочище низкой террасы с селитебным комплексом сельского типа; НТ2 -урочище низкой террасы с песчаными почвами и степной растительностью; НТЗ - урочище низкой террасы с песчаными почвами и культурной древесной растительностью; НТ4 - урочище низкой террасы с песчаными почвами и аг-рофитоценозом; С1 - урочище коренного склона с селитебным комплексом сельского типа; С2 - урочище коренного склона восточной экспозиции с черно-

земами типичными среднесмытыми и степной растительностью; СЗ - урочище днища балки с черноземами типичными среднесмытыми и степной растительностью; С4 - урочище оврага с обнажениями меловых грунтов; С5 - урочище склона балки с черноземами типичными среднесмытыми и степной растительностью; Сб - урочище оползня с обнажениями меловых грунтов.

Структурно-динамические особенности долинно-речных ландшафтов Ок-ско-Донской равнины, Среднерусской и Калачской возвышенностей проявляются в существенном различии геосистем по количеству солнечной радиации, показателям энергии рельефа и набору характерных и доминантных типов урочищ. Установлено, что долинно-речные комплексы степной зоны Среднерусской возвышенности (Черная Калитва) и лесостепной зоны Калачской возвышенности (Битюг) характеризуются более высокими показателями потенциального количества солнечной радиации - 110-115 ккал/см2, на Окско-Донской равнине (Хопер и Битюг) - 105-108 ккал/см2. Показатели работы геомасс, потенциальной энергии рельефа и ряда других морфометрических параметров для долин Среднерусской и Калачской возвышенностей также характеризуются более высокими значениями. В структурном отношении, для ландшафтов Окско-Донской равнины отмечены более высокие показатели лесистости всех типов местности. В пределах пойменного типа местности долинно-речных комплексов Среднерусской возвышенности преобладают луговые урочища, а в склоновом и надпойменно-террасовом типах местности - степные ПТК, особенно по склонам южной и юго-восточной экспозиции.

Анализ динамики долинно-речных ландшафтов, произведенный на основе разновременных мультиспектральных космических снимков и полевых исследований, позволил выявить несколько основных особенностей эволюции:

- в пределах пойменного типа местности основными проявлениями эволюции выступают процессы заболачивания луговых комплексов и пересыхания аквальных комплексов (на различных участках от 13,7 до 23% площади озер-стариц), повсеместно наблюдается снижение уровней воды в старицах и руслах рек, на отдельных участках (Дон) отмечены активные проявления антропогенного фактора трансформации ландшафтов;

- склоновый тип местности характеризуется проявлениями эрозионных и оползневых процессов, интенсивность данных процессов выше в пределах долин Среднерусской и Калачской возвышенностей, что обусловлено ландшафт-но-геофизическими особенностями. Процессы эволюции практически незаметны на склонах с преобладанием лесных урочищ (Хопер и Окско-Донской отрезок Битюга).

- надпойменно-террасовый тип местности характеризуется наиболее высокой степенью антропогенизации (высокая доля в структуре принадлежит селитебным и агроландшафтам), что обуславливает доминирование не естественных факторов эволюции. Особую роль в процессах трансформации ландшафтов данного типа местности сыграли пожары, которые уничтожили в некоторых участках от 25 до 40 % площади сосновых лесов.

- общей особенностью трансформации всех участков долинно-речных ландшафтов выступает значительная роль антропогенного фактора.

Изменение степени гидроморфности ландшафтов

Ц Снижение степени гидроморфности

| Незначительное снижение степени гидроморфности Незначительное увеличение степени гидроморфности ■ Увеличение степени гидроморфности

Прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов осуществлено на региональном (рис.4) и локальном (рис. 5) масштабных уровнях с применением методов экстраполяции современных тенденций развития частных физико-географических процессов (неотектоника и климат) и на основе модели эрозионных ландшафтных процессов.

Рис. 4. Модель прогнозируемых изменений степени гидроморфности до-линно-речных ландшафтов с учетом тектоники (2050 г., долины Дона, Икорг^а

и Битюга)

Экстраполяция влияния неотектонических факторов позволила получить цифровую модель рельефа на 2050 год и рассчитать изменения значений индексов плоскостной и линейной эрозии, топографического индекса влажности, а также потенциальной энергии ландшафта. Данный подход предназначен для качественной и количественной оценки влияния конкретного процесса в эволюцию природных комплексов. В результате моделирования получены данные, которые позволяют оценить характер и интенсивность развития склоновых процессов, а также степень изменения гидроморфности долинно-речных комплексов (рис. 4).

Прогнозирование с использованием моделей ландшафтных процессов апробировано на примере долины р. Хопер по моделям USPED (Unit Stream Power Erosion and Deposition) (Mitasova et al., 1996, Mitas and Mitasova, 1998) и

LAPSUS (Schoorl et al., 2000, 2002). В результате получены геофизические показатели смыва почвы, годового слоя стока и цифровая модель рельефа на конечный период прогноза (2015 год, рис. 5).

Рис. 5. Прогнозная оценка плоскостной эрозии для долины р. Хопер на 2015 г.

Апробированный подход к прогнозированию эволюции долинно-речных ландшафтов с использованием экстраполяции современных тенденций частных физико-географических процессов и моделей ландшафтных процессов выступает эффективным инструментом управления природопользованием, т.к. позволяет смоделировать различные сценарии развития и трансформации ландшафтов, учесть и использовать положительные и отрицательные стороны данного процесса.

Результаты ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов могут быть использованы для целей оптимизации природной среды Воронежской области, а также для ландшафтного планирования, совершенствования системы сельского и лесного хозяйства, организации мониторинга и моделирования чрезвычайных ситуаций, проектирования транспортной инфраструктуры и создания информационно-аналитических систем природопользования.

Изучение эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области с применением методов геоинформационного моделирования открывает новые возможности для оптимизации и рациональной организации природной среды региона. Реализация их включает два направления прикладного использования результатов исследования: первое связано с применением полученных знаний о

структурно-динамической организации и характере эволюции долинно-речных комплексов, второе - с применением методических и методологических наработок в области геоинформационного моделирования ландшафта.

Оптимизация ландшафтов. Использование информации о современной структуре и особенностях эволюции долинно-речных ландшафтов, полученной на основе геоинформационного моделирования, создает предпосылки для решения задач, касающихся оптимизации и рациональной организации природной среды региона.

В частности, полученные данные о структурно-динамической организации ландшафтов долины р. Хопер, изученной нами в пределах Хоперского заповедника, могут быть использованы сотрудниками заповедника для повышения эффективности отраслевых физико-географических исследований, учета возможных негативных последствий нерационального природопользования на территориях, прилегающих к территории заповедника и создания комплексной ландшафтной ГИС. В связи с потенциальной проблемой добычи медно-никелевых руд в Новохоперском районе, результаты исследования и методические наработки целесообразно использовать для создания системы космического мониторинга ландшафтно-экологической ситуации данной территории.

Предлагаемые методы посредством моделирования парадинамических ландшафтных взаимосвязей как внутри долинно-речного ландшафта, так и в пределах бассейновых геосистем, позволяют установить степень подверженности ООПТ исследуемого региона антропогенным факторам. Кроме того, выделение региональных комплексов долинно-речных ландшафтов целесообразно учитывать для оптимизации сети ООПТ. Оптимальная сеть ООПТ должна соответствовать принципу максимальной репрезентативности, что предполагает создание охраняемых территории в различных зональных и геолого-геоморфологических вариантах, а также ландшафтных отрезках долин.

Выявленные направления эволюции и использование прогнозирования развития природных комплексов методами экстраполяции частных физико-географических процессов, а также на основе применения геоинформационных моделей ландшафтных процессов представляется исключительно важными при проектировании мелиоративных сооружений, т.к. позволяют учесть наиболее вероятные проблемы, приводящие к выходу из строя мелиоративной инфраструктуры.

Совершенствование системы сельского хозяйства. Ряд положений геоинформационного моделирования ландшафтных комплексов речных долин применимо для эффективной организации сельского хозяйства, и прежде всего для разработки систем ландшафтно-экологического земледелия, рационального использования земельных ресурсов, оценки потенциала линейной, плоскостной и ветровой эрозии и т.д. На рис. 6 и 7 представлены результаты моделирования потенциала развития эрозионных процессов, а также количества фотосинтети-чески активной солнечной радиации применительно к агроландшафтам полевого типа.

Л отсутствует ШШ иизки^ потенциал развития средний потенциап развития | высокий потенциал развития существующие проявления эрозии

Рис. 6. Геоинформационная модель оценки мощности и потенциала развития линейной эрозии в пределах агроландшафтов полевого типа (Эртильский район

Воронежской обл.)

Отдельно необходимо выделить такую область практического применения результатов как создание информационно-аналитических систем (ИАС) в области природопользования. Предложенная в данной работе система положений геоинформационного моделирования, на наш взгляд, может выступать в качестве методологической основы и методического руководства при создании ИАС в области природопользования, экологического мониторинга, различных, внедряемых на сегодняшний день в регионах, систем космического мониторинга. Данное утверждение основывается на том, что в основе информационных систем географического характера должна лежать теоретическая и формализованная модель объекта изучения, что в комплексе с современными аналитическими средствами позволит создавать высокоэффективные системы поддержки принятия решений. Предложенная концепция определяет основные направления моделирования структуры, динамики, ландшафтных процессов и их использование для решения прикладных задач.

Кроме того результаты исследования могут быть использованы в лесном хозяйстве, проектировании транспортной и инженерной инфраструктуры, мониторинге и моделировании чрезвычайных ситуаций и экологических сценариев, ландшафтном планировании и др.

Рис. 7. Классификация сельскохозяйственных угодий по потенциальному количеству фотосинтетически активной солнечной радиации (ккал/см2)

Выводы

В рамках выполненной работы осуществлен анализ становления, развития и современной структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов Воронежской области, а также выполнено прогнозирование и показаны пути использования геоинформационного моделирования при решении практических задач. В качестве основного метода исследования был выбран метод геоинформационного моделирования, с помощью которого была создана база геоданных, содержащая комплексную информацию о долинно-речных ландшафтах региона.

В качестве основных результатов проведенного исследования можно выделить несколько основных положений.

1. Установлено что долинно-речные ландшафты - особая флювиальная пара-генетическая ландшафтная система, изучение которой целесообразно с использованием бассейнового подхода, т.к. водораздельно-междуречное пространство выступает в качестве «ресурсной базы» и автономной в геохимическом отношении геосистемой, специфика которой во многом определяет характер и интенсивность обмена веществом и энергией в речной долине.

2. В качестве методологической основы использования информационных технологий в ландшафтной географии разработана система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта. Предложено различать модели компонентов ландшафта, ландшафтных процессов и собственно ландшафтных комплексов.

3. Осуществлен анализ бассейновой организации ландшафтов Воронежской области как ресурсного пространства долинно-речных ландшафтов. Проанализи-

рованы региональные особенности бассейнов рек и выявлены их основные особенности, влияющие на характер эволюции долинно-речных ландшафтов.

4. На основе проведенных исследований подтверждено и расширено представление Ф.Н. Милькова о региональной неоднородности долинно-речных ландшафтов. В результате выделено два вида региональной дифференциации - зональный и азональный (геолого-геоморфологический).

5. Осуществлено крупномасштабное ландшафтное картографирование и моделирование, отражающее современную структурно-динамическую организацию и трансформацию долинно-речных ландшафтов региона.

6. С использованием цифровых моделей рельефа проанализированы ланд-шафтно-геофизические особенности долинно-речных комплексов, выявлены тенденции их эволюции.

7. На основе разновременных мультиспектральных космических снимков среднего и высокого пространственного разрешения установлена структурная динамика долинно-речных ландшафтов, в частности, выявлены доминирующие тенденции трансформации ландшафтных комплексов

8. На основе геоинформационного моделирования ландшафтных процессов выполнено прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области, а также осуществлен комплексный региональный прогноз путем экстраполяции частных физико-географических процессов (климатического и тектонического).

9. Практическая значимость работы заключается в том, что впервые для территории Воронежской области осуществлен комплексный геоинформационный анализ долинно-речных ландшафтов. Созданная база геоданных может быть использована при решении задач ландшафтного планирования, оптимизации и рациональной организации ландшафтов региона. Отдельные методические наработки могут представлять интерес для таких областей человеческой деятельности как сельское хозяйство, лесное хозяйство, ландшафтное планирование и мониторинг чрезвычайных ситуаций. Главной методической разработкой выполненного исследования выступает система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта, которая может быть положена в основу при создании информационно-аналитических систем управления и принятия решений в ряде отраслей. Основными направлениями развития данного научного подхода могут стать: совершенствование концептуальной ландшафтной модели данных, предложенной в настоящей работе; внедрение систем искусственного интеллекта, интеллектуализация ГИС; разработка геоинформационной модели физико-географического процесса как системы частных ландшафтных процессов и др.

Основные публикации по теме диссертации

1. Глотов A.A. Геоинформационное моделирование долинно-речных ландшафтов среднерусской лесостепи / A.A. Глотов, В.Б. Михно // Вестник Воронежского государственного университета. Серия География. Геоэкология. - 2013. - № 1. - С. 47-52.

2. Глотов A.A. Основные этапы развития долинно-речных ландшафтов Воронежской области / A.A. Глотов, В.Б. Михно // Вестник Воронежского государственного университета. Серия География. Геоэкология. — Воронеж, 2013. - № 1. - С. 40-46.

3. Глотов A.A. Анализ динамики ландшафтов долины Дона с использованием данных ДЗЗ / A.A. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы V Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж, 2013. - С. 33-39.

4. Глотов A.A. Геоинформационное картографирование пойменного типа местности долины р. Хопер с целью изучения и мониторинга ландшафтной структуры / A.A. Глотов // Вестник Воронежского отделения Русского географического общества: сборник научных трудов. - 2010. - Том 10. - С. 26-28.

5. Глотов A.A. Геоинформационное моделирование ландшафта: теоретические аспекты / A.A. Глотов, В.Б. Михно // ИнтерКарто-ИнтерГИС-18: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт : материалы международной конференции. - Смоленск, 2012. — С. 31-34.

6. Глотов A.A. Геоморфологический анализ долины р. Хопер / A.A. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы II Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж, 2010. — С. 26-29.

7. Глотов A.A. Геотермическое картографирование долинно-речных ландшафтов Воронежской области / A.A. Глотов // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы) : материалы международной научной конференции. - Воронеж, 2012. — С. 286-288.

8. Глотов A.A. ГИС-моделирование зон затопления / A.A. Глотов, Д.В. Кузьминов // Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности: материалы международной научно-практической конференции. -Воронеж, 2011.-С. 147-150.

9. Глотов A.A. Использование ЦМР для задач рационального природопользования и мониторинга природных процессов / A.A. Глотов // Управление развитием территории. - 2013. - № 2. - С. 39-41.

10. Глотов A.A. Ландшафт как объект геоинформационного моделирования / A.A. Глотов // Вестник Воронежского отделения Русского географического общества. - Воронеж, 2010. - Том 11. — С. 22-24.

11. Глотов A.A. Морфометрические особенности бассейновых геосистем как ресурсного пространства долинно-речных ландшафтов / A.A. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж, 2012. - С. 46-52.

12. Глотов A.A. Научное наследие Ф.Н. Милькова как методологическая основа геоинформационного моделирования ландшафтов / A.A. Глотов // Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов : материалы Пятой международной конференции. -Воронеж, 2013. - С. 94-97.

13. Глотов A.A. Применение геоморфометрического анализа при исследовании долинно-речных ландшафтов / A.A. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы III Всероссийской научно-

практической конференции. - Воронеж, 2011. - С. 27-34.

14. Глотов A.A. Применение данных о рельефе для эффективного использования сельскохозяйственных земель / A.A. Глотов // Геопрофи. - Москва, 2013.-№4.-С. 20-22.

15. Глотов A.A. Региональные особенности структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов Воронежской области / A.A. Глотов // Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов : материалы Пятой международной конференции. -Воронеж, 2013. - С. 97-102.

16. Глотов A.A. Речные долины и их место в бассейновой организации ландшафтов Воронежской области / A.A. Глотов // Теория и практика планирования культурного ландшафта: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Саранск, 2010. - С. 39-44.

17. Глотов A.A. Теоретические аспекты геоинформационного моделирования парадинамических ландшафтов / A.A. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы III Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж, 2011. - С. 34-37.

Работы № 1-2 опубликованы в ведущем репетируемом издании, соответствующем перечню ВАК РФ.

Подписано в печать 28.10.2013 г. Формат 60 х 90/16. Бумага для множительных аппаратов. Заказ № 3057. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета

в ООО «Цифровая полиграфия» 394036, г. Воронеж, ул. Ф. Энгельса, д. 52 Тел.: (473) 261-03-61, http://www.print36.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Глотов, Алексей Александрович, Воронеж

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

На правах рукописи

04201 452725

Глотов Алексей Александрович

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и

геохимия ландшафтов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Михно Владимир Борисович

Воронеж - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ.....................................................................................9

1.1 Исторический аспект изучения долинно-речных ландшафтов....................................9

1.2 Речная долина как структурный элемент ландшафтной сферы Земли......................11

1.3 Долинно-речной ландшафт как парагенетическая система.......................................17

1.4 Структура долинно-речных ландшафтов.........................................................................20

1.5 Функционирование, динамика и эволюция долинно-речных ландшафтов.............30

1.6 Принципы и методы изучения долинно-речных ландшафтов.....................................35

ГЛАВА 2. ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ...........................42

2.1 Геоинформационное моделирование как метод исследования ландшафтов........42

2.2 Долинно-речной ландшафт как объект геоинформационного моделирования......54

2.3 Дистанционные методы исследования долинно-речных ландшафтов....................65

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И СОВРЕМЕННЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ............................72

3.1 Основные этапы формирования долинно-речных ландшафтов Воронежской области.........................................................................................................................................72

3.2 Современные факторы формирования долинно-речных ландшафтов Воронежской области.........................................................................................................................................86

ГЛАВА 4. СОВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ.....................................................................................................99

4.1 Бассейновая организация ландшафтов как ресурсное пространство речных долин ........................................................................................................................................................99

4.2 Региональная неоднородность долинно-речных ландшафтов Воронежской области.......................................................................................................................................106

4.3 Структурно-динамическая организация ландшафтов долины Дона......................118

4.4 Структурно-динамическая организация долинно-речных ландшафтов Окско-Донской равнины......................................................................................................................142

4.5 Структурно-динамическая организация долинно-речных ландшафтов мелового

юга Среднерусской возвышенности и Калачской возвышенности..............................158

4.6. Прогнозирование развития долинно-речных ландшафтов........................................168

ГЛАВА 5. ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛИННО-РЕЧНЫХ ЛАНДШАФТОВ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ РЕГИОНА......................................................................................................................179

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................187

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................190

Введение

Актуальность исследования обусловлена особой ролью долинно-речных ландшафтов в поддержании экологического равновесия региона, их рекреационной и хозяйственной значимостью. Выбор методологии геоинформационного моделирования (ГИС-моделирования) в качестве основной объясняется необходимостью многофакторного математико-картографического анализа объекта исследования, а также потребностью органов власти в создании информационно-аналитических систем управления в области природопользования.

Долинно-речные ландшафты являются важнейшей категорией природно-территориальных комплексов Воронежской области. Они образуют здесь остов основного ландшафтно-экологического каркаса, роль которого в поддержании оптимальной экологической обстановки региона исключительно велика и требует к себе самого пристального внимания. Вместе с тем, долинно-речные ландшафты вносят значительное разнообразие в структурно-функциональную организацию природной среды области, предопределяют ее устойчивость и высокий почвенно-растительный потенциал, снижают негативное влияние засух и суховеев, создают комфортные условия для жизни и деятельности населения.

Ландшафтные комплексы речных долин тесно взаимосвязаны направленными потоками вещества (жидкий и твердый сток, миграции химических элементов и др.) и образуют своеобразные парагенетические ландшафтные системы - наиболее динамичные структурно-функциональные элементы речных бассейнов. Учет ландшафтообразующей роли и состояния долинно-речных комплексов необходим при решении многих задач, связанных с совершенствованием системы природопользования и оптимизацией ландшафтно-экологической обстановки в пределах исследуемой территории. Для реализации этих положений необходима разносторонняя и детальная информация о современном состоянии и функциональных особенностях

долинно-речных ландшафтов. Получению таких данных способствовало бы внедрение в практику исследований ландшафтов геоинформационного моделирования.

Целью данного исследования является анализ структурно-динамической и функциональной организации долинно-речных ландшафтов Воронежской области с использованием методов геоинформационного моделирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать концептуальную геоинформационную модель долинно-речного ландшафта;

2. Определить основные этапы и тенденции развития долинно-речных ландшафтов Воронежской области;

3. Установить региональные различия долинно-речных ландшафтов исследуемой территории;

4. Выявить на основе методов геоинформационного моделирования и дистанционного зондирования особенности современной структурно-динамической организации и функционирования долинно-речных ландшафтов Воронежской области;

5. Осуществить прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов исследуемой территории на основе геоинформационных моделей ландшафтных процессов.

6. Разработать систему теоретических и практических положений для реализации ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выступают долинно-речные ландшафты Воронежской области.

Предмет исследования - эволюция долинно-речных ландшафтов Воронежской области.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования выступает концепция парадинамических и парагенетических ландшафтных комплексов Ф.Н. Милькова, а также труды отечественных

ученых: А.Д. Арманда, В.Б. Сочавы, A.M. Берлянта, И.К. Лурье, B.C. Тикунова, В.Г. Линника, В.В. Сысуева, A.B. Кошкарева, А.К. Черкашина и др.

Исходные материалы. В основе работы лежат полевые ландшафтные исследования автора, проведенные в период с 2006 по 2012 года на территории Воронежской области в пределах долин рек Дон, Хопер, Битюг и Черная Калитва. В рамках полевых исследования осуществлялось крупномасштабное ландшафтное картографирование, дешифрирование космических снимков, установление структурно-динамической организации долинно-речных ПТК. Для моделирования долинно-речных ландшафтов использовались топографические карты, цифровые модели компонентов ландшафта, а также разновременные мультиспектральные космические снимки среднего и высокого пространственного разрешения.

Методика исследований. Основными методами исследования эволюции долинно-речных ландшафтов в данной работе выступают геоинформационное моделирование, анализ данных дистанционного зондирования Земли. Кроме того, использованы палеоландшафтный, геофизический, картографический, системный и балансовый методы.

Достоверность полученных результатов основывается на привлечении детальной разносторонней информации для моделирования и полевых исследованиях автора.

Научная новизна. Разработана и предложена система теоретических и практических положений геоинформационного моделирования ландшафта.

Выделены два вида региональных вариантов долинно-речных ландшафтов: зональные и геолого-геоморфологические. В рамках региональных комплексов на основе методов геоинформационного моделирования и анализа данных ДЗЗ впервые изучена структурно-динамическая и функциональная организация долинных комплексов исследуемой территории. Осуществлена количественная оценка процессов трансформации долинно-речных ландшафтов в разрезе типов местности.

Апробирован геоинформационный подход к прогнозированию эволюции долинно-речных ландшафтов на региональном и локальном уровнях с использованием геоинформационных моделей ландшафтных процессов USPED и LAPSUS, а также метода экстраполяции частных физико-географических процессов.

Научно-практическая значимость. Научно-методические разработки, предложенные в данном исследовании, могут быть использованы при создании информационно-аналитических систем управления и мониторинга в области природопользования, сельского и лесного хозяйства, мониторинга чрезвычайных и экологических ситуаций, ландшафтного планирования. Отдельные методические наработки представляют интерес для создания систем ландшафтно-экологического земледелия и оптимизации структуры сельскохозяйственного землепользования, лесотаксационных работ, моделирования экологических ситуаций и прогнозирования развития природных комплексов.

Данные о структурно-динамической организации и прогнозировании эволюции долинно-речных комплексов Воронежской области могут быть использованы при планировочных и оптимизационных мероприятиях в регионе, совершенствовании системы природопользования, проектировании дорожной инфраструктуры и населенных пунктов, создании экологических каркасов, организации мониторинга ландшафтов и др.

Научно-практическая значимость исследования подтверждается актами о внедрении результатов работы в ФГБУ «Российский центр государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения» Министерства сельского хозяйства РФ и ФГБУ «Хоперский государственный природный заповедник» Министерства природных ресурсов и экологии РФ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Система положений геоинформационного моделирования ландшафта может выступать в качестве методологической основы использования ГИС и ДЗЗ при изучении долинно-речных ландшафтных комплексов.

2. В формировании долинно-речных ландшафтов выделены следующие основные этапы: древний, средний, новый и современный. Каждому этапу свойственна преемственность эволюционного развития и специфика структурно-динамической организации долинно-речных ПТК.

3. Структурно-динамическая организация региональных долинно-речных ландшафтов неоднородна, что позволяет выделить два основных вида их дифференциации: зональный и азональный (геолого-геоморфологический), которые отражаются в формировании зональных и геолого-геоморфологических вариантов, а также ландшафтных отрезков и участков долинно-речных ландшафтов.

4. Геоинформационное моделирование позволяет более точно (на основе количественных данных) установить структурно-динамическую организацию, интенсивность проявления природных и антропогенных факторов трансформации, и осуществить прогнозирование эволюции долинно-речных ландшафтов.

5. Результаты ГИС-моделирования эволюции долинно-речных ландшафтов могут быть использованы для целей оптимизации и рациональной организации природной среды Воронежской области, а также для ландшафтного планирования, совершенствования системы сельского и лесного хозяйства, организации мониторинга и моделирования чрезвычайных ситуаций, проектирования транспортной инфраструктуры и создания информационно-аналитических систем природопользования.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на ежегодной научной сессии Воронежского государственного университета в 2010-2012 годах, на Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» (Воронеж, 2011 год), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, 2011 год), конференции «Открытые ГИС» (Москва, 2012 год), Пятой международной конференции, посвященной 95-летию со дня

рождения Ф.Н. Милькова «Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов» (Воронеж, 2013 год).

Личный вклад автора. Автором впервые предложена система положений геоинформационного моделирования ландшафта, выступающая в качестве методологической основы данного исследования, модель данных долинно-речного ландшафта, созданы геоинформационные модели и произведен анализ разновременных космических снимков объектов исследования, апробированы два подхода к прогнозированию эволюции долинно-речных ландшафтов Воронежской области, разработана и предложена схема физико-географического районирования долинно-речных ландшафтов, предложен ряд научно-практических наработок для опытного внедрения в области сельского и лесного хозяйства, проектирования транспортной и инженерной инфраструктуры, ландшафтного планирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций.

Публикации по теме исследования. По результатам исследований опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в печатных изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 208 страниц, список литературы содержит 195 наименований, в том числе 20 на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает благодарность за научное руководство и консультирование д.г.н., проф. В.Б. Михно, а также всему коллективу кафедры физической географии и оптимизации ландшафта факультета географии, геоэкологии и туризма Воронежского государственного университета за помощь в написании работы.

Глава 1. Теоретические и методологические основы изучения долинно-речных ландшафтов

1.1 Исторический аспект изучения долинно-речных ландшафтов

Под долинно-речным ландшафтом нами понимается сложная парагенетическая ландшафтная система, формирование которой обусловлено флювиальным процессом.

История развития научного представления о речных долинах прошла сложный путь от обрывочных описательных сведений до комплексного понимания долинно-речного ландшафта как парагенетической целостной системы.

Первые сведения об исследованиях речных долин относятся к Древнему Египту, где жрецы отмечали на скалах уровни воды при ежегодных разливах Нила (около 6000 лет назад) [122]. В Древней Греции и Древнем Риме проводились исследования Рейна и Дуная. Проблемами происхождения рек и круговорота воды занимались Аристотель, Фалес, Анаксимандр и др. Труды Аристотеля в эпоху Возрождения развивает Леонардо да Винчи, который дал объяснение происхождения рек, отметив роль и дождевых, и подземных вод.

У античных авторов также встречаются первые упоминания о природе р. Танаис (Дон) и Борисфен (Днепр). Общегеографические сведения об этих реках имеются и в русских летописях - «Повесть временных лет» и др., а также «Книге Большому Чертежу». Комплексные исследования речных долин начинаются в период Академических экспедиций.

Заметной вехой в изучении долин рек послужила работа В.В. Докучаева «Способы образования речных долин Европейской России» [63]. В данной работе автор высказал предположение о чисто эрозионном происхождении речных долин, а также развил представление о трех основных способах образования речных долин.

В советский период развития отечественной географии активно развиваются как покомпонентные, так и комплексные исследования долин. Среди геолого-геоморфологических трудов необходимо отметить работы И.С. Щукина о генетической классификации долин, И.П. Герасимова [32] и К.И. Геренчука [33], которые развивают взгляды о эрозионно-тектонической природе речных долин, Р. Хортона [165] - об эрозионном происхождении, Н.И. Маккавеева [97], Г.В. Обедиентовой [127], A.A. Вирского [27]. Среди гидрологических исследований необходимо отметить труды Б.А. Аполлова [6], П.С. Кузина [88], А.Г. Курдова [89, 90]. Изучением почв и биогеографических особенностей речных долин занимались В.В. Алехин [1], В.Н. Беклемишев, В.Р. Вильяме [25], A.A. Максимов, Л.Г. Раменский и др.

С