Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Картографирование мерзлотных ландшафтов с учетом сукцессий растительности

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Картографирование мерзлотных ландшафтов с учетом сукцессий растительности"

На правах рукописи

Шестакова Алёна Алексеевна

КАРТОГРАФИРОВАНИЕ МЕРЗЛОТНЫХ ЛАНДШАФТОВ С УЧЕТОМ СУКЦЕССИИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ПРИЛЕНСКОГО ПЛАТО)

Специальность 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

4В55234

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 9 СЕН 2011

Якутск 2011

4855234

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте мерзлотоведения имени П.И. Мельникова СО РАН.

Научный руководитель: кандидат географических наук

Федоров Александр Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Куницкий Виктор Владимирович,

кандидат биологических наук Борисов Борис Захарович.

Ведущая организация:

биолого-географический факультет СВФУ им. М.К. Аммосова.

Защита состоится 12 октября 2011 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.25.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу. 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат (в двух экз.), заверенные печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Марку Михайловичу Шацу.

Копии отзывов для скорой доставки можно направлять по факсу: 84112-334-476 или электронной почтой: mpi@ysn.ru

Автореферат разослан « сентября 2011 г.

РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

М.М. Шац

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Выявление пространственно-временных закономерностей развития мерзлотных ландшафтов является весьма актуальным. Развитие географических исследований на современном этапе во многом определяется перспективами применения ГИС. Применение ГИС открывает новые возможности не только в пространственно-временном анализе современных процессов и явлений, но и в традиционных методах исследований, каковым является ландшафтная индикация и картографирование мерзлотных условий. Результаты ландшафт-но-криоиндикационных исследований имеют большое значение для развития ГИС в мерзлотоведении, в первую очередь, в цифровом картографировании с применением атрибутивных таблиц ГИС.

Ранее динамическое состояние инженерно-геокриологических условий практически не отражалось на инженерно-геокриологических картах. Динамический аспект представлен использованием сукцессион-ных моделей растительности в классификационных ландшафтно-динамических построениях, что позволяет оценить современное состояние и тенденции развития мерзлотных ландшафтов. Использование инженерно-геокриологических характеристик при ландшафтной дифференциации и картографировании, выделение вариантов типов местности по инженерно-геокриологическим свойствам грунтов позволят повысить информативность мерзлотно-ландшафтных карт и более достоверно отображать реальную картину природной дифференциации. Изучение инженерно-геокриологических условий в качестве критериев выделения ландшафтов позволит более детально решать природоохранные проблемы в криолитозоне, так как многолетнемерзлые породы являются здесь основным ландшафтообразующим фактором.

Цель работы - совершенствование методики инженерно-геокриологического картографирования посредством применения сук-цессионных стадий растительности для показа динамического состояния инженерно-геокриологических условий в процессе картографирования.

Задачи исследований состоят в следующем:

1. Использовать ландшафтно-динамические построения для индикации мерзлотных условий (типы фаций, урочищ, местностей и ландшафтов).

2. Применить сукцессионные ряды растительности в разномасштабном картографировании инженерно-геокриологических условий для Лено-Алданского междуречья.

3. Создать цифровые тематические мерзлотные карты для Лено-Алданского междуречья с применением сукцессионных рядов растительности.

4. Составить разномасштабные пространственно-временные модели устойчивости мерзлотных ландшафтов с использованием ГИС для природоохранных целей.

Личный вклад автора и методика исследований. В основу диссертации положен материал, полученный автором при мерзлотно-ландшафтных исследованиях в Якутии в 2005-2011 гг. В научной работе изложены результаты исследований, в которых автор с 2005 г. в качестве исполнителя принимал участие в сборе, систематизации и анализе данных, а также в создании ряда ГИС-проектов. Разработка предлагаемых приемов ГИС-юфтографирования, составление цифровых мерзлот-но-ландшафтных и мерзлотных карт, пространственно-временной анализ, обработка материалов и картографические обобщения выполнены непосредственно автором.

Использованы также фондовые материалы Института мерзлотоведения СО РАН, литературные источники, аэрокосмические снимки и картографические обобщения. Проводились наземные маршрутные исследования, дешифрирование аэрокосмических снимков, детальные исследования на ключевых участках. При камеральных работах применялись методы ГИС -технологий с использованием специализированного программного обеспечения (PC ARC/INFO, ArcView GIS).

Научная новизна работы.

1) Усовершенствована методика картографирования инженерно-геокриологических условий мерзлотных ландшафтов с применением сукцессионных рядо в растительности и ГИС-технологий.

2) Создана современная ландшафтно-криоиндикационная схема и новые цифровые мерзлотные карты Лено-Алданского междуречья различного уровня и масштаба с базой данных о структуре и содержании компонентов ПТК.

3) Проведен пространственный анализ по различным компонентам природных комплексов Лено-Алданского междуречья.

Основные защищаемые положения:

1. В условиях криолитозоны сукцессии растительности играют важную роль в инженерно-геокриологической дифференциации и в определении формирования критических условий после нарушений и с последующим их восстановлением.

2. Сукцессиокные стадии растительности, отражающие динамическое состояние геокриологических условий, включены в классифика-

ционные единицы мерзлотных ландшафтов, что позволило предложить новую классификационную схему ландшафтов Ле да-Алданского междуречья.

3. Мерзлотно-ландшафтные классификации и сукцессионные ряды растительности являются объективными показателями динамического состояния мерзлотной обстановки на геокриологических картах разного масштаба, что важно для планирования природоохранных мероприятий.

Практическое значение работы. Предложенная методика позволит более эффективно решать вопросы мерзлотно-ландшафтного и геокриологического картографирования путем учета динамического состояния мерзлотных ландшафтов, а также систематизации природной обстановки в криолитозоне. Методика, разработанная автором, применяется в настоящее время для составления новых ГИС-проектов. Результаты исследований могут быть использованы цля разработки природоохранных мероприятий, оценки устойчивости природной среды к изменениям климата и антропогенным нарушениям, а также при научном обеспечении строительства отдельных крупных инженерных объектов на территории Якутии.

Данная работа является частью исследовании Института мерзлотоведения СО РАН, выполняемых по конкурсным программам Сибирского Отделения РАН (проекты 25.1.5, 7.10.2.5 и Vir.63.2.5 за 2004-2011 гг.). Результаты полученных исследований использовались при выполнении ряда хоздоговорных работ с производственными и проектными организациями.

Апробация и пракгнческая реализация. Содержание работы и ее отдельные положения были опубликованы и обсуждены: на региональной конференции «Вопросы региональной геокриологии и географии» (Якутск, 2006); 111 Международной конференции «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» (Якутск, 2007); VII Международном симпозиуме «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (Чита, 2007); III Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (Якутск, 2008); Международной молодежной конференции «Современные проблемы и будущее геокриологии» (Якутск, 2008); XIV Лаврентьевских чтениях, посвященных 110-летию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева (Якутск, 2010); Всероссийском научном молодежном форуме с международным участием «Геокриология - прошлое, настоящее, будущее» (Якутск, 2010); II Республиканской научно-практической конференции «География и краеведение в Якутии» (Якутск, 2011).

Основные положения диссертации представлены в десяти публикациях, в том числе три - в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 163 страниц, состоит из: введения, 6 глав, включающих 46 карт, 14 рисунков, 59 таблиц, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований и 7 приложений.

Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность за систематическую помощь в проведении исследований и высокую требовательность к работе своему научному руководителю, к.г.н. А.Н. Федорову. Особую благодарность автор выражает д.г.н., проф. В.Р. Алексееву за ценные замечания и рекомендации и к.г.н. Я.И. Торговкину за помощь при изучении ГИС-технологий и постоянную поддержку. Автор приносит благодарность д.г.-м.н., проф. В.В. Шепелеву, д.г.-м.н. В.Б. Спектору, к.г.н. И.С. Васильеву, к.г.н. Н.П. Босикову, к.г.н. С.П. Варламову и другим сотрудникам ИМЗ СО РАН за замечания, советы, помощь и содействие при подготовке диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ПРЕДСТАВЛЯЮЩИЕ ПРЕДМЕТ ЗАЩИТЫ

1. В условиях криолитозоны сукцессии растительности играют важную роль в инженерно-геокриологической дифференциации и в определении формирования критических условий после нарушений и с последующим их восстановлением.

Более детально исследования мерзлотных ландшафтов нами проводились на участке Улу, на Лено-Алданском междуречье. Рассматриваемый участок в административном плане охватывает территории Хангаласского и Алданского улусов.

В физико-географическом отношении участок исследования относится к Лено-Амгинскому известняково-карстовому району (Босиков и др., 1985) Лено-Алданской карстовой провинции страны Средней Сибири (Мерзлотно-ландшафтная карта Якутской АССР, 1991).

Исследуемый район занимает территорию от р. Сылгылыр на севере до р. Кырбыкан - на юге. Он представляет собой часть Приленского плато, сложенного известняками и доломитами верхней части ленского яруса нижнего кембрия. Характерная особенность рельефа - наличие карстовых понижений на плакорных участка. В почвенном покрове преобладают мерзлотные дерново - карбонатные и

карбонатные оподзоленные (на плато), мерзлотные торфянисто- и тор-фяно-болотные почвы (на днищах долин малых рек). В растительном покрове доминируют лиственничники с примесью ели сибирской (пла-корный и склоновый типы местности). Ландшафтную структуру района составляют плакорный, склоновый и мелкодолинный типы местности.

В плакорном типе местности (карстовый подтип) доминируют лиственничники с примесью ели сибирской на дерново-карбонатных почвах на плоскоравнинных междуречных участках плато. Поверхностные отложения представлены элювиальными суглинками с включениями щебня известняков кембрия. В подлеске в основном встречаются ольховник и береза кустарниковая. Микрорельеф мелкобугристый, трещинно-полигональный (диаметр бугров 1 - 2 м, глубина канавок между бугорками в среднем 0,2 м). Температура горных пород составляет-0,5...-1,5° С, средняя глубина протаивания -1,5 -2,0 м.

Пожары и вырубки играют достаточно большую роль в современных ландшафтах. Так, например, в результате пожаров в 2001 - 2002 гг. в Центральной Якутии было нарушено 30% территории, что оказало существенное влияние на инженерно-геокриологические условия этого района.

Сукцессионные стадии растительности были разделены нами на 2 комплекса - до 20 лет и 20 - 50 лет. Сукцессии до 20 лет представлены порослями березы и лиственницы, часто труднопроходимыми. В таких чащобах травяно-кустарничковый покров еще не успевает произрасти. Поэтому такие комплексы характеризуются как мертвопокровные. Сукцессии 20 - 50 лет определяют стабилизацию ландшафтов и мерзлотных условий. В это время начинает произрастать травяно-кустарничковый покров, идет разреживание древостоя.

Результаты полевых исследований и изучение фондовых и литературных материалов позволили выделить изменение температуры горных пород и мощности сезоннопротаивающего (деятельного) слоя (СТС) в различных сукцессионных стадиях. Если для плакорного типа местности с коренными елово-лиственничными лесами наиболее характерна температура -0,5...-1,5° С, то для сукцессий до 20 лет она составляет 0...-0,5° С, а для сукцессий 20 - 50 лет значение температуры стабилизуется и составляет -0,5...-1,0 и -0,5...-1,5° С. В коренных елово-лиственничных лесах на плакорном типе местности характерны значения мощности СТС 1,5 - 2,0 м, а на восстанавливающихся гарях до 20 лет СТС изменяется от 2,5 до 3,0 м. Для старых восстанавливающихся гарей 20 - 50 лет мощность СТС практически достигает первичного

значения - 1,5 - 2,0 м. Такие же закономерности изменения температуры горных пород и мощности СТС характерны и для других типов местности.

В склоновом типе местности в основном преобладают группы типов урочищ из пологих (3 - 5°) и очень пологих склонов (2 - 3°). На склонах с крутизной 2-3° характерными и доминирующими природно-территориальными комплексами (ПТК) являются лиственничники с примесью ели сибирской зеленомошно-брусничные и зеленомошно-бруснично-голубичные на мерзлотных дерново-карбонатных оподзо-ленных почвах. На пологих склонах (3 - 5°) на структуру ПТК оказывает влияние экспозиция склонов. Так, на склонах, тяготеющих к южной экспозиции, преобладают лиственничники лимнасово-голубичные с примесью ели и редко сосны на мерзлотных дерново-карбонатных оподзоленных почвах. А для склонов, тяготеющих к северной экспозиции, характерны лиственничники зеленомошно-брусничные с елью на мерзлотных дерново-карбонатных оподзоленных почвах; здесь же выражен мелкобугристый трещинно-полигональный микрорельеф (диаметр бугров 2,0 - 2,5 м, глубина канавок 0,3 - 0,4 м). В нижних частях пологих склонов встречаются лиственничники с густым ерником из березы кустарниковой шириной 100 - 200 м. Более крутые (5° и более) склоны в этом районе занимают небольшие пространства. Температура горных пород составляет -2...-3°С, средняя глубина протаивания - 1,0

- 1,5 м.

В сукцессиях до 20 лет температура горных пород повышается до -0,5...-1,5°С, глубина протаивания увеличивается до 2,0 - 2,5 м. Такие нарушения предопределяют активизацию таких склоновых процессов, как эрозия и солиф/покция. Здесь характерны и карстовые процессы. Сукцессии 20 - 50 лет определяют стабилизацию ландшафтов и мерзлотных условий. В это время начинает произрастать травяно-кустарничковый покров, идет разреживание древостоя. Температура грунтов составляет -1,5...-2,0° С, глубина сезонного протаивания - 1,0

- 1,5 м.

Мелкодолинный тип местности является одной из ландшафтооб-разующих структур района (долины рек Сылгылыр, Налбагар, Улу, Кырбыкан и их притоки). Здесь доминирующими, определяющими облик типа ПТК, яаняются ерники из березы кустарниковой на мерзлотных пойменных дерновых почвах, на микроповышениях днищ долин с бугристым микрорельефом (диаметр бугров от 2 до 3 м, глубина канавок между ними может достигать 0,7 м). Под ерником доминирует разнотравно-осоковая ассоциация, встречается и зеленомошный покров. В

микропонижениях днищ долин без бугристого микрорельефа развиты заболоченные ерники из березы кустарниковой с осоковыми лугами и кочкарниками на торфянисто-болотных почвах. Характерными для мелкодолинного типа местности являются развитые вдоль долин рек на высокой пойме еловые леса с примесью лиственницы Каяндера брус-нично-зеленомошные на мерзлотных пойменных дерново-лесных почвах. Здесь выражен мелкобугристый микрорельеф (диаметр бугров 1,5 -3,0 м, глубина канавок 0,2 - 0,4 м). Редко, небольшими фрагментами встречаются участки лиственничников с примесью ели сибирской осо-ково-бруснично-зеленомошные на мерзлотных пойменных дерново-лесных почвах. Для всех ПТК характерен мелкобугристый и просадоч-но-полигональный микрорельеф (диаметр бугров 2 - 3 м, глубина канавок 0,5 - 0,7 м). Температура горных пород изменяется от -2 до -5° С, средняя глубина протаивания варьирует в пределах 0,8 - 1,5 м.

В мелкодолинном типе местности преобладающий комплекс — ерник - достаточно быстро восстанавливается, поэтому мы не стали использовать подразделение на сукцессионные стадии, как в лесных ландшафтах. Однако отметим, что пожары достаточно серьезно влияют на состояние ландшафтов и многолетнемерзлых пэрод. Они приводят к активизации термокарста (Босиков и др., 1985). Термокарстовые озера в долинах малых рек являются характерными для ландшафтной структуры рассматриваемого района.

2. Сукцессионные стадии растительности, отражающие динамическое состояние геокриологических условий, включены в классификационные единицы мерзлотных ландшафтов, что позволило предложить новую классификационную схем> ландшафтов Лено-Алданского междуречья.

Сопряженный анализ физико-географических характеристик реализуется в таблицах комплексных ландшафтных шдикаторов инженерно-геокриологических условий (Мельников и др., 1974), ландшафтных индикаторов (Винокуров, 1980), криоиндикациоъ ных таблицах (Босиков, Васильев, Федоров, 1985), кадастре ландшафтов (Федоров и др., 1989) и т.д. Корреляционные свойства между компонентами природы в ландшафтных комплексах позволяют составить многофакторные схемы взаимосвязей, являющихся необходимой основой для индикации инженерно-геокриологических условий.

В геокриологическом картографировании основной целью является отражение пространственного размещения многолетнемерзлых горных пород в соответствии с их свойствами и характеристиками.

Принципы построения комплексных геокриологических карт отражены в работах И.Я. Баранова (1961), В.А. Кудрявцева (1961), В.Р. Алексеева (1966) и др. Для систематизации этих свойств и характеристик широко используются ландшафтные построения (Баранов, 1965; Мельников и др., 1974, 1976; Методика..., 1979; Ландшафты..., 1983 и др.).

В регионах, где литогенная основа представлена многолетне-мерзлыми породами, мерзлотные ландшафты являются составной частью ландшафтной сферы. А.Н. Федоровым (1991) была предложена таксономическая система ландшафтов, основанная на ранее предложенной схеме Ф.Н. Милькова (1970).

В работе объектом исследований являются природно-террито-риальные комплексы (ПТК), представляющие собой систему взаимосвязанных компонентов природы, ограниченных пространственно. В пределах криолитозоны они функционируют под воздействием криогенных факторов, что обусловливает, в свою очередь, их своеобразность - отрицательные температуры грунтов, наличие льда в литоген-ной основе, развитие специфических криогенных процессов.

Использование геоинформационных технологий в последние годы позволило несколько пересмотреть некоторые теоретические и методические основы мерзлотно-ландшафтного картографирования. «Оверлей», или наложение отдельных слоев, позволило существенно упростить ландшафтные классификационные построения. Использование разных уровней критериев на уровне классификационных построений позволило генерализировать рассматриваемые параметры, которые столь необходимы для ландшафтно-криоиндикационных исследований. Наш опыт выделения мерзлотных ландшафтов с применением ГИС-технологий несколько отличается от традиционного (рис. 1).

Типы ландшафтов

Типы местности

Типы урочищ

Типы фаций

I

I

I

Рис. 1. Критерии выделения мерзлотных ландшафтов с применением ГИС-технологий.

При таком подходе технологически возможно добавить следующие сочетания для типов:

- ландшафта - биома и мезорельефа;

- местности - групп ассоциаций растительности с мезо- и микрорельефом;

- урочищ - групп ассоциаций растительности с микро- и мезорельефом;

- фаций - ассоциаций с микрорельефом.

Использование «оверлея» в ландшафтной связи рельеф - растительность и придание этой связи ландшафтной едидицы на уровне типа или группы типов урочищ позволяет отделить ландшафтно-динамические аспекты дифференциации. Использование такого подхода позволяет отделить сукцессионные стадии от коренных условий, что в свое время было продемонстрировано основателем геосистемного направления в ландшафтоведении В.Б. Сочавой (1978). Им были выделены коренные, мнимокоренные и серийные ландшафтные фации.

Объединение идей Ф.Н. Милькова и В.Б. Сочавы существенно обогащает ландшафтные теоретические разработки и с успехом может применяться как в мерзлотно-ландшафтном, так и инженерно-геокриологическом картографировании. Если типы местности Ф.Н. Милькова хорошо отражают геолого-геоморфологические и криолито-логические особенности ландшафтов (Федоров, 1993), то ландшафты, выделенные на основе растительных группировок с учетом их динамики по В.Б. Сочаве, вполне реально отражают динамическое состояние многолетнемерзлых пород.

На основе комплексных мерзлотно-ландшафтных исследований на Лено-Алданском междуречье нами были рассмотрены проблемы использования сукцессионных рядов при крупно-, средне- и мелкомасштабном картографировании. Использование атрибутивных таблиц при ГИС-картографировании упрощает ландшафтно-классификационные построения.

Были составлены ландшафтно-криоиндикационные таблицы основных геокриологических характеристик типов урочищ с сукцессиями для атрибутивных таблиц цифровых карт. Для составления таблиц и кадастров были использованы все имеющиеся материалы (литературные, фондовые, картографические, аэрокосмические) и данные полевых исследований лаборатории криогенных ландшафтов Института мерзлотоведения СО РАН на Лено-Алданском междуречье, полученные в 1981 - 1982 гг. и 2005 - 2006 гг., а также фондовые данные Проекттранс-строя, Мосгипротранса, ЯкутТИСИЗа, ЯЦГСЭ и др.

При крупномасштабном картографировании было выделено 10 растительных сообществ, среди которых сукцессионные стадии растительности представлены порослями березы и лиственницы разнотравно-вейниковыми и вейниково-брусничными - до 20 лет и лиственничными тонкоствольными лесами с примесью ели, березы и сосны бруснично-голубично-моховыми - 20 - 50 лет. Наибольшее распространение получили коренные елово-лиственничные голубично-моховые леса (46%). Сукцессии на рассматриваемом участке занимают 16% общей площади.

При среднемасштабном картографировании было классифицировано 7 типов растительных ассоциаций, среди которых выделены сукцессии - гари молодые (до 20 лет), частично вырубленные смешанные леса, представленные березово-лиственничными порослями (20 — 50 лет) и березово-лиственничные тонкоствольные леса с лиственницей (более 50 лет). Наибольшую площадь занимают коренные елово-лиственничные ерниковые и елово-лиственничные кустарничково-лишайниково-моховые леса — 31 и 23% соответственно. Среди сукцес-сий наиболее выражены старые гари и вырубки (более 50 лет), которые занимают 15% общей площади. Остальные сукцессии составляют 11%.

При мелкомасштабном картографировании всего было выделено 9 единиц растительности. Сукцессии представлены молодыми (до 20 лет) и старыми восстанавливающимися (20 - 50 лет) гарями. Наибольшую площадь занимают коренные лиственничные леса с березой бруснично-зеленомошные (22%), сосново-лиственничные леса бруснично-зеленомошные (21%) и лиственничные леса с елью и березой голубично-багульниково-зеленомошные (20%). Небольшие территории заняты елово-лиственничными лесами бруснично-лишайниково-зеленомошными и ерниками, травяными болотами, а также заболоченными лиственничными редколесьями — 11% и 9% соответственно. Сукцессии на рассматриваемой территории занимают около 10% общей площади.

Мерзлотно-геологические (криогенные) процессы тесно взаимосвязаны с льдистостью отложений, так же и как с особенностями поверхностных отложений. В начальных сукцессионных стадиях они активизируются из-за изменений инженерно-геокриологических условий. Для плакорного типа местности характерны карстовые просадки, для склонового — солифлюкция и эрозия. Наиболее опасные процессы протекают в ложбинном и мелкодолинном комплексах, где характерны мо-розобойное растрескивание, пучение и термокарст.

3. Мерзлотно-ландшафтные классификации и сукцесснонные ряды растительности являются объективными показателями динамического состояния мерзлотной обстановки на геокриологических картах разного масштаба, что важно для планирования природоохранных мероприятий.

На основе проведенных крупно- (1:25 ООО), средне- (1:200 ООО) и мелкомасштабных (1:2 500 ООО) криоиндикационных исследований с использованием динамических мерзлотно-ландшафтных классификаций в Лено-Алданском междуречье были составлены цифровые тематические мерзлотные карты, которые были выполнены в двух вариантах.

Первый вариант - карты без учета нарушений ландшафтов (сук-цессий), составленные по традиционной методике. Второй вариант -карты с учетом нарушений ландшафтов (сукцессшши), составленные по предлагаемой методике.

Крупномасштабные тематические мерзлотные карты Лено-Алданского междуречья

На уровне ландшафтных единиц тип урочища наиболее подходит для картографирования температуры грунтов, сезэннопротаивающего слоя и криогенных процессов. Инженерно-геокриологические характеристики, полученные в ходе полевых исследований и натурных наблюдений, были отредактированы и занесены в таблиц)' согласно типам урочищ. С помощью атрибутивных таблиц ГИС была получена серия карт - температуры грунтов, мощности СТС и криогенных процессов, которые отражают закономерности пространственного распределения по различным элементам ландшафтов.

Температура горных пород. На карте темпеэатуры грунтов, составленной по традиционной методике, было выделено 3 единицы. Чуть больше половины исследуемой территории (56,5% общей площади) характеризуются температурой горных пород -2...-30 С. Ландшафты с низкими температурами горных пород (-3...-40 С) характерны для пойм небольших рек и ручьев с болотами и марями. Они занимают одну третью часть территории (39%). Ландшафты с диапазоном температуры горных пород от -0,5 до -1,5° С занимают 4% плошади. Карта температуры горных пород с учетом сукцессий растительности включает 7 единиц. Первые 5 единиц температуры грунтов характерны для плакоров и склонов, где были отмечены сукцессии до 20 и 20 - 50 лет. Здесь диапазон температуры грунтов составляет 0...-0,5° С, 0...-10 С, -0,5...-1,5° С и -1,0...-1,5° С и занимают 1, 3 и 4% соответственно. Для склонов и мелкодолинных комплексов, которые занимают 37 и 38% общей площади соответственно, характерны температуры -2...-30 С и -3...-40 С.

Ландшафты с температурами грунтов от -1,5 до -2,0° С занимают 16% территории.

Мощность сезоннопротаивающего слоя. По составленной без учета сукцессий растительности карте мощности сезоннопротаивающего слоя подразделены на 3 единицы. Преобладающие территории занимают урочища со значениями мощности сезоннопротаивающего слоя 0,5 - 1,0 и 1,0 - 1,5 м (37 и 58% общей территории соответственно). Менее распространены урочища со значениями мощности СТС 1,5 - 2,0 м, они занимают около 4%. На карте мощности сезоннопротаивающего слоя с учетом сукцессий растительности нами выделено 5 единиц. Как и на карте мощности сезоннопротаивающего слоя, без учета нарушений показатели пространственного распределения мощности СТС характеризуются почти одинаковыми показателями. Здесь показатели мощности СТС 0,5 - 1,0 м и 1,0 - 1,5 м вновь преобладают (35 и 57% соответственно). Наибольшие значения мощности сезоннопротаивающего слоя 2,0 - 2,5 и 2,5 - 3,0 м - приурочены к серийным фациям - сукцессиям до 20 и 20 - 50 лет. Они занимают соответственно 3 и 1% общей площади.

Мерзлотно-геологические процессы. На картах мерзлотно-геологических процессов, составленных по двум методикам, видно, что наибольшее распространение (73 и 12%) получили следующие сочетания процессов: с одной стороны, морозобойное растрескивание, со-лифлюкция, эрозия; с другой стороны, - морозобойное растрескивание, пучение, термокарст. В ландшафтах, где выделены сукцессии, отмечаются карстовые и локальные карстовые просадки. Они занимают около 4% общей площади. Остальные криогенные процессы распространены незначительно.

Составленные по атрибутивным таблицам и с учетом сукцессий растительности крупномасштабные цифровые карты температуры грунтов, мощности сезоннопротаивающего слоя и мерзлотно-геологических (криогенных) процессов отражают современное состояние мерзлотных ландшафтов и позволяют оценить пространственно-временные закономерности их развития.

По выделенным сукцессиям растительности с применением ГИС можно легко отобразить как участки с критическими мерзлотными условиями - повышенной температурой грунтов, максимальной мощностью сезоннопротаивающего слоя и большой вероятностью активизации криогенных процессов (сукцессии до 20 лет), так и территории, где происходит их стабилизация (сукцессии 20 - 50 лет). Такой подход намного повышает информативность инженерно-геокриологических карт.

Среднемасштабные тематические мерзлотные карты Лено-Алданского междуречья

Картирование температуры горных пород, мощности сезоннопро-таивающего слоя и мерзлотно-геологических процессов по традиционной методике проводилось на основе карты типов местности. При этом в качестве основы для построения карты типов местности без сукцессий растительности нами были приняты геокриологические характеристики ландшафтно-криоиндикационной карты зоны освоения Лено-Алданского междуречья масштаба 1:500 ООО, составленной в Институте мерзлотоведения СО РАН (Босиков и др., 1985).

Температура горных пород. На карте температуры грунтов без учета нарушений по данным исследований, проведенных в 1985 г. (Босиков, Васильев и Федоров, 1985), нами были выделены 4 единицы. Здесь четко прослеживается распределение температуры грунтов по типам местности. Наибольшую площадь занимают ландшафты с пределами температуры -0,3...-2,0° С - 42%. На плакорах характерны температуры грунтов от 0 до -0,2° С, они занимают 23%. Ландшафты с температурами горных пород 0...-5 и -1,0...-3,3° С характерны для склонов и мелких долин рек и ручьев и занимают соответственно 19 и 14% общей территории. На карте, составленной по предлагаемой методике, нами всего выделено 9 градаций температуры. Это связано с тем, что растительные сукцессии после пожаров и сплошных вырубок, отмеченные ранее на этой территории, распространены повсеместно. Они наблюдаются практически по всем типам урочищ. Поэтому карта температуры горных пород выглядит достаточно пёстрой. Одну третью часть всей картируемой площади занимают ландшафты с температурой грунтов -2...-3 и -3...-40 С - 33 и 30% соответственно. Ландшафты с диапазоном температуры грунтов -1,5...-2,5° С занимают 6%. Ландшафты с высокими температурами горных пород (0,..~0,5; -0,5...-1,0; -0,5...-1,5° С) характерны для сукцессий до 20 и 20 - 50. Они занимают около 27% общей площади территории.

Мощность сезонпопротаивающего слоя. Карта мощности сезон-нопротаивающего слоя по традиционной методик г с использованием данных Н.П. Босикова, И.С. Васильева и А.Н. Федорова (1985) включает 4 единицы. Наиболее широко распространены участки с мощностью СТС от 0,9 до 1,5 м (42%). На плакорах мощность сезоннопротаиваю-щего слоя составляет 1,3 - 1,8 м и занимает 23%. По склонам и мелким долинам рек и ручьев наблюдаются значения мощности СТС 1,0 - 1,6 и 0,9 - 1,4 м. Они занимают соответственно 14 и 19% всей территории. Полученная по атрибутивной таблице с учетом сукцессий растительно-

сти карта распределения мощности сезоннопротаивающего слоя подразделена на 5 единиц. Чуть более половины территории (51%) характеризуется значениями мощности СТС 1,0 - 1,5 м, а почти одна треть (30%) - СТС 0,5 - 1,0 м. На урочищах, где выделены сукцессии, мощность сезоннопротаивающего слоя изменяется от 1,5 до 3,0 м. Так, на гарях до 20 лет мощность СТС варьирует от 2,0 - 2,5 до 2,5 - 3,0 м. Эти ландшафты занимают 17% общей площади.

Мерзлотно-геологические процессы. На карте мерзлотно-геологических процессов, составленной по традиционной методике, наибольшее распространение - 23 и 42% - получили карстовые просадки и сочетания процессов в виде локального проявления термокарста, заболачивания, образования полигональных сетей и небольших водоемов, пучения. Это связано с тем, что Лено-Амгинский известняково-карстовый район отличается интенсивным проявлением повсеместного, как поверхностного, так и глубинного мерзлотного карста. Эти криогенные процессы характерны для плакорного и надпойменно-террасового типов местности. Также значительно распространены эрозия, солифлюкция и курумы по склонам (14%) и термокарст, пучение по мелкодолинным комплексам (19%). На карте криогенных процессов, составленной по предлагаемой методике, мы наблюдаем похожую картину. В результате уничтожения коренных растительных сообществ активизировались такие криогенные процессы, которые в ненарушенных ландшафтах выражены слабо или не проявлялись вовсе. Наибольшее распространение (62%) получили морозобойное растрескивание, солифлюкция и эрозия. На плакорах развиты карстовые и локальные карстовые просадки (6%). После нарушения растительного покрова развиваются эрозия и плоскостной смыв (11%), а также морозобойное растрескивание, пучение и термокарст по мелкодолинному типу местности (19%).

Среднемасштабное картографирование на уровне типов местности и типов урочшц с использованием динамических мерзлотно-ландшафтных классификаций и применением ГИС достаточно четко позволяет отражать динамику мерзлотных условий в сукцессиях - температуру грунтов, мощность сезоннопротаивающего слоя и развитие мерзлотно-геологических процессов.

Ранее трудно было отобразить динамическое состояние много-летнемерзлых горных пород на среднемасштабных картах. Применение ГИС и изучение сукцессий растительности позволяют учесть динамический фактор в инженерно-геокриологическом картографировании. Как показывает наш опыт, около 30 % рассматриваемых территорий пред-

ставляют промежуточное состояние, характерное для нарушенных и восстанавливающихся ландшафтов. Учет этого состояния позволяет более детально отобразить на карте современное состояние ландшафтов и инженерно-геокриологические условия.

Мелкомасштабные тематические мерзлотные карты Лено-Алданского междуречья

В качестве карты типов местности, составленной по традиционной методике, нами был выбран фрагмент Мерзлотно-ландшафтной карты Якутской АССР (1991). Основой для построения карт температуры горных пород, мощности сезоннопротаивающего слоя и мерзлотно-геологических процессов по предлагаемой автором методике послужила также вышеупомянутая карта и Геокриологическая карта СССР масштаба 1:2 500 ООО (1991). Многие закономерности распределения ландшафтов и мерзлотных характеристик уже показаны на Мерзлотно-ландшафтной карте Якутской АССР, когда был проанализирован большой массив данных (Мерзлотные исследования..., 1989). Применение этих данных облегчило решение наших задач и помогло при дальнейшем картографировании.

Температура горных пород. На мерзлотно-ландшафтной карте Якутии (1991), составленной по традиционной методике, выделено 4 классификационных единиц (рис. 2, а). Повсеместно распространены ландшафты с температурами фунтов от -1 до -3° С (94%). Они представлены в плакорном и склоновом типах местности. Карта температуры горных пород, составленная по данным Геокриологической карты СССР (1991), включает 4 единицы (рис. 2, б). Наибольшие площади (39 и 44%) занимают мерзлотные ландшафты с температурами горных пород от -0,5 до -2,0 и от -1 до -3° С соответственно. Они распространены, в основном, в склоновом типе местности. Также значительные площади занимают ландшафты с температурой грунтов от +0,5 до -2,0° С (5%) и с температурой -2...—4° С (10%). Эти ландшафты приурочены к низкотеррасовым и мелкодолинным типам местности.

Распределение значений температуры грунтов по предлагаемой автором методике следующее. Всего было выделено 5 единиц (рис. 2, в). Наибольшие площади занимают мерзлотные ландшафты с температурами грунтов от -1 до -2° С (33%) и от -2 до -3° С (40%), расположенные по межаласному, плакорному и склоновому типам местности. Ландшафты, развитые по низким террасам крупных рек и мелким долинам рек и ручьев, с температурами грунтов -3...-40 С занимают значительные площади (14%). На ландшафтах, где были отмечены сукцессии,

температура грунтои гоменяется в пределах -0,5...-1,0 и -0,5...-1,5° С. Они занимают 5% общей площади района.

Мощность сезоннопротаивающего слоя. По данным мерзлогно-ландшафтной карты Якутии (1991) мощность сезоннопротаивающего слоя подразделяется: на 5 категорий. В пределах среднетаежного типа ландшафтов для скл онового типа местности в зоне сплошного распространения ММП наиболее характерны значения мощности СТС от 1,0 до 2,5 м (90%). На плакорах мощность сезоннопротаивающего слоя составляет 1,3 — 2,0 м и занимает 4%. Максимальные мощности СТС — 2 — 3 м - встречаются здесь на аллювиальных комплексах, а минимальные на мелкодолинном и межаласном типах местности — 0,8 - 1,5 и 1,2 - 1,7 м соответственно. Они занимают менее 1% площади исследуемой территории.

Обработка значений мощности сезоннопротаивающего слоя с помощью атрибутивной таблицы по предлагаемой методике позволила получить 11 единиц. Диапазон значений мощности СТС довольно широкий. Преобладают территории с глубинами сезоннопротаивающего слоя от 1,5 до 2,0 м - 43%, от 2,0 до 2,5 м - 16%, от 0,8 до 1,5 м - 12% и от 1,2 до 2,0 м-9%.

Для молодых гарей отмечается некоторое увеличение мощноста сезоннопротаивающего слоя от 2 до 3 м. На старых гарях мощность СТС изменяется от 1,0 до 1,5 м. Всего сукцессии занимают 5% общей площади.

Мерзлотно-геологические процессы. Применяя традиционную и предлагаемую автором методику картографирования мерзлотных ландшафтов, на территории Лено-Алданского междуречья можно наблюдать развитие морозобойного растрескивания, термокарста, пучения, термосуффозии, криогенного крипа, солифлюкции, курумов. Среди этих процессов наибольшее распространение получили склоновые процессы. По традиционной методике картирования они занимают 90%, по предлагаемой методике, с учетом сукцессии, - 64% общей площади исследования.

В мелкомасштабных мерзлотно-ландшафтных и инженерно-геокриологических картах практически невозможно было показывать динамическое состояние среды. Обычно с мелкомасштабными картами ассоциировались только инвариантные характеристики картографируемых объектов. Однако мы обратили внимание на использование сукцес-сий растительности из-за того, что достаточно большие территории в таежных ландшафтах заняты гарями и восстановительными сериями растительности. В предлагаемой мелкомасштабной карте были учтены

Масштаб 1:2 500 ООО

б

Рис. 2. Карты температуры горных пород Лено-Алданского междуречья, составленные по традиционной (а, б) и предлагаемой (в) методике.

и различные растительные сообщества (сосновые и лиственничные леса, ерники, болота и другие), которые служат индикаторами мерзлотных условий. Использование слоев растительности для картографирования инженерно-геокриологических условий с применением ГИС намного повышает информативность мелкомасштабных инженерно-геокриологических карт.

Составленные разномасштабные мерзлотно-ландшафтные карты послужили основой для создания карты устойчивости ПТК к техногенным воздействиям. Устойчивость ПТК оценивалась в зависимости от льдистости, протекания мерзлотно - геологических процессов, темпера-

туры и мощности слоя сезонного протаивания и промерзания грунтов (Мухина, 1973; Гравг, 1979; Босиков, Васильев, Федоров, 1985; Ста-шенко, 1987; Шполя некая, Зотова, 1994; Пармузин, 1986; Васильев, 1996 и др.). Всего на территории Лено-Алданского междуречья выделено 4 категории устойчивости ПТК: неустойчивые, когда вмешательство в природную среду вызывает развитие таких мерзлотно-геологических процессов, как термокарст и солифлюкция; относительно неустойчивые - когда развиваются с олифлюкция и эрозия; относительно устойчивые и устойчивые - когда криогенные процессы не активизируются, кроме морозобойного растрескивания.

Анализ карты устойчивости ПТК показал, что наибольшие площади (88, 43, 57%) занимают относительно неустойчивые ПТК на склонах, соответственно при крупно-, средне- и мелкомасштабном картографировании. Относительно устойчивые ПТК на плакорах занимают сравнительно большие площади при средне- (34%) и мелкомасштабном (39%) картографировании. Нижние части подножий склонов, ложбинные и мелкодолинныг ПТК отнесены к неустойчивым и занимают 20% общей площади при среднемасштабном картографировании. Устойчивые ПТК распространены незначительно и занимают до 3%.

Методика составления геокриологических карт с использованием динамических мерзлотно-ландшафтных классификаций и с применением ГИС позволяет белее детально отразить современную геокриологическую обстановку. Она может быть применена как в обновлении, так и составлении инженерно-геокриологических карт.

В дальнейшем автор, совместно с лабораторией криогенных ландшафтов и группой геоинформатики ИМЗ СО РАН, планирует обновить Мерзлотно-ландшафтную карту Якутской АССР масштаба 1:2 500 ООО, составленную по материалам 1987 года и изданную в 1991 году.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована методика картографирования инженерно-геокриологических условий мерзлотных ландшафтов с применением сукцессионных рядов растительности и ГИС-технологий. Применение современных ГИС-технологий упрощает классификационные построения с использованием «оверлея» (наложения) отдельных слоев и облегчает процесс классификации ландшафтов.

2. В результате ландшафтных и инженерно-геокриологических исследований на территории Лено-Алданского междуречья дан сравнительный анализ естественных и нарушенных мерзлотных ландшафтов

по основным геокриологическим характеристикам. Результаты анализа показали, что температура горных пород в сукцессиях повышается на Io С и мощность сезоннопротаивающего слоя увеличивается на 0,5 - 1 м по сравнению с естественными мерзлотными ландшафтами. Среди мерзлотно-геологических процессов активизировались термокарст, солифлюкция и эрозия.

3. Использование сукцессионных моделей в качестве индикаторов в классификационных ландшафтно-динамических построениях позволили оценить современное состояние и тенденции развития мерзлотных ландшафтов на Лено-Алданском междуречье, показывая восстановление как ландшафтных, так и мерзлотных условий.

4. Составленные по атрибутивным таблицам и с учетом сукцес-сий растительности крупно-, средне- и мелкомасштабные цифровые карты температуры грунтов, мощности сезоннопротаивающего слоя и мерзлотно-геологических процессов отражают современное состояние мерзлотных ландшафтов и позволяют более детально оценить пространственно-временные закономерности их развития.

Основные выводы и положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шестакова, А. А. Влияние растительности на пространственное распределение глубины сезонного протаивания и промерзания и температуры грунтов на Приленском плато / А. А. Шестакова, М. И. Петров; под общей ред. Д.М. Шестернева, Р.В. Чжана, А.Б. Птицына и др.; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Институт природных ресурсов, экологии и криологии, Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова // Проблемы инженерного мерзлотоведения: материалы VII Международного симпозиума (Чита, 21-23 ноября 2007 г.). - Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2007.-С. 131-135.

2. Шестакова, А. А. Учет инженерно-геокриологических условий в оценке устойчивости ландшафтов трассы железной дороги на участке Томмот-Улу / А. А. Шестакова; под ред. проф. Л.И. Зеленской И География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: материалы V Междунар. научн. конф. студентов и аспирантов, посвященной 90-летию Днепропетровского национального университета - Киев: ГНПП «Картография», 2008. - Вып. 5. - С. 484-489.

3. Шестакова, А. А. Пространственный анализ ландшафтного разнообразия вдоль трассы железной дороги Томмот-Кердем и вопросы устойчивости природной среды / А. А. Шестакова // Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии: материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (20-21 марта 2008 г.). - М.: ГЕОС, 2008. -Вып. 10.-С. 498-501.

4. Васильев, И. С. Устойчивость криогенных ландшафтов на северном участке железной дороги Якутии / И. С. Васильев, А. Н. Федоров, С. П. Варламов, Я. И. Торговкин, А. И. Васильев, А. А. Шестакова II Наука и образование. - 2009. -- № 2 (54). - С. 4-9.

5. Спектор, В. Б. Распространение основных инженерно-геологических групп мерзлых грунтов и связанных с ними геологических процессов на территории Якутии / В. Б. Спектор, Я. И. Торговкин, Р. В. Чжан, А. А. Шестакова, В. В. Спектор // Материалы VIII Междунар. симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения (Сиань, 15-17 октября 2009 г.). - 2009. - С. 3:!4-326.

6. Шестакова, /V. А. Применение геоинформационных технологий (ГИС) с учетом инженерно-геокриологических условий в оценке устойчивости ландшафтов трассы железной дороги на участке Томмот-Улу; ред. И.И. Христофоров и др. / А. А. Шестакова // ЭРЭЛ - 2009: материалы конф. научной молодежи к 60-летию Якутского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и Году молодежи. - Якутск: Изд-во ООО РИО «Феникс», 2009. -С. 155.

7. Федоров, А. Н. Мерзлотно-ландшафтный анализ как основа для экологической оценки осваиваемой территории / А. Н. Федоров, О. А. Казанский, Я. И. Торговкин, И. С. Васильев, M. Н. Железняк, А. А. Шестакова, Е. Ю. Герасимов, А. И. Васильев, Ф. Н. Зепалов, И. Е. Мисайлов //Применение природосберегающих технологий в условиях холодных регионов: материалы IX Междунар. симпозиума по развитию холодных регионов. - Якутск,

2010.-С. 268.

8. Шестакова, А А. Экологическая оценка мерзлотных ландшафтов на участке железной дороги Томмот-Кердем; под ред. проф. Л.И. Зеленской / А. А. Шестакова // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: материалы VII Междунар. научной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Днепропетровск: 1МА-прес, 2010. - Вып. 7. - С. 290-292.

9. Шестакова, А. А. Использование геоинформационных технологий при мерзлотно-ландшафтном анализе осваиваемых территорий; отв. ред. М.Н. Григорьев, О.И. Ал1 гксеева; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т мерзлотоведения им. П.И. Мельникова / А. А. Шестакова // Геокриология - прошлое, настоящее, будущее: материалы Всероссийского научного молодежного форума с междунар. участием, посвященного 50-летию создания Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2010.-С. 113-119.

10. Шестакова, А. А. Ландшафтные сукцессии и составление картографических моделей мерзлотных ландшафтов с применением ГИС; под ред. А.И. Шеховцова / А. А. Шестакова // Природа и общество: взгляд из прошлого в будущее: материалы XVII научной конф. молодых географов Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН,

2011.-С. 229-231.

Алёна Алексеевна Шестакова

КАРТОГРАФИРОВАНИЕ МЕРЗЛОТНЫХ ЛАНДШАФТОВ С УЧЕТОМ СУКЦЕССИЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ПРИЛЕНСКОГО ПЛАТО)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Редактор Н. А. Устюжина. Компьютерная верстка выполнена Я. А. Устюжиной.

Подписано в печать 12.07.2011. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме». Бумага писчая № 1. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 29.

Издательство и типография Института мерзлотоведения СО РАН. 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Шестакова, Алёна Алексеевна

Введение.

Глава 1. Методические основы мерзлотно-ландшафтного картографирования. Геоинформационное картографирование и ГИС-технологии.

1.1. Методические основы мерзлотно-ландшафтного картографирования.

1.2. Геоинформационное картографирование и ГИС-технологии.

Глава 2. Опыт применения-ГИС-технологий в геокриологии. Аппаратное и программное обеспечение ГИС.

2.1. Опыт применения ГИС-технологий в геокриологии.

2.2. Аппаратное и программное обеспечение ГИС.

Глава 3. Природные условия и особенности мерзлотно-ландшафтной дифференциации Лено-Алданского междуречья.

Глава 4. Создание цифровых мерзлотно-ландшафтных карт.

4.1. Крупномасштабное мерзлотно-ландшафтное картографирование территории Лено-Алданского междуречья.

4.2. Среднемасштабное мерзлотно-ландшафтное картографирование территории Лено-Алданского междуречья.

4.3. Мелкомасштабное мерзлотно-ландшафтное картографирование территории Лено-Алданского междуречья.

Глава 5. Составление цифровых тематических мерзлотных карт. Пространственный анализ с применением ГИС.

5.1'. Крупномасштабное тематические мерзлотные карты территории Лено-Алданского междуречья.

5.2. Среднемасштабные тематические мерзлотные карты территории Лено-Алданского междуречья.

5.3. Мелкомасштабные тематические мерзлотные карты территории Лено-Алданского междуречья.

Глава 6. Составление разномасштабных пространственно-временных моделей устойчивости мерзлотных ландшафтов с использованием ГИС.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Картографирование мерзлотных ландшафтов с учетом сукцессий растительности"

Актуальность работы. Выявление пространственно-временных закономерностей развития мерзлотных ландшафтов является весьма актуальным. Развитие географических исследований на современном этапе во многом определяется перспективами применения ГИС. Применение ГИС открывает новые возможности не только в пространственно-временном анализе современных процессов и явлений, но и в традиционных методах исследований, каковым является ландшафтная индикация и картографирование мерзлотных условий. ГИС позволяет систематизировать имеющийся фактический материал в виде базы данных, с помощью специальных приемов автоматически создавать комбинированные пространственные образы в виде карт. Результаты ландшафтно-криоиндикационных исследований имеют большое значение для развития ГИС в мерзлотоведении, в первую очередь, в цифровом картографировании с применением атрибутивных таблиц ГИС.

Ранее динамическое состояние инженерно-геокриологических условий (ИГУ) практически не отражалось на инженерно-геокриологических картах. Динамический аспект представлен использованием сукцессионных моделей растительности в классификационных ландшафтно-динамических построениях, что позволяет оценить современное состояние и тенденции развития мерзлотных ландшафтов. Использование инженерно-геокриологических характеристик при ландшафтной дифференциации и картографировании, выделение вариантов типов местности по инженерно-геокриологическим свойствам грунтов позволят повысить информативность мерзлотно-ландшафтных карт и более достоверно отображать реальную картину природной дифференциации. Изучение инженерно-геокриологических условий в качестве критериев выделения ландшафтов позволит более детально решать природоохранные проблемы в криолитозоне, так как многолетнемерзлые породы являются здесь основным ландшафтообразующим фактором. Применение сукцессионного метода позволит учитывать пространственно-временной фактор в картографировании ИГУ.

Перспективы применения ГИС-технологий не исчерпываются созданием тематических карт, а определяются ориентацией на моделирование пространственных процессов, в данном случае устойчивости природной среды к антропогенному воздействию и современным изменениям климата.

Цель работы - совершенствование методики инженерно-геокриологического картографирования посредством применения сукцесси-онных стадий растительности для показа динамического состояния инженерно-геокриологических условий в процессе картографирования.

Задачи исследований состоят в следующем:

1. Использовать ландшафтно-динамические построения для индикации мерзлотных условий (типы фаций, урочищ, местностей и ландшафтов).

2. Применить сукцессионные ряды растительности в разномасштабном цифровом картографировании инженерно-геокриологических условий для Лено-Алданского междуречья.

3. Создать цифровые тематические мерзлотные карты для Лено-Алданского междуречья- с применением сукцессионных рядов растительности.

4. Составить разномасштабные пространственно-временные модели устойчивости мерзлотных ландшафтов с использованием ГИС для природоохранных целей.

Личный вклад автора и методика исследований. В основу диссертации положен материал, полученный автором при мерзлотно-ландшафтных исследованиях в Якутии в 2005-2011 гг. В научной работе изложены результаты исследований, в которых автор с 2005 г. в качестве исполнителя принимал участие в сборе, систематизации и анализе данных, а также в создании ряда ГИС-проектов. Разработка предлагаемых приемов ГИС-картографирования, составление цифровых мерзлотно-ландшафтных и мерзлотных карт, пространственно-временной анализ, обработка материалов и картографические обобщения выполнены непосредственно автором.

Использованы также фондовые материалы Института мерзлотоведения СО РАН, литературные источники, аэрокосмические снимки и картографические обобщения. Проводились наземные маршрутные исследования, дешифрирование аэрокосмических снимков, детальные исследования на ключевых участках. При камеральных работах применялись методы ГИС-технологий с использованием специализированного программного обеспечения (PC ARC/INFO, ArcView GIS).

Научная новизна работы.

1) Усовершенствована методика картографирования инженерно-геокриологических условий мерзлотных ландшафтов с применением сукцес-сионных рядов растительности и ГИС-технологий.

2) Создана современная ландшафтно-криоиццикационная схема и новые цифровые мерзлотные карты Лено-Алданского междуречья различного уровня и масштаба с базой данных о структуре и содержании компонентов ПТК.

3) Проведен пространственный анализ по различным компонентам природных комплексов Лено-Алданского междуречья.

Основные защищаемые положения:

1. В условиях криолитозоны сукцессии растительности играют важную роль в инженерно-геокриологической дифференциации и в определении формирования критических условий после нарушений и с последующим их восстановлением.

2. Сукцессионные стадии растительности, отражающие динамическое состояние геокриологических условий, включены в классификационные единицы мерзлотных ландшафтов, что позволило предложить новую классификационную схему ландшафтов Лено-Алданского междуречья.

3. Мерзлотно-ландшафтные классификации и сукцессионные ряды растительности являются объективными показателями динамического состояния мерзлотной обстановки на геокриологических картах разного масштаба, что важно для планирования природоохранных мероприятий.

Практическое значение работы. Предложенная методика позволит более эффективно решать вопросы мерзлотно-ландшафтного и геокриологического картографирования путем учета динамического состояния мерзлотных ландшафтов, а также систематизации природной обстановки в криолитозоне. Методика, разработанная автором, применяется в настоящее время для составления новых ГИС-проектов. Результаты исследований могут быть использованы для разработки природоохранных мероприятий, оценки устойчивости природной среды к изменениям климата и антропогенным нарушениям, а также при научном обеспечении строительства отдельных крупных инженерных объектов на территории Якутии.

Данная работа является частью исследований Института мерзлотоведения СО РАН, выполняемых по конкурсным программам Сибирского Отделения РАН (проекты 25.1.5, 7.10.2.5 и УИ.63.2.5 за 2004 - 2011 гг.). Результаты полученных исследований использовались при выполнении ряда хоздоговорных работ с производственными и проектными организациями.

Апробация и практическая реализация. Содержание работы и ее отдельные положения были опубликованы и обсуждены: на региональной конференции «Вопросы региональной геокриологии и географии» (Якутск, 2006); III Международной конференции «Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата» (Якутск, 2007); VII Международном симпозиуме «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (Чита, 2007); III Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (Якутск, 2008); Международной молодежной конференции «Современные проблемы и будущее геокриологии» (Якутск, 2008); XIV Лаврентьевских чтениях, посвященных 110-летию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева (Якутск, 2010); Всероссийском научном молодежном форуме с международным участием «Геокриология — прошлое, настоящее, будущее» (Якутск, 2010); П Республиканской научно-практической конференции «География и краеведение в Якутии» (Якутск, 2011).

Основные положения диссертации представлены в десяти публикациях, в том числе три — в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 163 страниц, состоит из: введения, 6 глав, включающих 46 карт, 14 рисунков, 59 таблиц, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований и 7 приложений.

Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность за систематическую помощь в проведении исследований и высокую требовательность к работе своему научному руководителю, к. г. и А.Н. Федорову. Особую благодарность автор выражает д.т.н., проф. В.Р. Алексееву за ценные замечания и рекомендации и к.г.н. Я.И. Торговкину за помощь при изучении ГИС-технологий и постоянную поддержку. Автор приносит благодарность д.г.-м.н., проф. В.В. Шепелеву, д.г.-м.н. В.Б. Спектору, к.г.н. И.С. Васильеву, к.г.н. Н.П. Босикову, к.г.н. С.П. Варламову и другим сотрудникам ИМЗ СО РАН за замечания, советы, помощь и содействие при подготовке диссертационной работы. [

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Шестакова, Алёна Алексеевна

Заключение

1. Усовершенствована методика картографирования инженерно-геокриологических условий мерзлотных ландшафтов с применением сукцес-сионных рядов растительности и ГИС-технологий. Применение современных ГИС-технологий упрощает классификационные построения с использованием «оверлея» (наложения) отдельных слоев и облегчает процесс классификации ландшафтов.

2. В результате ландшафтных и инженерно-геокриологических исследований на территории Лено-Алданского междуречья дан сравнительный анализ естественных и нарушенных мерзлотных ландшафтов по основным геокриологическим характеристикам. Результаты анализа показали, что температура горных пород в сукцессиях повышается на 1° С и мощность сезонно-протаивающего слоя увеличивается на 0,5-1 м по сравнению с естественными мерзлотными ландшафтами. Среди мерзлотно-геологических процессов активизировались термокарст, солифлюкция и эрозия.

3. Использование сукцессионных моделей в качестве индикаторов в классификационных ландшафтно-динамических построениях позволили оценить современное состояние и тенденции развития мерзлотных ландшафтов на Лено-Алданском междуречье, показывая восстановление как ландшафтных, так и мерзлотных условий.

4. Составленные по атрибутивным таблицам и с учетом сукцессий растительности крупно-, средне- и мелкомасштабные цифровые карты температуры грунтов, мощности сезоннопротаивающего слоя и мерзлотно-геологических процессов отражают современное состояние мерзлотных ландшафтов и позволяют более детально оценить пространственно-временные закономерности их развития.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Шестакова, Алёна Алексеевна, Якутск

1. Алексеева, О. И. Геокриологическая база данных Якутии / О. И. Алексеева, Я. И. Торговкин // ГИС для устойчивого развития территорий. Материалы Междунар. конф. ГИС в региональных исследования. Часть 4. -Якутск: Изд-во ЯГУ, 1999. С. 116-120.

2. Алексеева, О. И. Информационные модели криосферы Земли / О. И. Алексеева, В. Т. Балобаев // Криосфера Земли. 2002. - T.VL—№1 — С. 62—71.

3. Алексеева, О. И. Разработка ГИС-проекта «Криолитозона Якутии» / О. И. Алексеева, В. Т. Балобаев, М. Н. Григорьев, Я. И. Торговкин // Матер. Междунар. конф. «Криосфера нефтегазоносных провинций. Тюмень: Изд-во ТИССО, 2004.-С. 124.

4. Арманд, А. Д. Устойчивость (гомеостатичность) географических систем к различным типам внешних воздействий / А. Д. Арманд // В кн.: Устойчивость геосистем. М., 1983. - С. 14-32.

5. Атлас Иркутской области. — Москва Иркутск: ГУГК, 1962. - 182 с.

6. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская область) / Гл. ред. В.Б. Сочава. Москва - Иркутск: ГУГК, 1967. - 176 с.

7. Баранов, И. Я. Цели и задачи геокриологической съемки / И. Я. Баранов // Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования. — М.: Наука, 1961. -С. 15-36.

8. Баранов И. Я. Принципы геокриологического (мерзлотного) районирования области многолетнемерзлых пород. М.: Наука, 1965. - 150 с.

9. Берлянт А. М. Геоиконика. М.: Астрея, 1996. - 208 с.

10. Босиков Н. П., Васильев И. С., Федоров А. Н. Мерзлотные ландшафты зоны освоения Лено-Алданского междуречья. — Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1985. 124 с.

11. Васильев, И. С. К методике определения устойчивости горных ландшафтов (на примере Эльгинского угольного разреза) / И. С. Васильев // Эколого-геохимические проблемы в районах криолитозоны. — Якутск, 1996. — С. 109— 121.

12. Васильев, И. С. Пространственное распределение осадков в Якутии / И. С. Васильев, Я. И. Торговкин // Метеорология и гидрология. 2002. - №6. -С. 23-32.

13. Васильев, И. С. Высота снежного покрова в Якутии и его картографирование / И. С. Васильев, Я. И. Торговкин // Наука и образование. 2003. - №3. - С.74-81.

14. Варламов,- С. П. Ландшафтно-типологическое картирование как основа экстраполяции стационарных исследований / С. П. Варламов // Региональные и инженерные геокриологические исследования. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1985. - С. 132-137.

15. Винокуров Ю: И. Ландшафтные индикаторы инженерно- и гидрогеологических условий предалтайских равнин. — Новосибирск: Наука, 1980. -192 с.

16. Геокриология СССР. Европейская территория СССР / Под ред. Э. Д. Ершова-М.: Недра, 1988.-358 с.

17. Граве, Н. А. Принципы оценки чувствительности поверхности к техногенным воздействиям (на примере территории Якутии) / Н. А. Граве // В кн.: Охрана природы Якутии. Якутск, 1979. — С. 91-94.\

18. ДеМерс М. Н. Географические Информационные Системы. Основы.: Пер. с англ. М.: Дата+, 1999. - 490 с.

19. Дроздов, Д. С. Природные и техногенные геокриосистемы района Норильска и геокриологическая карта территории / Д. С. Дроздов, Е. С. Мельников; С. Н. Чекрыгина // Криосфера Земли. 2001. - T.V. - №4. - С. 69-78.

20. Зейлер, М. Моделирование нашего мира / М. Зейлер // Руководство ESRI по проектированию базы геоданных. М.: ESRP Press, 1999. - 254 с.

21. Карта четвертичных отложений Евразии. Масштаб-1:5 ООО ООО. / Ред. Г. С. Ганешин, И. И. Краснов, Н. А. Маринов, В. Э. Мурзаева. М.: ВСЕГЕИ, 1982.- 12 л.

22. Катасонов, Е. М. Термокарст как историко-геологический процесс / Е. М. Катасонов // Общее мерзлотоведение: Материалы к 3-й Междунар. конф. по мерзлотоведению. — Новосибирск: Наука, 1978. С. 124-131.

23. Королев, Ю. К. О роли растровой информации в сегодняшних ГИС / Ю. К. Королев // ARCREWIEW современные геоинформационные технологии. — 1998. -№1 (4).-С. 14.

24. Кошкарев, А. В. Геоинформатика / А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов; под ред. Д. В. Лисицкого // М., Картгеоцентр — Геодезиздат, 1993. — 213 с.

25. Королев, Ю. К. Общая геоинформатика. — М.: Дата+, 2001. — 84 с.

26. Кудрявцев, В. А. Мерзлотная съемка как основной вид мерзлотных исследований / В. А. Кудрявцев // Мерзлотные исследования. М., 1961. - Вып. 1.-С.З-10.

27. Куприянова, Т. П. Обзор представлений об устойчивости физико-географических систем / Т. П. Куприянова // В кн.: Устойчивость геосистем. -М., 1983.-С. 7-13.

28. Ландшафтная карта СССР. Масштаб 1:2 500 ООО. / Отв. ред. И. С. Гуди-лин. Л.: ВСЕГЕИ, 1985. - 16 л.

29. Ландшафтная карта СССР. Масштаб 1:4 ООО ООО. / Ред. А. Г. Исаченко. -М.: ГУГК, 1988.-4 л.

30. Ландшафты юга Восточной Сибири. Масштаб 1:1 500 000. / Михеев В. С., РяшинВ. А.-М.: ГУГК, 1977.-4 л.

31. Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции / Мельников Е. С., Вейсман Л. И., Москаленко Н. Г. и др. Новосибирск: Наука, 1983.- 165 с.

32. Лурье, И. К. Основы геоинформатики и создание ГИС / И. К. Лурье; под ред. А. М. Берлянта // Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Часть 1. -М.: Изд. ООО ИНЭКС-92, 2002. 140 с.

33. Марченко, С. С. Геоинформационное моделирование термического состояния высокогорной криолитозоны / С. С. Марченко, С. В. Ударцев // Матер, второй конф. геокриологов России. М.: Изд-во МГУ, 2001. - Т. 3. - С. 178 -184.

34. Мельников, Е. С. Ландшафтные индикаторы инженерно-геологических условий севера Западной Сибири и их дешифровочные признаки. — М.: Недра, 1974.-132 с.

35. Мельников, Е. С. Ландшафтно-индикационный метод при инженерно-геокриологических исследованиях в Западной Сибири / Е. С. Мельников, Л. Н. Крицук, Н. Г. Москаленко и др. // Ландшафтная индикация природных процессов. М.: Наука, 1976. - С. 88-95.

36. Мельников, Е. С. Систематизация природно-территориальных комплексов/ Е. С. Мельников // Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции. Новосибирск: Наука, 1983. - С. 36-57.

37. Мельников, Е.С. Научные основы и методы региональных инженерно-геокриологических исследований равнин криолитозоны (на примере Западной Сибири) / Е.С. Мельников // Автореф: дисс. д-ра геол.-минерал. наук.-М., 1985.44 с.

38. Мельников, Е. С. О стратегии разработки электронных геоинформационных систем (ГИС), и баз?данных в геокриологии / Е. С. Мельников, М: А. Минкин // Криосфера Земли. -1998. Т. II. - С. 70-76.

39. Мерзлотные ландшафты Якутии (Пояснительная записка к Мерзлотно-ландшафтной карте Якутской АССР масштаба 1:2 500 ООО) / Федоров А. I I., Ботулу Т. А., Варламов С. П. и др. Новосибирск: ГУГК, 1989. - 170 с.

40. Мерзлотно-ландшафтная карта Якутской АССР. Масштаб 1: 2 500 000. / Гл. ред. П. И. Мельников. -М.: ГУГК, 1991. 2 л.

41. Методика мерзлотной; съемки / Под ред. В. А. Кудрявцева. М.: Изд-во МГУ, 1979.- 358 с.

42. Мйльков, Ф. Н. Ландшафтная сфера Земли. М.: Мысль, 1970. — 207 с.

43. Митчелл, Э. Руководство ESRI по ГИС анализу / Э.Митчелл // Географические закономерности и взаимодействия—Ml: ESRI Press, 1999—Том 1.-190 с.

44. Обзор рынка ГИС в России: итоги года // ArcReview-2000.-№2(13).-C.l.

45. Оберман, Н. Г. ГИС-картографирование* многолетней мерзлоты европейского северо-востока России по состоянию на период потепления 1970-1995 гг. / Н. Г. Оберман, Г. Г. Мажитова // Вестник Института биологии. 2003. -Вып. 72.-С. 61-67.

46. Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) алмазодобывающего предприятия ОАО «АЛРОСА-НЮРБА // Фонды ИПЭС АН PC (Я), 2003. -Том 10, книга 1. 317 с.

47. Пармузин, С. Ю. Районирование севера Западной Сибири по потенциальной возможности развития термокарста / С. Ю. Пармузин // Вопросы геокриологического картирования. Якутск, 1986. - С. 78-85.

48. Пармузин, Ю. С. Прогноз изменения геокриологических условий в связи с динамикой климата и оценка их устойчивости к техногенным воздействиям / Ю. С. Пармузин, Т. Ю. Шаталова // Геокриология СССР. Европейская территория СССР. -М.: Недра, 1988. С. 334-344.

49. Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования. Методическое руководство. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-423 с.

50. Солнцев, Н. А. Проблема устойчивости ландшафтов / Н. А. Солнцев // Вест. МГУ. Сер. 5. Геогр. 1984. -№1. - С. 14-19.

51. Соловьев, П. А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского, междуречья. М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 144 с.

52. Сташенко, А. И. Оценка устойчивости природной среды районов крио-литозоны к техногенным воздействиям / А. И. Сташенко // Изв. ВГО. 1987. - Т. 119. - Вып. 4. - С. 301-306.

53. Торговкин, Я. И. Использование геоинформационных технологий в мерзлотно-ландшафтных исследованиях Якутии / Я. И. Торговкин // Наука и образование. 2000. - С. 54-59.

54. Торговкин, Я. И. Геоинформационные исследования в научных исследо ваниях / Я. И. Торговкин // Наука и техника в Якутии, 2002а.-№1(2).-С.30-31.

55. Федоров А. Н. Мерзлотные ландшафты Якутии: методика выделения и вопросы картографирования. — Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН СССР, 1991.-140 с.

56. Физико-географическое районирование СССР /Под ред. Н. А. Гвоздец-кого. М.: Изд-во МГУ, 1968. - 576 с.

57. Чистов, С. В. Система требований к выбору программных продуктов для решения задач инженерно-геологического картографирования / С. В. Чистов, Т. Г. Решетнева // Геоэкология. 1997. — №3. - С. 116-124.

58. Шац М. М. Основы комплексной (гидрогеологической, инженерно-геологической, геокриологической и геоэкологической) съемки северных территорий. Учебное пособие. Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2003.-90 с.

59. Шполянская, Hi А. Карта устойчивости ландшафтов криолитозоны Западной Сибири / Н. А. Шполянская, Л. И. Зотова // Вестник МГУ. Сер.5. География. 1994. -№1. - С. 56-65.