Ландшафтный подход к выделению водоохранной зоны реки Ушайки на основе геоинформационного картографирования | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 370.

Ландшафтный подход к выделению водоохранной зоны реки Ушайки на основе геоинформационного картографирования

Рассмотрены проблемы выделения водоохранных зон малых рек на примере р. Ушайки. Предложена методика выделения во-доохраной зоны с использованием ландшафтного анализа территории на основе геоинформационного картографирования.

Landscape approach to detachment of water-securing zone of River Ushaika based on GIS-mapping.pdf Природоресурсное и природоохранное законодательство Российской Федерации предусматривает различные виды правового обеспечения охраны окружающей среды. Так, в настоящее время законодательной базой при определении водоохранной зоны какого-либо водного объекта является Постановление Правительства РФ № 1404 от 23 ноября 1996 г. [1], которое в действительности применимо лишь в качестве универсальной системы выделения водоохранных зон и должно использоваться в случаях, требующих огромных затрат на более детальное проектирование (например, для проектирования водоохранных зон для множества малых рек Российский Федерации, находящихся в отдалённых слабозаселённых районах). В случае же когда речь идёт о малых реках, расположенных в пределах крупных урбанизированных территорий, такой подход, на наш взгляд, требует значительной доработки. Другие известные подходы решения этой проблемы: выделение всего водосборного бассейна реки, выделение «буферной зоны» от исторически максимального уровня воды в реке и др., являются более приемлемыми с экологической точки зрения, но из-за большой площади, которую они занимают, на практике в большинстве случаев такие подходы не находят применения. Особенно это очевидно для высокоурбанизированных территорий, где очень велика стоимость земли. В связи с указанными недостатками имеющихся методик авторами работы была предложена инновационная методика выделения водоохранных зон малых рек в пределах урбанизированных территорий, основу которой составляет ландшафтный анализ долин малых рек с использованием методов геоинформационного картографирования. Необходимо отметить, что осуществление работы стало возможным благодаря участию сотрудников кафедры географии Томского государственного университета совместно с сотрудниками ИВЭП СО РАН в разработке проекта водоохранных зон водных объектов в черте г. Томска (на основании контракта с ОГУ «Облкомприрода»). Поэтому в качестве объекта исследования была выбрана долина р. Ушайки в пределах г. Томска. Первым этапом работы стало создание крупномасштабной ландшафтной карты долины р. Ушайки. В качестве исходных источников для ландшафтного картографирования использовались оцифрованные листы топографической карты масштаба 1:10 000, космический снимок Quick Bird II 2005 г. с пространственным разрешением 2,44 м, а также материалы полевых исследований с использованием GPS-съёмки (всего 69 точек наблюдений). Все данные с помощью программного комплекса ArcGIS 9.2 (ESRI Inc.) были привязаны к единой проекции в системе координат 1942 г. (проекция Гаусса-Крюгера, 15-я зона) и сведены в единую базу геоданных (БГД). В результате была построена ландшафтная карта долины р. Ушайки (рис. 1), состоящая из 3 602 полигонов геосистем, которые были дифференцированы на 39 видов урочищ, объединённых в 6 групп урочищ: прирусловая пойма р. Ушайки, центральная пойма р. Ушайки, притеррасная пойма р. Ушайки, первая надпойменная терраса р. Ушайки, центральная пойма р. Томи, геосистемы с очень высокой степенью антропогенной модификации. На основе оцифрованных с топокарт горизонталей, высотных отметок и контуров гидросети методом триангуляции Делоне была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) долины р. Ушайки в формате нерегулярной триангуляционной сети (TIN). Далее был проведён морфометрический анализ урочищ долины Ушайки на основе ЦМР [2, 3]. С помощью функции зональной статистики модуля Spatial Analyst пакета ArcGIS был рассчитан средний уклон каждой геосистемы (урочища). Весь этот объем пространственных данных совместно с экспертным пространственным анализом был использован авторами для разработки инновационной методики выделения водоохранных зон малых рек в пределах урбанизированных территорий, которая представлена на рис. 2. Главным инструментом представленной методики являлась комплексная ландшафтная географическая информационная система (ГИС), которая содержала большой объём информации о рельефе, гидрографии, а главное - подробные характеристики всех ландшафтных систем (урочищ), входящих в долину Ушайки (см. табл. 1). Полученные на основе морфометрического анализа результаты подтвердили основные закономерности, присущие элементам речных долин. Так, наименьший средний уклон (0,45°) имеют парки, скверы и прочие зелёные насаждения на изменённых почвах, расположенные в пределах поймы и надпойменной террасы. Геосистемы, расположенные на террасе и в пойме, в большинстве имеют незначительный средний уклон (от 1 до 3°). Максимальным же средним уклоном (до 14,6°) обладают геосистемы на склонах междуречных равнин. Не секрет, что основное негативное воздействие на водный объект могут оказывать поверхностные стоки, имеющие различное происхождение, как промышленное (с предприятий, автомобильных и железных дорог), так и бытовое (с территории жилой и общественной застройки). Вследствие этого основной задачей для расчёта водоохранной зоны стало моделирование поверхностного стока, которое можно было осуществить на основе проведённого ранее морфометрического и других видов анализа. Особенности в характере поверхностного стока на всей территории долины р. Ушайки можно было определить благодаря пространственным данным и информации, содержащейся в созданной комплексной ландшафтной ГИС, а также применив экспертный пространственный анализ. Рис. 1. Фрагмент цифровой ландшафтной карты долины р. Ушайки Рис. 2. Предложенный алгоритм выделения водоохранной зоны малой реки В первую очередь в водоохранную зону вошли исключения, выделенные с помощью экспертного пространственного анализа. К ним относились: пойменные геосистемы, включение которых в водоохранную зону не вызывало сомнений после весеннего паводка в 2008 г. (когда оказалась затопленной большая часть пойменных ландшафтов), долины малых рек и ручьёв, а также овраги (при условии, что их устья и водосборы входят в долину реки). Для определения принадлежности к водоохранной зоне остальной территории долины реки был рассчитан коэффициент потенциальной экологической опасности (Кпот.эк.опас.), назначением которого было показать степень опасности нарушения правил землепользования на данной территории, а в случаях, когда эти правила кардинальным образом нарушены, - необходимость применения комплекса инженерных систем, регулирующих поверхностные стоки. Расчёт коэффициента потенциальной экологической опасности (Кпотэкопас.) происходил по следующей формуле: К = К + К + К * пот.эк.опасн. ср.укл. р с ' где Ксрукл. - коэффициент среднего уклона ландшафтной системы, рассчитанного на основе ЦМР; Кр -коэффициент состояния растительности ландшафтной системы; Кс - коэффициент почвенного субстрата ландшафтной системы. Расчёт коэффициента потенциальной экологической опасности производился по 7-балльной оценочной шкале. При этом оценка отличалась определённой долей субъективизма, избежать которого полностью, по всей видимости, невозможно. Однако его долю можно значительно снизить, связав некоторые критерии оценки с чёткими количественными характеристиками геосистем и переложив трудоёмкие расчёты этих характеристик на компьютер [4]. Для моделирования поверхностных стоков было решено использовать коэффициент среднего уклона каждой геосистемы (Кср.укл), так как известно, что наклон поверхности непосредственным образом влияет на величину стока (табл. 2). Т а б л и ц а 2 Коэффициент среднего уклона геосистемы Средний уклон, гр. Балльная оценка Менее 0,5 1 0,5-0,7 2 0,7-1 3 1-3 4 3-7 5 7-11 6 Более 11 7 Подобным образом был рассчитан коэффициент состояния растительности (Кр), для дифференциации которой были взяты участки как с нарушенным растительным покровом, так и занятые лугом, кустарником и лесом. Известно, что лесная растительность задерживает до 30% атмосферных осадков, поэтому для таких ландшафтных систем было решено использовать Кр = -2. За участки с нарушенным растительным покровом было принято считать и садовые участки, и территории, занятые под городскую застройку. Поверхностный сток на этих участках может происходить с различными скоростями и объёмами, но общая тенденция всё же идёт к его увеличению, следовательно, Кр = +1 (табл. 3). Т а б л и ц а 3 Коэффициент состояния растительности геосистемы Состояние растительности Балльная оценка Лес -2 Кустарник -1 Луг 0 Участки с нарушенным растительным покровом + 1 Значение коэффициента почвенного субстрата (Кс) рассчитывалось благодаря унификации значений коэффициентов фильтрации грунтов конкретной ландшафтной системы, входящей в долину р. Ушайки. Например, самым низким коэффициентом фильтрации обладает глина (< 0,001 м/сут). Суглинок (0,01 м/сут) и супесь (0,05 м/сут) обладают промежуточными значениями, а коэффициент фильтрации песков (от 0,1 м/сут у мелкозернистых до 5,0 м/сут у крупнозернистых) и гравия (10 м/сут), вне сомнения, гораздо выше, чем у других субстратов (табл. 4). Т а б л и ц а 4 Коэффициент почвенного субстрата ландшафтной системы Вид субстрата Балльная оценка Гравий, галька, песок -2 Супесь -1 Суглинок 0 Глина + 1 Изменённый человеком + 1 Таким образом, гравийный и песчаный субстраты позволяют влаге просачиваться вглубь склона, снижая поверхностный сток, следовательно, Кс = -2. Глинистый же субстрат и большинство поверхностей, изменённых человеком (грунтовые и асфальтированные дороги), наоборот, усиливают поверхностный сток, поэтому для таких субстратов Кс = +1 (см. табл. 4). В результате вычисления коэффициентов потенциальной экологической опасности была создана карта водоохранной зоны р. Ушайки (рис. 3). Т а б л и ц а 1 Фрагмент БГД пойменных ландшафтных систем долины р. Ушайки Название урочища Группа урочищ Литогенная основа Почва Площадь, км2 Средний уклон, гр. Невысокие валы с ивовыми зарослями и бурьяни-стым разнотравьем на аллювиальных дерново-слоистых супесчаных и песчаных почвах Прирусловая пойма р. Ушайки Супесь, песок Аллювиальная дерново-слоистая 0,1 5,35315 Понижения с разнотравно-осоковыми лугами на аллювиальных дерново-слоистых оглеенных супесчаных почвах Прирусловая пойма р. Ушайки Супесь Аллювиальная дерново-слоистая оглеенная 0,04 3,70952 Ландшафтные системы, получившие в результате расчётов коэффициент от 0 до 2 и не попавшие в существующие исключения, оговоренные выше, не вошли в неё. Примерами таких ландшафтных систем являются урочища, расположенные на поверхности первой надпойменной террасы и занимающие 8,33% площади долины: - гривы с сосновыми разнотравными лесами на подзолистых песчаных почвах; - слабоволнистые участки с берёзовыми и сосново-берёзовыми кустарниковыми разнотравными лесами на дерново-подзолистых супесчаных почвах; - выровненные слабодренируемые участки с ивовыми влажнотравными лесами на серых лесных глее-вых супесчаных почвах; - пологонаклонные участки с ивовыми разнотравными лесами на серых лесных супесчаных почвах. Как и предполагалось ранее, в водоохранную зону включена большая часть ландшафтных систем долины реки (91,27%), которые являются составными частями общего водосбора р. Ушайки. Разработанная методика доказала свою актуальность и необходимость практического использования при анализе последствий весеннего наводнения в г. Томске в 2008 г. По ряду важных параметров она является более эффективной и менее затратной, чем существующие методики, а включение в обработку статистических данных современного программного обеспечения ГИС позволило значительно автоматизировать весь процесс и сделать его более беспристрастным. Из конкретных рекомендаций по исследуемой территории заслуживают внимания, на наш взгляд, две: - участки леса, сохранившиеся до настоящего времени, следует рассматривать как потенциально возможные рекреационные ресурсы, а не будущие строительные площадки; - в случаях, когда территория, относящаяся к водоохранной зоне, исторически является обжитой либо находится в планах застройки, необходимо разработать комплекс мероприятий в целях управления поверхностными стоками, включающий строительство дренажных систем, прибрежных дамб и т.п. Ландшафтные системы, не вошедшие в водоохранную зону | | Водоохранная зона Рис. 3. Фрагмент водоохранной зоны р. Ушайки на космическом снимке QuickBird 2

Ключевые слова

водоохранная зона, ландшафтный анализ, геоинформационное картографирование, water-securing zone, landscape analysis, GIS-mapping

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Хромых Вадим ВалерьевичТомский государственный университетканд. геогр. наук, доцент кафедры географииgeo@mail.tomsknet.ru
Хромых Оксана ВладимировнаТомский государственный университетканд. геогр. наук, доцент кафедры географииgeo@mail.tomsknet.ru
Ерофеев Александр АнатольевичТомский государственный университетаспирант кафедры географииerofeew@yandex.ru
Всего: 3

Ссылки

Об утверждении положения о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах. Постановление от 23 ноября 1996 г. N 1404 // Консультант плюс: справочно-правовая система. М., 2005.
Хромых В.В., Хромых О.В. Опыт автоматизированного морфометрического анализа долинных геосистем Нижнего Притомья на основе циф ровой модели рельефа // Вестник Томского государственного университета. 2007. № 298. С. 208-211.
Хромых В.В., Хромых О.В. Морфометрический анализ долинных геосистем Нижнего Притомья // ArcReview. 2008. № 4 (47). С. 6.
Хромых В.В. Географические информационные системы при планировании хозяйственного использования территории : дис.. канд. геогр. наук. Томск, 2000. 219 с.
 Ландшафтный подход к выделению водоохранной зоны реки Ушайки на основе геоинформационного картографирования | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 370.

Ландшафтный подход к выделению водоохранной зоны реки Ушайки на основе геоинформационного картографирования | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 370.

Полнотекстовая версия