Использование ГИС-технологий для изучения динамики долинных ландшафтов (на примере долины нижней Томи)

В.В. Хромых, О.В. Хромых

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ ДОЛИННЫХ ЛАНДШАФТОВ

Предложена методика изучения динамики геосистем на основе пространственного анализа с использованием ГИС-техно-логий. Рассмотрены изменения долинных геосистем Нижнего Притомья с конца XIX в.

Данные крупномасштабных топографических съёмок долины нижней Томи доступны с 1896 г., что делает возможным анализ динамики долинных ландшафтов за более чем 100-летний период на основе географической информационной системы (ГИС). В целях изучения динамики ландшафтов долины нижней Томи авторами предложена методика геоинформационного картографирования, которая базируется на теоретических концепциях и практических разработках А.М. Берлянта [1], Н.Л. Беручашвили [2], П.А. Барроу [3] и др. и была адаптирована применительно к крупномасштабным ландшафтным исследованиям речных долин. Она основана на привлечении максимально возможного количества разновременных картографических источников масштабов 1: 10 000 - 1: 50 000, данных дистанционного зондирования (ДДЗ) высокого и сверхвысокого пространственного разрешения, полевых материалов с GPS-привязкой, интегрированных в единой картографической проекции и системе координат, а также на применении новейших технологий сложного пространственного анализа. Геоинформационное картографирование долинных природных территориальных комплексов (ПТК) проводилось в несколько этапов:

- перевод всех картографических источников и ДДЗ в цифровую форму с привязкой к топооснове в проекции Гаусса-Крюгера (15-я зона);

- создание единой базы геоданных, объединяющей картографическую и атрибутивную информацию (материалы полевых исследований);

- построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на основе высотных данных топографических карт 1:25 000 и полевых съёмок;

- морфометрический анализ района с помощью ЦМР и «алгебры карт»;

- дифференциация крупных геоморфологических элементов долины на основе результатов морфометрического анализа, карты четвертичных отложений, космических снимков Terra (сканер Aster), материалов полевых исследований и картографирование типов местностей;

- углубленная дифференциация растительного и почвенного покрова внутри крупных геоморфологических элементов долины на основе топографических карт 1:25 000, топографических планов 1:10 000, АФС, КС Terra, Quick Bird, полевых описаний и картографирование типов урочищ;

- пространственный и статистический анализ показателей геосистем (средняя площадь, углы наклона, экспозиции склонов и т.п.) и их взаиморасположения (преобладающие «соседи» по общим границам);

- анализ изменений долинных геосистем путём сопоставления разновременных карт, ДДЗ и материалов полевых наблюдений.

Авторы придерживаются точки зрения В.Б. Сочавы [4], А.А. Крауклиса [5], А.Г. Исаченко [6] и др., которые признают три уровня изменений в ПТК: функционирование, динамику и эволюцию. Вслед за этими географами под функционированием авторы понимают циклические изменения ПТК (суточные и годовые ритмы). Изменения геосистем, не сопровождающиеся изменениями их структуры, авторы относят к динамике, а под эволюцией (развитием) геосистем понимаются необратимые направленные изменения, приводящие к появлению новых геосистем.

Динамика и эволюция ПТК долины нижней Томи рассмотрена авторами на уровне геосистем ранга урочищ. Такие геосистемы по сравнению с ПТК более высоких рангов (местностей, ландшафтов) изменяются гораздо быстрее, при этом эволюция некоторых долинных урочищ (особенно пойменных) происходит в течение нескольких десятилетий, в отдельных случаях и лет.

Причинами естественной эволюции ПТК являются, как правило, изменения литогенной основы и изменения климата [7]. Наибольшие естественные изменения ландшафтной структуры в условиях почти не меняющегося климата наблюдаются, на взгляд авторов, в пойме и связаны с преобразованием рельефа эрозионно-аккумулятивной деятельностью реки.

На нескольких ключевых участках ниже Томска была изучена естественная динамика и эволюция геосистем в пойме Томи путём сравнения топопланов 1896 г. с современной ландшафтной картой. На рис. 1, 2 показаны изменения геосистем за 100 лет в районе устья Иштанской протоки. На этом участке наблюдается значительное смещение русла Томи, выражающееся в размыве левого берега (155 м) и намыве правого (50 м), и поэтому отчётливо видны вновь образованные пойменные геосистемы (стрелки на рис. 2). Здесь прослежена эволюция от самых молодых и динамичных геосистем прирусловых отмелей с пионерной растительностью на аллювиальных примитивных слоистых почвах до геосистем высоких грив с разнотравнозлаковыми лугами на аллювиальных дерновых почвах.

Ключевыми факторами антропогенной модификации геосистем являются промышленная и сельскохозяйственная деятельность человека: добыча песчаногравийной смеси (ПГС), торфоразработки, лесозаготовки, распашка лугов, мелиоративные работы, гидростроительство, выпас скота, а также расширение селитебных территорий и транспортное строительство.

Рис. 1. Типы растительности в районе устья Иштанской протоки в 1896 г.

Рис. 2. Фрагмент современной ландшафтной карты в районе устья Иштанской протоки.

Коды урочищ: 1 - песчаные отмели с пионерной растительностью на аллювиальных примитивных слоистых почвах; 2 - невысокие валы с зарослями ивы на аллювиальных дерновых слоистых почвах;

3 - ложбины с хвощово-осоковыми лугами на аллювиальных луговых слаборазвитых почвах;

4 - межгривные понижения с полидоминантными лугами на аллювиальных луговых почвах;

7 - вершины грив с сосново-берёзовыми разнотравными лесами на аллювиальных дерновых почвах;

8 - глубокие межгривные понижения с осоковыми лугами на аллювиальных лугово-болотных почвах;

9 - гривы с ивовыми крапивно-злаковыми лесами на аллювиальных дерновых слаборазвитых почвах;

46 - гривы второй надпойменной террасы с сосново-берёзовыми лесами на светло-серых лесных почвах;

101 - глубокие межгривные понижения на периферии старичных озёр и проток с заболоченными черёмухово-ивовыми зарослями на аллювиальных иловато-глеевых почвах и маломощных торфяниках;

108 - вершины высоких грив с разнотравно-злаковыми лугами на аллювиальных дерновых почвах

Эти факторы часто накладываются друг на друга и на процессы естественного развития ПТК.

Для изучения антропогенной динамики геосистем в результате действия всего комплекса факторов был выбран участок окрестностей Томска, где наблюда-

ются максимальные изменения. С целью выявления антропогенных изменений геосистем в ГИС было проведено сравнение оцифрованной карты растительности 1929 г. и современной ландшафтной карты (рис. 3, 4).

Пионерная растительность на песчано-галечных отмелях Луга

Распаханные луга Кустарники

Заболоченные кустарники Сосновые леса Темнохвойно-берёзовые леса Берёзово-темнохвойные леса Берёзово-сосновые заболоченные леса Болота

Селитебные зоны сельского типа Селитебные зоны городского типа

8

Рис. 3. Карта растительности окрестностей Томска в 1929 г. [8]. Стрелки - осушенные сейчас болота

Рис. 4. Фрагмент современной ландшафтной карты окрестностей Томска

Наш анализ показал антропогенное иссушение геосистем вследствие снижения уровня грунтовых вод, произошедшего из-за комплекса наложившихся друг на друга факторов: посадки уровня Томи из-за добычи ПГС на 2,6 м, деятельности Томского водозабора, мелиоративных работ, вырубки лесов.

Из-за посадки уровня реки изменился режим затопления поймы, что вызвало её структурную перестройку. Нарушение режимов поемности привело к своеоб-

разному «скачку» почти всех урочищ на одну ступень вверх в парагенетическом ряду пойменных геосистем. Так, многие русловые ПТК перешли в разряд прирусловых гравийно-галечных отмелей, что хорошо заметно у Лагерного сада, где русло Томи сузилось от 514 до 308 м, и ниже Коммунального моста, где русло сузилось от 770 до 180 м (рис. 3, 4). ПТК прирусловой поймы переходят в категорию комплексов центральной поймы. Об этом свидетельствует смещение ивовых

кустарников к руслу и замена их лугами. Высокая пойма превращается, в свою очередь, в молодую «антропогенную» надпойменную террасу (в последний раз полное затопление поймы в окрестностях Томска было в 1947 г.). У многих ПТК здесь наблюдается быстрая трансформация аллювиальных луговых почв в сторону дерновых, что подтверждается нашими полевыми исследованиями. Отмечается уменьшение, а местами и полное исчезновение признаков оглеения почв, т.к. грунтовые воды большую часть года находятся за пределами почвенного профиля, хотя на высокую заболоченность центральной поймы указывали многие исследователи начала и середины XX в. [9-11].

Эксплуатация Томского водозабора за 30 лет привела к снижению уровня водоносного горизонта коч-ковской свиты, на питание которого сейчас увеличился расход верховодки, и стала ещё одним фактором понижения уровня грунтовых вод. Ситуацию усугубила интенсивная осушительная мелиорация на левобережье в 1960-1980-е гг.

Наряду с сужением русла реки Томи в результате добычи ПГС были уничтожены прирусловые ПТК на

о. Басандайский, который уменьшился почти в 2 раза - с 0,176 км2 в 1929 г. до 0,094 км2 в 2005 г. (см. рис. 3, 4).

Почти все геосистемы пойменных лугов были модифицированы в пашни.

Снижение уровня грунтовых вод затронуло и ПТК надпойменных террас. Уменьшились размеры и глубины озера Песчаного, форма которого трансформировалась из круглой в подковообразную. Многие залесенные болота модифицированы в геосистемы высохших сосновоберёзовых болот. Наш анализ на основе геоинформаци-онного картографирования показал сокращение площади заболоченных лесов в четыре раза - с 8,02 км2 в 1929 г. до 1,99 км2 в 2005 г. Сильно выросла территория селитебных зон - площадь дер. Кисловка увеличилась в три раза (с 0,42 км2 в 1929 г. до 1,41 км2 в 2005 г.), с. Тимирязевское -в восемь раз (с 0,36 до 2,83 км2).

В настоящее время антропогенной модификации в той или иной степени подвержены почти все геосистемы в окрестностях Томска. Вектор динамики геосистем здесь направлен в сторону значительного иссушения вследствие снижения уровня грунтовых вод, произошедшего из-за наложившихся друг на друга антропогенных факторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Картоведение / Берлянт А.М., Востокова А.В., Кравцова В.И. и др. М.: Аспект-Пресс, 2003. 477 с.

2. Беручашвили Н.Л. Персональные компьютеры в географии. Тбилиси: Изд-во Тбил. ун-та, 1992. 180 с.

3. Burrough P.A. Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. Oxford, 1996. 194 p.

4. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 319 с.

5. Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения. Новосибирск: Наука, 1979. 233 с.

6. Исаченко А.Г. Теория и методология географической науки. М.: Академия, 2004. 400 с.

7. Мамай И.И. Динамика и функционирование ландшафтов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 138 с.

8. Весенние ботанические экскурсии в окрестностях гор. Томска. Томск, 1929. 155 с.

9. Рожанец М.И., Рожанец-Кучеровская С.Е. Почвы и растительность окрестностей города Томска // Известия ТГУ. 1928. Т. 81. С. 313-405.

10. Кузнецов К.А. Почвы окрестностей г. Томска // Труды ТГУ. 1937. Т. 92. С. 95-146.

11. Петров Е.Н. Особенности строения речного ложа р. Томи // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода. № 19. М.: Изд-во АН СССР, 1953. С. 38^9.

Статья поступила в редакцию журнала 11 декабря 2006 г., принята к печати 18 декабря 2006 г.