Разработка типа специализированной топографической карты природоохранного назначения (на примере болотных массивов) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Иванова Анна Андреевна
Иванова Анна Андреевна
кандидат наук
2025
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 141
Оглавление диссертации кандидат наук Иванова Анна Андреевна
ВВЕДЕНИЕ
1 БОЛОТА КАК ОБЪЕКТ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ
1.1 Определение, классификации, биосферные функции болот
1.2 Изображение болот на топографических картах
1.3 Другие карты и планы: изображение болот
Выводы по первому разделу
2 КОНЦЕПЦИЯ И ПРОЕКТ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЫ ПРИРОДООХРАННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
2.1 Понятие специализированной карты. Направления использования карт и требования к их содержанию
2.2 Концепция и система содержания карты
Выводы по второму разделу
3 МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЫ
3.1 Уломское болото
3.2 Биосферный резерват ЮНЕСКО «Кизлярский залив»
Выводы по третьему разделу
4 ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЫ
4.1 Дешифрирование объектов содержания специализированной
топографической карты
4.2 Разработка базы данных объектов содержания специализированной карты
4.3 Моделирование направлений стока внутриболотных вод
Выводы по четвертому разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Система условных обозначений специализированной карты
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Авторский оригинал специализированной карты
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Географическая характеристика
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка специализированной топографической карты для обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа в отложениях каменной соли2021 год, кандидат наук Баканова Марина Юрьевна
Изменение потоков СО2, СН4 и запасов углерода лесоболотной экосистемой в результате добычи торфа и сельскохозяйственного использования (на примере Дубненского массива Московской области)2018 год, кандидат наук Суворов Геннадий Геннадьевич
Региональный мониторинг состояния заброшенных торфяников и зарастающих лесом сельскохозяйственных угодий на основе мультиспектральных спутниковых данных2018 год, кандидат наук Медведева Мария Андреевна
Освоение, антропогенные изменения и современное состояние болотных геосистем Тверской области2011 год, кандидат наук Муравьева, Любовь Валерьевна
Динамика растительного покрова болот Подмосковной Мещеры в процессе антропогенеза2005 год, кандидат географических наук Борзенок, Лидия Евгеньевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка типа специализированной топографической карты природоохранного назначения (на примере болотных массивов)»
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В последние годы к актуальным направлениям картографирования относится информационное обеспечение экологической безопасности разных сфер жизнедеятельности общества, инвентаризации и мониторинга природных ресурсов, их трансформации при антропогенных воздействиях. Одна из приоритетных задач федерального фонда пространственных данных - актуализация и повышение информативности для создания новых и наиболее востребованных видов цифровой картографической продукции, особенно экологического характера. Жизненно необходимым видом продукции становятся карты природоохранного типа, отображающие объекты большого средоформирующего потенциала - их состояние, динамику, охрану.
К таким объектам относятся болота. Глобальная их роль в поддержании круговорота веществ и энергии на Земле выражается в виде функций: ресурсно-сырьевой, связанной с накоплением торфа; биологической, как место обитания специфических живых организмов; климатической, выражающейся в смягчении показателей климата, гидрологической с их важной ролью в поддержании водного баланса и фильтрации загрязнённых вод; газорегуляторной, заключающейся в поддержании оптимального состава воздуха. В мире площадь болотных угодий составляет около 12 млн. км2 [105] из них более 3 млн. км2 [24] находятся в России. Эти уникальные системы привлекают внимание международного сообщества, являются объектом защиты международных организаций и конвенций.
Топографические карты применяются на разных стадиях освоения болотных массивов. Однако актуальные направления использования болот требуют информации, выходящей за пределы содержания топографических карт многоцелевого назначения. Специализация карт с учётом отраслевых требований станет оптимальным решением проблемы.
Степень разработанности темы. Проблема изучена по фундаментальным картографическим произведениям, документам, регламентирующим создание и
обновление топографических карт. Основано на опыте создания специализированных карт, теоретических работах Т.В. Верещаки, Р.И. Вольпе, ЛЖ. Гольдмана, Т.В. Котовой, В.M. Лозиновой, Н.Г. Сорокиной, В.Н. Филатова, диссертационных исследованиях А.В. Аникиной, Р.В. Байрамова, M.Ю. Бакановой, В.А. Криволапова, KM. Mусаева.
Использованы работы учёных в области болотоведения и дистанционных методов изучения болот: M.С. Боч, Е.А. Галкиной, С.Э. Вомперского, К.Е. Иванова, Л.И. Инишевой, Н.Я. Каца, В.В. Mазинга, Г.Н. Огуреевой, Н.И. Пьявченко, А.А. Сирина, С.Н. Тюремнова, Т.К. Юрковской, James G. Gosselink, John J. Lyon, William J. Mitsch.
Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка типа специализированной топографической карты природоохранного назначения (на примере болотных массивов). Для достижения цели поставлены задачи:
• изучить требования к содержанию специализированных карт со стороны организаций, наиболее тесно связанных с использованием болотных ресурсов;
• обосновать концепцию и проект карты;
• разработать методы создания специализированной карты;
• предложить технологию изготовления карты.
Объект исследования - система содержания, методы и технология создания специализированной топографической карты. Предмет исследования - болотные системы, их связи - внутренние и с внешней средой.
Научная новизна исследования. 1. Впервые разработанный тип специализированной топографической карты природоохранного назначения на примере водно-болотных угодий содержит систему условных обозначений (8 разделов объектов специализации), авторский оригинал карты, географическую справку, позволяющие заинтересованным
службам и организациям предусматривать экологические риски при антропогенных воздействиях, условия и практические меры для сохранения экологического равновесия и биосферных функций уязвимых экосистем болот.
2. Методы создания карты, адаптированные к природоохранным задачам, позволяют получить качественные и количественные показатели основных индикаторов экологического состояния болот (торфа, водных объектов, растительности, последствий пожаров и других), а также степени нарушенности и трансформации под влиянием антропогенных воздействий;
3. Технология создания карты, включающая авторские разработки в виде инструмента ГИС для моделирования стока болотных вод, базы данных объектов специализации и их дешифровочных признаков позволяет оптимизировать процессы изготовления карт и ускорить реализацию запросов производства, научных исследований и органов управления природопользованием.
Теоретическая значимость работы. Состоит в разработке новых типов картографических моделей, нацеленных на решение задач рационального природопользования и охраны природных ресурсов. Исследование вносит вклад в теорию картографии, методы дистанционного зондирования Земли, способствует совершенствованию государственных топографических карт многоцелевого назначения.
Практическая значимость работы. Материалы диссертации использованы в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки РФ «Разработка и исследование новых типов картографических моделей для отображения, анализа и прогнозирования социально-экономических процессов и экологической обстановки с использованием данных дистанционного зондирования Земли в условиях цифрового развития Российской Федерации». Использованы «Череповецким музейным объединением» Вологодской области при создании диорамы «Уломское болото», освещающей его историю в экспозиции «Город и
река», как часть большого проекта «Дом природы». Результаты исследования могут быть полезны при проведении изысканий, строительстве разного характера, других видов работ, связанных с освоением болот.
Методология и методы исследования. Строятся на системном картографическом подходе, основах топографического, геоинформационного картографирования, анализе фундаментальных картографических произведений, совокупности отраслевых методов изучения болот с приоритетом дистанционных.
Положения, выносимые на защиту.
1. Обоснован тип и разработан проект специализированной топографической карты природоохранного назначения на примере болотных массивов с учётом требований отраслей экономики, научных исследований, государственных служб, связанных с изучением и освоением болотных экосистем.
2. Предложены методы создания карты, адаптированные к решению задач рационального природопользования, для установления их состояния, тенденций развития, трансформации при антропогенных воздействиях;
3. Разработана технология создания (обновления) специализированной топографической карты, подчинённая отображению специфики болотных угодий.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует области научного исследования, определённой паспортом научной специальности 1.6.20 - «Геоинформатика, картография», разработанным экспертным советом ВАК при Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации по техническим наукам: п.3 - «Модели и структуры пространственных данных. Базы пространственных данных, пространственные метаданные. Классификация и кодирование картографической информации. Цифровые карты»; п.7 - «Картографические и геоинформационные методы и технологии анализа пространственных данных, моделирования пространственных явлений, объектов, процессов, отношений и систем»; п.13 - «Проектирование и составление карт. Новые виды и типы общегеографических и тематических карт и
6
атласов»; п.21 - «Геоинформационный и картографический мониторинг природных и социально-экономических процессов»; п.24 - «Космическое картографирование и географическое дешифрирование аэрокосмических снимков. Использование данных аэрокосмических съемок и глобальных навигационных спутниковых систем для картографирования и исследования геосистем».
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность результатов подтверждается исследованиями по теме государственного задания Минобрнауки РФ, экспериментальными исследованиями, использованием трудов учёных-болотоведов, опытом создания фундаментальных картографических произведений, апробированными авторскими разработками. Результаты доложены на: 30-й и 31-й Международных картографических конференциях (The 30th International Cartographic Conference, ICA - Флоренция 2021, The 31st International Cartographic Conference - Кейптаун 2023); 18-й и 19-й конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН (Москва, 2020, 2021); конференциях «Пространственные данные: наука и технологии» МИИГАиК (Москва, 2021, 2022, 2024); Всероссийской научной конференции «XI Галкинские Чтения» БИН РАН (Санкт-Петербург, 2021).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 работ. Из них: 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, индексируемых в базе данных Scopus; 2 работы - в журнале, индексируемом в базе данных Web of Sience; остальные - в других научных изданиях. В диссертации отсутствует заимствованный материал без ссылок. Авторский вклад в диссертацию - 85%.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы. Общий объём работы составляет 141 страницу, включает 13 таблиц, 62 рисунка, 3 приложения. Список литературы содержит 120 источников, в том числе иностранных, ресурсов интернета, карт.
1 БОЛОТА КАК ОБЪЕКТ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ 1.1 Определение, классификации, биосферные функции болот
Существуют разные точки зрения на определение болота: гидрологическая, ботаническая, геологическая и др. Гидрологическое понятие представляет болото, как избыточно увлажнённую территорию, с застойным водным режимом. С ботанической точки зрения болотом является участок земной поверхности, характеризующийся гидрофильной растительностью. С геологической точки зрения болото не может существовать без торфа. При этом мощность торфяного слоя должна составлять не менее 30 см в неосушенном и 20 см в осушенном виде.
Однако, остановимся на более ёмком определении, отражающем комплексную сущность этого многостороннего природного явления. Болото представляет собой ландшафт, характеризующийся обильным застойным или слабо проточным увлажнением верхних горизонтов грунтов, заторможенным обменом веществ, на котором произрастает специфическая болотная растительность с господством видов, приспособленных к условиям обильного увлажнения и недостатка кислорода в почвенном субстрате, идет процесс торфонакопления [34,83].
Преобладающая часть современных болот образовалась путем заболачивания почв и лишь незначительная часть - путем заболачивания озёр или стариц. Многие современные крупные болотные системы сформировались в результате слияния и разрастания в плане более мелких, вначале изолированных болот разного происхождения [34].
Природное разнообразие болот весьма велико. Их классифицировали по условиям водно-минерального питания, растительному покрову, геоморфологическому положению, физико-химическим свойствам торфа и другим основаниям.
На совокупности признаков основана наиболее универсальная, часто используемая классификация болот на низинные, верховые, переходные [45].
Низинные (эвтрофные) болота залегают в долинах и поймах рек, по берегам озёр и характеризуются незначительной мощностью торфяного слоя. Их поверхность как правило горизонтальная, слабо наклонная или вогнутая. Питание таких болот представляет собой совокупность грунтовых, сточных с прилегающих склонов, атмосферных, а в некоторых случаях и полых вод. Низинные болота характеризуются богатым минеральным содержанием, что определяет большое разнообразие местных фитоценозов.
Для верховых (олиготрофных) болот характерна выпуклая поверхность и мощная торфяная залежь. Такая их форма определяется разной скоростью водообмена по краям и в центре болот. В центре он замедлен из-за чего происходит вертикальный прирост мохового покрова и поверхность субстрата повышается над минеральным ложем и уровнем грунтовых вод. По краям водообмен более активный, что способствует разложению мхов. Именно оторванность поверхности от уровня грунтовых вод обуславливает преимущественно атмосферное питание верховых болот. Местные фитоценозы не отличаются богатством видов. Как правило, такие болота располагаются в наиболее высоких точках водоразделов, на пологих склонах междуречных пространств или в междуречных водораздельных котловинах.
Переходные (мезотрофные) болота характеризуются интервальными свойствами.
Пристальное внимание к болотам со стороны международного сообщества, глубокое изучение их строения, взаимосвязи и взаимодействия составляющих компонентов определяется исключительной ролью болотных систем в поддержании глобального биогеохимического круговорота веществ на Земле. Болота формируют окружающую их среду, стабилизируют природное равновесие.
Эти специфичные экосистемы являются объектом защиты ряда международных организаций, например, Международного союза охраны природы (The International Union for Conservation of Nature - IUCN), Международной рабочей
9
группы по сохранению болот (The International Mire Conservation Group - IMCG), Всемирной сети водно-болотных угодий (World Wetland Network - WWN), Международной организации по сохранению водно-болотных угодий (Wetlands International - WI), конвенций (Конвенция о биологическом разнообразии, Рам-сарской конвенцией о водно-болотных угодьях и др.). В некоторых странах установлено правовое регулирование отношений в области охраны и использования болот (например, Водный кодекс РФ статья 57 «Охрана болот от загрязнения и засорения»; раздел 404 закона о чистой воде США - The Clean Water Act; закон Республики Беларусь «Об охране и использовании торфяников»). Известен проект немецкого правительства Международная климатическая инициатива (International Climate Initiative - IKI), финансирующий восстановление осушенных болот в развивающихся странах и странах с переходной экономикой.
Болота характеризуются следующими биосферными функциями:
1. Ресурсно-сырьевая функция, связанная с накоплением торфа [35].
2. Биологическая функция. Болота характеризуются специфичной флорой и фауной. Здесь произрастают ценные кустарнички: клюква, голубика, брусника, морошка, водяника и множество лекарственных трав. Помимо прочего встречаются редкие и исчезающие виды растений и животных, занесённые в Красные книги разных уровней.
3. Климатическая функция. Болотные массивы участвуют в формировании местного климата, поддерживают тепловой баланс, препятствуют перегревам и переохлаждениям воздуха, смягчая проявление засух, заморозков [35].
4. Гидрологическая функция. Болота регулируют гидрологические и гидробиологические характеристики местных водных ресурсов, являются крупнейшим резервуаром пресных вод и биогенных элементов, поддерживают водный баланс прилегающих территорий, обладая определенной регулирующей емкостью, способствуют уменьшению пиков половодий [35].
5. Газорегуляторная функция. Болота играют важную роль в поддержании состава атмосферного воздуха. Их растительность обогащает атмосферу кислородом и усваивает углекислый газ, изымая из планетарного цикла углерод и консервируя его в торфяниках [35].
6. Фильтрационная функция. Болотные системы служат гигантскими естественными фильтрами, поглощающими токсичные элементы, загрязнения различного характера.
Водно-болотные угодья
В последние десятилетия болота совместно с морскими, прибрежными, озёрными, речными местообитаниями и некоторыми антропогенными водными объектами объединены в одно общее понятие - водно-болотные угодья (ВБУ) [49]. Эти специфичные угодья представляют собой интразональные образования и встречаются повсюду - от экватора до полярных регионов (рисунок 1.1).
Для водно-болотных угодий (ВБУ) вода характеризует состояние среды и является основным фактором, определяющим условия жизни растений и животных, прежде всего водоплавающих птиц. Вода в этих угодьях может быть застойной или проточной, пресной, солёной или солоноватой [116].
К морским ВБУ относятся: морские мелководья, в том числе морские луга, коралловые рифы; каменистые, песчаные, галечные побережья, включая песчаные бары, косы, системы дюн; воды эстуариев; литоральные лесные угодья, в том числе мангровые заросли; марши; прибрежные лагуны и т.п. Континентальные ВБУ представлены: внутренними дельтами; постоянными, сезонными и временными реками, ручьями, озёрами; сезонно-затопляемыми лесами; заболоченными лесами на бедных органикой почвах; оазисами и т.п. К водно-болотным угодьям относятся и антропогенные объекты гидрографии - аквакультурные пруды, водосбросы, отстойники сточных вод, сезонно-заливаемые сельскохозяйственные земли [23, 116].
180° 150°W 120°W 90°W 60°W 30°W 0° 30°E 60°E 90°E 120°E 150°E 180°
Рисунок 1.1 - Распространение водно-болотных угодий в мире. Красный цвет соответствует водно-болотным угодьям [120] Ценность водно-болотных угодий обусловлена накоплением и хранением воды; регулированием поверхностного стока, а также движения подземных вод (при их проникновении из водно-болотного угодья в подземный водоносный горизонт и наоборот); защитой от штормов и наводнений; укреплением береговой линии, сдерживанием эрозии; поддержанием биологического разнообразия, в том числе растений и животных имеющих практическое значение для человека. ВБУ играют большую роль в экологической и экономической стабильности района, в котором находятся. От них зависит развитие рыболовства, земледелия, скотоводства, туризма. Изменчивость положения береговой линии напрямую влияет на жизнедеятельность флоры и фауны ВБУ. В настоящее время большинство из этих угодий являются особо охраняемыми природными территориями, согласно Рамсарской конвенции. Однако многие водно-болотные угодья остаются без установленного специального режима охраны и использования. Они только рекомендованы для внесения в список Рамсарской конвенции (так называемый «теневой» список).
1.2 Изображение болот на топографических картах
Универсальность содержания топографических карт позволяет получить ценную информацию о строении природных и природно-антропогенных экосистем, в частности, болот и заболоченных территорий.
Болота в содержании топографических карт входят в категорию грунтов. Грунты на картах показываются там, где растительный покров разрежен или отсутствует. Ранжирование болот осуществляется по степени их проходимости на проходимые, непроходимые и труднопроходимые. Внутри них показываются расположенные объекты, составляющие содержание топографических карт (рисунок 1.2).
12 3 12 3
10::г ---"1-П 1.0'
а
-V- к' •■•-! -
1 4 О
\ 1.0
-.1.- -+—
лг—
б
_1Г
1 г —
10,6
— ж
Рисунок 1.2 - Условные знаки болот. а - непроходимые и труднопроходимые болота, б - проходимые болота; Растительный покров: 1- влаголюбивый низкотравный, 2 -
моховой, 3 - камышовый [94] К проходимым относятся болота, по которым возможно свободное перемещение пешехода в любом направлении в сухое время года. Все остальные болота относятся к непроходимым и труднопроходимым и показываются одним знаком. Внешние границы болот изображаются на картах в соответствии с их естественным положением. Если такая граница чётко прослеживается на местности, то она должна быть показана чёрным точечным пунктиром. В соответствии с размещением растительности допускаются различные комбинации условных знаков, позволяющие её наиболее полно охарактеризовать. Так, травяно-моховые болота отображаются сочетаниями условных знаков мхов, луга, редкого леса, кустарников, кустарничков, камышовой (тростниковой) растительности, кочек и бугров, не выражающихся в масштабе карты, если они имеются на местности. Лесные
болота изображаются в соответствии с ситуацией на местности сочетаниями условных знаков леса, включая угнетённый с обозначением болот. Разрывами штриховки болот показываются грядово-мочажинные комплексы. Разрывы приходятся на осевые линии основных гряд (рисунок 1.3). Участки болот, на которых выгорели растительность и торфяной слой, обязательно выделяются и сопровождаются пояснительной надписью «горелое болото» [93].
Единственной количественной характеристикой болот на топографических картах является их глубина до минерального дна (мощность торфа). Её надписывают с точностью до 0,1 метра при глубине до 2,5 м - на картах 1:2 000 - 1:10 000 масштабов и до 2 м на картах 1:25 000 - 1:200 000 масштабов.
Рисунок 1.3 - Примеры изображения: а - моховых и облесённых болот проходимых и непроходимых, б - мохового грядового болота с редким угнетённым, низкорослым лесом (масштаб 1: 10 000) [94] При более мощном слое торфа на картах 1:2 000 - 1:10 000 масштабов дается надпись «глубже 2,5 м», а на картах 1:25 000 - 1:200 000 масштабов -«глубже 2 м». На разведанные болота, имеющие перспективу разработки торфяных месторождений, приводятся данные об их полной фактической глубине. В крупных болотах характеристики глубины дают в нескольких местах с расчетом, чтобы на каждом квадратном дециметре плана было не менее двух показателей глубины. В небольших болотах площадью на плане менее 10 см2 характеристики помещают посередине контура.
14
К заболоченным землям относятся слабо дренируемые участки с избыточным увлажнением поверхностными или грунтовыми водами. На картах эти земли изображаются сочетанием знаков заболоченности и имеющейся растительности (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Заболоченные земли (масштаб 1:10 000): 1- луга, 2 -кустарники, леса, 3 - заболоченность по узким ложбинам [93]
1.3 Другие карты и планы: изображение болот
На заре изучения болот потребительский интерес к ним имел первостепенное значение. С одной стороны, болота рассматривали как источник торфа для энергетических целей, а с другой относили к бросовым землям, имеющим потенциал сельскохозяйственных и лесных угодий. История мелиорации берёт начало ещё с Древнего Рима. Первые осушительные системы построены на знаменитых Понтийских болотах, с целью расширения земельного фонда пригодного для земледелия. Именно римляне привнесли технологию мелиорации болот в европейские страны [61]. В России мелиорации имели место при строительстве Санкт-Петербурга и других городов. Известна построенная в XVI веке осушительная система на Соловецких островах [35]. Однако активное развитие осушительные работы получили в XIX веке.
Среди отечественных картографических произведений того времени известен «Перечень карт и чертежей к очерку работ западной экспедиции по осушению болот», 1899 года [72]. Западная экспедиция была создана в 1873 году под руководством И.И. Жилинского. Экспедиция вела расчистку рек для осушения и лесосплава, строили каналы, дороги, выполняли культуртехнические работы,
углубляли озера, готовили земли к освоению. Содержание перечня составляют
15
карты, планы и различные графические материалы. Большая часть карт составлена на территорию Полесья в районе реки Припять и её основных притоков. В содержании «Карты Полесья с обозначением ходовых линий общей нивелировки», масштаба 10 верст в дюйме (1:420 000), предпочтением являются гидрографическая сеть, болотные угодья и дренажные каналы, подразделяемые на оконченные и предполагаемые. Показаны границы бассейнов рек Днепр, Припять и её притоков, нивелирные ходы 1 класса с обозначением абсолютных высот главных пунктов. Они обеспечивают высотную привязку плановой основы, наблюдательных пунктов, маршрутных обследований (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 - Легенда «Карты Полесья с обозначением ходовых линий общей нивелировки». Масштаб 10 верст в дюйме (1:420 000) [72]
На «Гипсометрической карте» «Перечня...», масштаба 20 верст в дюйме (1:840 000), подробно показаны: рельеф; все болотные угодья; каналы оконченные и предполагаемые; дороги, построенные на осушенных болотах; железные дороги и станции; шоссейные, почтовые, большие проезжие дороги; населённые пункты; крепости; почтовые станции и отделения. «Геологическая карта Полесья», масштаба 20 верст в дюйме, даёт представление о выходящих на поверхность разновозрастных отложениях; границах эрратических валунов - крупных окатанных обломков горных пород, не встречающихся в данной местности в коренном залегании, перенесённых ледником на большие расстояния; месторождениях болотных руд, янтаря; буровых скважинах, линиях геологических разрезов
(рисунок 1.6). Западной экспедицией по осушению болот также составлены «Отчётные карты осушительных работ Рязанско-Владимирского и Московско-Тверского районов». Масштаб карт не указан. В их содержании подробно представлены: болотные массивы; мелиоративные каналы исполненные и предполагаемые; лесовозные дороги, построенные на осушенных болотах.
Рисунок 1.6 - Легенда «Геологической карты Полесья». Масштаба 20 верст в
дюйме (1:840 000) [72] Крупномасштабные изображения, называемые в «Перечне...» «планами», составлены на территории казённых дач, лесничеств, систем и отдельных каналов. Масштабы следующие: 1 верста в дюйме (1: 42 000), 3 версты в дециметре (примерно 1: 32 000), 250 саженей в дюйме (1: 21 000). В содержании планов оконченные каналы делятся на боковые и магистральные. Помимо каналов на планах показаны: гидрографическая сеть, сетка лесных кварталов, лесовозные дороги на осушенных болотах, населённые пункты.
«План осушенных болот Куршинской казённой дачи» масштаба 250 саженей в дюйме (1:21 000), имеет лесохозяйственное назначение. В его содержании выделены осушенные болота, заросшие берёзовым лесом, прилегающие к болотам оброчные статьи значительно или частично заросшие берёзой и другими породами, сенокосы. Лес разделяется по возрасту, а на осушенных болотах - по запасу древесины (рисунок 1.7).
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Тушение лесных торфяных пожаров с использованием подтопления очагов тления и подъема уровня грунтовых вод2024 год, кандидат наук Куксин Григорий Валерьевич
Ландшафтно-экологические особенности болотных геосистем северной лесостепи2013 год, кандидат географических наук Гришуткин, Олег Геннадьевич
Месторождения торфа Северо-Запада России и их использование1998 год, доктор геолого-минералогических наук в форме науч. докл. Кузьмин, Геннадий Федорович
Природоохранные режимы и технологии мелиорации переувлажненных сельскохозяйственных земель2005 год, доктор технических наук Пыленок, Петр Иванович
Современное состояние осушенного болотного массива в условиях лесостепи (на примере урочища Берказан-Камыш, Республика Башкортостан)2019 год, кандидат наук Ильясов Данил Викторович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванова Анна Андреевна, 2025 год
Источники
Пресной воды:отметка выхода 50,5 ^300 на поверхность земли (50,5 м), дебит (300 л/с)
Минеральные: отметка выхода 67,8 500 на поверхность земли (67,8 м) дебит (500 л/с)
* * *
а б
Морские угодья
Критическим отметкам уровня
Минимальным
Максимальным
Затопленные русла
Море (а), литораль (б)
Береговые линии соответствующие:
_Среднемноголетнему уровню моря
Максимальному уровню из многолетних наблюдений —Наинизшему теоретическому уровню моря
Рисунок 2.3 - Обозначения объектов гидрографии
Болота относятся к труднодоступным для исследования экосистемам, поэтому чрезвычайно важно опираться на межландшафтные связи компонентов как собственно болотных, так и окружающих их ландшафтов. Основными и наиболее физиономичными компонентами являются рельеф и растительность.
Р е л ь е ф. Болота характеризуются слабовыраженным рельефом. Их внутренняя орографическая дифференциация проявляется на уровне мезо- и микрорельефа. При изображении рельефа кроме повышенных, равнинных, низменных поверхностей, идентифицирующих степень их дренированности, требуется подробная передача высотной основы карт, от которой зависит сложность мелиоративной подготовки земель, выбор способов осушения, культивирования, фрезерования земель. Эти требования обеспечиваются изолинейным изображением горизонталей - целых, половинных и вспомогательных при значительном увеличении количества высотных отметок, передачей микроформ рельефа в виде гряд, бугров, кочек. Изображение рельефа болот при правильном выборе высот сечения редактором практически полностью обеспечивается топографическими картами универсального назначения, несмотря на слабую выраженность относительных высот. В дополнении нуждается изображение мерзлотных образований.
М е р з л о т н ы е о б р а з о в а н и я. В районах распространения специфичных вечномерзлых грунтов важно передать на картах разновидности болот, связанные с формированием: полигональных, бугристых, термокарстовых образований.
Формирование полигонально-сетчатой структуры поверхности связано с морозобойным растрескиванием грунта. Трещины разбивают торфяной слой и подстилающий минеральный грунт на многоугольники разной формы. Полигональные болота с точки зрения их морфологии делятся на полигонально-валико-вые и плоскополигональные. При расширении трещин происходит небольшое поднятие краевых участков полигонов, что приводит к образованию валиков. Для
валиковых полигонов характерно скопление воды атмосферных осадков и влаги
48
от таяния мерзлоты в результате чего образуются озерки. Плоские полигоны образуются в результате постепенного выполаживания валиков, при этом ограничивающие их трещины продолжают разрастаться. Благодаря относительной прямолинейности трещины напоминают заросшие канавы. На картах предлагается показывать эти типы полигональных болот, а также отдельные морозные трещины небольшого размера.
Под термокарстом понимают процесс, сопровождающийся образованием просадочных и провальных форм рельефа вследствие вытаивания подземных льдов или сильно льдистых грунтов. Причины протаивания могут быть разные, но все они так или иначе связаны с изменением теплообмена почв, чаще всего либо глубина сезонного протаивания превышает глубину залегания подземного льда, либо увеличивается среднегодовая температура и начинается оттаивание мёрзлых толщ. Термокарст может развиваться в узлах пересечения полигонально-жильных льдов, нарушающих целостность торфяной толщи. Сначала образуются мелкие термокарстовые западины блюдца, затем они превращаются в термокарстовые воронки, а далее разрастаются до котловин. При вытаивании и формировании этих отрицательных форм вся вода, заключённая в льдистых грунтах, высвобождается, заполняет просадки и формируются термокарстовые озёра разной величины. Роль в заполнении провалов играют и атмосферные осадки. Термокарстовые озёра расширяются. За счёт волновой деятельности идёт обрушение берегов, вытаивание насыщенных льдом береговых отложений. Озеро расширяется, пока не достигнет трещины или ложбины стока, следующей вниз по склону и перпендикулярной береговой линии. Через ложбину вода начинает уходить из озера, прокладывать себе путь в какое-нибудь понижение, чаще всего это водоток или водоём. В результате образуются котловины полностью спущенных озёр или с небольшими остаточными озерками. Термокарстовые западины, воронки, озёра в разных стадиях развития (мелеющие, зарастающие, спущенные) предлагается отобразить в содержании карт.
49
Бугристые болота формируются в результате криогенного пучения - выдавливания торфа из-за промерзания нижележащих слоёв. Отличительная черта таких болот - наличие торфяных бугров с минеральным ядром. Существуют также особые типы бугров, развивающиеся на водонасыщенном субстрате при сегрегационном льдообразовании, промерзании таликов - гидролакколиты. Такие бугры в основании имеют ледяное ядро [3]. Рекомендуется ввести значки для обозначения гидролакколитов и торфяных бугров (пальзов), не выражающихся в масштабе карты.
Отображение на картах участков с развитием геокриологических процессов важно для их учёта при строительстве, а также во избежание деградации экосистемы в результате техногенных воздействий (рисунок 2.4).
Котловины термокарстовых озер
в стадии обмеления
а стадии зарастания
спущенных (аласы)
Термонарстовые воронки, не выражающиеся в масияабе карты
Рисунок 2.4 - Обозначения мерзлотных образований
Р а с т и т е л ь н о с т ь и г р у н т ы. Во внутренней структуре болот выделяется естественная растительность. Это позволяет выявить растительные ресурсы, направление и интенсивность их использования, обеспечить охрану, воспроизводство, отобразить условия проходимости, видимости, возможности укрытия и ориентирования на местности.
Растительность разделяется по эколого-физиономическим признакам на жизненные формы, также как на универсальных картах, но с дополнительными характеристиками.
Особое внимание обращено на требования лесного хозяйства (в том числе для проведения лесоосушительных мелиораций), в соответствии с которым даны подробные характеристики древесной растительности. Лесоосушительная мелиорация обеспечивает благоприятные условия для естественного возобновления и создания лесных культур, что гарантирует выращивание желаемых хозяйственно-ценных пород. Кроме средней высоты, толщины и среднего расстояния между деревьями предложено отображать процентное соотношение древесных пород, образующих основной полог леса, с учётом ярусности. Рекомендовано дать показатели древостоя на болотах, значительно влияющие на величину прироста, полученного от мелиорации - возраст, полноту и бонитет. Возраст - показатель, имеющий большое значение для характеристики состояния древостоя, а также для определения сроков проведения различных хозяйственных мероприятий. Чем моложе деревья, тем сильнее они реагируют на мелиорацию увеличением прироста. На карте целесообразно указывать класс возраста преобладающего элемента леса (чистого одновозрастного насаждения) основного яруса. Класс возраста применяется для распределения насаждений по группам возраста (молодняки, средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные) [89]. Продолжительность класса составляет 20 лет для хвойных пород, 10 лет для лиственных и 5 лет для кустарников. Полнота - показатель, с помощью которого определяют запас насаждения. Она характеризуется степенью плотности стояния деревьев. В производственных условиях чаще определяют относительную полноту, выражаемую в десятых долях единицы. Относительную полноту определяют, как частное от деления площади проекции всего полога древостоя на общую занимаемую им площадь [89]. Бонитет - показатель продуктивности леса, выражающий лесорастительные условия [89]. Класс бонитета определяется согласно бонити-ровочной шкале М. М. Орлова. Рекомендовано отображать резкие границы между лесными формациями, образующими основной полог леса, давать обозна-
чения лесных массивов, пораженных заболеваниями. Для гарей (сухостоев) предложено указывать: бывшую преобладающую породу, среднюю высоту стволов, их средний диаметр. Заросли кустарников охарактеризованы по преобладающей породе, классу возраста, средней высоте. Также рекомендовано отображать на карте ценные ягодные и лекарственные растительные ресурсы.
Для некоторых видов водно-болотных угодий, в частности морских, характерны участки открытых грунтов, таких как суглинок, супесь, ракушечник, торф
(рисунок 2.5).
Растительность и грунты
*/ \ 4
Резние границы между разными формациями леса {по обеим сторонам границ ставятся значки пород без характеристик древостоя)
Характеристики леса: лес состоящий на БО % из сосны; на 30 % из березы, на 20 % из ели* . Черта над индексом указывает на породу верхнего яруса; черта снизу — на ЗБ 20- 5-11 породу нижнего яруса, числитель 2Е 0.25-111-0,8 дроби _ средняя высота (20 м),
среднее расстояние между деревьями (5 м), класс возраста (II). знаменатель — средняя толщина стволов (0,25 м), класс бонитета (III), полнота (0,8) *С - сосна, Б - береза, Е - ель, П - пихта, К -кедр, Л - лиственница, О - осина, Ол - ольха.
'Il2
0,5 л
ilr 3 itr
llr llr
клюква
■ cvo 2
Леса, пораженные заболеваними
Бывшаяпреобладакщаяпорода, средняя высота стволов (18 м), средний диаметр стволов (0,2 м)
Порода кустарников, класс возраста (II), средняя высота кустарника (0,5 м)
Прибрежноводная растительность (камыш, тростник, рогоз и т.д.). высота (3 м)
Ягодники, имеющие промысловое значение
Ареалы лекарственных и медоносных растений, номер ареала (2) Примечание: названия и характеристика растений раскрываются в справке (по номерам ареалов)
Супесь
Торф
Суглинок
Ракушечник
Рисунок 2.5 - Обозначения растительности и грунтов Т о р ф я н а я з а л е ж ь. Естественное состояние болотных массивов характеризуется не только рассмотренными внешними (видимыми) компонентами, их связями и отношениями (отображение которых соответствует типу топографической карты универсального назначения), но и своей особой геохимической средой, связанной с образованием и накоплением торфа. Торф представляет собой органическую горную породу, образующуюся при отмирании и неполном
разложении болотных растений в условиях повышенного увлажнения и содержащую не более 50 % минеральных компонентов на сухое вещество [26].
Освоению торфяных залежей предшествует их разведка и оценка [51]. Отображение свойств торфяной залежи на карте позволяет обосновать целесообразность, масштаб и степень освоения болот в соответствии с потребностями определённых отраслей экономики. Знание таких свойств - необходимое условие рационального использования болотных массивов. (рисунок 2.6).
Торфяная залежь
Глубина болота до минерального 14,5 грунта (4,5 м), несущая 0,25 способность торфяных
грунтов (0,25 кг/см )
0,5-0,6
Мощность сезонно-талого слоя
Категории торфяного сырья: тип торфа (В),
(> 15 %) — степень разложения, б в—(>15)—(16—23) | (16-23 %) — зольность, ^85-90)42,2-3,0)' (85-90%)— влажность, — — ^"* (2,2-ЗРрН) — нислотность
*Е>—верховой; П—переходный: Н—низинный, С -смешанный
Границы распространения: а — сапропелевых отложений; б — минерального наноса
Рисунок 2.6 - Обозначения характеристик торфа Торф чрезвычайно разнообразен по своим генетическим характеристикам. Однако универсальными показателями пригодности являются общетехнические свойства торфа - тип, зольность, степень разложения, влажность. При использовании торфа в сельском хозяйстве важно также учитывать его обменную кислотность (или кислотность солевой вытяжки). От уровня кислотности зависит норма внесения нейтрализующих компонентов на единицу торфа.
По типу торфяные залежи делятся на верховые, переходные, низинные и смешанные. Эти залежи имеют различные количественные и качественные характеристики, агрохимические свойства, зависящие от внутренних и межландшафтных связей. Низинный тип подвержен наибольшему влиянию этих связей,
53
верховой - более автономен, изолирован. В зависимости от этих типов торфа формируются и соответствующие торфяные почвы с характерной для каждого вида растительностью. Типы залежей выделяются по преобладанию в них того или иного вида торфа, поскольку он отражает условия наиболее длительного развития болота и определяет его характеристики [92].
Для торфа характерно большое влагосодержание в его естественном залегании (стандартно от 80 до 95 %).
Зольность отражает концентрацию минеральных компонентов (золы) в сухом веществе. При разведке торфяных месторождений для оценки торфа и разделения запасов по зольности выделяется 6 групп, а именно: малозольный торф (до 5% и 6-10%); среднезольный торф (11-15% и 16-23%); высокозольный торф (2435 и 36-50%) (таблица 2.3) [86].
Таблица 2.3 - Группы торфа по зольности
Группа торфа Зольность на сухое состояние вещества
от До
1 0 5
2 6 10
3 11 15
4 16 23
5 24 35
6 36 50
При разделении запасов на категории сырья по степени разложения в пределах каждого типа выделяется три класса (1 класс - малоразложившийся торф со степенью разложения от 0 до 15%, 2 класс - среднеразложившийся торф со степенью разложения от 16 до 34% для низинного торф, от 21 до 34% для переходного и верхового торфа, 3 класс - сильно разложившийся торф со степенью разложения 35% и более для всех типов торфа (таблица 2.4) [86].
Торф также характеризуется пнистостью, учёт которой важен для исправной работы торфоуборочных машин. Принятие во внимание всех рассмотренных характеристик обеспечивает возможность оценки запасов практически для всех
основных направлений использования торфа в промышленности и сельском хозяйстве.
Таблица 2.4 - Классификация торфа по степени разложения
Тип торфа Класс Степень разложения
торфа от до
Низинный (Н) 1 0 15
2 16 34
3 35 и более
Переходный (П) 1 1 20
2 21 34
3 35 и более
Верховой (В) 0 1 12
1 13 20
2 21 34
3 35 и более
Для характеристики проходимости и строительных целей кроме глубины болота до минерального грунта предлагается показывать на карте несущую способность торфяного грунта (в кг/см2), а для болот в зоне распространения много-летнемерзлых пород - мощность сезонно-талого слоя.
Различные виды поисково-разведочных работ и дальнейшие направления исследования уникальных болотных систем и использования их ресурсов обязывают к отображению на оригинале карты и в справке к нему, рассмотренных предлагаемых характеристик, рассредоточенных обычно по справочным материалам ведомств и не исключающих полевых работ.
Болотные комплексы Для наглядного представления ландшафтов болот предложены образцы их физиономических разновидностей. Природный рисунок - картографический образ передан сочетанием условных обозначений, отображающих внутреннюю структуру болотных комплексов, совмещающих изображение растительности, мезо- и микрорельефа, гидрологических условий и других компонентов, с целью
достичь содержательного соответствия реальному, существующему на местности облику (рисунок 2.7) [16].
Болота арктической тундры
Полигональные трещиновато-вали-ковые гипновоосоковые болота на плоских низменных равнинах
Болота на месте зарастающих озер
Болота типичной тундры и северной лесотундры
Плоскобугристые болота с комплексным лишайниково-моховым покровом (с участием кустарничков), высота бугров до 1-1,5 м
Болота северной тайги
Крупнобугристые болота с комплексным мохово-лишайниковым и кустар-ничковым (в нижней части склонов) покровом, высота бугров 3-4 м и более
Слабовогнутые в центре болота с чередованием кустарничково- моховой растительности на повышенных элементах и обводнённых мочажин местами с обнажённым торфом
Болота средней тайги
Выпуклые сфагново-лесные грядово-мочажинные болота
Болота южной тайги
Выпуклые сфагново-кустарничковые и лесные болота
Низинные гипново-лесные и травяные болота
Болота лиственных лесов и лесостепей
а -' Г\ г | '""'' * а 19.5 а . 19.0
1!г а ■ а * *
♦
о. * а 2
- *
IV - — Г"" * 18.8
3 •к - ; ~ *
♦ .18.7
4г •А- л1г
1 л|г
* * * 4*
Рямы - островки выпуклых болот, вкраплённые в несвойственный им ландшафт лесостепей
Плавни - продолжительно заливаемые паводковыми водами или заболоченные поймы рек, где господствуют заросли прибрежно-водной растительности (тростник, рогоз и т.д.)
Рисунок 2.7 - Образцы физиономических разновидностей болот России
Нарушенное состояние
Антропогенные объекты Большинство информации об антропогенных воздействиях содержат топографические карты универсального назначения. Специфику составляют предлагаемые объекты, включая нарушенную растительность. Например, к выработанным торфоразработкам следует относить торфяные месторождения, на которых прекращена добыча торфа, но ещё не проведены рекультивационные мероприятия. Другой пример, знак ягельников, используемых в качестве пастбищ северных оленей, дополнен категориями, отражающими степень их стравленности и скорость восстановления. Эталонные ягельники (I категория) относятся к целинным, слабо используемым, поэтому характеризуются мощным развитием покрова. В покрове высших ягельников (II категория) преобладают быстрорастущие виды, частично стравленные и в течении 5 лет восстанавливающиеся до уровня эталона. Низшие ягельники (III категория) являются сильно нарушенными, большая часть их покрова выбита и даже через 20 лет они редко возвращаются к исходному состоянию. На топографических картах ягельники показываются общим знаком лишайников с подписью «ягель» [64] (рисунок 2.8).
Антропогенные объекты
пастбище
Торфоразработки выработанные
Сенокосы Пастбища
Ягельные пастбища, натегории ягельников (II)
Преобладающая категория пней, количество пней на 1 га (50 шт), сохранность (св.), средний диаметр (О,Б м)
св — свежие, ст— старые, гн — гнилые.
ЗП
Ь „50 св. I
' 0,5 ь
6
0.820
—*-
Леса, пораженные промышленными загрязнениями Ширина канала (6 м), глубина (2Р м). пропускная способность (0,8 м/с)
Нефтяные платформы
I Разведочные скважины,номер Пробные площадки на пень,
5,2 скважины (1), мощность торфа (5,2 м)
пнистость(3 %)
Рисунок 2.8 - Обозначения антропогенных объектов
Объекты охраны и контроля среды
Болота - сложная геоэкосистема, подход к охране, которой должен учитывать связи компонентов болотного комплекса, то есть предусматривать изменения во всей системе при изменении даже одного компонента. Использование болота в одном направлении может привести к нарушению его функционирования и даже возникновению новой экосистемы, отличной от прежде существовавшей.
Одной из основных задач охраны болот (и отображения на картах) является выявление и обоснование их типов и объектов, для разработки мероприятий по заповеданию и ограничению использования (таблица 2.5). Эти объекты имеют общеэкологическое, ресурсное, научное, оздоровительное значение. При наличии достоверно установленных объектов, соответствующих приведённым критериям, их целесообразно учитывать в содержании карт как «предлагаемые к охране».
Таблица 2.5 - Критерии выявления болот и их объектов, подлежащих охране и заповеданию
Болота и их объекты
Включающие истоки рек длиной 10 км и более
Водораздельные, поддерживающие водный баланс малых рек и крупных озёр
Связанные водным режимом с близкими к поверхности грунтовыми водами, снижение
уровня которых недопустимо_
Играющие защитную и противоэрозионная роль (особенно в поймах)_
Имеющие научно-познавательное эталонное значение, типичное для зоны или области
с целью проведения многолетних мониторинговых исследований_
Ценные болотные ягодники промыслового значения, лекарственные и медоносные растения, кормовые угодья, виды охотничьей фауны
Минеральные источники с дебитом более 0,1 л/сек; родников с дебитом более 0,2 л/сек;
крупные озёра - источники пресной воды_
Крупные запасы малоразложившегося сфагнового торфа для химической, микробиологической переработки_
Торфяные залежи, являющиеся летописью истории развития ландшафтов в послеледниковое время_
Запасы торфа, сапропеля, минеральных вод используемые в медицинских целях_
Особо охраняемые природные территории При проведении экологической экспертизы, проектировании ограничений использования болот необходима информация об особо охраняемых природных территориях (ООПТ).
Особо охраняемые природные территории - это система территорий, получивших статус особо охраняемых, организуемых для сохранения, воспроизводства, распространения ценных природных объектов и поддержания общего экологического баланса [84]. Регламентируются федеральными законами и постановлениями Правительства Российской Федерации. Особо охраняемые территории предлагается показывать знаками границ в соответствии с законодательным, документальным и нормативным обеспечением.
Согласно федеральному закону от 14.03.1995 N 33-ФЭ [95], по форме охраны различаются особо охраняемые природные территории: государственные природные заповедники; национальные парки; природные парки; государственные природные заказники; природные памятники; дендрологические парки и ботанические сады.
Под эгидой ЮНЭСКО в рамках программы «Человек и биосфера» созданы биосферные заповедники (резерваты) для сбалансированного взаимодействия природы и общества, примирения сохранения биологических ресурсов с их устойчивым использованием. Они отличаются наличием строгой структуры территории, состоящей из: ядра, буферной зоны, переходной зоны. К особо охраняемым территориям также относятся: лечебно-оздоровительные местности и курорты, о которых принят отдельный федеральный закон от 23.02.1995 N 26-ФЗ [96]; водно-болотные угодья имеющие международное значение, главным образом, в качестве местообитания водоплавающих птиц, введённые постановлением Правительства РФ от 13 сентября 1994 г. N1050 [77] в соответствии с Рамсар-ской конвенцией (рисунок 2.9).
Особо охраняемые природные территории
Государственные заповедники Государственные биосферные заповедном (чдро)
Национальное парн-* Приооц-ье парки Пачят-ичи -рироды
Воц-о-болотные угодья международного эначе-ия
Лечебно - оздоровительн ые местности ^ курорты
Дендрологичесние парк.-и ботани'-еские сада
Госудаостве-ные заказника Ботаннчеснне
—,- Зоолсгические
-,- Гидрологи1-еские
Комплексные
Рисунок 2.9 - Обозначения особо охраняемых природных территорий Под объектами охраны понимаются типичные, зональные, хорошей сохранности и редкие растительные сообщества; виды животных и растений, редкие находящиеся под угрозой исчезновения и их местообитания; уникальные явления живой и неживой природы; живописные ландшафты, имеющие высокую эстетическую и рекреационную ценность [78].
Объекты охраны ООПТ болот, в содержании карты, подразделены на флористические, фитоценотические, зоологические, орнитологические, энтомологические, зооценотические, гидрологические, геологические. В категориях флористических, зоологических, орнитологических и энтомологических объектов выделены занесённые в Красные книгу (международную, национальные, региональные). Фитоцено-тические объекты включают участки типичных зональных и редких растительных сообществ болот. Зооценотические объекты представляют собой уникальные совокупности животных. Обозначения объектов охраны предлагается помещать под названием ООПТ, его годом основания, площадью и значением (рисунки 2.10, 2.11).
Статус и характеристики ООПТ
Объекты охраны
Флористические
Редкие виды растений, ^ занесенные в Красную книгу
^ Фитоиенотические
Зоологические Редкие виды животных занесенные в Красную книгу
Зооценотические
Орнитологические
Редкие виды птиц, ^ занесенные в Красную книгу
Энтомологические Редкие виды насекомых, занесенные в Красную ннигу
ф Гидрологические
Геологические
Рисунок 2.11 -Обозначения объектов охраны ООПТ
ОТНЕНСКИЙ ЗАКАЗНИК 1989 Р 6,9
Название ООПТ Год оснонан^я —1989 Площадь (ть с. "а) — 6,9 Объекты охра-ь
Статус ООПТ В Всемирное Р Региональное ф Федеральное М Местное
Рисунок 2.10 - Обозначения статуса, характеристик ООПТ 61
Пункты наблюдений, контроля и защиты природной среды
Многолетние наблюдения способствуют изучению и систематизации знаний о внутренних взаимосвязях болотных ландшафтов и их связях с внешней средой, проведению полевых экспериментальных исследований. В стационарных условиях изучаются: влияние болот на водный режим рек, озёр, формирование их водного баланса; радиационный, тепловой баланс, осадки и снежный покров, промерзание и оттаивание болот; температурный режим торфяной залежи; флуктуации поверхности болота, воздействие естественных и антропогенных процессов на изменение болотных ландшафтов; водно-физические свойства торфа и т.д.
Основными пунктами наблюдений на болотных массивах являются болотные станции. Разработке научных основ кормопроизводства на торфяных и выработанных почвах служат луговоболотные опытные станции.
Ранее существовали мелиоративно-болотные стационары и лесомелиоративные станции, однако к настоящему времени они упразднены. Целесообразно их вновь ввести в систему мониторинга болот, поскольку мелиоративно-болот-ные стационары необходимы для научного обоснования мелиораций, а лесомелиоративные станции служат рациональному осушению болотных лесов.
Определение уровня болотных и грунтовых вод обеспечивается по сети водомерных и гидрогеологических скважин соответственно, которые предлагается показывать на картах с характеристиками. Систематическому измерению расходов воды служат водомерные посты и гидрометрические створы на водотоках в пределах болотного массива, которые отображаются на картах, но без необходимых характеристик, предлагаемых в системе обозначений.
Экологические тропы проектируются с целью регулирования и ограничения нагрузок на объекты, представляющие биосферную ценность (рисунок 2.12).
Пункты наблюдений и защиты природной среды
Сиважинь
3 р Водомернье болотных вод: номер скважины (3), 2,0 глубина появления воды (2р м}
Гидрогеологические: индекс водноснопо горизонта (Р2). р2 номер снважины (2). глубина появления воды (9,8 м), отметка |Г5 * 9'о ^стья снважннь м), отметка ус-ановившепося уровня воды ' ' первого о- поверхности водоносного горизонта (9, О м)
■— Экологические тропы
Рисунок 2.12 - Обозначения пунктов наблюдений и защиты природной среды
Географическая характеристика
Географическая характеристика (справка) предназначена для передачи более подробных сведений об объектах, показанных на авторском оригинале карты и о тех, что не вошли в его содержание. Справка даёт обобщённую информацию, содержащуюся, как правило, в специальной научной литературе, полевых и фондовых материалах, известных узкому кругу специалистов. Эти сведения представляют собой текст с дополнением в виде карт-врезок (более мелкого масштаба, чем основной оригинал), схем, таблиц, разрезов, космических снимков и т.п. [19].
Текст
Структура текстовой части рекомендуется в следующем виде:
1. Географическое положение болотного массива - в разрезе административно-территориального и ландшафтного районирования;
2. Климат - тип климата, воздушные массы, среднегодовая температура воздуха, наиболее холодный и тёплый месяцы, минимальные и максимальные температуры, даты первого и последнего мороза, продолжительность безморозного периода, преобладающие ветры, режим осадков, число дней с осадками, даты появления и исчезновения снежного покрова, наименьшая и наибольшая относительная влажность воздуха;
3. Рельеф;
Станциь-
БС — болотная, /1С — лесомелиоративная. Л БОС— лугово болотная огытная, МБС — мелио рати в но-болотный стационар
Водомерньй пост (гидрометрический створ}:многогетний расход воды (м/с): ■' ид^Ы. -средний ('57); максимальный {281); минимальней (8,8)
4. Гидрография - принадлежность к бассейнам рек, обводнённость болота, гидрографическая сеть, типы русел и берегов, характеристики половодий и паводков (время, повторяемость, величина подъёма воды), внут-ригодовое распределение стока, продолжительность межени;
5. Торфяная залежь - строение и свойства, характеристика торфяных месторождений;
6. Гидрогеология - количество и уровни горизонтов грунтовых вод;
7. Растительность - растительные сообщества, включая ягодные ресурсы, лекарственные и медоносные растения, микрорельеф.
8. Особо охраняемые природные территории.
Карты-врезки, схемы, разрезы Графические материалы характеристики могут быть представлены:
1. схемой географического положения;
2. при наличии торфяных месторождений - картами-врезками: степени разложения, мощности, зольности, естественной влажности, мощности
3. слаборазложившегося торфа;
4. стратиграфический разрез болота;
5. гидрогеологический разрез;
6. разновременные космические снимки, отображающие динамические трансформации болотных ландшафтов;
7. Цифровые модели рельефа и углов наклона поверхности болота. Воссоздание портретов болотных комплексов характерного генезиса предлагается достигнуть созданием фотокарт.
Фотокарты
Образ (природный рисунок) болотного массива сложно воссоздать графическими средствами какой бы высокой квалификацией ни владел специалист-картограф, поэтому широкое применение в России и за рубежом получили фото- и
64
ортофотокарты - карты с комбинированным графическим и фотографическим изображением местности.
Эти изображения имеют свою эволюцию как заменители крупномасштабных топографических карт сначала с пониженными измерительными свойствами и слабой наглядностью растрового воспроизведения полутонового изображения. В дальнейшем в результате исследований по содержанию и методике составления фотокарт удалось повысить их точность и выразительность. Для топографических фотокарт установились те же регламентированные положения по созданию, что и для обычных топографических карт. Создаются они по материалам новейшей аэрофотосъёмки (аэрокосмическим изображениям) в чёрно-белом и многоцветном вариантах. Обязательную штриховую нагрузку составляют, как правило, элементы математической основы, рельефа, политико-административные границы и географические названия. Изготавливаются по специальным заказам. Фото- и ортофотокарты отличаются от обычных карт большой наглядностью, объективностью передачи портрета местности, наилучшими условиями для ориентирования (рисунок 2.13).
Рисунок 2.13 - Фрагмент топографической фотокарты грядово-мочажинного болота
65
Важная задача (главным образом редактора карт) определить соотношение фотографического изображения и полноты штриховой нагрузки условными знаками для конкретной территории. Для этого практикуется создание редакционного макета штриховой нагрузки. Фотокарты могут применяться не только как источник информации, но и как картографическая основа, облегчающая локализацию объектов и проведение границ при исследованиях и изысканиях различного рода. Наиболее эффективны фотокарты на районы, где внешний вид, сезонный облик или другая специфика ландшафтов не передаются условными обозначениями и изолиниями (песчаные пустныни; тундры; береговая зона морей или озёр с неопределённой береговой линией; горные районы со скалистыми участками; леса с различиями в породах, густоте и проходимости массивов и т.п.). К таким объектам относятся и физиономические разновидности болотных комплексов со сложной внутренней структурой поверхности и, в частности, направлениями стока болотных вод. Наряду с фотокартами универсального назначения бывают востребованы и специализированные.
Полная система обозначений, авторский оригинал карты и географическая характеристика к нему приведены в приложениях (приложения А,Б,В соответственно).
Выводы по второму разделу
1. Топографические карты универсального назначения широко используются в различных отраслях экономики, изысканиях, в научных и экологических исследованиях, связанных с изучением и освоением болот, но к ним предъявляют дополнительные требования.
2. При проектировании карты учтены основные направления использования болот и требования к их изображению, складывавшиеся исторически. Областями применения карт являются лесное, сельское хозяйство, промыш-
ленность, энергетика, геологическая разведка, гидрологические, гидрогеологические исследования. Карты используются также при обосновании способов освоения болот, инженерном проектировании, в процессе проведения мониторингов разного характера, при организации рационального природопользования и охране болот.
3. Использованы детальные требования, полученные из картографических, фондовых, ведомственных материалов, инструкций по съёмочным, разведочным и поисковым работам разного научно-производственного профиля.
4. Выявленные сходства требований смежных отраслей экономики, учтенные в содержании карт, позволяют расширить их востребованность.
3 МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОМ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЫ
Создание специализированной топографической карты потребовало изучения и анализа комплекса геологических, гидро- и гидрогеологических, лесотак-сационных, геоботанических исследований болот, выполняемых профильными специалистами. Использовалась совокупность средств и методов топографического, геоинформационного картографирования в интеграции с дистанционными, которые в нашем случае играли приоритетную роль (рисунок 3.1). Применение известных методов сопряжено с необходимостью их адаптации к целевому картографированию.
Топографическое картографирование. Первоначально оценивается степень устарелости топографической карты универсального назначения, как основного источника специализированной. Если карта соответствует современному состоянию местности, то в дальнейшей работе можно на ней базироваться. В другом случае потребуется обновление. Обновление выполняют по современным аэро- и космическим снимкам (не более года давности), увязывая и согласовывая
Топографического и геоинформационного карт ографирования
Рисунок 3.1 - Методы, адаптированные для создания специализированной
топографической карты
изображения изменившихся объектов (оригинал изменений) с оригиналом сохранившихся контуров.
Для проведения специальных исследований в целях получения нужных сведений закладывают съёмочно-зондировочную сеть. Магистраль сети проходит по линии наибольшей протяжённости болота, а поперечники закладывают ортогонально магистральной линии, параллельно друг другу и на равных расстояниях между собой (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 - Схема съёмочно-зондировочной сети болотного массива
Геологические исследования проводятся для определения мощности и состава торфяной залежи, изучения сапропелевых отложений. Изучение торфа и сапропеля обеспечивается методом зондирования, позволяющим определить: а -общие границы болотных массивов по нулевой глубине залежи торфа, б - границы торфяных месторождений по промышленной глубине торфяной залежи, в - мощность сапропелевых отложений, г - построить стратиграфический разрез торфяной залежи. При последующем анализе результатов зондирования торфяных и сапропелевых отложений устанавливаются их качественные свойства.
Для определения мощности торфа, совместно с ручным зондированием (с помощью бура - пробоотборника), используется радиолокационный метод. Суть метода заключается в распространении передатчиком радиоимпульса малой длительности в залежи торфа, который частично отражается от подстилающего
грунта и возвращается на поверхность, улавливаясь приёмной антенной и поступая в записывающее устройство. Система радиолокатора также включает осцил-лографический индикатор, определяющий параметры поступающих сигналов и синхроимпульс, синхронизирующий работу передатчика и приёмника. В приёмник радиолокатора попадает три сигнала: прямой, проходящий по кратчайшему расстоянию между передатчиком и приёмной антенной; верхний, отражённый от верхней границы торфяной залежи; нижний, отражённый от подстилающего торф грунта [98] (рисунок 3.3). Если время и скорость распространения радиоимпульса известны, определяется мощность торфа [33].
Рисунок 3.3 - Схема радиолокатора и принцип его действия [98] Мощность сапропелевых отложений определяют методом звуковой геолокации. Звуколокация выявляет границы сред, обладающих разными упругими свойствами. Метод заключается в передаче излучателем перпендикулярно дну водоёма импульсов упругих колебаний, которые отражаются от границ вода-сапропель и сапропель-подстилающий грунт. Отражённые импульсы воздействуют на приёмник с интервалом времени, пропорциональным мощности сапропелевых отложений, поступают на самописец звуколокатора и формируют линию записи глубин на бумажной ленте - эхограмму [59] (рисунок 3.4).
Рисунок.3.4 - Схема звуколокатора и принцип его действия [59] Гидрологические исследования заключаются в наблюдении за режимом поверхностных и болотных вод.
Наблюдения за уровнем внутриболотных вод, циркулирующих в торфяном слое, ведут по сети водомерных скважин. Слежение за уровнем поверхностных вод осуществляют по водомерным постам и сопряжёнными с ними гидрометрическими створами. Определяют изменения уровней, расходов воды. Если болото или его часть назначены под торфоразработки, то гидрологическому обследованию подлежат все водотоки и водоёмы, рассматриваемые как водоприёмники мелиоративных систем.
Гидрогеологические исследования направлены на изучение динамики подземных вод по сети гидрогеологических скважин. Створы бурения обычно совмещаются с поперечниками зондировочной сети. Бурение скважин производится обычно в зимний период специализированными установками для инженерно-геологических изысканий.
Обработка результатов бурения позволяет построить гидрогеологический разрез, а на карте показать индекс вскрытого скважиной водоносного горизонта, глубину появления воды и отметку её установившегося уровня.
Лесотаксационные исследования проводят с целью учёта лесных ресурсов, их качественной и количественной оценки для составления технической характеристики насаждений по выделам. Таксация лесных насаждений регистрируется в материалах лесоустройства и региональных нормативно-справочных документах.
Наземные работы включают глазомерно-измерительную таксацию вдоль поперечников съёмочно-зондировочной сети болотного массива, либо по специальным лесотаксационным ходам. Ускорению процесса таксации и сокращению объёма полевых работ способствует использование материалов аэрокосмических съёмок. Результаты таксации отражают в таксационных книгах и картографических материалах, на которых регистрируют границы между формациями леса, характеристики древостоя, гарей, пней на вырубках, зарослей кустарников.
Геоботанические исследования направлены на изучение, инвентаризацию болотных растительных сообществ, в том числе лекарственных растений, ягодных угодий. Перед проведением обследований изучают справочные источники о природных условиях района по данным: лесоустройства и землепользований; ранее выполненным геоботаническим описаниям; картографическим и аэрокосмическим материалам. Полевые работы проводят по геоботаническим профилям. Они должны охватить все встречающиеся на болоте типы растительных сообществ. Вдоль профилей закладывают пробные площади, на которых составляются геоботанические описания. Некоторые виды растений гербаризируют для уточнения видовой принадлежности. Координаты пробных площадей фиксируют спутниковыми приёмниками. В процессе полевых и камеральных работ выполняют дешифрирование снимков.
Дистанционные методы пронизывают все рассмотренные виды исследований и представляют особую актуальность для болотных массивов, труднодоступных для наземного обследования и требующих получения динамических показателей саморазвития и трансформаций под влиянием антропогенных воздействий. Поэтому в диссертации на них сделан акцент.
Достоинство спутникового метода заключается в единовременном обзоре состояния болот, что позволяет получать оценки характеристик исследуемой территории вплоть до больших размеров. Кроме того, постоянное совершенствование аппаратуры, устанавливаемой на спутниках, в особенности появление муль-тиспектральных сенсоров, регистрирующих излучение в разных спектральных каналах, стимулирует разработку новых методов дешифрирования и анализа получаемых спутниковых изображений. Тенденцией в этом направлении является переход от визуального дешифрирования снимков к автоматизированному, что предполагает создание алгоритмов и отладку программ тематической обработки спутниковой информации, получаемой в цифровом виде с высоким пространственным разрешением. Многолетний опыт использования материалов космической съёмки способствует решению множества важных задач болотоведения.
Значительный шаг в инвентаризации болот сделан в Институте лесоведения РАН, где разработана геоинформационная система «Болота и заболоченные земли России», составлены серии цифровых аналитических карт [24]. Детальная инвентаризация проведена по Московской [87], Вологодской [97] областям. Среди зарубежных проектов известна «Национальная инвентаризация водно-болотных угодий» (National wetland inventory - NWI) США, созданная для проведения общенациональной переписи водно-болотных угодий, чтобы предоставить специалистам разного профиля сведения о распределении и типе местных ВБУ [113]. По дистанционным данным высокого разрешения выявлялась структура болотных микроландшафтов, закономерности их распространения [5,48]; по теп-
ловым инфракрасным снимкам определялась температура поверхности осушенных болот и её временные и пространственные изменения [36]. Большое количество заброшенных торфоразработок, их высокая пожароопасность обусловили развитие целого направления исследований, посвящённых оценке состояния этих территорий и проблеме их обводнения [27,62].
Разработка методов использования данных дистанционного зондирования и их эффективности для изучения и картографирования болот выполнена на примере двух различных болотных систем, замечательных по своей уникальности и масштабности биосферных функций:
- уникальная, одна из крупнейших в Европе природная система Вологодской области - Уломский болотный массив, имеющий большую экологическую значимость для района;
- прибрежное морское водно-болотное угодье - заповедник «Кизлярский залив», находящийся на западном шельфе Северного Каспия. Имеет статус биосферного резервата ЮНЕСКО.
3.1 Уломское болото Изучаемый болотный массив находится северо-западнее Рыбинского водохранилища в междуречье Суды и Мологи и занимает большую часть водораздельного пространства (рисунок 3.5).
Уломское болото — уникальная природная экосистема, одна из крупнейших в Европе, площадью около 180 тыс. га, образовавшаяся в начале голоцена более 12 тыс. лет назад. В наиболее глубоких межгривных понижениях сохранились многочисленные остаточные водоёмы.
На территории болота присутствуют виды растений и водно-болотных птиц, занесённые в Красные книги Российской Федерации и Вологодской области. На обширной площади болотного массива находятся участки с различными видами хозяйственного использования.
Заполье Кадуи Ь, ® \\—А А Хохлово ) у у / —1ГХ, / о:
Х1 V озгГэлеи^у ^ > " — 1 ~\ ( ^ £ _С" • ---- \ \ — ^— ^ ____С/ щ д. —\ о им. Желябова ^^Ща \[\ Чаевод II
I I Расположение Уломского болотного массива I I Уломский болотный массив
Рисунок.3.5 - Географическое положение исследуемого болота (составлено по атласу Вологодской обл.) [6]
В 60-х гг. ХХ в. в юго-восточной части болота открыты крупные залежи торфа, признанные пригодными в качестве топлива для Череповецкой ГРЭС, и начата их разработка. Торфодобыча прекратилась в 1997 г. после перевода ГРЭС на газовое обеспечение. За эти годы было осушено 55 тыс. га — почти третья часть всего болотного массива. Впоследствии были предприняты попытки частичной рекультивации [22].
На северо-западе массива вокруг оз. Отно с 1989 г. существует государственный комплексный заказник регионального значения «Отненский», созданный с целью охраны верховых болот с остаточными озёрами и сосняками. Отнен-ская группа озёр состоит из 11 водоёмов площадью от 7,5 до 731,0 га и четырёх небольших озёр площадью около 2 га каждое. Водоёмы занимают 20 % площади заказника, доля болот — около 69 %, а леса распространены лишь на 11 % его территории. Площадь заказника — 6937 га, что составляет всего 3,8 % от площади Уломского болота, хотя многие ученые ещё в начале XX в. считали, что по своей уникальности и масштабности биосферных функций экосистема Уломского болота должна подлежать охране целиком, а не разбиваться на отдельные участки [22].
Окраины болотного массива и его возвышенные плоские водораздельные
поверхности заняты небольшими сельскими поселениями, пахотными землями, сенокосами, транспортной сетью. Остальная часть представлена труднопроходимыми болотами и непроходимыми топями.
При проведении настоящего исследования использованы результаты автоматизированной обработки и сравнительный визуальный анализ разновременных многозональных космических изображений. Долговременные регулярные спутниковые наблюдения болотных массивов обеспечили формирование многолетних рядов данных, необходимых для выявления динамики процессов их осушения, формирования водного и температурного режимов, трансформации растительного покрова и в районах с разной хозяйственной нагрузкой или её отсутствием.
Кроме того, широко использовались картографический метод исследования, общие принципы картографического моделирования, проектирования и составления карт, приёмы геоинформационного картографирования. Привлечение топографических карт, изданных 30 и более лет назад, позволило увеличить срок наблюдения за изучаемыми объектами, оценить степень и характер изменения их параметров.
Исследования включали четыре этапа:
1. Разработка авторского оригинала карты «Зоны и границы антропогенной нарушенности Уломского болотного массива» в масштабе 1:200 000.
2. Выявление изменений площадей водных объектов в зонах различного антропогенного воздействия с 1978 по 2018 г.
3. Оценка состояния растительного покрова в зоне торфоразработок и Отненском заказнике.
4. Выявление очагов и площадей пожаров.
Разработка авторского оригинала карты основывалась на визуальном анализе спутниковых изображений и физиономическом образе территорий, который
является внешним выражением внутренней структуры, генезиса, стадии развития, исторически сложившегося природно-антропогенного ландшафтного комплекса. Именно этот метод позволил дифференцировать территорию массива на четыре зоны разного экологического состояния и выделить границы антропогенной нарушенности.
Для обнаружения поверхностных вод среди заболоченной местности и оценки её водного покрытия использован нормализованный разностный водный индекс (Normalized Difference Water Index — NDWI). Оценка состояния растительности на момент съёмки данного участка местности многоспектральной аппаратурой выполнена по нормализованному дифференцированному вегетационному индексу (Normalized Difference Vegetation Index — NDVI).
Трансформация болотных ландшафтов выявлялась по топографическим картам масштабов 1:100 000—1:200 000, отображающим ситуацию до и после начала торфоразработок, и материалам разновременной космической съёмки со спутников Landsat-5 TM, Landsat-7 ETM+, Landsat-8 OLI/TIRS. Критериями выбора снимков стали: летний сезон и отсутствие в пределах изображения облачности, тумана, смога. Отобрано три снимка, покрывающих всю территорию болота на разные даты: 03.06.1989 (Landsat-5 TM); 20.06.2000 (Landsat-7 ETM+); 13.06.2018 (Landsat-8 OLI/TIRS). Через геопортал Геологической службы США EarthExplorer получены атмосферно скорректированные снимки уровня обработки T1 (Collection 1 Level 2), оптимальные для анализа временных рядов. Для изображений Landsat-5 TM и Landsat-7 ETM+ использован метод атмосферной коррекции LEDAPS, а для снимков Landsat-8 OLI/TIRS — алгоритм LaSRC. Снимки сверхвысокого разрешения с геопортала Google Планета Земля (Google Earth) привлечены для более детального анализа компонентов болотного ландшафта. Исследование выполнено в программе ArcGIS 10.3.
Разработанный авторский оригинал карты «Зоны и границы антропогенной нарушенности Уломского болотного массива» позволил наглядно представить
77
структуру хозяйственной нагрузки на болотный массив и взаимное расположение зон, различных по степени антропогенной нарушенности. Выделены зоны с высокой (торфоразработки с рекультивированными позднее участками), умеренной (селитебные, транспортные и сельскохозяйственные территории), низкой нару-шенностью (рекультивированные участки), а также ненарушенная территория Отненский заказник (рисунок 3.6). Далее исследования выполнялись для двух наиболее контрастных зон: максимально нарушенных торфяников и Отненского заказника, сохранившего естественное состояние природных комплексов. Изучение трансформаций компонентов болотных ландшафтов велось по трём направлениям:
1) анализ динамических тенденций береговой линии и площади озёр;
2) оценка состояния растительности;
3) выявление очагов пожаров.
Анализ динамических тенденций береговой линии и площадей озёр
Болота являются накопителями влаги и источниками питания рек, ручьёв и озёр на своей и близлежащих территориях. Их осушение нарушает гидрологический режим и может привести к обмелению или даже исчезновению водотоков и водоёмов. Поэтому в пределах торфоразработок важно было выявить изменение конфигурации береговых линий и площадей озёр для оценки степени их обмеления и зарастания. Всего на территории торфоразработок 9 озёр.
Динамические параметры проанализированы у шести озёр: Белое, Ильмез-ское, Неверцево, Олешек, Соринское, Удебное, поскольку три озера — Кряково, Сковородное и Чёрное — полностью заросли и зеркало воды в них не просматривается.
Рисунок.3.6 - Авторский оригинал карты масштаба 1: 200 000 «Зоны и границы антропогенной нарушенности Уломского болотного массива». Составлен на топографической основе карты 2001 г. издания Выделение береговой линии выполнено по водному индексу NDWI [111,119]. Индекс не имеет единиц измерения и выражается условными значениями от —1 до +1. NDWI вычисляется с использованием двух участков спектра: зелёного (Green) и ближнего инфракрасного (near infrared — NIR). Водные объекты имеют низкий коэффициент поглощения в зелёной области спектра и высокий — в ближней инфракрасной, в результате чего хорошо выделяются на фоне других типов земного покрова.
Следующим этапом стала бинаризация изображения NDWI, которая заключалась в выделении двух классов объектов: водных и не водных. Разделение множества значений на два класса осуществлялось экспертным методом, в результате чего установлены пороговые значения классов: 0,04; 0,01 и 0,03 для 1989,
2000 и 2018 гг. соответственно (рисунок 3.7).
а б в
Рисунок.3.7 - Бинаризация изображения NDWI (снимок Landsat-5 TM от 03.06.1989): а — изображение NDWI; б — гистограмма распределения значений индекса NDWI, где X — количество пикселей изображения водных и не водных объектов; в — бинаризованное изображение Береговая линия озёр до начала осушения территории визуально идентифицировалась по космическим снимкам благодаря хорошо сохранившейся полосе прибрежной древесной растительности (рисунок 3.8).
Рисунок.3.8 - Заросшее оз. Удебное (первоначальная береговая линия (до начала торфоразработок) очерчена древесной растительностью). Снимок из архива
Google Earth, 2018 г. Анализ площадей озёр показал, что их значительное сокращение происходило после начала осушительных мероприятий, затем процесс замедлялся. За период с 1968 по 2018 г. больше всего сократилось оз. Ильмезское — на 144,09 га,
а меньше всего оз. Олежек — на 0,03 га (таблица 3.1).
Как видно из таблицы 3.1, общая площадь всех озёр до начала торфоразработок составляла 396 га. К 2018 г. их площадь уменьшилась до 106 га, сократившись на 73 %. Такое значительное сокращение обводненности, не восстановившейся после окончания добычи торфа, негативно сказывается на питании малых притоков р. Мологи, составе растительного покрова, микроклимате прилегающих территорий и их пожароопасности.
Сравнение береговых линий озёр Отненского заказника на топографической карте 1978 г. и космическом снимке 2018 г. показало, что водные объекты в районах, не подвергавшихся интенсивному антропогенному вмешательству, сохранили за прошедшие 40 лет свои размеры и, соответственно, стабильность водного режима, способность к саморегулированию (рисунок 3.9).
Таблица 3.1 - Изменение площади озёр на торфразработках по годам
Озёра 1968 г. 1989 г. 2000 г. 2018 г.
га* % га** % га** % га** %
Белое 39,93 100 38,70 96,91 38,60 96,66 38,55 96,54
Ильмезское 156,49 12,60 8,05 12,50 7,98 12,40 7,92
Кряково 0,94 Заросло полностью
Неверцево 9,85 9,07 92,08 8,47 85,98 7,01 71,16
Олежек 5,00 4,10 82,00 4,09 81,8 4,07 81,4
Сковородное 3,12 Заросло полностью
Соринское 60,39 31,28 51,79 23,88 39,54 19,77 32,73
Удебное 90,14 35,80 39,71 28,46 31,57 24,71 27,41
Чёрное 30,37 Заросло полностью
Примечание: * - площадь до начала разработок; ** - оставшаяся площадь открытой водной поверхности. Площадь каждого озера по состоянию на 1968 г. принята за 100%.
• А
ß:.
) «
а б
Рисунок 3.9 - Изображение озёр в пределах Отненского заказника: а — фрагмент топографической карты масштаба 1:100 000, 1978 г.; б —снимок из архива
Google Earth, 2018 г.
Анализ динамических тенденций состояния растительности
Осушение и последующая добыча торфа на болотах всегда сопровождаются нарушением растительного покрова, так как перед разработкой торфяного месторождения выкорчёвываются кустарники и деревья. Оптимальный вариант количественного анализа и мониторинга состояния растительности — вычисление вегетационного индекса NDVI.
Распределение NDVI в пределах Отненского заказника свидетельствует о стабильности состояния растительности с 1989 по 2018 г. из-за отсутствия антропогенной деятельности.
На торфоразработках наблюдаются более контрастные изменения растительного покрова, поскольку значения NDVI стали выше (рисунок 3.10).
Сравнение изображений, полученных в разные годы для июня, позволило выделить три типа участков торфоразработок, на которых значения NDVI менялись по-разному: бровки дренажных каналов, торфяные поля сильно выработанные, торфяные поля слабо выработанные.
а б
Рисунок 3.10 - Распределение значений индекса NDVI в пределах торфоразработок: а - изображение Landsat-5 ТМ от 03.06.1989; б - изображение Landsat-7 ЕТМ+ от
13.06.2018
В 1989 г., пока активно велась добыча торфа, торфоразработки чётко выделялись среди окружающей местности. В целом для всех выделенных типов участков характерны низкие значения NDVI (0,13—0,19). В 2018 г. состояние растительности улучшилось в связи с тем, что в начале 2000-х гг. была проведена биологическая рекультивация торфоразработок в виде лесонасаждений. Преобладающей породой является берёза, приспособленная к произрастанию в переувлажнённых условиях. Для бровок каналов характерны более высокие значения NDVI, чем для торфяных полей, где также наблюдаются различия в восстановлении растительного покрова. Дифференциация объясняется степенью выработки полей. Имеется обратная зависимость между состоянием растительности и мощностью торфяного слоя. Там, где толщина торфа меньше и ближе минеральные грунты, растительность развивается лучше (NDVI 0,40—0,46), и наоборот, где мощность торфяного слоя больше, растительный покров чаще всего разреженный и в основном угнетён (NDVI 0,20—0,28). Количественная оценка изменения NDVI на территории торфоразработок получена как разность индексов за 2018 и 1989 гг. На разностном изображении хорошо просматриваются выделенные типы участков (рисунок 3.11).
а б
Рисунок 3.11 - Выявленные участки торфоразработок по изображению индекса NDVI
за разные годы: а — разностное изображение индекса NDVI за 06.03.1989 и 13.06.2018; б — космический снимок Google Earth, 2018 г. Участки в пределах торфоразработок: 1 — бровки дренажных каналов; 2 — торфяные поля слабо выработанные;
3 — торфяные поля сильно выработанные Динамика восстановления растительности на разных участках торфоразработок показана в таблице 3.2 (по изменению индекса NDVI).
Таблица 3.2 - Изменение значений индекса NDVI для разных типов участков в пределах торфоразработок
Тип участка Значения NDVI Изменение NDVI с 1989 по 2018 г., min/max
июнь 1989 г., min/max июнь 2018 г., min/max
Бровки дренажных каналов 0,14/0,19 0,40/0,46 0,26/0,27
Торфяные поля слабо выработан- 0,13/0,15 0,20/0,28 0,07/0,13
Торфяные поля сильно выработанные 0,13/0,16 0,40/0,46 0,27/0,30
Выявление очагов возгорания и пожаров В 1999 г. в Череповецком районе Вологодской области была объявлена чрезвычайная пожарная опасность из-за быстрого распространения сильных пожаров. Одной из составляющих причин этой опасности были очаги возгорания на торфоразработках Уломского болота.
Отсутствие обводнения осушенных болот, сухая, ветреная погода в течение продолжительного времени, а также воздействия, связанные с посещением болота грибниками, охотниками спровоцировали начало пожаров сначала на торфоразработках, а далее их распространение по соседним территориям.
Возникающие пожары - серьёзная экологическая проблема для региона, поскольку кроме выгорания больших площадей пожары сопровождаются выбросом в атмосферу токсичных веществ, наносят ущерб здоровью населения, растительному покрову, требуют использования большого количества материальных ресурсов. На территории Уломского болота по снимкам видимого диапазона выявлено 3 очага пожара в разных частях торфоразработок. Основные признаки -дымовые шлейфы. Определена суммарная длина дымовых шлейфов в самый интенсивный период пожара; она составила более 150 км. В зону задымления в целом попало 212 населённых пунктов Вологодской и Новгородской областей (рисунок 3.12).
Рисунок 3.12 - Населённые пункты, попавшие в зону распространения
дымового шлейфа
При выявлении территорий, охваченных пожаром, кроме использования каналов видимого (VNIR), ближнего (NIR) и коротковолнового инфракрасного (SWIR) диапазонов, полезным оказался анализ теплового инфракрасного канала (TIR). На синтезированном снимке с использованием TIR канала пройденные по-
жаром территории, имеющие более высокую, чем окружающие объекты температуру, выделяются ярко-оранжевым и красным цветом, что позволяет их чётко обнаруживать на фоне прилегающей местности. Более того, такая комбинация позволяет заглянуть под облако дыма и увидеть направления распространения пожара. На снимке Landsat 5 ТМ от 01.07.1999 виден очаг в западной части торфоразработок. Площадь территории, охваченной пожаром, составляла на тот момент 28 га. На снимке Landsat 7 ЕТМ+ от 01.08.1999 зафиксированы языки огня. Заметно, что они распространялись в юго-западном направлении. Площадь пожарищ с 1 июля по 1 августа увеличилась до 1,9 тыс. га. Снимок Landsat 5 ТМ от 02.09.1999 сделан после ликвидации пожара и отображает итоговые контуры гарей, площадь которых 5,5 тыс. га, то есть 10% от общей площади торфоразработок (рисунок 3.13). Контролируемая классификация снимка Landsat 5 ТМ от 02.09.1999 методом минимального расстояния, позволила определить территории, пройденные пожарами (гари) (рисунок 3.14).
а б в
Рисунок 3.13 - Торфяной пожар в разных стадиях развития; а - начальная стадия (снимок L5 ТМ 01.07.1999), б - интенсивный пожар (снимок L7 ЕТМ+ 01.08.1999), в -гари, после ликвидации пожара (снимок L5 ТМ 02.09.1999)
(синтез каналов 6, 5, 4)
Рисунок 3.14 - Площади гарей на торфоразработках 3.2 Биосферный резерват ЮНЕСКО «Кизлярский залив»
Всемирная сеть биосферных резерватов (World Network of Biosphere Reserves), созданная в рамках программы Юнеско «Человек и биосфера», объединяет 727 особо охраняемых ценных природных территорий в 131 стране мира [21]. В России с 2021 года насчитывается 48 таких резерватов, в число которых входят прибрежные морские водно-болотные угодья (ВБУ) Северного Каспия, представляющие собой сложный комплекс переходов между водными и сухопутными территориями, где опресненная речным стоком вода является одним из основных факторов, определяющих состояние резервата, включая биоту. Его мел-ководность создает высокую зависимость ВБУ от нестабильного режима водоема, качества его вод, от речного стока, антропогенной нарушенности водосборов, эксплуатации нефтяных платформ [32]. Специфика и труднодоступность биосферных резерватов Северного Каспия требует поиска эффективных путей и методов организации их мониторинга. Современный уровень развития спутниковых технологий с высоким пространственным, временным, спектральным разрешением и последние достижения в области ГИС-технологий в состоянии обеспе-
чить регулярный мониторинг ВБУ различного статуса, их детальную территориальную инвентаризацию и картографирование. За последние годы внедрено большое количество автоматизированных методов преобразования спутниковой информации, создания баз данных для решения крупномасштабных кадастровых и экологических задач.
На основе информации, накопленной искусственными спутниками Земли (ИСЗ) Landsat-1...-8 (1972-2021), созданы глобальные базы данных о динамике площадей водных объектов земного шара GRWL (Global River Widths from Landsat) [118]. В большинстве случаев спутниковые методы используются при изучении дельтовых ВБУ, на формирование которых сильное влияние оказывает речной сток [101,104,107]. Так, на примере ВБУ крупнейшего в мире бассейна р. Амазонки выполнен комплекс оригинальных исследований с использованием радиолокационной альтиметрии по данным ИСЗ различных поколений, цифровой модели рельефа MERIT (Multi-Error-Removed Improved-Terrain), комплекта водных индексов для определения геоморфологических характеристик труднодоступных пойм и русел рек бассейна, а также периодичности, площадей и высоты наводнений за 1995-2020 гг. [106]. В России опыт использования спутниковой информации, как правило, распространяется в основном на биосферные резерваты и ВБУ международного значения, расположенные в дельтах крупных рек — Волги, Лены, Селенги и др., для изучения строения дельты, оценки площади зарастания акватории водной растительностью и распространения взвешенных веществ [14,54,90].
Заповедник "Кизлярский залив" находится на западном шельфе Северного Каспия и с 2017 года имеет статус биосферного резервата ЮНЕСКО (рисунок 3.15). На площади свыше 300 тыс. га под охраной находятся до 280 видов пернатых, в том числе более 30 видов, занесенных в Красную книгу России и Дагестана, около 70 видов рыб и сотни видов растений [28]. Здесь расположены самые
большие в мире гнездовья кудрявого пеликана, а острова являются местом обитания тюленя - знаменитого каспийского эндемика, обладающего чрезвычайной чувствительностью к климатическим изменениям и различного рода загрязнениям [82]. Мелководная часть акватории занята широкой полосой тростниковых зарослей, изрезанных каналами, многочисленными плесами и заводями. Кизляр-ский залив, в силу хороших защитных и кормовых условий, является ключевым звеном одной из самых крупных миграционных трасс птиц в Евразии для их остановок и зимовок. Залив имеет особое значение для сохранения разнообразия морских шельфовых и островных экосистем и популяций многих редких и исчезающих видов животных, пернатых и растений Северного Каспия.
Специфические особенности природных условий территории резервата определяются: а) - мелководностью Кизлярского залива, бухтами и водными участками средней глубины от 0,5 до 1,5 м; б) - плоским равнинным берегом, заболоченным на всем протяжении побережья, минимальными уклонами берегового склона <1°; в) - многолетними изменениями уровня моря, сопровождающимися затоплением (осушением) мелководий; г) - эпизодическими штормовыми сгонно-нагонными ветровыми явлениями, перемещающими береговую линию на 1-5 км (максимально до 25 км). Антропогенное воздействие проявляется в постоянно увеличивающемся загрязнении вод Северного Каспия за счет стока Волги, интенсивного судоходства, активной нефтедобычи [17] и пр.
Рисунок 3.15 - Территория биосферного резервата ЮНЕСКО «Кизлярский залив» и его местоположение на шельфе Каспийского моря. Красным цветом выделена основная охраняемая зона, желтым - буферная, голубым - зона сотрудничества [46]
Сложность организации мониторинга заповедных шельфовых территорий Северного Каспия определяется их труднодоступностью, непостоянством положения береговой линии, маскирующей ролью тростниковых зарослей. Изучение динамики уреза воды, постоянно мигрирующего под влиянием специфических изменений уровня моря, прослежено за длительный, почти 50-ти летний период по мультиспектральным данным ИСЗ и результатам их преобразования. Положения береговых линий для водоема с изменяющимся уровнем определены на основе контролируемой классификации изображений методом опорных векторов.
Косвенное отображение фонового загрязнения акватории проявляется визуально при выявлении очагов интенсивного "цветения" воды. Они являются индикаторами значительного содержания в воде биогенных веществ, в основном азота и фосфора, что приводит к бурному развитию сине-зеленых водорослей и, соответственно, повышенному содержанию хлорофилла-а в воде. Распределение хлорофилла по водной поверхности надежно установлено с помощью нормализованного разностного индекса хлорофилла NDCI (Normalized Chlorophyll Difference Index), физическая сущность которого заключается в регистрации отношения разности коэффициентов спектральной яркости на пиках поглощения (705 нм) и отражения (665 нм) хлорофилла-а к сумме этих показателей [112].
К дополнительным источникам фонового загрязнения относятся и факелы сжигания попутного нефтяного газа (ПНГ) на стационарных нефтедобывающих морских платформах. Местоположение факелов как точечных очагов тепловых аномалий на фоне морской поверхности определены с помощью аппаратуры TIRS-1 ИСЗ Landsat-8.
Оценка влияния изменений уровня Каспийского моря Непостоянство уровня Каспия, как сезонное, так и межгодовое, наличие сгонно-нагонных явлений при сильных штормовых ветрах приводят к периодическому долговременному или внезапному краткосрочному затоплению или осушению заповедной территории, что вызывает различные последствия для ВБУ.
90
М н о г о л е т н и е и з м е н е н и я За последние 100 лет Каспий неоднократно проходил стадии трансгрессии и регрессии - падение уровня с -26 м до -29 м в период с 1926 по 1977 гг., затем резкое повышение до -26,4 м к 1995 г. и снова падение уровня до -28,5 м к настоящему времени (рисунок 3.16). Эти колебания наглядно отображены на графике [44] и на карте [18].
Длинный временной ряд архивной спутниковой информации с ИСЗ Landsat -5, -8 позволил оценить изменения площади водно-болотных угодий Кизлярского залива за период повышения уровня на 1.4 м с 1986 по 1995 гг. и последующего его понижения на ту же величину к 2020 г. Определение минимального положения уреза воды в 1977 г (-29 м) выполнено по данным ИСЗ Landsat-2.
19S0 1955 1960 1965 1570 1975 1 9S0 19Ё0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
-26,4
-26,75
-28,3 -27,89
-29,05
а б
Рисунок 3.16 - Колебания уровня Каспийского моря: а — график изменения уровня с 1953 по 2020 г. [44]; б — карта «Динамика береговой линии Северного
Каспия в XX веке» [18] Все изменения при отображении береговой линии Каспия рассчитывались от уреза воды -28,0 м абс., зафиксированного на топографических картах разных масштабов. (Эта отметка в расчетах Росгидромета при определении изменения внутригодовых и сезонных колебаний уровня моря принимается за нулевую). Прирост суши в границах резервата при современной тенденции снижения уровня моря можно определить с помощью классифицированных изображений (рисунок 3.17).
Пассивное затопление/осушение приводит к большой пространственной изменчивости соотношений вода-суша внутри границ водно-болотных угодий, что сказывается на условиях жизни обитателей. Так, при повышении уровня моря с 1978 по 1995 гг. на 2,6 м (до отметки -26,4 м абс.) общая площадь затопленных мелководий и участков суши на территории резервата, выделенная на основе контролируемой классификации снимков составила 1091 км2. Современный уровень моря к 2021 г понизился с 1995 г. на 2,0 м до отметки -28,4 м абс, что привело к повторному обсыханию почти 770 км2 мелководий и сокращению нерестилищ и кормовой базы для большинства обитателей.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.