Овражно-балочная сеть урбанизированной территории: строение, развитие, геоэкологическая опасность (на примере Саратова)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Саратов является одним из ста крупных городов России с чрезвычайно сложной экологической обстановкой, обусловленной сочетанием природных и антропогенных факторов: сложным ярусным рельефом и тесным переплетением промышленных, селитебных и рекреационных зон, что и поставило под угрозу нормальное существование социальной сферы и здоровье населения.

Наиболее распространенными геоэкологическими опасностями на территории города являются оползневые, эрозионные, сейсмические процессы, а также подтопление и заболачивание территории, просадочные процессы в местах засыпки техногенным материалом долинных комплексов - оврагов и балок. В настоящее время для территории Саратова геоэкологические опасности по масштабу и последствиям своего проявления стоят в одном ряду с опасностями иной природы - медико-экологической, социальной и др. Эти опасности ведут к катастрофическим последствиям, сопровождающимся материальными потерями и страданием людей. Очевидной становится необходимость детального изучения всего комплекса геоэкологических опасностей.

Овражно-балочную сеть города можно отнести к средообразующей системе. Во многом градопланировочные решения на территории крупных овражных систем определяются составом горных пород, особенностями строения, сложности рисунка. В современной градопланировочной политике Саратова с позиций геоэкологии ощущается определенный дефицит идей по управлению и организации функционирования природно-техногенных дренажных элементов городского пространства. Комплексирование классических геолого-геоморфологических и современных методов сравнительного анализа топологии рисунка, качественного анализа взаимодействия естественной и искусственной (ливневой) сетей, а также оригинальных методик нелинейной динамики в рамках геоэкологических исследований овражно-балочной сети Саратова позволяет получить ряд теоретических и практических результатов.

Объектами исследования являются бассейны овражно-балочных систем и малых рек на территории Саратова и за ее пределами (как сравнительные модельные полигоны).

Предметом исследования являются геоэкологические особенности овражно-балочной системы городских территорий.

Целью исследования является комплексное изучение овражно-балочной сети урбанизированной территории на примере Саратова, ее геоэкологических особенностей и связанных с ней геоэкологических опасностей.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Изучить геолого-геоморфологические закономерности строения и развития городской овражно-балочной сети.

2. Изучить влияние геоэкологических особенностей городской территории на строение и эволюцию овражно-балочной сети.

3. Выявить коэволюционные предпосылки взаимодействия естественной дренажной (овражно-балочной) сети и искусственной дренажной сети урбанизированной территории Саратова.

4. Изучить закономерности планового рисунка современной эрозионной сети территории Саратова.

5. Разработать методическую основу оценки и картирования эрозионной опасности урбанизированной территории (на примере Саратова), а также систему практических рекомендаций по ее снижению до приемлемого уровня.

6. Разработать алгоритм оценки факторов и зон эрозионной опасности урбанизированной территории.

Основные методики исследования

1. Маршрутные обследования овражно-балочных систем.

2. Физическое моделирование с применением аппарата нелинейной динамики.

3. Геологические и геоморфологические исследования.

4. Геоинформационное картографирование и моделирование.

Основная часть материала собрана автором в ходе полевых исследований, выполненных в период с 2003 по 2008 г.: описаны разрезы бортов оврагов и иных элементов эрозионной сети; выполнены детальные промеры элементов овражно-балочной сети на модельных полигонах; построены продольные и поперечные профили долин оврагов и балок; построены детальные схемы овражно-балочной сети и ее элементов на модельных полигонах; сформирован банк фотоматериалов по наиболее показательным эрозионным объектам; проанализированы наиболее распространенные природные и техногенные процессы и их комплексное геоэкологическое воздействие в пределах эрозионных бассейнов урбосистемы Саратова в целом и ее отдельных частях; оценены возможные негативные последствия взаимодействия различных природных и антропогенных факторов в пределах модельных участков; проведена оценка потенциальной эрозионной опасности на территории города.

При проведении исследований использованы данные фондов НИИ геологии СГУ, Нижнее-Волжского НИИ геологии и геофизики (Саратов), кафедры геоэкологии СГУ; архивная и нормативно-техническая документация; топографические и тематические карты разных масштабов за разные временные интервалы; аэрофотоснимки и космоснимки; электронные ресурсы специализированных web-сайтов, базы данных Всероссийского научно-технического информационного центра (ВНТИЦ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

- адаптирована и оптимизирована для урбанизированной территории Саратова методика модельных аналогов, позволяющая оценить топологическую структуру долинных комплексов в пределах модельного полигона, включающего сеть долин на урбанизированной и не урбанизированной территориях;

- проанализировано взаимодействие эрозионного процесса с иными геоэкологическими процессами (оползневым, карстово-суффозионным, процессом подтопления и др.) на урбанизированной территории Саратова в целом и на модельных полигонах;

- впервые для изучаемой территории разработан и апробирован оригинальный алгоритм расчета фрактальной размерности для изучения явления самоподобия планового рисунка эрозионной сети;

- выполнен анализ особенностей коэволюции естественных и искусственных дренажных систем урбанизированной территории;

- впервые для изучаемой территории разработаны рекомендации природоохранным службам и муниципальным экологическим комитетам по мониторингу и прогнозированию динамики развития потенциальной эрозионной опасности.

Научная и прикладная значимость

Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, позволяют анализировать современные геоэкологические особенности овражно-балочной сети урбанизированной территории Саратова и связанные с ними геоэкологические опасности. Результаты исследований могут быть транслированы на другие урбанизированные территории Поволжья, имеющие аналогичный комплекс факторов эрозионной опасности и сопутствующие ей геоэкологические опасности.

Полученные результаты использованы:

- муниципальными службами, природоохранными органами и общественными организациями в ходе проведения градопланировочных мероприятий, мониторинга и прогнозирования геоэкологических опасностей на территории Саратова, Ульяновска, Саратовского, Вольского, Красноармейского районов Саратовской области;

- при подготовке под руководством автора курсовых и дипломных работ и прохождении производственных практик студентами геологического (специальность «Геоэкология») и географического факультетов СГУ; при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам «Геоэкология», «Общая экология», «Синергетика в науках о Земле» для студентов геологического (специальность «Геоэкология») факультета СГУ; при проведении учебных полевых практик по общей экологии, геоэкологическому картированию, геоэкологии.

Результаты исследований положены в основу подготовки интерактивного атласа «Экологические опасности Саратовского Поволжья» (2007), который демонстрировался на «Третьем Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций» и получил грамоту Салона; интерактивного атласа «Геоэкологические опасности городов Среднего и Нижнего Поволжья» (2008), выполненного в рамках реализации Инновационной образовательной программы Саратовского госуниверситета.

Защищаемые положения:

1. Овражно-балочную сеть как важный источник геоэкологической опасности на урбанизированной территории Саратова целесообразно рассматривать в динамике, с позиций тройственности: а) собственно процесс оврагообразования; б) процессы, связанные с элементами погребенной овражно-балочной сети; в) с функционированием современной овражно-балочной сети связан ряд сопутствующих геоэкологических опасностей, существенно затрудняющих устойчивое развитие городской системы. В результате эволюционно усложняющегося взаимодействия естественной и искусственной дренажных сетей на урбанизированной территории создаются предпосылки для активизации участков погребенной эрозионной сети, формирования ее новых элементов, и, следовательно, усиления эрозионной опасности.

2. Комплексная историческая реконструкция градоэкологической ситуации и анализ современного геоэкологического состояния овражно-балочной сети позволяют оценить эрозионную опасность городской территории путем применения метода аналогов - сопоставления природных объектов на модельных полигонах с соответствующими геолого-геоморфологическими и ландшафтными условиями.

3. Алгоритм оценки факторов и зон эрозионной опасности позволяет выделять и картографировать на территории города участки с различной степенью потенциальной эрозионной опасности, осуществлять разработку мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций и прогнозировать развитие геоэкологически опасных процессов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: научной межведомственной конференции «Геологические науки», (Саратов, 2007); ежегодных всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», (Саратов, 2005, 2006, 2007, 2008); всероссийской научно-практической конференции «Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей», (Саратов, 2007); всероссийском научном симпозиуме «Проблемы синергетики и коэволюции геосфер» (Саратов, 2008); международных научных конференциях «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, 2006), «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007), «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (Саратов - Урумчи, 2008); VIII международной школе «Хаотические автоколебания и образование структур» (Саратов, 2007).

По теме диссертационной работы опубликовано 27 работ, в том числе 1 монография (в соавторстве); 1 коллективное учебно-методическое пособие; 8 статей (из них 5 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискании ученой степени кандидата и доктора наук); 2 статьи находятся в печати.

Основные научные результаты задействованы при выполнении НИР по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, по теме 2006-РИ-19.0/001/082, 2006 г.; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме 02.515.11.5007, 2007 г.; тематическому плану НИР СГУ «Энергоопасные зоны и территории г. Саратова и Саратовской области» (2001-2006), при выполнении хоздоговорных НИР (заказчики - ООО «Универсалстрой», НП «Поволжский торговый альянс»).

1. Особенности строения и функционирования городской овражно-балочной сети

Предлагается характеристика понятия «овражно-балочная сеть», морфологии и систематики элементов эрозионной сети. Городская овражно-балочная сеть рассматривается как источник геоэкологической опасности. Для удобства изложения будем считать термины «эрозионная сеть», «естественная дренажная сеть» и «овражно-балочная сеть» равнозначными по толкованию, что не противоречит основному смыслу каждого термина.

Природная овражно-балочная сеть на городской территории существенно преобразована антропогенными процессами. В морфологии городской овражно-балочной сети практически не встречаются изначальные формы элементов ее структуры. Преобразованные формы рельефа на городской территории делятся на целенаправленно, стихийно или косвенно измененные. Целенаправленное прямое влияние оказывается при проведении работ по инженерной подготовке и благоустройству участков градостроительного освоения территории. Стихийное - обусловлено бессистемным, нерегулируемым видоизменением (например, созданием неорганизованных свалок, срезками грунта, при планировочных работах, аварийными сбросами хозяйственных вод и др.). Косвенное влияние обычно оказывается через климатические и гидрологические факторы, например, при нарушении и уничтожении естественного растительного покрова, изменении базиса эрозии при создании и эксплуатации водохранилищ и т. д. (Казнов, 2004).

Существенное преобразование рельефа городских территорий вызвало необходимость комплексного и всестороннего изучения этого вопроса. Рельеф городской территории представляет собой «…сложное сочетание естественных, техногенных и архитектурных форм, создающих специфические геоморфологические условия - особый тип полигенетической поверхности» (Лихачева, Тимофеев, 2004). Изучение рельефа городских территорий активно осуществляют, по меньшей мере, два междисциплинарных направления - экологическая геология и экологическая геоморфология.

Изучение эрозионной опасности проблематично строго отнести к какому-либо конкретному сектору геоэкологии, так как затрагиваются аспекты геологические (гидрогеологические и литологические особенности геологического субстрата, возраст и др.), географические (закономерности оврагообразования в различных природных зонах и др.), геоморфологические (тип рельефа и др.), почвоведческие (плоскостной смыв, земледельческая эрозия и др.). Поэтому в настоящей работе мы рассматриваем эрозионную опасность как одну из геоэкологических опасностей комплексного характера.

Вопросы определения понятия самого процесса эрозии, его динамики и генетической сущности, ранее рассматривались в многочисленных работах отечественных ученых. Среди них своей комплексностью и оригинальностью выделяются работы С.С. Соболева, Д.Л. Арманда, ученых Московского госуниверситета - Б.Ф. Косова, Н.И. Маккавеева, Е.Ф. Зориной и др. Анализ этих и других работ позволяет сформулировать основные причины и факторы эрозионной опасности.

1. Тектонические движения, которые определяют все остальные условия - геологические, геоморфологические, гидрологические, климатические, антропогенные.

2. Геологические факторы формирования эрозионной сети, среди которых наиболее значимым является вещественный состав пород, слагающих склоны.

3. Геоморфологические факторы овражной эрозии характеризуются длиной, крутизной, экспозицией и формой склонов (Овражная эрозия, 1989). Среди них доминирующую роль в формировании эрозионной сети несут следующие характеристики - уклон местности и экспозиция склонов.

4. Гидрологические факторы.

5. Климатические факторы.

6. Антропогенные факторы.

2. Геолого-геоморфологическое строение территории Саратова

Рассматривается геолого-геоморфологическое строение исследуемой территории.

Территория Саратовской агломерации приурочена к пограничной зоне двух крупных структурных элементов: Русской плиты и Прикаспийской впадины, граница которых контролируется глубинным разломом субмеридионального простирания. На поверхности с этой граничной зоной сопряжены современная долина Волги и восточный склон Приволжской возвышенности. Саратов расположен на двух структурах второго порядка: Саратовский мегавал и Латрыкская депрессия. Границей между ними служит Елшанско-Сергиевская флексура. В пределах Саратовского мегавала располагаются Елшанско-Курдюмское и Соколовогорское поднятия, а также Пристанская впадина (Саратовский научно-образовательный геоэкологический полигон, 2007).

В пределах города на поверхность выходят отложения мезозойского и кайнозойского возраста. Наиболее древними среди них являются юрские, которые последовательно сменяются в разрезе меловыми, палеогеновыми и четвертичными отложениями.

Современное геоморфологическое пространство Саратовской урбосистемы характеризуется рядом особенностей, причины которых можно объяснить региональными чертами территории Среднего и Нижнего Поволжья. Одним из доминирующих методов, применяемых при изучении современного геоморфологического строения изучаемого района, является морфоструктурный подход к анализу рельефа. Автором дана краткая характеристика региона, которая опирается на разработки специалистов Института географии РАН - Е. Я. Ранцман, М. П. Гласко и др. Согласно принципам морфоструктурного районирования по формализованным признакам рельефа, на территории центра и юга Русской равнины выделены иерархически упорядоченные элементы современной блоковой структуры земной коры. Основными элементами геолого-геоморфологического субстрата являются макроблоки - территории с единым обликом рельефа и единой историей его развития. Урбанизированная территория Саратова находится в пределах крупного макроблока - Приволжской возвышенности (имеющей индекс IV по классификации Ранцман и Гласко (2004).

Единство истории развития рельефа макроблока определяется следующими группами признаков:

гетерогенным характером соотношений крупных форм рельефа поверхности со структурным планом кристаллического фундамента: восточным склоном Воронежского свода, Токмовским сводом и разделяющим их Рязано-Саратовским прогибом;

типом унаследованности тектонических движений: на протяжении всей истории развития преобладали движения с неоднократной сменой направленности; современные движения земной коры отражают структуру кристаллического фундамента или осадочного чехла мезозойского возраста (Ранцман, Гласко, 2004).

В современном геоморфологическом облике территории Саратовской урбосистемы синтезированы особенности истории формирования облика рельефа и современных рельефообразующих процессов на Приволжской возвышенности. Комплексирование данных по тектоническому (положение территории города в зоне Волжских и Саратовских тектонических нарушений), геологическому (характерные черты залегания коренных горных пород) и геоморфологическому (блочность геолого-геоморфологического субстрата) строению позволяет на современном этапе характеристики природных черт территории города определить ее как Саратовский морфоструктурный узел.

3. История изучения овражно-балочной сети территории Саратова

Описывается краткая история изучения овражно-балочной сети исследуемой территории.

В изучении овражной эрозии на исследуемой территории выделяются 3 этапа, различные по комплексу методических подходов и целям исследований: 1870-1930 гг.; 1930-1980 гг.; с 1980 г. и по настоящее время.

1. Первый этап связан с именами В.В. Докучаева, П.А. Костычева, А.П. Павлова, С.Н. Никитина и др. Исследования этого периода сосредоточены на описании морфологии оврагов, выяснении генезиса и факторов оврагообразования.

2. Исследованиями второго этапа в 1940-1980 гг. была охвачена вся территория Саратовской области. Работы И.П. Герасимова, Ю.А. Мещерякова, С.С. Соболева, А.В. Вострякова и многих других носили как общенаучный, так и прикладной характер. Изучались эволюционные ряды эрозионных форм и количественные характеристики скорости овражной эрозии, влияние антропогенной деятельности на рост оврагов и возможные мероприятия по противоэрозионной защите.

3. Третий этап, который длится с 1980 гг. по настоящее время, связан с именами Г.И. Лотоцкого, Г.И. Худякова, И.В. Пролеткина, В.З. Макарова, А.Н. Башкатова и др. В это время внедряются методы ландшафтно-экологических и геоэколого-геодинамических исследований, ГИС-технологии. Акценты изучения овражной эрозии смещаются от фундаментальных к научно-практическим, происходит «экологизация» исследований, овражно-балочные комплексы рассматриваются как элемент градопланировочной структуры территории Саратова. Автором, в том числе в 2006-2008 гг., создаются карты современной эрозионной сети, ее изменений в результате урбогенеза, потенциальной эрозионной опасности.

К настоящему времени в литературе достаточно полно проанализированы практически все природные факторы овражной эрозии на территории Саратова и окрестностей, что нельзя сказать о комплексе антропогенных факторов. Среди основных задач в изучении овражной эрозии следует назвать: 1) оценку опасности и риска оврагообразования, 2) создание физической модели, 3) рассмотрение соотношения естественных и антропогенных факторов и механизма овражной эрозии на урбанизированной территории Саратова.

4. Методики исследований овражно-балочной сети на урбанизированной территории

Раскрытие сущности процесса оврагообразования, генетических и парагенетических связей экзогенного процесса возможно только на всеобщей геолого-геоморфологической основе. Восстановление истории развития и динамики эрозионной сети представляет собой комплексную геолого-геоморфологическую задачу. Поэтому комплексы методических приемов изучения овражной эрозии с известной степенью условности разделяются на геологические и геоморфологические. Геологические и геоморфологические методы исследований овражной эрозии взаимодополняют друг друга, что обусловлено спецификой изучаемого явления. Овражно-балочные комплексы, как формы рельефа, являются объектом изучения геоморфологии. Для изучаемой территории автором совместно с учеными факультета нелинейных процессов СГУ разработан оригинальный алгоритм расчета фрактальной размерности для изучения явления самоподобия планового рисунка эрозионной сети.

1. Для изучения овражной эрозии на территории Саратова автором применялись следующие основные геологические методы: а) изучение литологических особенностей коренных пород и четвертичных отложений склоновых пространств; 2) исследование инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий; 3) выявление связи формы продольного профиля, уступов в тальвеге с литологическими комплексами пород; 4) изучение характеристики овражно-балочного аллювия; 5) выявление связи современной овражно-балочной сети с экзогенными (карстом, суффозией, оползанием и пр.) и эндогенными (разломно-трещинной сетью) геологическими процессами.

2. Из комплекса классических геоморфологических методов исследований овражно-балочной сети автором адаптирована и апробирована методика модельных аналогов, которая позволяет оценить топологическую структуру долинных комплексов в пределах модельного полигона, включающего сеть долин на урбанизированной и не урбанизированной территориях.

3. Одним из инструментов, позволяющих анализировать современное состояние эрозионной сети, обусловленность ее развития геолого-географическими особенностями территории и антропогенной нагрузкой, является фрактальный анализ. Данный метод позволяет оценить характер самоподобия овражно-балочной сети, раскрыть его фрактальные свойства.

Подобный подход может быть применен к геолого-геоморфологическим структурам (в частности, для описания овражно-балочной сети (Иванов и др., 2006) и трещин), демонстрирующим свойства самоподобия в относительно широком диапазоне характерных масштабов. В научной литературе изучение фрактальной размерности овражно-балочной сети неизвестно, хотя подобные работы по изучению фрактальной структуры природных объектов (в том числе и трещин, а также речных бассейнов) описаны как в отечественных (Яшков, Иванов, 2005, Манжуров, 2002, Горяинов, Иванюк, 2001, Пузаченко, 1997, Васильев, 1992, Поздняков, Черванев, 1990, Поздняков, 1988 и др.), так и зарубежных журналах (Claps, Oliveto, 1996, Barbera, Rosso, 1989, McNamara et al., 1999, Lopes, Paula, Vieira, 2002).

Как правило, в вышеупомянутых работах осуществляется расчет емкостной фрактальной размерности. Получающееся при этом число трактуют как фрактальную размерность исследуемого природного объекта и интерпретируют его с точки зрения наук о Земле. При этом следует отметить, что все в основном ограничивается констатацией того факта, что рассчитано значение фрактальной размерности для того или иного геологического объекта, тогда как смысловая нагрузка полученного результата, зависимость размерности от характеристик геологических объектов остается за кадром внимания исследователей.

На данный момент трудно однозначно охарактеризовать геолого-геоморфологический смысл фрактальной размерности овражно-балочной сети. Накоплено пока недостаточное количество данных для обобщающих интерпретаций. Вслед за Ю. Г. Пузаченко (1997) мы полагаем, что значение фрактальной размерности отражает в определенной мере энергетическую напряженность овражно-балочной сети как геолого-геоморфологической системы на анализируемом участке. Это положение проверялось на территории Саратовского научно-образовательного полигона. Представляется рациональным предположить также, что овражно-балочная сеть, развивающаяся в более жестком, гетерогенном по вещественному составу горных пород геологическом субстрате, характеризуется более низким значением фрактальной размерности D. Так, именно ландшафтный район Лысогорского плато, сложенный наиболее разновозрастными, разнофациальными отложениями, имеет наименьший показатель <D> 1.54. Предполагаемая закономерность, безусловно, нуждается в дальнейшей проверке на иных территориях.

5. Анализ особенностей развития естественной (овражно-балочной) и искусственной (ливневой) дренажных систем территории Саратова

Посвящена анализу особенностей развития и взаимодействия естественной и искусственной дренажных систем территории Саратова.

В настоящее время в условиях стремительного роста и усложнения урбанизированных территорий различные геоэкологические процессы, негативно влияющие на нормальное функционирование его систем, приобретают прогрессирующий характер. Для территории Саратова наиболее опасными геоэкологическими эффектами являются подтопление и оползневые процессы. Среди основных причин, стимулирующих активизацию этих процессов в городе, можно назвать следующие:

1) геолого-геоморфологические (подъем уровня грунтовых вод, относительно слабая дренированность территории, подмыв берегов водохранилища и др.);

2) инженерно-технические (давление жилых, промышленных и транспортных систем и сооружений на литогенную основу города; застройка жилыми и промышленными зданиями и сооружениями несогласно основным уклонам поверхности геоморфологических структур и, соответственно, - поперек естественному стоку поверхностных и грунтовых вод; прорывы водонесущих трубопроводных сетей и утечка бытовых, технических и канализационных вод в почвогрунты и др.).

Одним из основных элементов городской поверхностной структуры, обеспечивающих ее функционирование, являются естественная и искусственная дренажные сети. Под естественной дренажной сетью понимаем всю систему эрозионной сети на урбанизированной территории, включающей в себя долины рек, балок и оврагов и их более мелких соподчиненных им элементов: ложбин, промоин, рытвин. Искусственная дренажная сеть включает в себя городскую ливневую канализацию и дренажные сооружения.

В настоящее время в развитии урбанизированной системы Саратова наблюдаются определенные закономерности и процессы, которые существенно влияют на всю работу, выполняемую естественной и искусственной дренажными сетями. По мере развития городской территории нагрузка на общую систему дренажных сетей постоянно растет. За последние два-три десятилетия в динамике развития дренажной сети происходят негативные процессы, связанные с естественным и антропогенным нивелированием городского рельефа, уничтожением эрозионной сети в результате застройки, засыпки техногенным материалом и замусоривания долин рек, оврагов и недостаточным строительством новых линий ливневых коллекторов и дренажей.

Предпосылкой выработки стратегии оптимизации функционирования естественной и искусственной дренажных сетей городских территорий являются следующие комплексные поэтапные геоэкологические исследования изучаемых объектов.

1. Изучение геолого-геоморфологических закономерностей развития городской естественной дренажной сети.

2. Изучение физико-географических и геоэкологических особенностей развития городской естественной дренажной сети.

3. Изучение влияния особенностей развития городских территорий на эволюцию искусственной дренажной сети.

4. Предпосылки взаимодействия и коэволюции естественной и искусственной дренажных сетей урбанизированных территорий.

Коэволюционный анализ совместного развития естественной и искусственной дренажных сетей был применен автором для урбанизированной территории Саратова. Особое внимание было уделено таким эволюционным аспектам, как этапность, периодичность, направленность, событийность, обратимость и тенденциозность. Анализ серии карт (1810, 1870, 1951, 2008 годов издания) позволил установить некоторые закономерности в развитии и функционировании естественной и искусственной дренажных сетей территории Саратова на разных стадиях урбогенеза.

1. При изучении картографических и архивных материалов на территорию оврагов в пределах урбосистемы Саратова устанавливается этапность пространственно-временных изменений основных морфологических и морфометрических параметров оврагов. В развитии городской искусственной дренажной сети в пределах изучаемых долинных комплексов выделяются этапы, сопряженные с этапами развития городской естественной дренажной сети, что позволяет говорить о их взаимодействии и вероятной коэволюции.

2. Периодические изменения основных морфологических и морфометрических параметров элементов естественной и искусственной дренажных сетей определяются особенностями развития градопланировочной структуры. Периодичность как одна из закономерностей эволюции городской дренажной системы связана с масштабными преобразованиями в структуре дренажных систем города.

3. Анализ событийности позволил определить ключевые исторические события, в основе которых решительные административные и инженерно-технические меры по переустройству стока поверхностных вод, которые разграничивают этапы в развитии естественной и искусственной дренажных сетей.

4. В развитии изучаемой территории прослеживается общая направленность, обусловленная взаимодействием трех составляющих: геолого-геоморфологического субстрата (естественная дренажная сеть), городской системы (искусственная дренажная сеть) и человека (Яшков, Иванов, 2008).

6. Взаимосвязь эрозионной опасности с иными геоэкологическими опасностями

Отражает основные особенности взаимосвязи эрозионной опасности с иными геоэкологическими опасностями геодинамической природы - системой трещиноватости, оползневой опасностью, опасностью подтопления и проседания. В качестве полигонов исследований рассмотрены территория Саратова и модельных участков в районе сел Багаевка, Докторовка, Дубки, Поливановка, оврага Караульный.

1. Главным фактором, обусловливающим развитие геоэкологических опасностей городских территорий, в том числе и эрозионной опасности, является разломно-трещинная сеть геологического субстрата. Сегодня для территорий городов Среднего и Нижнего Поволжья полной картины, отвечающей уровню развития и сложности урбосистемы даже по этому важнейшему, определяющему общий потенциал геоэкологических опасностей, фактору, не составлено. Например, для территории Саратовской природно-техногенной системы предыдущими исследователями: а) фиксировались разными методами отдельные элементы разломно-трещинной сети; б) предпринимались попытки составления общих схем, в том числе в связи с изучением геоморфоблокового строения (Худяков, Никифоров, 2001; Токарский, Токарский, Ваньшин, 2007). Однако создание синтетической схемы разломно-трещинной сети (рис. 1) как основы развития овражно-балочной сети предпринимается лишь сейчас в рамках наших исследований.

геоэкологический городской дренажный сейсмический

Рис. 1. Соотношение зон потенциальной оползневой опасности, элементов трещиноватости и основных геоморфоблоков территории г. Саратова (по: Шешнев, Яшков, Иванов, 2007)

2. В течение последних лет на предмет связи оползневой опасности и элементов естественной дренажной и разломно-трещинной сетей исследуется ряд модельных участков в пределах Саратовского научно-образовательного геоэкологического полигона:

а) от устья Алексеевского оврага до устья Масленникова оврага на северо-востоке территории г. Саратова;

б) устьевая часть р. Гуселки в районе нового Гусельского моста на северо-востоке территории г. Саратова;

в) поселки Нефтяной, Увек, Князевка на юге и поселок Поливановка на западе территории г. Саратова;

г) бассейн оврага Караульный в двух километрах северо-западней территории г. Саратова;

Результаты исследований позволили обобщить данные по эволюции и динамике развития оползневых процессов и их связи с элементами естественной дренажной и разломно-трещинной сетей. Некоторые результаты можно сформулировать в виде следующих выводов.

· Разнообразие и взаимодействие оползневых, эрозионных и трещиноватых процессов и объектов в пределах урбанизированной территории Саратова и его окрестностей представляется более сложным, чем это описывалось раньше.

· Для детального изучения коэволюции оползневых, эрозионных процессов и сети трещиноватости необходимо привлечение данных расширенного мониторинга на участках потенциальной оползневой опасности, а также развитие базы данных по эколого-геологическим опасностям городской территории.

3. Взаимодействие эрозионной опасности и опасности подтопления во многом имеет сегодня катастрофический характер, что определяется целым комплексом причин, связанных с деятельностью человека. Антропогенный фактор в основном усилил и без того сложную экологическую ситуацию с подтоплением. Наиболее актуальными причинами подтопления городской территории можно назвать следующие: 1) засыпку овражно-балочной и речной сети города техногенными отходами (бытовым и строительным мусором) и 2) нерациональное строительство многоэтажных жилых домов.

4. Характер взаимодействия эрозионной опасности и опасности проседания определяется во многом условиями геолого-геоморфологического строения. На территории Саратовского Поволжья, Саратова и его окрестностей карстово-суффозионные процессы образуют бессточные западины разного размера. Сходство в морфологическом выражении карстовых и суффозионных форм связано с тем, что на данной территории проявляется лишь закрытый карст. Карстуются известняки карбона и мел-мергельные породы верхнего мела, перекрытые породами палеогена.

В результате исследований, проводимых на модельных полигонах в районе сел Багаевка и Докторовка, изучены механизмы развития элементов ОБС в связи с карстово-суффозионными процессами. Развитие большинства оврагов на Багаевском полигоне в коренных породах осуществляется за счет осваивания суффозионных воронок, карста сантонских мергелей, ниже - турон-коньякских толщ (мощностью около 1,5 м). Большинство современных оврагов в четвертичных отложениях имеют тенденцию к росту за счет освоения суффозионных воронок. Мощный почвенный покров (до 80 см) образует стенку по краям оврага. Привершинный уступ составляет 2,5-3 м, падающая с этой высоты вода атмосферных осадков образует воронку размыва, от которой вниз по тальвегу оврага развивается врез в толщу гравитационных отложений.

В районе села Докторовка рост оврагов на склонах также осуществляется за счет освоения суффозионных воронок: в верховьях оврага происходит мгновенное проседание, затем атмосферными осадками коллювий размывается и выносится. Подобные суффозионные проявления отмечаются во всем Саратовском Правобережье.

7. Оценка эрозионной опасности на урбанизированных территориях, предупреждение чрезвычайных ситуаций и устранение последствий

Дается описание алгоритма оценки эрозионной опасности на урбанизированных территориях, предупреждения чрезвычайных ситуаций и устранения последствий разрушительной деятельности эрозионных процессов на территории города.

Оценку эрозионной опасности в пределах урбосистем целесообразно проводить по следующей схеме (алгоритму).

1. Изучение геолого-геоморфологических закономерностей и ландшафтно-экологических особенностей развития городской дренажной системы:

- анализ взаимосвязей естественной дренажной сети, системы трещиноватости и других геоэкологических опасностей на основе полевых (маршрутных), картографических (изучения серии крупномасштабных топографических карт за разные годы), космо-аэрофотоматериалов;

- изучение планового рисунка эрозионной сети для определения особенностей развития локальных форм рельефа на различных морфоблоках и геологических структурах;

- реконструирование долинно-балочных палеокомплексов городских территорий с помощью историко-геоэкологических методов;

- исследование разрезов склонов и долин оврагов для выявления особенностей напластования горных пород, техногенного материала, определения их мощностей;

- изучение литологического состава горных пород, выполняющих овражные системы;

- изучение гидрогеологических характеристик и параметров исследуемой территории;

- анализ соответствия геохимических аномалий овражным системам;

- выявление зон комбинированного действия эрозионной опасности и сопутствующих ей геоэкологических опасностей.

2. Изучение влияния геоэкологических особенностей городских территорий на эволюцию долинных комплексов:

- историко-геоэкологическая реконструкция эволюции естественной дренажной сети;

- ландшафтно-экологическая характеристика современного состояния долинной сети и сопряженных бассейнов;

- связь техногенных отложений с проявлением геоэкологических опасностей на урбанизированных территориях (оползневые, просадочные, карстовые процессы);

- анализ приуроченности социально-экологических и медико-экологических проблем населения городских территорий (локальные очаги заболеваемости населения, уровень рождаемости и смертности, уровень преступности и т. п.) к овражным системам.

3. Выявление особенностей взаимодействия и коэволюции естественной и искусственной дренажных сетей урбанизированных территорий:

- анализ соотношения морфометрических и статистических параметров по отдельным эрозионным бассейнам и элементам искусственной дренажной сети;

- создание карт-схем динамики развития естественной и искусственной дренажных сетей урбанизированных территорий;

- изучение нелинейных закономерностей функционирования и эволюции естественной и искусственной дренажных сетей (определение роли самоподобия в развитии дренажных систем, моделирование нелинейными методами их взаимодействия на урбанизированной территории);

- анализ взаимодействия и коэволюции сопряженных факторов развития естественной и искусственной дренажных сетей.

Результатом оценки потенциальной эрозионной опасности стала карта эрозионной опасности территории Саратова (рис. 2), отражающая различия в динамике эрозионных процессов на изучаемой территории. На территории города выделено три района, различающихся по интенсивности и направленности процесса оврагообразования и степени эрозионной опасности: эрозионно неопасные, относительно эрозионно опасные, эрозионно опасные.

В условиях города все природные причины и факторы во много раз усиливаются действиями человека. Поэтому можно утверждать, что наиболее опасными с точки зрения развития эрозии и связанными с ней другими экологически неблагоприятными процессами являются районы города, выделенные на карте эрозионной опасности черным цветом. Это потенциальные области геоэкологического бедствия, сильного негативного воздействия на жизнедеятельность людей, здания и сооружения, коммуникации и другие элементы городской системы.

Рис. 2. Карта эрозионной опасности территории Саратова

Заключение

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Алгоритм оценки потенциальной эрозионной опасности урбанизированной территории определяется комплексом критериев и показателей оценки, реализуется посредством картографического моделирования на основе геоинформационных технологий и состоит из трех основных этапов: выявления и анализа комплекса формирующих и активизирующих факторов эрозионной опасности, а также выявления зон их комбинированного действия; анализа взаимодействия факторов и анализа обратных связей; анализа коэволюции сопряженных факторов (например, «овражно-балочная сеть - разломно-трещинная сеть» и др.). Этапы отработаны на выделенных модельных участках. Оценка эрозионной опасности городских территорий должна проводиться с обязательным учетом комплекса антропогенных факторов.

2. Впервые для изучаемой территории разработан оригинальный алгоритм расчета фрактальной размерности для изучения явления самоподобия планового рисунка эрозионной сети.

3. Адаптирована и апробирована методика модельных аналогов, позволяющая оценивать топологическую структуру долинных комплексов в пределах двух модельных полигонов, включающих сеть долин на урбанизированной и не урбанизированной территориях соответственно.

4. В результате многолетних полевых наблюдений и анализа картографических материалов изучены геоэкологические процессы, сопровождающие развитие овражно-балочной сети на урбанизированной территории Саратова и на модельных полигонах. Прослеживается преобладающая роль антропогенных факторов в проявлении негативных последствий и взаимодействии эрозионных процессов с иными геоэкологическими процессами (оползневым, карстово-суффозионным, процессом подтопления и др.).

5. Анализ особенностей коэволюции естественных и искусственных дренажных систем урбанизированной территории показал сопряженность в плане этапности, событийности и направленности. Влияние урбогенеза на систему «естественная дренажная сеть - искусственная дренажная сеть» можно оптимизировать с помощью предлагаемого автором комплекса последовательных мер, реализуемых через противодействие повышению уровня грунтовых вод; перестройку и укрепление жилых и промышленных зданий и территорий; строительство дренажа и ливнеотводящих коллекторов; разработку комплекса мер по поддержанию и частичному восстановлению природных функций городской овражно-балочной сети.

6. Для изучаемой территории разработаны рекомендации природоохранным службам и муниципальным экологическим комитетам Саратова, Ульяновска и крупных населенных пунктов Саратовской области по мониторингу и прогнозированию динамики развития потенциальной эрозионной опасности.

Литература

1. Экологические опасности Саратовского Поволжья. Интерактивный атлас / А.В. Иванов, И.А. Яшков. - Электрон. текст. и граф. прикладная прогр. (35 Мб). - М.: ООО «МАКС ПРЕСС», 2007.

2. Саратовский научно-образовательный геоэкологический полигон: / отв. ред. А.В. Иванов, В.З. Макаров, А.Н. Чумаченко. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. 286 с. (в соавт. с А.В. Ивановым, В.З. Макаровым, А.Н. Чумаченко, Э.А. Молостовским и др.).

3. Определение фрактальной размерности овражно-балочной сети города Саратова: // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. - 2006. - Т. 14. - № 2. - С. 64-74 (в соавт. с А.А. Короновским, И.М. Минюхиным, А.В. Ивановым).

4. Некоторые аспекты реконструирования и нелинейного моделирования эрозионной сети в геологическом прошлом: // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. - 2007. - Т. 15. - № 3. - С. 87-94 (в соавт. с А.В. Ивановым).

5. Об особенностях взаимосвязи оползневой опасности с трещиноватостью и эрозионными процессами на примере территории г. Саратова: // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 4. - С. 36-41 (в соавт. с А.В. Ивановым).

6. Анализ эрозионной опасности урбанизированных территорий (на примере г. Саратова): // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 5. - С. 121-127 (в соавт. с А.В. Ивановым).

7. К оценке карстово-суффозионной опасности на урбанизированных территориях: // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 5. - С. 130-134 (в соавт. с А.В. Ивановым, А.С. Шешневым).

8. Изучение эрозионной сети с помощью фрактального анализа: // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2005. - Вып. 44. - С. 49-58 (в соавт. с А.В. Ивановым).

9. О развитии взглядов на систему трещиноватости территории Саратова: // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2007. - Вып. 51. - С. 22-32 (в соавт. с А.С. Шешневым, А.В. Ивановым).

10. Естественная и искусственная дренажные сети территории Саратова: современное состояние и соотношение: // Известия Саратовского университета. Серия наук о Земле. - 2008. - Т 8. - Вып. 1. - С. 85-91 (в соавт. с А.В. Ивановым, Г.И. Худяковым).

11. Изучение эрозионной сети с помощью фрактального анализа: // Геологи XXI века: Материалы VI Всерос.й науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 5-7 апреля 2005 г.). - Саратов: Изд-во СО ЕАГО, 2005. С. 149.

12. Функционирование естественной и искусственной дренажной сети территории Саратова (на примере изучения Глебучева оврага): // Геологи XXI века: Материалы VII Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 28-31 марта 2006 г.). - Саратов: Изд-во СО ЕАГО, 2006. С. 118-119.

13. Структурно-функциональный анализ комплексов естественных и искусственных дренажных систем (на примере территории г. Саратова): // Доклады VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (РГГРУ, 10-13 апреля 2007 г.). Изд-во ФГУП ГНЦ РФ - ВНИИгеосистем. С. 201-204 (в соавт. с А.Н. Башкатовым, А.В. Ивановым, С.В. Усагалиевым)

14. ГИС-моделирование естественной и искусственной дренажных систем территории Саратова: // Геологи XXI века: Материалы VIII Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 28-30 марта 2007 г.). - Саратов: Изд-во СО ЕАГО, 2007. С. 61-62 (в соавт. с С.В. Усагалиевым).

15. Развитие взглядов на систему трещиноватости и ее связь с эколого-геологическими опасностями территории Саратова: // Геологи XXI века: Материалы VIII Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 28-30 марта 2007 г.). - Саратов: Изд-во СО ЕАГО, 2007. С. 62-63 (в соавт. с М.В. Купинским, А.С. Шешневым, А.Г. Кузиным).

16. К вопросу о проявлении синергетических эффектов в геолого-географических системах: // Геологи XXI века: Материалы VIII Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов (Саратов, 28-30 марта 2007 г.). - Саратов: Изд-во СО ЕАГО, 2007. С. 64 (в соавт. с Р.И. Баскалем).

17. Структурно-функциональный анализ комплексов естественных и искусственных дренажных систем (на примере г. Саратова): // Геологические науки - 2007: Материалы науч. межвед. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 54 (в соавт. с А.Н. Башкатовым, А.В. Ивановым).

18. Предварительные результаты разработки «фрактально-ячеистой» модели геологического субстрата при оценке эколого-геологических опасностей в городах: // Геологические науки - 2007: Материалы науч. межвед. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 60-61 (в соавт. с А.В. Ивановым).

19. Современные исследования овражно-балочной сети территории г. Саратова: // Геологические науки - 2007: Материалы науч. межвед. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 71.

20. О вероятных аналогиях самоподобных эрозионных структур и кривой Коха: // Материалы VIII междунар. школы «Хаотические автоколебания и образование структур», 9-14 октября 2007. - Саратов. С. 57. (в соавт. с А.В. Ивановым, А.С. Шешневым).

21. Некоторые результаты анализа опыта изучения нелинейных эффектов в развитии оползневых процессов: // Материалы VIII междунар. школы «Хаотические автоколебания и образование структур», 9-14 октября 2007. - Саратов. С. 94. (в соавт. с А.В. Ивановым, И.С. Ремпен, С.В. Федоровой).

22. Нелинейные свойства оползневых объектов (на примере территории Саратова): // Материалы VIII междунар. школы «Хаотические автоколебания и образование структур», 9-14 октября 2007. - Саратов. С. 95. (в соавт. с А.В. Ивановым, А.А. Короновским, С.В. Федоровой, С.А. Шурыгиной).

23. Предварительные результаты разработки «фрактально-ячеистой» модели геологического субстрата при оценке эколого-геологических опасностей в городах: // Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей: сб. науч. материалов / под ред. Д.В. Михеля, А.В. Иванова, Т.Ю. Гроздовой. - Саратов: Наука, 2007. - С. 29-30 (в соавт. с А.В. Ивановым).

24. Опасность потенциального проседания на территории Саратова: // Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей: сб. науч. материалов / под ред. Д.В. Михеля, А.В. Иванова, Т.Ю. Гроздовой. - Саратов: Наука, 2007. - С. 31-32 (в соавт. с А.С. Шешневым, А.В. Ивановым).

25. Эколого-геологическая опасность развития и функционирования эрозионной сети территории Саратова: // Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей: сб. науч. материалов / под ред. Д.В. Михеля, А.В. Иванова, Т.Ю. Гроздовой. - Саратов: Наука, 2007. - С. 32-34 (в соавт. с А.Н. Башкатовым, А.В. Ивановым).

26. Предварительные результаты эколого-геологических исследований модельного полигона в поселке Поливановка г. Саратова: // Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей: сб. науч. материалов / под ред. Д.В. Михеля, А.В. Иванова, Т.Ю. Гроздовой. - Саратов: Наука, 2007. - С. 36-37 (в соавт. с А.В. Ивановым, В.Б. Сельцером, О.Д. Смилевцом, А.С. Шешневым, С.А. Браташовой, В.А. Барановым).

27. Предварительные результаты комплексной экологической оценки комфортности проживания населения города Саратова: // Наука, власть и общество перед лицом экологических рисков и опасностей: сб. науч. материалов / под ред. Д.В. Михеля, А.В. Иванова, Т.Ю. Гроздовой. - Саратов: Наука, 2007. - С. 58-59 (в соавт. с Б.И. Кочуровым, А.В. Ивановым, В.А. Лобковским, Д.З. Гридневым).

28. Анализ пространственно-временных изменений городской естественной и искусственной дренажных сетей по серии карт (на примере Саратова): // Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт: Материалы междунар. конф. Саратов - Урумчи, 2008. Т. 1. С. 204-208 (в соавт. с А.В. Ивановым, А.С. Шешневым).

29. Специфика анализа территории потенциальной застройки в геоэкологически проблемных зонах (на примере Глебучева оврага г.Саратова): // Проблемы синергетики и коэволюции геосфер: Материалы Всерос. науч. симпозиума. Саратов: Изд-во Сарат. ин-та РГТЭУ, 2008. С. 143-146 (в соавт. с А.В. Ивановым, А.Н. Маликовым, А.Г. Агиянцем, А.С. Шешневым).

30. Опыт коэволюционного анализа естественной и искусственной дренажных систем (на примере г. Саратова): // Проблемы синергетики и коэволюции геосфер: Материалы Всерос. науч. симпозиума. Саратов: Изд-во Сарат. ин-та РГТЭУ, 2008. С. 203-205 (в соавт. с А.В. Ивановым).

31. Definition of the fractal dimension of Saratov ravine network: // The 6-th International Conference «Problems of Geocosmos». - St. Petersburg, Petrodvorets, 23-27 May, 2006. P. 159-160 (Co-authors: A.A. Koronovskiy, I.M. Minyuhin, A.V. Ivanov).

Размещено на Allbest.ru