Флювіальні геоморфосистеми: геоінформаційне моделювання водозбірної організації рельєфу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Флювіальні геоморфосистеми: геоінформаційне моделювання водозбірної організації рельєфу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора географічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Рельєф значної частини території України є закономірним поєднанням форм ерозійно-акумулятивного (флювіального) генезису. При всій детальності й змістовності проведених раніше досліджень флювіального рельєфу та гідрологічного режиму водозбірних басейнів: 1) вони переважно мали самостійне предметне спрямування, що не могло не впливати негативним чином на адекватність висновків щодо функціонування й розвитку цілісної гідролого-геоморфологічної системи водозбору, та взагалі залишало поза розглядом, з одного боку, емерджентні властивості останньої - безумовні чинники просторової водозбірної організації флювіального рельєфу (ФР), а, із іншого боку - наслідки цієї організації; 2) відповідно до цього системоутворюючі відношення між рельєфом та гідрологічним режимом водозборів розглядалися лише на досить загальних принципах; 3) через причини, вказані вище, існуючі приклади визначення ієрархічних типів та зразків сумісної просторової організації рельєфу і гідрологічного режиму носили, певною мірою, еклектичний характер; 4) переважно розглядався тільки гідрологічний відгук річкових басейнів на певні метеоявища, й лише в окремих випадках (І. Ковальчук, 1992; 1997; та деякі інші) досліджувався відгук-реакція гідролого-геоморфологічних систем водозборів на комплексні зміни в їх середовищі через техногенний фактор та низку природних чинників; 5) в багатьох геоморфологічних й геоекологічних дослідженнях останніх трьох десятиріч розглядався вплив рельєфу на екосистеми переважно в наступних масштабах: на нано-, мікро - та мезорівні у той час, коли топорівню - масштабу водозбірного басейну приділялося значно менше уваги; 6) визначені вище обставини обумовлювали відсутність теоретичних підвалин адекватного геоінформаційного моделювання водозбірних басейнів.

Інтенсивна розробка та впровадження геоінформаційних систем (ГIС) і технологій пов'язані із зручністю їх використання у багатьох сферах практичної діяльності. Адекватність та ефективність (а часто - й грошова вартість) звичайних польових досліджень річкових та яружно-балкових водозборів із подальшим традиційним картографуванням результатів однозначно програватимуть ефективному застосуванню ГІС. Дотепер в Україні бракувало оригінальних вітчизняних розробок в галузі ГІС-технологій та систем щодо дослідження, моделювання та менеджменту водозбірних басейнів, що значною мірою було зумовлено відсутністю відповідного теоретичного підґрунтя.

Сутність процесів флювіального рельєфоутворення вимагає їх дослідження в рамках лімітрофної (між флювіальною геоморфологією та гідрологією) предметної галузі. Морфологія поверхні флювіального геоморфологічного об'єкта - водозбірного басейну - та його гідрологічний режим складно пов'язані одне із іншим саме через геоморфологічні процеси. Концептуальною особливістю водозборів як об'єктів вивчення є те, що вони виступають єдиним функціональним цілим у той час, коли особливості їх поверхні і процесів, що на ній відбуваються, мають досить різноманітні просторові зміст і відображення. Дослідницький досвід свідчить, що проблеми довкілля та життєдіяльності людини на територіях поширення флювіальної морфоскульптури у просторовому аспекті можуть успішно вирішуватися через впровадження підходів, що базуються на водозбірних басейнах як на гідролого-геоморфологічних об'єктах вивчення та одиницях тематичного картографування. Такий підхід, притаманний цьому дослідженню, є його першою характерною особливістю. Повний дослідницький цикл - від концепції до її реалізації сучасними засобами - можна вважати другою визначальною рисою цієї роботи.

Сукупність вказаних вище проблемних питань зумовила постановку задач даного дослідження, у центрі уваги якого є розробка концепції багатофункціональних моделей водозбірної форми флювіального рельєфу.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження безпосередньо пов'язане із міжнародним проектом Tempus Tasis Project CD-JEP 21242-2000/Ukr (2001-2004 рр.) та держбюджетними НДР за планом МОН України. Останні під керівництвом автора вже більш ніж 10 років виконуються на кафедрі географічного моніторингу і охорони природи Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Це наступні НДР, які повністю відповідають предметній галузі даного дисертаційного дослідження: 1996-97 рр. - «Вивчення впливу структури річкових басейнів через фрактальну розмірність ерозійних мереж на саморозвиток й саморегулювання процесів ерозії-акумуляції на водозборі» (№ держреєстрації 0197U008093); 1998-99 рр. - «Вивчення структури річкових басейнів й фрактальної розмірності ерозійних мереж у цілях розробки геоінформаційних технологій та систем» (№ держреєстрації 0198U005323); 2000-2001 рр. - «Розробка концептуальної моделі діючого модуля геоінформаційної системи для цілей природоохоронного менеджменту у межах водозбірних басейнів» (№ держреєстрації 0100U003322); 2002-2003 рр. - «Розробка геоінформаційних технологій моделювання несприятливих екзогенних процесів на річкових та яружно-балочних водозборах для цілей географічного моніторингу» (№ держреєстрації 0102U000348); 2004-2006 рр. - «Розробка методів та алгоритмів геоінформаційного моделювання ерозійних процесів для картографування і прогнозу природно-антропогенної ерозії» (№ держреєстрації 0104U000657).

Метою дисертаційного дослідженні є теоретичне обґрунтування, методичне забезпечення, реалізація й апробація концепції геоінформаційного моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу. Мета досягається через подання й візуалізацію геоморфологічного й гідрологічного середовищ водозбору як його цілісної гідролого-геоморфологічної системи для подальшого аналізу функціональності останньої в анізотропному просторово-часовому континуумі земної поверхні. Водозбірний басейн та його гідролого-геоморфологічна система складають об'єкт дисертаційного дослідження. Властивості даного об'єкта, що подають: обмежене ціле на земній поверхні, в якому базові гідролого-кліматичні показники можуть бути виміряні, а морфологія поверхні - однозначно описана, та системне утворення, функціонування якого може бути оцінено релевантними методами, забезпечують об'єктивні критерії для визначення транзитивного (між геоморфологією та гідрологією) предмета дослідження - флювіальної геоморфосистеми. Остання виступає моделлю реально існуючої геосистеми, певної онтологічної сутності - гідролого-геоморфологічної системи водозбору (ГГСВ), елементи якої поєднуються в просторово-функціональне ціле через гідролого-геоморфологічний процес. В роботі наголошується на тих аспектах транзитивного предмета дослідження, які має вивчати саме флювіальна геоморфологія, а гідрологічна складова єдиного гідролого-геоморфологічного процесу розглядається виключно як домінантний чинник формування флювіального рельєфу та фактор його водозбірної організації.

Для досягнення мети дослідження послідовно вирішувалися наступні завдання (кожному відповідають один або два змістовних розділи роботи):

1) огляду існуючих підходів до дослідження рельєфу й гідрологічного режиму річкових та яружно-балкових басейнів через комп'ютерне моделювання й ГІС-засоби, та оцінювання ролі водозборів у просторово-функціональній організації флювіального рельєфу (розділи 1, 2);

2) з'ясування з позицій флювіальної геоморфології ролі водозбору як «природного організму» ерозійно-акумулятивного рельєфу: визначення тих особливостей емпіричного об'єкта дослідження, які зумовлюють можливість відбиття й візуалізації в предметі дослідження водозбірної організації ФР (не розділяючи окремо організаційні й самоорганізаційні механізми формування останнього), та обґрунтування поняття гідролого-геоморфологічної системи водозбору (розділ 3);

3) обґрунтування й реалізації імітаційних моделей рельєфу й гідрологічного режиму та концепції геоінформаційної моделі водозбору (розділ 4);

4) розроблення та впровадження просторового гідролого-геоморфологічного аналізу (ПГГА) водозбірної організації ФР через геоінформаційне моделювання, зокрема через: модель морфології й морфометрії поверхні водозбору (розділ 3, 4); математичну модель автоматизованого подання флювіального рельєфу (розділ 5); оптимізовані моделі стільникового автомата щодо комплексного моделювання рельєфу та гідрологічного режиму (розділ 5); розподілені гідрологічні моделі екстремального стоку й розрахунки поверхнево-схилової та руслової ерозії, тобто через кількісну оцінку рельєфоутворюючої складової гідролого-геоморфологічного процесу (розділи 5, 6);

5) запровадження гідролого-геоморфологічного підходу (на міжрегіональному рівні) через інтерпретацію результатів геоінформаційного моделювання водозбірної організації рельєфу для кількох тестових водозборів, що перебувають в різних ландшафтних умовах (розділ 6, додаток А);

6) визначення об'єктивних обмежень й перспективних напрямків вдосконалення геоінформаційного моделювання із безпосередньою реалізацією одного з них - формалізації менеджменту водозборів через гідролого-геоморфологічний аналіз (розділ 7);

7) розробки оригінального програмного забезпечення для моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу й візуалізації результатів (додаток Б).

Методи дослідження й фактичний матеріал. Складовою мети роботи є розробка оригінальної методології гідролого-геоморфологічного підходу до дослідження водозбірної організації флювіального рельєфу, що зумовило необхідність розроблення новітніх методичних рішень. Вирішення дослідницьких завдань спиралося на такі загальнонаукові та предметні підходи і методи (із обов'язковими посиланнями на відповідних авторів, серед яких В.О. Боков, К.І. Геренчук, М.І. Дмитрієв, О.М. Князєва, І.П. Ковальчук, О.В. Кошкарьов, С.П. Курдюмов, Л.С. Кучмент, О.М. Ласточкін, С.В. Лютцау, М.І. Маккавєєв, О.М. Маринич, С.С. Маханов, В.П. Палієнко, О.В. Поздняков, І.Р. Пригожин, А.В. Огієвський, Ю.Г. Сімонов, В.С. Тікунов, І.Г. Черваньов, Г.І. Швебс, A. Abrahams, T.J. Coulthard, W. Elliot, G. Foster, J. Flint, R. Horton, A. Howard, M.J. Kirkby L. Leopold, R. Rice, R. Shreve, J. Smart, D. Smith, A. Strahler, R. Shreve, W. Wishmeier та інші):

Ч загальна теорія систем й синергетичний підхід - завдання 1, 2;

Ч структурний аналіз рельєфу - завдання 1, 2, 4, 7;

Ч дослідження самоорганізації й динаміки рельєфу - завдання 1, 2,

Ч загальна теорія геосистем, геотопологічний й морфодинамічний аналіз - завдання 1, 2, 7;

Ч регіональний геоморфологічний аналіз - завдання 1, 2, 5;

Ч дослідження флювіального геоморфогенезу - завдання 1-4;

Ч комплексний аналіз топології, морфології, морфометрії поверхні водозборів, мереж рельєфу й енергетики територій поширення ФР - завдання 2, 3;

Ч регіональний еколого-геоморфологічний аналіз - завдання 5, 6;

Ч моделювання у фізичній географії й геоморфології - завдання 1, 4;

Ч розподілене гідрологічне моделювання - завдання 4, 5, 7;

Ч геоінформаційне моделювання й комп'ютерне картографування - завдання 1, 4, 6, 7;

Ч оцінка ерозії - завдання 4, 5.

В дисертаційному дослідженні також безпосередньо використовувалися наступні загальнонаукові методи: математичного й чисельного моделювання, статистичного аналізу й просторової статистики, прогнозного аналізу і районування, тематичного картографування й картометрії. Емпіричною підвалиною дослідження були: результати експедиційних польових робіт НДЧ Харківського університету в басейнах рр. Дніпро (водозбір Прип'яті), Сіверський Донець й Чорна (Південно-Західний Крим), в яких автор приймав безпосередню участь; фондові матеріали з геоморфології й гідрології окремих частин водозборів річок Дніпро, Сіверський Донець і всього водозбору р. Чорна; дані в електронному форматі для побудови цифрових моделей місцевості й баз даних деяких інших водозборів, що розташовані в різних ландшафтних умовах.

Наукова новизна дослідження визначається положеннями, які відображають різні аспекти предмета захисту:

· на теоретичному й методологічному рівнях:

1) згідно з сучасними вимогами структурного й морфологічного аналізу земної поверхні, обґрунтовано концепцію водозбірної організації ФР, інваріантної щодо масштабу досліджень; ця концепція є теоретичним підґрунтям подальшого моделювання флювіального рельєфу;

2) представлений опис флювіального рельєфу як підсистеми, що знаходиться в стані сталої неврівноваженості та належить до гідролого-геоморфологічної системи водозбору - реально існуючої геосистеми, рекурентного утворення вищого текстурного рівня; доведено, що в підсистемі флювіального рельєфу узгоджуються процеси енерго-масопереносу завдяки сталій єдності функціонального, топологічного й планіметричного інваріантів рельєфу, тобто, завдяки внутрішній формі організації цієї підсистеми - її структурі;

3) виявлено, що феномен подібної єдності обумовлений як станом сталої неврівноваженості підсистеми рельєфу, так і належністю цієї підсистеми до гідролого-геоморфологічної системи водозбору; визначено, що у вказаному полягає сутність водозбірної організації флювіального рельєфу;

4) поглиблені знання про процес флювіальне рельєфоутворення як гідролого-геоморфологічний процес, зумовлений єдністю рельєфу і поверхневого стоку; доведено, що взаємодії у двокомпонентній системі «морфологія поверхні - водний потік» впорядковуються за правилами процесу саморегулювання, який можна моделювати на підставі роботи стільникового автомата; поглиблені уявлення про необхідність відокремлення внутрішньосистемних змін у флювіальному рельєфі, які спричиняються гідролого-геоморфологічним процесом, від позасистемних змін, зумовлених зовнішніми чинниками;

5) на підставі положень 1-4 вперше розроблена цілісна концепція геоінформаційного моделювання водозбірної організації ФР; дана концепція спрямована на просторовий аналіз структури й функціональності підсистеми ФР;

6) обґрунтовано, що історико-генетичне пояснення довготривалої еволюції водозборів у регіональному аспекті необхідно доповнити вивченням їх гідролого-геоморфологічних систем, зокрема, через геоінформаційне моделювання;

7) вперше введені й обґрунтовані поняття: «комплексного гідролого-геоморфологічного відгуку водозбору» на зміни в характері зовнішніх чинників розвитку й функціонування; «чутливості ГГСВ», яка певною мірою зумовлює цей відгук; обґрунтована дефініція ефективності гідролого-геоморфологічної системи водозбору як єдиної об'єктивної характеристики здатності річкового басейну виконувати свою основну ландшафтну функцію; виявлено, що взаємозв'язаною сукупністю понять «відгук водозбору - чутливість / ефективність його ГГСВ» може бути описана поведінка підсистеми флювіального рельєфу, тобто зовнішня форма її організації - текстура;

8) окреслена перспектива становлення новітньої предметної галузі - геоморфологічної інформатики;

· на методичному рівні:

9) обґрунтовані уявлення про те, що модель флювіального рельєфу має бути адекватною його ієрархічній організації, відображаючи у цілісному комплексі структуру й текстуру ФР, а також гідролого-геоморфологічний процес; доведено, що лише у такому разі ця модель забезпечує розв'язання найактуальніших завдань сучасного інвайронментального менеджменту;

10) вперше узагальнені існуючі концепції й запропонована оригінальна методична послідовність розробки геоінформаційної моделі водозбору;

11) обґрунтовано розробку розподілених гідрологічних моделей на підставі прийняття до уваги цілісного комплексу параметрів ГГСВ;

12) визначена адекватність застосування загальнонаукового методу прогнозного аналізу для геоекологічного районування деревної рослинності і прогнозування поширення зливової ерозії на підставі морфолого-морфометричних атрибутів рельєфу;

· в прикладному й регіональному аспектах:

13) створено й апробовано в різних природних умовах помірних широт оригінальні ГІС-технології;

14) вперше виконане геоінформаційне моделювання різноманітних характеристик тестових річкових та яружно-балкових водозборів, що знаходяться у різних ландшафтно-географічних умовах (Україна - басейни рр. Прип'ять, Сіверський Донець, Оскіл, Чорна, окремі водозбори Східних Карпат; Російська Федерація - басейни рр. Північна Двіна, Сейм, Оскіл, окремі водозбори Передкавказзя й Північного Кавказу; США - пригирлова частина басейну р. Сіетл і верхів'я басейну р. Колорадо);

15) вперше обґрунтовано формалізацію процедур менеджменту водозбірних басейнів на підставі просторового гідролого-геоморфологічного аналізу.

Практичне значення результатів дослідження полягає в теоретичному обґрунтуванні, розробленні і наступній апробації концепції геоінформаційного моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу. Апробація концепції виконувалася, зокрема, через розробку (вперше в Україні) програмного забезпечення для моделювання і дослідження водозбірних басейнів. Результати, висновки й пропозиції роботи є повністю готовими дослідницькими засобами для вирішення завдань у наступних предметних галузях: автоматизований кадастр земельних ресурсів; менеджмент водозбірних басейнів взагалі й водних ресурсів зокрема; планування протиерозійних заходів на сільськогосподарських угіддях і прогноз водної ерозії; геоекологічне і природоохоронне районування та картографування через ГІС-засоби; лісомеліорація; географічний та геоекологічний моніторинг зон забруднень.

Основний зміст роботи

геоморфологічний гідрологічний водозбір

Перший розділ дисертаційного дослідження «Геоінформаційні моделі в геоекології, геоморфології та гідрології» відкриває першу частину роботи - «Досвід попередніх досліджень», яка включає, по-перше, критичний аналіз застосування геоінформаційних систем і технологій у вказаних предметних галузях, а, по-друге - містить детальніший огляд існуючих теоретичних та методологічних розробок щодо досліджень флювіальних геоморфосистем і моделювання річкових та яружно-балкових водозборів. Перша частина роботи поглиблює уяву про те, що морфологія флювіального рельєфу водозборів є домінуючим фактором руслового i поверхневого водного стоку, а тому вона може виступати критерієм як гідрологічного, так i геоекологічного (ландшафтного) районування. Межі ж ландшафту розглядаються як прямий результат просторових закономірностей формування ФР i гідрологічного режиму території (И. Черванев, 1983; A. Abrahams, 1985; Симонов Ю., Кружалин В., 1992). Ці межі за певних умов можна приймати результатом функціонування природних дисипативних структур (Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, 1994; П.И. Пригожин, И. Стенгерс, 2003; И. Черванев, А. Боков, 2003).

У першому розділі підкреслюється, що через неможливість безперервного вивчення геоморфологічних процесів, оскільки вони відбуваються тривалий час, нерівномірно й диференційовано, суттєвим засобом їх пізнання вважаються відповідні моделі, у тому числі геоінформаційні. Взаємопов'язані питання охорони довкілля, екологічної геоморфології та геоекологiї за своєю суттю є достатньо багатогранними й передбачають прийняття до уваги багатьох ландшафтних процесів, а тому вирішення відповідних наукових завдань неможливе без застосування новітніх засобів дослідження - геоінформаційних систем.

Ретроспективний аналіз комп'ютерного моделювання у фізико-географічних і геоморфологічних дослідженнях доводить, що воно було передумовою, передвісником й попередником сучасного геоінформаційного підходу. Щодо моделювання у фізичній географії, геоекології, геоморфології й гідрології автором відокремлюються три наступні групи моделей: 1) моделі «чорної шухляди», 2) моделі процесу, 3) моделі балансу мас й енергетичного балансу і 4) стохастичні моделі.

На підставі огляду робіт із геоінформаційних систем і технологій (C. Tomlin, 1990; А. Кошкарев, В. Тикунов, 1993; М. ДеМерс, 1999; Э. Митчел, 2000; М. Зейлер, 2004; Р. Томплинсон, 2005; Дж. Кларк, Б. Бут, 2005) був зроблений висновок про неповноту вирішення питань класифікації базових ГІС-операцій, які стосуються просторового моделювання більшості геоморфологічних феноменів. Тому була запропонована наступна авторська класифікація: 1) операції з базами релевантних даних - базові функціонально-аналітичні операції ГІС, що передбачають процедури збереження, обробки та аналізу як просторових, так і непросторових даних; 2) операції, які впроваджують процедури обробки та аналізу окремих шарів просторових даних; 3) операції, які передбачають обробку та аналіз множинних (складних) шарів просторової інформації. Загальна схема класифікації аналітичних функцій ГІС, застосовуваних для вирішення геоекологічних.

Другий розділ роботи «Досвід вивчення і моделювання водозбірних басейнів» стосується подання водозбору як інформаційного утворення і розгляду методичного інструментарію, що використовується в евристичному моделюванні флювіального рельєфу водозборів. Робиться огляд робіт, у яких характеризуються топологічні, метричні й ангулярні (характерні кути поєднання елементів мережі в плані) властивості мережі флювіального рельєфу.

На підставі аналізу поглядів, які містять посилання на широке коло практичних задач (P. Burrough, 1994; M. Goodchild, 1996; В. Цвєтков, 1998; W. Dietrich, D. Montgomery, 1998; М. Зейлер, 2004), зроблено висновок, що водозбір як просторовий об'єкт задовольняє основним вимогам щодо структуризації просторової інформації.

Визначальну рису ФР відображає єдиний генетичний ряд форм, створених постійними і тимчасовими водотоками, а єдність ерозійно-акумулятивного процесу в межах флювіальних форм різного рангу є головною передумовою застосування системної методології до вивчення ерозійно-акумулятивного рельєфу. Існування протягом вже більш ніж трьох десятиріч досить значного числа досліджень, які використовують системні принципи, дозволяє говорити про наявність передумов формування сталого наукового напрямку в геоморфології - системно-функціонального підходу.

Флювіальні мережі постійних і тимчасових водотоків та вододільні мережі мають виражене відображення в географічному ландшафті. Дослідження цих мереж є основним елементом впровадження системного підходу до пізнання флювіального рельєфу. Р. Хортоном (1946) були вперше подані кількісні закономірності просторового поєднання елементів різного порядку на реальному рельєфі - порядкового бонітування (ПБ), розвинуті А. Стралером (1952), Р. Шрівом (1966) та Дж. Смартом (1968). Визначені закономірності у подальшому неодноразово відзначалися присутніми у певній мірі не тільки у мережах постійних водотоків, але і у всьому морфологічному різноманітті водноерозійного рельєфу. Мережі вододілів та струмкові мережі первинного стоку є окремими об'єктами дослідження. Наприклад, існують топологічні й геометричні моделі вододільних мереж.

Групи властивостей мережі рельєфу розглядаються через категорії «топологія рельєфу», «метрика» та «ангулярність рельєфу» як через дефініції, тотожні поняттям відповідних властивостей тієї мережі, яка подавалася в якості предмета моделювання структурною мережею флювіального рельєфу, чим підкреслювалося її місце в структурі геоморфологічної системи (С. Костріков, 1992). Типізація структурних елементів рельєфу полягає у визначенні структурних ліній, ланок та ланцюгів. Будь-яка структурна ланка рельєфу (СЛК), яка витікає з структурного вузла рельєфу (СВР), відповідного розгалуженню реальної руслової мережі, буде внутрішньою структурною ланкою (ВСЛК), а та, що витікає із якоїсь вершини мережі рельєфу, яка відповідає витоку (джерелу) - зовнішньою структурною ланкою (ЗСЛК). Повна схема визначення структурних ланок (зовнішніх і внутрішніх) мережі рельєфу подається в таблиці, яка віддзеркалює сучасне поглиблення наших уявлень про типізацію структурних ланок рельєфу. Нами було доведено, що співвідношення між числом СЛК різного типу в мережі рельєфу (МР) водозбору відображають просторову диференціацію інтенсивності ерозійно-акумулятивного процесу та особливості його розвитку в різні проміжки часу. Основним регулюючим фактором тут виступає необхідність супідрядності водозбірних площ, які дренуються елементами мережі, що відповідають ланкам різного типу.

Через введення метрики, відношення елементів мережі флювіального рельєфу вже розглядаються в рамках об'ємної моделі. Таким чином, метрика рельєфу зумовлює характеристики його внутрішньої геометрії - власне сукупність метричних властивостей МР, і характеристики зовнішньої геометрії - об'ємну модель (И. Черванев, 1987). Виникають умови запровадження морфометричного аналізу флювіального рельєфу. Так, при визначенні ухилів елементів мережі в рамках цього аналізу виникає необхідність визначення об'єднуючої характеристики між морфологією поверхні і геометрією рельєфу. Причому метрика і топологія ФР аналізуються як узяті разом. Наприклад, значення середніх довжин елементів рельєфу кожного порядку у даній мережі ми одержували за результатами їхньої топологічної типізації, переписавши відому залежність Дж. Смарта (1968) у наступний вираз:

, = 2, 3,…, (1)

де - середнє значення довжин ВСЛК, - число структурних ліній порядку i і - порядок мережі рельєфу водозбору (С. Костриков, 1992).

Ангулярні властивості мережі рельєфу є її узагальнюючими характеристиками, що визначаються закономірностями будови мережі. Модель ангулярності Р. Хортона - А. Ховарда була нами оптимізована через введення безрозмірних топологічних показників б й в, які залежать від середнього ухилу та магнітуди даної сукупності елементів мережі.

У другому розділі доводиться, що серед моделей флювіальних мереж доцільно виділяти та окремо розглядати 1) моделі руслових мереж, 2) моделі вододільних мереж і 3) моделі флювіальних мереж первинного стоку. Кожний з трьох класів моделей адекватно описує певну ланку гідролого-геоморфологічного процесу, а саме визначення мережі є необхідною і, в багатьох випадках, достатньою умовою реалізації системного підходу до вивчення флювіального рельєфу.

Друга частина дисертаційного дослідження «Методологічні засади геоінформаційного моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу» складається з третього й четвертого розділів. У третьому розділі дисертації «Водозбірний басейн як об'єкт гідролого-геоморфологічного аналізу» виокремлюються об'єкт і предмет дослідження, що у подальшому визначає зміст й обґрунтованість отриманих результатів. Подаються теоретичні підвалини взаємодії двох складових гідролого-геоморфологічної системи водозбору - рельєфу і гідрологічного режиму - та розглядаються особливості гідролого-геоморфологічного відгуку (ГГВ) водозбірних басейнів на зміну характеру і ступеня впливу зовнішніх факторів. Доводиться чому, геоморфологічне середовище водозбору має бути візуалізоване як система, наприклад, флювіальна геоморфосистема.

Різнопорядкові басейни мають різний ступінь сталості відносно зовнішніх факторів. У той самий час морфосистеми різного порядку відображають вплив різних чинників свого функціонування (Н. Маккавеев, 1970). Таке функціональне значення елементів структури флювіального рельєфу дозволяє говорити про останню як про єдиний топологічний, планіметричний і функціональний інваріант. Планіметричний інваріант розглядається сталим по відношенню до геометричних перетворень поверхні, яка відображає форми рельєфу. Топологічний - до будь-яких неперервних перетворень загальних властивостей цієї поверхні. Функціональний інваріант є таким, що проявляє свої властивості при наявному взаємо-однозначному відображенні двох морфосистем і полягає в збереженні всього змісту структури цих систем - топології, впорядкованості та геометрії. Якщо замість двох систем розглядати два стани однієї динамічної системи з лагом за часом, тоді інваріант буде відображати явище функціонального автоморфізму, а структура - забезпечувати цілісність системи і тотожність її самій собі.

Навіть за умовами застосування сучасних методів дослідження до значних обсягів наявної первинної інформації, розподіл на організаційні та самоорганізаційні геоморфосистеми неможливо зробити, оскільки не є можливим розподіл таких геоморфосистем на два окремі типи структурної геоморфологічної впорядкованості. Тому ми сприймаємо водозбірну організацію флювіального рельєфу лише як візуалізоване подання гідролого-геоморфологічної системи водозбору - рекурентного квазітелеологічного утворення. Доведено, що геоінформаційна модель ГГСВ є моделлю певної онтологічної сутності (матеріального об'єкта), природної системи, елементи якої поєднуються у просторово-функціональне ціле через гідролого-геоморфологічний (флювіальний) процес як генетичний різновид загального процесу рельєфоутворення. Гідролого-геоморфологічна система водозбору має підкорятися дії «геогенетичного закону Д.В. Рундквіста» (А. Щербаков, 1990), який щодо неї ми формулюємо наступним чином: фази розвитку різнопорядкових субводозборів (СВЗ) у великому басейні можуть слідувати лише в еволюційно й функціонально закріпленій послідовності; кожний СВЗ має повторювати еволюційні етапи всього басейну, але, можливо, з дуже швидким їх проходженням або з еволюційно закріпленою відсутністю певних етапів.

Перша з двох складових ГГСВ (рельєф) в рамках зворотних системних зв'язків впливає на другу (гідрологічний режим), і тому має місце наступний причинно-наслідковий ряд: антропогенний вплив на природний ландшафт, що виявляється у формі порушення та перетворення первинного рельєфу (наприклад, сільськогосподарська ерозія, відкрита розробка корисних копалин, промислове та громадське будівництво) => зміни в гідрологічному режимі водозбору (річкового або яружно-балочного) => зміни у первинних екосистемах. Кожний ступінь цього ряду спричиняє певні характеристичні зміни в реально існуючій геосистемі водозбору, які мають об'єктивно відбиватися в транзитивному предметі дослідження - флювіальній геоморфосистемі (ФГМС). Вказаний причинно-наслідковий ряд подає гідролого-геоморфологічний процес як провідний чинник ландшафтних змін.

Однією з підвалин визначення ГГСВ є роль водозбору як гідролого-геоморфологічної одиниці (ГГО) географічного ландшафту. Відомі співвідношення формального опису флювіальних мереж («Закони Хортона - Шумма» та інші) відображають лише імовірнісні тенденції, і саме тому більш-менш суттєві відхилення від них повинні мати місце при маршрутизації стоку на реальній мережі рельєфу кожного окремого водозбору. Величини ймовірностей відхилення емпіричних значень від розрахункової лінії регресії на графіку log N_i по i, де N є числом русел порядку i, суттєво обмежуються деревоподібною топологією самої руслової мережі і, більш того, згідно з Р. Шрівом (1966), ці показники можуть бути прораховані майже напевно, якщо відома кількість зовнішніх руслових ланок і порядок головного русла усієї мережі. Із викладеного випливає необхідність не тільки визначення властивостей мережі й морфології ФР, які впорядковані через водозбірну організацію рельєфу, але й адекватного моделювання еволюції флювіальної поверхні, котрій притаманний феномен такої організації, і на цій поверхні відбувається гідролого-геоморфологічний процес. Така задача вирішувалася через формалізоване моделювання еволюційно-послідовного стану окремих ділянок поверхні водозбору. Отримані результати цього моделювання відбивають лише перший аспект значення водозбору як ГГО. Другим таким аспектом є взаємозв'язок морфології поверхні із поверхневим нерусловим і підповерхневим стоком. Вплив характерної морфології на формування стоку означає зумовленість гідрологічної гетерогенності водозбору його геоморфологічною гетерогенністю, а також підкреслює єдність басейну як гідролого-геоморфологічної одиниці. Формальний опис маршрутизації стоку як наслідку геоморфологічної гетерогенності може бути підставою вирішення зворотної задачі - формалізації опису гідрологічної гетерогенності басейну через розрахункові характеристики водозбірної організації ФР. Цей другий аспект розгляду водозбору також передбачає використання низки дескриптивних характеристик, як, наприклад, глибина фронту зволоження H_S(t), м, глибина рівня ґрунтових вод H_W(t), м, та деякі інші подібні параметри.

Треба окремо розглядати наслідки зміни масштабу вивчення водозборів - гідролого-геоморфологічних одиниць, бо якщо масштаб дослідницького об'єкта змінюється від ділянки схилу до повного окремого схилу і аж до сукупності схилів, чи від невеличкого (яружно-балкового) водозбору до більшого (річкового), то навіть за умовою розгляду цих процесів за незначний проміжок часу рівень їх розуміння суттєво знижується. У вказаному відношенні був проаналізований ряд факторів, які контролюють процес маршрутизації поверхневого стоку відповідно до трьох рівнів дослідження - послідовно у масштабі: 1) окремої дослідницької ділянки (приблизно 50 м², стоковий майданчик); 2) окремого дослідницького полігону (~ кілька сотень м²); 3) всього водозбірного басейну - яружно-балкового (кілька км²) або річкового (кілька десятків км² й більше).

Результати аналізу використовувалися для визначення перспективних щодо вивчення гідролого-геоморфологічного відгуку водозборів дослідницьких підходів, які також пов'язані із масштабом досліджень: 1) просторово-часовим заміщенням - ергодичний підхід; 2) вивченням інтенсивності ерозійних процесів на підставі аналізу динаміки витрат наносів і характеру відкладень еродованого матеріалу; 3) повторними спостереженнями через певні проміжки часу. Кожний із вказаних підходів був реалізований із застосуванням емпіричних даних, зібраних автором в ході польових досліджень у басейні р. Сіверський Донець.

Заключним етапом досліджень відгуку водозборів була побудова цифрової моделі рельєфу та її обробка в авторському пакеті програмного забезпечення (ПЗ) для геоінформаційного моделювання. Моделювався вплив екстремальної повені (0,1% забезпеченості) на місцеположення головного русла і всієї мережі трьох водозбірних площ - Оскільця, верхів'їв р. Оскіл і частини водозбору р. Чуфічевка. Порівнювалися два змодельованих стани рельєфу і гідрологічного режиму цієї території - за нормальними умовами і за умовами серії екстремальних весняних повеней через підвищення середньої висоти снігового покриву при звичайних його висотах 30 см до 80 см. Допускалося, що серія повеней мала б місце у період, який відповідає часовому лагу повторних спостережень, за станом мережі і морфології рельєфу та гідрології водозбору (впродовж майже 60 років), дані яких були проаналізовані в рамках третього дослідницького підходу. За результатами моделювання встановлено, що накопичення кількісних змін у впливі зовнішніх чинників врешті-решт призводить до якісної перебудови морфології поверхні водозбору та мережі його рельєфу через зміну - нами вводиться така дефініція - «чутливості гідролого-геоморфологічної системи водозбору». Остання обумовлюється особливостями структурної впорядкованості водозбірної організації ФР, та є мірою здатності рельєфу протистояти своїй якісній перебудові.

Наступна ілюстрація (рис. 4) відображає наявність нелінійності відгуку ГГСВ на зміни у природному середовищі. В одних випадках можуть мати місце непропорційно великі витрати наносів із водозборів через «надчутливість» їхніх ГГСВ до антропогенних і кліматичних чинників довкілля (а - площа графіка над діагоналлю 1:1), в інших - спостерігається протилежна картина (б - площа графіка, яка розташована під діагоналлю 1:1).

Емпірично підтверджено відомості про те, що незначні за масштабом гідролого-геоморфологічні системи водозборів (невеликі яружні) мають змінюватися достатньо швидко, причому майже після кожного гідрометеорологічного явища, яке має рельєфоутворююче значення, а відгук цих систем є близьким до лінійного. Більші за розміром ГГСВ (великі яружно-балкові), як правило, не реагують на окремі зміни у гідрологічному режимі, але будуть відображати односпрямовані його зміни, що мають місце через низку зовнішніх чинників, які діють протягом кількох років. ГГСВ з мережами постійних водотоків (річкові) демонструють таку властивість: чим більшою є річкова система, тим меншою лінійністю відрізняється її відгук, оскільки останній залежить не тільки і не стільки від масштабу чинника зовнішнього впливу - гідрометеорологічного явища, скільки від існуючого стану самої ГГСВ. Отже, в результаті досліджень встановлена й напівкількісно (на топологічному і функціональному рівнях) визначена чутливість гідролого-геоморфологічних систем водозборів різних ієрархічних рангів.

Метою розрахунку комплексних характеристичних параметрів (КХП) рельєфу і гідрорежиму водозбору є отримання засобів, на підставі яких через геоінформаційне моделювання можна одержати послідовні висновки щодо особливостей наступних складових: морфологія поверхні і геоморфологічні процеси гідрологічний режим => інші складові середовища водозбору. Ключовий КХП відповідає поняттю «ефективності гідролого-геоморфологічної системи водозбору (ефективності річкового/яружно-балкового басейну)». Під останнім ми розуміємо здатність ГГСВ трансформувати певну частину дощових опадів (або талої води) у площинний і потім у русловий стік. Більша ефективність зумовлює скорішу трансформацію опадів у басейновий стік, коли скорочується час концентрації максимуму гідрографа. Характеристика ефективності ГГСВ річкового або яружно-балкового басейну демонструє, у якій мірі водозбір виконує свою основну ландшафтну функцію - трансформацію атмосферних опадів, транзит та акумуляцію рідкого і твердого стоку на його території. Параметр ефективності ГГСВ безпосередньо зв'язаний з обсягом еродованого матеріалу, який має оцінюватися на підставі аналізу гіпсометричної кривої та гіпсометричного інтегралу (ГІ). У разі апроксимації гіпсометричної кривої функцією щільності розподілу ймовірностей або відповідним поліномом є підстава говорити про дослідження «гіпсометричної функції» (ГФ) як про засіб визначення ефективності ГГСВ.

КХП ефективності водозборів розраховувався через засоби комп'ютерного моделювання на підставі емпіричних даних із топографічних карт, аерофотоматеріалів, гідрологічних щорічників і результатів польових досліджень в басейні р. Чорна (Південно-Західний Крим) та у верхів'ях р. Сіверський Донець (водозбори Корочі, Нежеголі, Вовчі). За результатами цих досліджень продемонстрована наявність певної інформаційної спадковості ГГСВ, так би мовити, деякого, зрозуміло, умовного аналога генетичної пам'яті біологічних систем. Така спадковість імовірно зберігає сталі морфокінематичні характеристики ФР. Отримані результати також свідчать, що найбільш очевидний з попередніх міркувань засіб оцінки ефективності ГГСВ (на підставі начебто існування прямого зв'язку між цією характеристикою і значеннями щільності мережі рельєфу) не може вважатися об'єктивним. Наприклад, дуже близькі значення щільності по всій площі басейну р. Чорна не відображають очевидні варіації характеристик ефективності різних частин цього водозбору. Розрахунок ГІ, окреслення гіпсометричної кривої та аналіз ГФ - це та низка прийомів, які можуть сприяти вирішенню вказаної задачі. На підставі відповідних характеристик (наприклад, для водозбору р. Чорної), його частина, що відповідає головній долині та її притокам, була оцінена як така, котра має найвищу ефективність ГГСВ у порівнянні із іншими ділянками водозбору.

Нами продемонстровано, що водозбірний басейн як просторове інформаційне утворення повністю задовольняє вимогам організації атрибутивних даних в геореляційній моделі, тому його доцільно обирати як «покриття», тобто визначити окремим компонентом так званої «геореляційної моделі», яка відбиває просторові ГІС-об'єкти (точки, лінії, полігони) і інформаційну структуру зв'язків між ними.

Умовою подальшого формалізованого моделювання є введення концептуальної моделі морфології і морфометрії поверхні водозбору, яка використовує атрибутивні дані - атрибути рельєфу - стосовно всіх ГІС-об'єктів, для яких складаються морфолого-морфометричні характеристики рельєфу в межах водозбору. Виокремлено, обґрунтовано та апробовано на регіональних прикладах (субводозбори басейну р. Сіверський Донець) складові цієї концептуальної моделі. До останніх належать морфолого-морфометричні атрибути флювіального рельєфу (ММА ФР), які відображають інформаційні властивості природних утворень (водозбір - серед інших), тих, які вже пройшли процедуру атрибутування. ММА ФР поділяються на первинні і вторинні. Первинні ММА ФР річкового басейну розраховуються як похідні від звичайної топографічної поверхні залежно від певного обраного напрямку (азимута), в якому змінюються характеристики цієї поверхні. Тобто ці похідні передають ступінь зміни місцевого базису ерозії залежно від місцерозташування тієї чи іншої форми. Вторинні атрибути рельєфу водозбору моделюються на підставі первинних і до них відносяться, наприклад, «топографічні індекси вологості», що обчислюються на підставі модельної конструкції TOPMODEL (K. Beven, 1989). Вторинні атрибути надають можливість описувати рельєф як похідну певного природного процесу, а також відображати той зворотний зв'язок, згідно з яким сучасний ФР є важливим детермінантом багатьох процесів у географічному ландшафті. Вказане віддзеркалюється параметричною залежністю потужності водного потоку від характеристик підстелюючої поверхні. Ця залежність записується в різних редакціях, а в загальному вигляді її можна подавати наступним чином:

, (2)

де П_потоку - потужність водного потоку, M - маса води, що витікає за t секунд через поперечний переріз русла: M=Qt, де =10 ³ кг/м ³, Q - руслова витрата води (за 1 сек.), tg - тангенс кута ухилу поверхні. Вираз (2) достатньо повно відображає ерозійну здатність потоку, яка залежить від градієнта топографічної поверхні. Тобто, через рівняння (2) враховується вторинний морфолого-морфометричний атрибут рельєфу.