Курс "Экологическое картографирование" является важным в структуре дисциплин специальности Н.06.01 "Экология" и Н.05.01 "География".

В условиях все увеличивающихся информационных потоков о состоянии окружающей среды, значительного усложнения теоретических и методологических проблем, требующих пространственного решения, все более возрастает роль экологического картографирования. Высокая информационная емкость (степень уплотнения информации) картографических материалов, достигаемая за счет совершенствования картографической знаковой системы, наглядность и доступность карт для непосредственного восприятия, пространственного анализа и обобщения, делают картографический метод незаменимым в научных и прикладных исследованиях. Эколого-картографический метод является необходимой составляющей эколого-географических исследований, эколого-географического прогнозирования, эколого-географической экспертизы.

Экологическое картографирование зародилось в рамках картографирования природопользования и охраны окружающей среды и в настоящее время оформилось как новый раздел тематического картографирования. Разработка этого раздела связана с современным пониманием предмета экологии как науки, изучающей взаимоотношения живых организмов и окружающей их среды.

Целью преподавания курса является формирование у студентов представления о целях, задачах, принципах и методах экологического картографирования. Основные задачи курса:

получение представления об экологических картах;

получение навыков построение тематических экологических карт;

изучение методов оценки состояния территории на основе экологических карт;

изучение возможностей картографического метода в экологии при решении различных задач (оценка природно-ресурсного потенциала территории, оценка состояния природной среды, оценка антропогенной трансформации ландшафтов территории, оценка экологических проблем и ситуаций, прогнозирование экологического состояния природной среды, прогнозирование острых и чрезвычайных экологических ситуаций и т.д.).

экологическое картографирование прогнозное карта

Лекция 1. Современное состояние экологического картографирования. Экологические карты

высокая информационная емкость;

Изменение природной среды в результате техногенного воздействия, ведущее к нарушению структуры и функционирования природных систем и приводящее к негативным социальным, экономическим и иным последствиям рассматривается как экологическая проблема (Б.И. Кочуров, 1998).

Такое понимание не противоречит двойному определению проблемы: природоохранный - поскольку ее возникновение требует ответных мер по восстановлению (охране) естественных средо - и ресурсоформирующих процессов и свойств природной среды, и экологической - так как те же процессы и свойства природной среды имеют важное экологическое значение и прежде всего по отношению к человеку.

Экологическая проблемы - это любые явления, связанные с заметным воздействием человека на природу, обратными природы на человека и его экономику, жизненно и хозяйственно значимые процессы (Н.Ф. Реймерс, 1992).

Будем считать что: Экологическая проблема - это негативные с точки зрения человека изменения окружающей среды, обусловленные как техногенными, так и природными факторами.

Картографирование экологических ситуаций процесс сложный, особенно при выявлении острых экологических ситуаций, требующих прежде всего обобщения большого количества картографических материалов.

Под выявлением экологических ситуаций имеется в виду:

пространственная локализация экологических проблем;

установление перечня (набора) экологических проблем;

определение комбинации (сочетания) экологических проблем и отнесение выявленного ареала к той или иной степени остроты экологической ситуации.

Процесс выявления и картографирования экологических проблем и ситуаций взаимосвязан и неделим.

Вопрос пространственной локализации экологических ситуаций исходит из специфики объекта картографирования и степени информационного обеспечения. Так, точность проведение границ ареалов ситуаций зависит от уровня современных знания, опирающихся на существующие технологии контроля среды и качество исходных материалов, квалификации разработчиков.

Перечень картографируемых проблем зависит от масштаба исследования. Чем мельче масштаб, тем более обобщенно формулируются проблемы и, как правило, на первое место выходят наиболее значимые и важные проблемы. При укрупнении масштаба и работе с региональным уровнем детализации появляются проблемы, присущие данной территории.

Существуют два алгоритма составления карт экологических ситуаций: при отсутствии необходимых количественных данных и при достаточном информационном обеспечении. Оба варианта предполагают представление исходной информации в картографической форме в виде одномасштабных карт. В первом случае используют аналитические экспертные оценки, во втором - метод формализованных оценок.

Метод экспертных оценок. Он позволяет решать 2 задачи:

1) выявление экологических проблем;

2) их пространственную локализацию. Данный метод имеет ограничения: анализ должен проводить эксперт-эколог, хорошо знающий территорию.

Выявление проблем происходит при сопоставлении уровней техногенной нагрузки на данную территорию и потенциала устойчивости самой территории. Используются известные экологические проблемы, но не имеющие точного пространственного адреса. Пространственная локализация их проводится экспертом. При этом необходимы карты использования земель, природных ландшафтов, плотности населения. Привлекаются также материалы о распространении загрязнений, нарушений и деградации среды, литературные данные.

Поскольку экологические проблемы вызваны техногенным воздействием, связанным с определенным использованием территории, постольку можно говорить о проявлении конкретных проблем при соответствующих видах землепользования.

Карта плотности населения также позволяет корректировать ареалы экологических проблем. Рубежи плотности населения характеризуют степень освоенности территории, ее техногенную трансформацию, поэтому в отдельных случаях ареалы экологических проблем привязываются к ареалам карты плотности населения.

Метод формализованных оценок. Для составления карт в этом случае привлекаются показатели, имеющие количественное выражение и ставится задача исключения экспертных оценок уже на стадии выявления экологических проблем. Для работы привлекаются только присущие данному регионы экологические проблемы, для которых существуют количественные данные, представленные в картографической форме (карты загрязнения, карты трансформации и т.д.).

Картографирование экологических ситуаций предусматривает ряд строго последовательных действий и создание многолистовой системы карт, обеспечивающей целенаправленную характеристику состояния природы, хозяйства и населения. Сложность и многоаспектность экологических проблем и ситуаций не дает возможности показать их на одной комплексной карте.

Система карт состоит из 3-х крупных разделов (блоков):

Экологически значимые природные свойства и природные ландшафты территории (карты природных ландшафтов; карты отдельных компонентов природы - растительности, почв, рельефа и т.д.; карты экологически значимых свойств и природных процессов);

Использование территории, техногенная нагрузка, плотность населения (карты использования земель; карты техногенных нагрузок и воздействий; карты изменения природной среды - загрязнения, деградации, истощения, нарушения; карты плотности населения; карты истории освоения территории);

Оценка экологической ситуации (карты социально-экологических последствий; карты отдельных экологических проблем; карты экологических ситуаций).

Разработка системы карт должна быть подчинена одной идее, заложенной в завершающей (комплексной и синтетической) экологической карте.

Рассмотрим ход выполнения отдельных процедур при составлении синтетической карты экологических ситуаций.

На 1 этапе по картам природной среды:

определяется природно-ландшафтная дифференциация территории;

выявляются природные предпосылки (экологически значимые факторы) возникновения экологических проблем;

определяется природно-ресурсный потенциал территории;

устанавливаются негативные процессы и явления в природной среде;

прогнозируются возможные ответные реакции среды на техногенное воздействие;

составляется карта типов геосистем, характеризующихся специфическим набором экологически значимых природных факторов. В качестве легенды к нем прилагается таблица-матрица, где каждому типу природной среды даются основные физико-географические и экологические характеристики.

На 2 этапе с учетом полученной информации по картам использования территории, плотности населения и т.д.:

выявляется общая структура использования территории;

определяется тип использования земель;

определяется вид и степень техногенных нагрузок;

устанавливается плотность населения;

определяются ареалы с разной степенью техногенной нагрузки;

определяются ареалы с негативными изменениями природной среды;

определяются ареалы техногенной деградации природной среды;

выявляются зоны техногенной трансформации.

На 3 этапе по картам проблем и ситуаций:

выявляются экологические проблемы;

определяются ареалы экологических проблем;

выявляются территориальные сочетания экологических проблем;

определяются ареалы экологических ситуаций;

определяется степень остроты ситуаций и проблем.

Техногенная нагрузка оценивается, как суммарное воздействие на территорию того или иного вида использования земель, исходя из особенностей его технологии и непосредственного влияния человека, определяемого через плотность населения. Поэтому данный раздел картографирования представлен 2 видами карт: использования земель и плотности населения. Применение сочетания этих карт дает возможность с достаточной точностью определить пространственные ядра наиболее интенсивной техногенной нагрузки, что в ряде случаев является основой для выявления ареалов экологических проблем и ситуаций. Анализ конкретных видов использования земель позволяет выявить возможные экологические проблемы и провести их локализацию.

Путем наложения и сопряженного анализа карт ландшафтов, использования земель и плотности населения и синтеза отдельных проблемных карт определяются контуры ареалов экологических ситуаций.

Следующим шагом после выявления и оценки экологических проблем является ранжирование этих проблем по значимости их последствий (для здоровья населения, сохранности природно-ресурсного потенциала, генофонда и т.д.) и степени проявления. Это дает возможность составить карту территориальных сочетаний экологических проблем-ситуаций. Ее главным содержанием являются ареалы ситуаций, где экологические проблемы, обозначенные буквенными индексами, ранжированы по их значимости.

Выделенные на карте территориальные сочетания экологических проблем разделяются на 5 категорий по остроте ситуаций: удовлетворительная, конфликтная, напряженная, критическая, кризисная, катастрофическая. Каждая категория на карте отображается цветовым фоном.

Рассмотрим методику составления простейшей карты экологических проблем.

Составление карты экологических проблем региона производится в несколько этапов.

1-Й ЭТАП. Построение вспомогательной карты современного использования территории.

Карта современного использования территории создается на основе ландшафтной или физико-географической карты. На контуры природных зон (типов ландшафта) наносятся границы ареалов распространения основных типов использования территории:

богарное земледелие;

орошаемое земледелие;

подсечно-огневое земледелие;

скотоводство;

эксплуатация лесов;

охота и рыболовство;

мелиорация;

охраняемые территории (заповедники, национальные парки и т.д.).

Каждый тип использования выделяется определенным цветом.

2-Й ЭТАП. Построение карты экологические опасных объектов и процессов.

Основой картографирования и оценки природно-ландшафтных условий является инвентаризация геосистем территории. Под инвентаризацией геосистем подразумевают комплекс операций по их выявлению, систематизации, картографированию и описанию. Результаты инвентаризации представляются в виде:

карты;

описания (характеристике).

Наиболее рациональная форма построения легенды для инвентаризационной карты - табличная. Условные знаки размещаются в виде колонки, а текстовая часть имеет вид таблицы, в которой помещаются все необходимые показатели. Преимущество этого варианта легенды состоит в обозримости, удобстве для сравнения геосистем по любому признаку. В зависимости от назначения карты можно из множества показателей, характеризующих геосистемы, выбрать те, которые представляют интерес в конкретном случае.

Для обзорных инвентаризационных карт наиболее целесообразен регионально-типологических подход: на карту наносятся контуры индивидуальных ландшафтов, которые с помощью качественного фона (цветового, штрихового) объединяются в классификационные группы (виды, классы). Линиями разного цвета, формы. Толщины обозначаются границы высших региональных единиц (провинций, областей, зон).

Кроме составления ландшафтной карты в задачи инветаризации входит сбор возможно более полной информации о геосистемах - составление кадастра геосистем. Источники, используемые для кадастра геосистем, можно разделить на 3 группы:

официальные материалы, содержащие кондиционную, сравнимую информацию, собранную и обработанную про унифицированной методике (государственные топографические, геологические, метеорологические, почвенные и т.д. карты);

отраслевые литературные и картографические источники, содержащие описание компонентов геосистем;

материалы полевых ландшафтных исследований.

Ландшафтный кадастр должен содержать обязательный минимум показателей, характеризующих ландшафт. Предпочтение нужно отдавать фактическим данным, количественным характеристикам. Основные разделы кадастра:

Геологическое строение (литология, стратиграфия, тектоника);

Рельеф;

Гидрогеология;

Климат;

Сток и поверхностные воды;

Опасные природные явления;

Почвы;

Растительный покров;

Животный мир;

Фенологические явления;

Медико-географическая характеристика;

Техногенное воздействие.

С экологической точки зрения наиболее важными являются следующие показатели:

Основные параметры геосистем, определяющие природные условия жизни населения и производства (климат, лесистость, характеристики почв и т.д.);

Показатели естественных ресурсов: агроклиматических, водных, минеральных, биологических, земельных и т.д.

Показатели, которые характеризуют взаимоотношения между человеческой деятельностью и геосистемами.

Анализ природных условий и ресурсов должен проводится на основе сравнительного метода. Сравнение геосистем по тем или иным признакам - основа их оценки. Поэтому важно выразить все анализируемые показатели в форме, пригодной и удобной для сравнения.

Геосистемам (ПТК) разных рангов должны быть присущи специфические закономерности сочетания природных условий и ресурсов. Геосистема - это общий "знаменатель", который позволяет осуществлять комплексный учет, сравнение и оценку природных условий и ресурсов. Роль важного инструмента при этом играет ландшафтная карта.

Для целей экологического картографирования наибольшее значение из всего обилия природно-ресурсных карт имеют:

карты земельных ресурсов;

карты лесных ресурсов (карты лесистости, возраста, бонитета, запасов древесины, годового прироста и проч.);

карты полезных ископаемых (металлических, неметаллических, горючих);

карты водных ресурсов;

карты агроклиматических ресурсов;

карты природно-ресурсного потенциала (на основе схемы комплексного природно-ресурсного районирования или классификации ландшафтов по их ресурсному потенциалу).

Сущность оценки природной среды состоит в определении степени пригодности или благоприятности последней с точки зрения человека. Специфика состоит в использовании категории "полезности" или "вредности". Оценка предполагает наличие объекта, в качестве которого выступает природная среда и ее компоненты, и субъекта - технические системы и население.

Оценка выражает отношение субъекта к объекту в виде группировки (классификации) природных условий, ресурсов, геосистем с точки зрения их социальной значимости, возможности и эффективности использования. Можно выделить два направления оценок и оценочных исследований:

Цель - установить очередность освоения, выбрать наилучший вариант использования, оптимальную технологию использования. В качестве субъекта выступают технические системы (производственное или технологическое направление);

Цель - выяснить совокупность условий жизни людей, т.е. собственно экологических условий (социально-экологическое направление).

Кроме того, существуют направления в оценке - мелиоративное направление (оценки, используемые в работах по улучшению среды - гидромелиорация, агролесомелиорация, борьба с оврагообразованием и проч.); экономическое направление (оценка экономической эффективности освоение и использования природных ресурсов.

Основные этапы оценки:

Отбор оценочных показателей, т.е. тех признаков и свойств природной среды, которые существенны для конкретной цели. Исходным материалом оценки служит выражение каждого показателя в натуральной форме, в соответствующей размерности;

Выбор способа или формы выражения оценки;

Переход от частных оценок к общей (интегральной) оценке.

Следует заметить, что оценка не обязательно должна даваться в каких-либо количественных показателях. Она должна быть сравнительной, а сравнение можно производить без количественных показателей. Конечно, сравнение в количественной форме предпочтительней, оно точнее, объективнее, но далеко не всегда возможно. Существо оценки, ее цель состоит в определении качества природной среды. Число служит лишь мерой качества, оно представляет только средство, т.е. оценка качественная по содержанию и количественная по форме.

Рассмотрим картографирование и оценку природных условий при строительстве. Природные условия оказывают значительное влияние на строительство и функционирование инженерных сооружений и зданий.

Рельеф - один из важнейших инженерно-строительных факторов, нередко выступающий в качестве лимитирующего (в условиях сильной расчлененности, большой крутизны склонов, интенсивного проявления гравитационных процессов возможность строительства полностью исключается). Рельеф оказывает существенное влияние на эксплуатацию инженерных сооружений. От рельефа зависит планировка городов, рисунок сети улиц, размещение зданий, условия движения транспорта, водоснабжение и т.д.

Оценка рельефа основывается на учете многих параметров - морфометрических и динамических. К числу основных относятся уклон поверхности. Очень малые уклоны (до 0 град 17 мин.) неблагоприятны для строительства, т.к. затрудняют дренаж, в условиях влажного климата вызывают заболачивание. Максимальные уклоны для магистральных улиц - 3 град. 26 мин.; для улиц жилых районов - 4 град. 34 мин.; предельные уклоны для жилищного строительства - 11 град. 18 мин; для железных дорог - до 2 град. 17 мин.

Серьезные инженерные ограничения связаны с многими геологическими процессами - оползнями, обвалами, карстом, суффозией, дефляцией.

Рельеф влияет также на местный климат: на распределение минимальных температур (даже на равнинах разница за счет мезорельефа может достигать 8-9 град. С); на освещенность, формирование температурных инверсий, туманов, на направление и скорость ветра.

Грунты - второй важный фактор. Они играют важную роль как основания сооружений, а также как материал для сооружения насыпей, плотин и проч. От свойств грунтов зависит механическая допустимая нагрузка при строительстве сооружений, конструкция фундаментов, способы дренажа, устойчивость откосов.

Особые условия для строительства создает вечная мерзлота. В условиях сплошной и мощной мерзлоты инженерные мероприятия направлены на ее сохранение.

Климат также является фактором инженерного освоения территории. Температура воздуха в сочетании с ветром влияет на тепловой режим помещений, определяет способы борьбы с переохлаждением и перегревом. От температурного режима зависит долговечность зданий. Низкие температуры могут вызывать разрушение металлических конструкций.

Высокая влажность воздуха способствует разрушению ограждающих конструкций, развитию грибков, делает непригодными гигроскопичные материалы (шлакобетон).

Прямое воздействие ветра на сооружение состоит в том, что он создает ветровую нагрузку, с которой считаются при проектировании сооружений, особенно высоких зданий, дымовых труб, опор ЛЭП. Ветер усугубляет охлаждение металлических конструкций, понижает их хладостойкость.

Все наиболее важные параметры среды учитываются при ее инженерно-строительной оценке. В наибольшей степени в настоящее время разработано инженерно-геологическое направление.

Инженерно-геологическая карта - это графическое обобщенное изображение на плоскости важнейших инженерно-геологических факторов в пределах изучаемой территории, подлежащих учету при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и осуществлении других инженерных мероприятий. Такая карта является основным документом, в котором отражаются результаты инженерно-геологических работ. Инженерно-геологические карты позволяют:

1) рационально размещать инженерные сооружения;

2) намечать порядок производства работ при строительстве различных объектов;

3) намечать мероприятия, направленные на борьбу с проявлениями нежелательных инженерно-геологических процессов.

Инженерно-геологическая карта дополняется геологическими разрезами, таблицами, пояснениями, колонками, которые отображают инженерно-геологические явления и процессы. Инженерно-геологический разрез - вертикальное сечение земной коры с отображением факторов, оказывающих значительное влияние на строительство сооружений. Инженерно-геологическая колонка - вертикальное сечение земной коры в какой-либо одной точке наблюдений. Таким образом, каждая инженерно-геологическая карта состоит из собственно карты, условных обозначений, инженерно-геологических разрезов и колонок, пояснительной записки.

Для составления инженерно-геологических карт всех масштабов необходимо использовать:

топографические, геологические, тектонические, геоморфологические, гидрогеологические карты, составленные по результатам прежних исследований;

результаты работ по геологии, геоморфологии, гидрогеологии, инженерной геологии, метеорологии, гидрологии;

заключение по результатам инженерно-геологических исследований отдельных строительных площадей и трасс;

материалы о негативных процессах, возникших в результате строительства; сведения о состоянии зданий и сооружений.

При решении экологических задач инженерно-геологическое картографирование включает в себя составления комплекса инженерно-геологических карт:

Геолого-литологическая карта. На ней отображаются литологический состав, происхождение, возраст и условия залегания пород (грунтов);

Геоморфологическая карта. На ней отображены формы, возраст, происхождение и история формирования современного рельефа;

Гидрогеологическая карта. Отражает данные о распространении первого от поверхности водного горизонта, глубины его залегания, сведения о режиме, минерализации, агрессивности грунтовых вод;

Карта развития оползней. Дает сведения о характере оползней, возрасте, активности и т.д. (или в зависимости от конкретных условий карты развития карста, суффозии, криогенеза и т.д.);

Карта инженерно-геологических условий. Является результирующей и создается на основе карт 1-4. На ней отражают:

распространение, условия залегания, генезис, состав и свойства пород (грунтов) на необходимую глубину;

геоморфологические характеристики территории;

распространение, глубина залегания, особенности химического состава первого от поверхности водоносного горизонта;

распространение, характер, интенсивность проявления природных геологических и инженерно-геологических процессов, оказывающих неблагоприятное влияние на строительство и эксплуатацию зданий и сооружений.

К инженерному направлению примыкает картографирование опасных геологических процессов. Здесь создаются карты этих самых процессов и явлений, а также карты риска и оценки возможного ущерба. Набор карт опасных геологических процессов в каждом конкретном случае зависит от местных особенностей. Например:

Карта проявления гравитационных процессов (оползней, осыпей, обвалов, крипа);

Карта развития карстовых процессов;

Карта развития суффозионных процессов;

Карта дефляционной опасности земель;

Карта сейсмической опасности.

Рассмотрим антропоэкологическое направление в картографировании природных условий и их оценке. Наиболее разработано медико-географическое картографирование. Комплекс медико-географических карт включает в себя:

Антропоклиматическая карта. Отражает характеристики климата, влияющие на здоровье населения (показатели дефицита тепла, избытка тепла, характеристики суровости климата, снежности, изменчивости погоды, продолжительности ультрафиолетового голодания и т.д.);

Карты комфортности среды. Создаются на основе антропоклиматических карт. Например, карта комфортности по УФ-обеспеченности (В.А. Белинский, 1972). Территория СССР в пределах 42,5 и 57,5 град. - комфортная; севернее - дискомфортная из-за недостаточности УФ; южнее - дискомфортная из-за избытка УФ. Карта комфортности по показателю "термическая духота" (ощущение человеком совместного действия температуры и влажности воздуха). Более полная оценка комфортности на основе 30 показателей по Назаревскому О.Р. (1974), каждый из которых оценивается в баллах. Сумма дает представление о комфортности или дискомфортности условий;

Карта эндемичных заболеваний, связанных с избытком или недостатком в среде тех или иных химических элементов (например, эндемичного зоба);

Карта распространения природно-очаговых заболеваний (лихорадок, малярии, онхоцеркоза и проч.);

Карта риска заражения теми или иными заболеваниями (малярией и т.д.);

Карта оценки экстремальности территории по биотическому компоненту.

Особый блок составляют карты устойчивости природной среды к техногенной нагрузке.

Устойчивость геосистемы - это ее способность активно сохранять свою структуру и характер функционирования в пространстве и во времени при изменяющихся условиях среды. Существует два аспекта проявления устойчивости геосистемы. Исходя из которых можно выделить: а) способность противостоять нагрузкам - устойчивость 1 рода (или устойчивость противостояния); б) способность к восстановлению нормального функционирования - устойчивость 2 рода (устойчивость-нормализация). Соотношение этих двух категорий и определяет интегральную устойчивость геосистем. Устойчивость 2-го рода в большинстве случаев возникает в результате способности геосистемы к саморегулированию под действием обратных связей.

Отдельные свойства геосистем и общие факторы их функционирования могут рассматриваться в качестве прогнозных показателей, определяющих устойчивость геосистемы в целом. Такой подход положен в основу составления прогнозных карт устойчивости природных ландшафтов к загрязнению для всей территории бывшего СССР и его отдельных регионов; при оценке устойчивости ландшафтов к механическим нагрузкам. В этих случаях каждый фактор (свойство геосистемы) выступает в качестве независимой переменной.

При отборе свойств компонентов геосистем, определяющих устойчивость последних, следует учитывать тип техногенного воздействия. Вероятно, на сегодняшний день мы не можем качественно и количественно оценить устойчивость той или иной геосистемы к техногенному воздействию вообще. Одни и те же свойства компонентов могут играть как положительную, так и отрицательную роль для устойчивости геосистем в зависимости от типа воздействия. Например, расчлененность рельефа с одной стороны обуславливает активное протекание процессов эрозии (отрицательное влияние на устойчивость геосистемы), а с другой - благоприятствует выносу загрязнителей за пределы ландшафта, т.е. его самоочищению (положительное влияние). Легкий механический состав почв - с одной стороны делает их неустойчивыми к эрозии, а с другой слабовосприимчивыми к химическому загрязнению. Поэтому оценка устойчивости может даваться только относительно одного типа воздействия.