Оптимізація структури землекористування басейнової геосистеми р. Бережниця відповідно до орографічних умов (з використанням ГІС)

Annotatіon

O. Mykytchyn, ]№. Pasichnyk. OPTIMIZATION OF LAND USE STRUCTURE THE BASIN GEOSYSTEM OF THE BEREZHNYTSIA RIVER ACCORDING TO OROGRAPHIC CONDITIONS (USING GIS)

Small river basins are the most sensitive to anthropogenic influences, as well as integral natural territorial units making them suitable for the implementation of the sustainable development principles, which become the priority task of interaction between a society and a nature from the end of the twentieth century. For optimal functioning ofgeosystems, economic activity within their limits should be commensurate with their natural potential. The development of a rational land use structure, considering the features of the terrain, as a determining factor in the formation of geoecological conditions, hasa major importance for stabilizing the ecological state of the small rivers basin geosystems.

ESRI ArcGIS software, which has the widest potential for mapping natural objects and phenomena, was used to create geoinformation models. The initial stage of geoinformation modeling for the relief was a hydrologically correct digital relief model (based on the information from 1:25 000scaletopographic maps), which made possible obtaining various morphometric characteristics, in particular, the construction of threedimensional images, transverse and longitudinal profiles, exposure and slope steepness, horizontal and vertical dismemberment.

Construction of the steepness model for the relief of the Berezhnytsia River basin geosystem was carried out using the Spatial Analyst module. This module determines the maximum rate of change for the values rom one cell to the neighboring one. The determination of the slope exposure was performed using the Aspect command (projection azimuth for the slope normal on the horizontal plane). Horizontal and vertical dismemberment models for the relief were created using Density function (indication of the absolute heightsindicatorsfield, core density method with 1 km search radius). Raster Calculator was used for calculation the difference between maximum and minimum values for the absolute heights within a given search radius.

The developed models showed that more than a half of the basin area of the Berezhnytsia River is located on the slopes of 0-1°steepness. Steep, very steep and extremely steep slopes occupy less than 1% of the basin area. In the slopes distribution, the northern, northeastern, eastern, southeastern and southern exposures dominate in the surface. The maximum values of the vertical dismemberment are typical for the mountainous partof the basin; the lower courseor the river is the least dismembered. The lowest valuesof horizontal dismemberment indices are typical for the areas near the watershed divide and their value increases approaching to the body of the river. In most areas, there are no ravines or information about themis not provided. There are three centers with the highest density of ravine network.

Synthesizing these models and the model of the land use structure, which was developed earlier for the Berezhnytsia river basin, the basin areas,where the land use type should be changed to the optimal,was determined. As a result, the geoinformation model for optimal nature management in the basin geosystem of Berezhnytsia River, considering the features of the relief, was obtained. This model considers a complex of measures in the agricultural, forestry, water management, as well as in settlement and transport management.

One of the main measures is the withdrawal of slopes with the steepnes s over 5° (meadow restoration) and over 7° (afforestation), as well as unproductive degraded and contaminated arable lands from agricultu ral use. It is advisable to carry out the afforestation of steep slopes, coastal-protective zones and create buffer forest plantations around settlements. The increase in the percentage of forestland will also be achieved through the development of successional processes that are actively taking place in the BerezhnytsiaRiver basin and will lead to a forestlands increase up to 55.88% within the basin.

The application of the above measures within the territory of the basin geosystem of Berezhnytsia River will lead to a change in the land use structure transforming it to more optimized. The share of agricultural land will be reduced significantly, and the percentage of forestlands will increase, which, if necessary, will allow using 3° steepness slopeswith successional processesfor agricultural cultivation.

Key words: geoinformation modeling, steepness, exposition, dismemberment of relief, the rational use of nature.

Постановка проблеми. Басейни малих річок є найбільш чутливі до антропогенного впливу та є цілісними природними територіальними одиницями, що робить їх зручними для впровадження засад сталого розвитку, який став пріоритетним завданням взаємодії суспільства і природи з кінця ХХ століття. Для оптимального функціонування геосистем господарська діяльність в них повинна бути співмірною з їх природним потенціалом.

Аналізуючи регіональну доповідь про стан навколишнього природного середовища в Львівській області[10] та існуючі плани дій щодо охорони річкового басейну р.Бережниця [9] слід відзначити, що більша частина заходів направлена на усунення наслідків чи зменшення негативного антропогенного впливу і зовсім мала увага приділена плануванню раціональної структури землекористування.

Рельєф досліджуваного басейну є одним із базових компонентів довкілля, який впливає на формування клімату, стік поверхневих і підземних вод, ґрунтоутворювальні, природні та антропогенні геоморфологічні процеси, є визначальним фактором розташування урбооб'єктів, тобто в цілому визначає напругу геоекологічної ситуації, тому доцільно розробляти модель оптимального природокористування враховуючи основні геоморфологічні характеристики.

Використання геоінформаційних технологій у процесі аналізу рельєфу значно спрошує та пришвидшує процес опрацювання великих обсягів інформації. Окрім цього воно дозволяє розробляти багатоваріантні проекти природокористування та вибирати найбільш прийнятні з них.

Оптимальний перерозподіл структури землекористування дозволить мінімізувати втрати від порушень природної рівноваги в досліджуваній геосистемі та визначить стратегію її господарського використання.

Враховуючи вищесказане метою даного дослідження є розробка оптимальної геоінформаційної моделі природокористування в басейновій геосистемі річки Бережниця з врахуванням особливостей рельєфу досліджуваної території.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Питання взаємозв'язків рельєфу території та природокористування піднімалися ще в працях Т.Звонкової, Д. Панова, П. Шищенка, І. Черваньова, Д. Тимофєєва [2; 7; 12; 13; 15]і значно актуалізувались після Конференції ООН з навколишнього середовища (Ріо-де-Жанейро, 1992), яка акцентувала на важливості екологізації наук про Землю. Внаслідок цього процесу в Україні відбулось становлення екологічної геоморфології в працях В. Стецюка [11], І. Ковальчука [4], які сформулювали її основні поняття, завдання і методи досліджень.

Еколого-геоморфологічні дослідження басейнових флювіальних систем верхньої частини Дністра проводились І. Ковальчуком, А. Михновичем, О. Пилипович, Ю. Андречуком [1; 3; 6; 8]. В їх роботах розглянуто антропогенний вплив на ерозійні процеси, проаналізовано структуру річкової системи, визначено тип басейнових систем, здійснено еколого-геоморфологічний аналіз з використанням ГІС-технологій. Проте, дані дослідження не були направлені на розробку моделей оптимального природокористування в річкових басейнах, а створені геоінформаційні моделі верхньої частини Дністра базуються на топографічних картах меншого масштабу, що ускладнює розробку детальних планів зміни структури землекористування на місцевому рівні.

Виклад основного матеріалу. Серед великої кількості існуючих ГІС для вирішення поставленої мети було обране програмне забезпечення ESRI ArcGIS. Даний вибір зумовлений тим, що цей продукт має найширші можливості при картографуванні природних об'єктів та явищ [1, с.184], вирізняється

простішим інтерфейсом при широкому наборі інструментів геопросторового аналізу, підтримкою більшості форматів електронних карт та баз даних, засобами тривимірної картографії, гнучкими можливостями підготовки картографічних моделей без застосування додаткового програмного забезпечення.

Початковим етапом аналізу характеристик рельєфу є створення цифрової моделі рельєфу, що забезпечує можливість отримання різноманітних просторових характеристик (висоти, нахилу, крутизни, експозиції схилів тощо) у довільній точці місцевості та має велике значення для визначення траекторій водних потоків, площі водозборів, виявлення місць можливої ерозії, напрямків переміщення забрудників та вирішення ряду інших питань, пов'язаних з охороною довкілля та раціональним використання природних ресурсів[5, с.44]. В даній роботі створена GRID модель, що представляє собою регулярну матрицю, для кожного осередку якої висота одержується шляхом інтерполяції первинних даних.

При створенні ЦМР басейнової геосистеми р. Бережниця основою виступили топографічні карти масштабу 1:25 000. За допомогою програмного модуля ArcMap здійснено їх геокодування та ректифікацію, а на основі оверлейного аналізу створено векторні геопросторові шари ізогіпс, відміток висот та гідрографічної мережі. У процесі векторизації цих тематичних шарів виконувалася топологічна корекція просторових даних за допомогою програмного модуля ArcCatalog. Під час створення ЦМР стикнулися з рядом факторів як антропогенного так і природного характеру, що спонукало до створення гідрологічно-коректної ЦМР.

Побудова моделі крутизни рельєфу басейнової геосистеми р. Бережниця здійснювалась з використанням модуля SpatialAnalyst(визначалася максимальна швидкість змін значення від однієї комірки до сусідньої), визначення експозиції схилів команда Aspect (азимут проекції нормалі схилу на горизонтальну площину), моделей горизонтального та вертикального розчленування рельєфу функція Density (зазначення поля показників абсолютних висот, методу ядрової густоти і радіусом пошуку значень 1км) таЯа8ІегСа1си1а1ог (різниця між максимальним та мінімальним значенням абсолютних висот в заданому радіусі пошуку)[16, с. 286-311].

Щодо геоморфологічного районування, то басейн річки Бережниця майже повністю розташований на Прикарпатській горбистій рівнині, тільки його південна частина приурочена до низькогір'я Карпат [9, с.3]. Абсолютні висоти коливаються в межах від 237 м над рівнем моря у північно-східній частині басейну до 552 у південно-західній, в якій переважають невисокі узгір'я, що поступово переходять до чимраз вищих Карпатських гір. На основі ЦМР визначено домінування на території досліджуваного басейну абсолютних висот в інтервалі 250-300 м над рівнем моря. Це, в основному, територія нижньої течії, де значна частка (31%) ділянок з висотами 300 350 м. Хоч річкаБережниця бере початок в Карпатах, на гірську частину басейну, з висотами 500-550 м припадає всього 1%, а частка площ з позначками >550 близька до нуля. 5% басейну займають ареали з відмітками 400 -500 м. Вони зосереджені на правому березі середньої течії.

Аналізуючи модель крутизни схилів у досліджуваному басейні (рис 1), слід звернути увагу, що більше 56% площі басейну розташовується на схилах крутизною 0-10. Значна частка (26%) представлена похилими схилами крутизною 1-30. Значно менше слабоспадистих (3-50) та спадистих (5-80) схилів 9% і 5% відповідно. Тільки 2% площі басейну зайнято сильноспадистими (8-120) схилами, крутими (12-170) всього 0,5%, а дуже крутими (17-250) та надзвичайно крутими (25-350) дуже мало. Мала площа схилів значної крутизни сприяє зменшенню ризиків, пов'язаних з розвитком площинної та лінійної ерозії в межах басейну.

В розподілі схилів за експозицією переважають поверхні північної (20,77%), північносхідної (17,03%), східної (13,64%), південносхідної (16,11%) та південної (11,62%) експозиції. Незначною є частка схилів південно-західного (4,52%) та західного (5,4%) напрямку (рис. 2). Вирівняні ділянки становлять 0,15% території басейну.

Вертикальне розчленування певною мірою пов'язане з крутизною схилів, тому не будемо детально зупинятися на характеристиці його показників. Зазначимо лише, що максимальні значення, серед яких зустрічається і понад 150м/км2, характерні для гірської частини басейну (рис 3). Для правого берега середньої течії і більшої частини лівого властиві показники в межах 50-100 м/км2. Нижня течія є найменш розчленованою, тут показники коливаються в межах 2-25 м/км2, причому на вододілі зустрічаються ділянки з вертикальним розчленуванням до 5 м/км2.

Рис. 1 1. Експозиція схилів 2. Вертикальне розчленування р.Бережниця басейну 3. Горизонтальне розчленування рельєфу басейну р.Бережниця 4. Густота якової мережі басейну р.Бережниця рельєфу басейну р.Бережниця

Рис. 2

Для визначення ступеня ускладнення морфології рельєфу флювіальною мережею використовується показник горизонтального розчленування території. Аналізуючи це розчленування (рис.4, бачимо, що його значення коливаються в діапазоні від 0 до 8 км/км2. Зокрема, найменші показники (0-1 км/км2) характерні привододільним ділянкам (2% басейну) і збільшують своє значення по мірі наближення території до головного русла. Найбільші значення (понад 7 км/км2) спостерігаються між населеними пунктами с.Бережниця (Стрийський район) та с. Лотатники. Високі показники характерні і вниз по течії від цих сіл до с.Олексичі. Найбільша площа в басейні (29%) належить територіям, яким властивий показник горизонтального розчленування 4-5 км/км2, приблизно така ж (28%) частка поверхонь з показником 3-4 км/км2.

Важливим показником, який впливає на геоекологічну стабільність території є густота яркової мережі, параметри якої відображені на рис.5. Як бачимо, на більшості території (55%) яри відсутні або немає відомостей про них. В межах басейну можна виділити три центри з найбільшими показниками густоти яркової мережі: межиріччя Бережниця-Видерниця, вище по течії на цьому ж березі, басейн безіменної притоки другого порядку, яка впадає в головний водотік перед м.Моршин.

Створені моделі дозволяють оцінити рельєф досліджуваного басейну та визначити потенційно небезпечні в ерозійному сенсі території, які по можливості, необхідно виводити із сільськогосподарського використання заради збереження природних ґрунтів і запобігання розвитку ерозійних процесів. Внаслідок синтезу цих моделей та створеної раніше моделі структури землекористування у басейні р. Бережниця[14, с.34]визначено ділянки басейну, в яких слід змінити тип землекористування на оптимальний. В результаті одержано геоінформаційну модель оптимальної структури землекористування в басейновій геосистемі р. Бережниця з врахуванням особливостей рельєфу

Серед основних заходів щодо зміни типу землекористування основним є вилучення з сільськогосподарського обробітку схилів крутизною понад 50 (залуження) та понад 70 (заліснення), а також малопродуктивних деградованих та забруднених орних земель.

Відповідно в досліджуваній басейновій системі необхідно залужити 0,6617км2 (1,58% ріллі) та заліснити 0,4436 км2 території(0,7% ріллі та 1,08% площі луків). Слід уникати проектування доріг і лісових смуг уздовж схилів.

Окрім цього у лісогосподарському природокористуванні доцільно проводити заліснення крутих схилів, прибережно захисних смуг та створення буферних лісопаркових насаджень навколо населених пунктів, які поруч із стабілізуючою роллю будуть виконувати рекреаційну функцію. Зокрема під заліснення прибережно-захисних смуг та буферних лісопаркових насаджень відійде 8,4737 км2 зі складу сільськогосподарських угідь, зокрема буде заліснено 3,1412 км2 луків, пасовищ та сіножатей. Поруч з цим 0,4436 км2 сільськогосподарських угідь, розташованих на схилах понад 7 також доцільно заліснити. Таким чином, лісистість в досліджуваному басейні зросте з 43% на 4,91% і становитиме 47,88%.

Збільшення лісистості території здійснюватиметься за рахунок розвитку сукцесійних процесів, які сприяють відновленню природних ландшафтів, що трактується як найдоцільніший вид використання земель, що вибувають із сільськогосподарського використання.

Оскільки в басейні р. Бережниця на 8% території активно відбуваються сукцесійні процеси, то в сукупності з виконанням оптимізаційних заходів лісові угіддя займатимуть 55,88% басейну. Такий показник є сприятливий для підвищення геоекологічної стійкості та стабільності басейнової геосистеми, проте є надто високим з господарської точки зору. Тому, у випадку необхідності додаткових площ ріллі, рекомендується задіювати земельні угіддя на схилах крутизною до 3 , зайняті сукцесшними процесами.

Виконання вище перерахованих заходів на території призведе до зміни структури землекористування в бік оптимізованої (рис).Значно зменшиться частка сільськогосподарських угідь з 39,30% до 30,11% (з 71,41 км2 до 55,82 км2), з них під ріллею залишиться 41,88 км2, та 13,94 км2 під луками, сіножатями та пасовищами. В даному випадку 84,74% території, яка залишиться в сільськогосподарському користуванні розташована на схилах крутизною до 20та є найбільш сприятлива для ведення рільництва, оскільки вимагає найменших обмежень по способу обробітку. В складі сільськогосподарських угідь 75% становить рілля, тому доцільно її переформувати так, щоб рілля розташовувалася на схилах до 2 , решту використовувати під луки, сіножаті та пасовища, що в свою чергу позитивно вплине на стабільність басейнової системи.

Рис. 3 Фрагмент оптимізації землекористування розораних територій басейнової геосистеми р. Бережниця

Висновки

Створена ЦМР, моделі крутизни та експозиції схилів, вертикального та горизонтального розчленування рельєфу вказали, що найбільш сприятливі для господарського освоєння нижня частина басейну та лівий берег середньої течії.

Тип землекористування на оптимальний у басейновій геосистемі р. Бережниця слід змінювати шляхом виконання природоохоронних заходів: протиерозійних заходів (заліснення, залуження крутих схилів, раціонального ведення сільського господарства),створення санітарно-захисних лісопаркових зон, оптимізації дорожньої мережі, дотримання вимог у прибережно-захисних смугах.

Здійснення природоохоронних заходів у басейновій геосистемі р. Бережниця дозволить суттєво покращити геоекологічний стан, забезпечить сталий розвиток природи і населення, призведе до зміни структури землекористування на території водозбору в оптимальний бік. Зокрема, зменшиться частка сільськогосподарських угідь, збільшиться лісистість території, що дозволить, у разі потреби, залучати схили крутизною до 30, зайняті сукцесійними процесами, у сільськогосподарський обробіток.

геоінформаційний рельєф річка яр

References

1. Andreichuk Yu. Zastosuvannia HIS dlia analizu reliefu baseinovykh system (na prykladi r. Koropets) / Yu. Andreichuk, I. Kovalchuk // Heodeziia, kartohrafiia i aerofotoznimannia. 2003. -Vyp. 63. S. 183-187.

2. Zvonkova T.V. Prykladnaia heomorfolohyia M.: «Vbisshaia shkola», 1970. -- 273 s.

3. Kovalchuk I.P. Doslidzhennia ekzohennykh reliefoutvoriuiuchykh protsesiv u zakhidnomu rehioni Ukraini dlia potreb optymizatsii pryrodokorystuvannia / I.P. Kovalchuk // Fiz.heohrafiia ta heomorfolohiia. 1992. vyp. 39. S 99-107.

4. Kovalchuk I.P. Rehionalnyi ekolohoheomorfolohichnyi analiz.Lviv, : Zapovit, 1997. 438 s.

5. Kostrikov S. V. Modeliuvannia hidrolohoheomorfolohichnykh kharakterystyk vodozboru. /

1. V. Kostrikov, B. N. Vorobiov// Ukrainskyi heohrafichnyi zhurnal. Kyiv, 2002. № 2. S. 4348. (133)

2. Mykhnovych A.V. Ekoloho-heomorfolohichni doslidzhennia verkhnoi chastyny stochyshcha Dnistra z vykorystanniam HIStekhnolohii : avtoref. dys. kand. heohr. nauk / A.V. Mykhnovych. Lviv, 2003. 20 s.

3. Panov D.H. Obshchaiaheomorfolohyia M.: Vbisshaia shkola, 1966. -- 428 s.

4. Pylypovych O.V. Heoekolohiiarichkovobaseinovoi systemy verkhnoho Dnistra. / O.V. Pylypovych, I.P. Kovalchuk. Lviv-Kyiv: LNU imeni Ivana Franka, 2017 284 s.

5. Prohrama dii z okhorony dovkillia dlia hromad, roztashovanykh v baseini r.Berezhnytsia. // Materialy Rehionalnoho ekolohichnoho tsentru „RETs-Kyiv” Kyiv, 2004 19 s.( 293.)

6. Rehionalna dopovid pro stan navkolyshnoho pryrodnoho seredovyshcha u lvivskii oblasti v 2016 rotsi. 2017 r. 297 s

7. Stetsiuk V. V. Teoretyko-metodolohichni zasady ekolohichnoi heomorfolohii / V. V. Stetsiuk. K. : RVTs Kyiv. un-tu, 1997. 150 s.

8. Tymofeev D. O. Эkolohycheskaiaheomorfolohyia: obbekt, tsely y zadachy / D. O. Tymofeev // Heomorfolohyia. 1991. № 1. S. 43-48.

9. Chervanev Y.S. Aspektb strukturnofunktsyonalnohoanalyzarelefa dlia optymyzatsyypryrodopolzovanyia / Y.S. Chervanev // Heohrafyia y pryrodnbieresursbi. 1985. №2. S. 120-125. 20

10. Shvets O.I. Kartohrafichne modeliuvannia struktury zemlekorystuvannia v baseinakh malykh richok (za danymy dystantsiinoho zonduvannia Zemli) / I. P. Kovalchuk, O. I. Shvets, Yu. M. Andreichuk // Pryroda zakhidnoho Polissia ta prylehlykh terytorii Lutsk. : SNU im. Lesi Ukrainky, 2013. №10 S. 23-35.

11. Shyshchenko P.H. Prykladnaia fyzycheskaia heohrafyia K.: Vbishcha shkola. Holovnoe yzd-vo, роїгоуаіеііа ЯесИапск : Е8М РКЕ88, 2004.

Размещено на Allbest.ru