Дмитрий Иванов, доцент кафедры исторической геологии и палеонтологии геологического ф-та Воронежского госуниверситета;
E-mail: ivanov@geol.vsu.ru
В настоящее время в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на природную среду часто решаются задачи по комплексному экогеологическому районированию территорий. При этом необходимо одновременно учитывать большое число взаимосвязанных, неравноценных и измеренных в разных шкалах компонентов (показателей) природной среды.
Сложность и пространственная неоднородность объектов в науках о Земле заставляет рассматривать их совокупности как природные (биогеосферные) системы. При этом под системойпонимается совокупность элементов, часто находящихся во взаимно обусловленных связях друг с другом и образующих определенную целостность, единство, при котором выведение из равновесия одного из элементов отражается на остальных, нередко, с фрактальным эффектом. Ввиду медленного протекания геологических процессов, природные системы в большинстве случаев могут рассматриваться как статичные, свойства которых постоянны во времени. Однако, интенсивно проявленная антропогенная природо-хозяйственная деятельность придает им признаки динамичных систем. Кроме этого, природные системы относятся к классу открытых систем, при всестороннем изучении которых необходимо учитывать не только связи между составляющими их элементами, но и связи между самой системой и окружающей средой [1].
К традиционным методам оценочного экогеологического районирования относится путь последовательного наложения карт исходных показателей. Существующие методики предлагают переход к бальным оценкам используемых показателей по уровням потери качества относительно экологических норм и получение на их основе аддитивной характеристики экогеологического состояния территории по степени нарушенности. Научной основой такой оценки должна быть предварительная систематизация знаний о закономерностях взаимодействия между компонентами геосферы, биосферы и техносферы [2]. Любое текущее состояние системы (его количественная оценка) является следствием проявления ее структуры и взаимодействия составляющих ее компонентов (элементов). Исходя из принципов системной динамики, понимание последнего более важно [3], особенно при прогнозе или планировании мероприятий.
В Воронежском Госуниверситете, являющемся крупнейшим вузом Черноземного региона, накоплен большой фактический материал по природно-техногенным показателям ресурсного, оценочного и биоиндикационного характера. В частности, для оценки взаимодействия компонентов природной среды на территории Воронежской области использованы следующие исходные показатели (ИП, см. рис. 1): по экзогенным процессам — районирование территории по степени опасности развития процессов овражной эрозии (з), оползней, суффозионно-просадочных явлений (ж), заболачивания; по гидросфере — естественная защищенность от загрязнения основных эксплуатационных горизонтов подземных вод (б), модуль эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод (л/с*км2) (а), величина местного поверхностного стока в тыс. м3/км2; почвенно-агроландшафтные группы (в), количество выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников (тыс. тонн) (е), критерий биоклиматической комфортности, нормированный критерий здоровья (д), степень изменения морфологических признаков высших растений (%).
Рис. 1. Схема оценки взаимодействия компонентов природной среды.
Для обработки исходных данных использовано ПО ERDAS IMAGINE, полученное геологическим факультетом ВГУ по программе поддержки ВУЗов. Общая схема обработки представлена на рис. 1. Она включает следующие этапы:
- растеризация карт пространственного распределения исходных показателей (полигональных векторных покрытий) с формированием тематических растров и одновременной переклассификацией по уровням потери качества окружающей природной среды. Результатом явилось формирование матричных (растровых) моделей данных с пятибалльной шкалой градаций. Размер элементарной ячейки (пикселя) выбран равным 0,5х0,5 км или 1 мм2 карты для масштаба 1:500 000. Исходя из общего размера территории, размер матрицы для Воронежской области составил 571х671 ячейку. Фиксированная сеть ячеек позволила унифицировать описание территории, обеспечив получение набора показателей в одноименных точках.
- формирование из подготовленного набора тематических покрытий многоканального растра. Фактически исходные покрытия становятся отдельными каналами общего изображения области с растяжкой их гистограмм до 8 бит. Данная процедура формирует сводную модельную базу для последующей обработки и, в том числе, дает возможность применения метода главных компонент.
- обработка многоканального растра по методу главных компонент. В основе последнего лежит предположение о возможной агрегации исходных данных с переходом к одному или нескольким «новым» или «обобщенным» показателям. Такие показатели группируют одинаково изменяющиеся или взаимозависимые исходные данные, что отражает общие тенденции или процессы (функциональные пространства), свойственные для территории в целом. Причиной выбора метода главных компонент является то, что он позволяет исследовать многомерные совокупности разнородных данных и не требует предварительных гипотез, поскольку сам выступает критерием гипотез, не требует информации о взаимозависимости исследуемых переменных, а также снижает пространство исходных признаков до наглядно-обозримой формы. В результате обработки получен 5-ти канальный растр, в котором в качестве отдельных каналов выступают карты распространения главных факторов.
- количественная интерпретация полученных данных проведена в программе Statistica на основе прямоугольной таблицы «геообъект-признак», где геообъектами (строками) являются центры пикселей тематических растров, а признаками (колонками) – значения бальных оценок исходных показателей. Общее число обрабатываемых точек для территории области, после исключения данных за ее границами и в пределах водных акваторий, составило 206 тысяч 676 значений для каждого из ИП. Результаты иерархической кластеризации представлены на рис. 2. Выделенные пять главных факторов составляют 73,8% дисперсии всей выборки. Жирным стилем выделены показатели, имеющие вес в данном факторе более 70%. По сути, выделяемые группировки показателей надо интерпретировать с точки зрения процессов, обуславливающих их совместное изменение.
Рис. 2. Дерево объединения исходных показателей и нагрузки на главные компоненты.
Фактор 1, имеющий вес 27,3%, определяется в основном показателями величины поверхностного стока, интенсивностью использования подземных вод, интегральными показателями климата и здоровья населения. Одинаково высокие нагрузки данных показателей в Факторе 1 не обязательно определяют их взаимозависимость, но показывают одинаковый характер изменения. В данном случае Фактор 1 описывает широтную изменчивость, вызванную климатической зональностью Воронежской области, имеющей протяженность с Ю на С около 300 км. Карты показателей, имеющих в нем максимальные веса, имеют субширотную ориентировку выделяемых для них градаций и наименее сложную морфологию полей.
Фактор 2 (вес 19,0%) объединяет показатели опасности развития процессов заболачивания и суффозионно-просадочных явлений. Данные показатели имеют разный знак, что говорит об их антагонистичности — пространственной полярности. То есть, развитие для данного участка одного из показателей исключает присутствие другого. Это естественно для зон дренирования и зон заболачивания. В области высоких положительных нагрузок данного фактора находятся: склоновая часть эрозионной сети Среднерусской возвышенности (правобережье р. Дон); Калачская возвышенность (долины р.р. Толучеевка, Криуша, Осередь); выположенное левобережье р. Дон.
Фактор 3 (вес 10,3%) объединяет признаки: почвенные группы и защищенность поверхностных вод. Максимальные нагрузки фактора связаны с пойменными участками водотоков.
Фактор 4 (вес 9,5%) описывает распределение показателей антропогенной природы, являющихся индикаторами промышленно-хозяйственной жизнедеятельности человека — количество выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников и морфологические признаки изменения спор высших растений.
Фактор 5 (вес 7,7%) образован высокими значениями для показателей опасности развития овражной эрозии и оползней. На карте высокие значения фактора соответствуют областям верхних частей склонов для Среднерусской и Калачской возвышенностей и склоновым частям Окско-Донской низменности.
Изучение взаимодействия компонентов природной среды можно проводить как в целом для всей территории, так и в пределах отдельных структурно-каркасных единиц различного порядка: ландшафтных типов местности или морфоструктурных областей (для Воронежской антеклизы это Среднерусская и Калачская возвышенности, Окско-Донская низменность). Данные показатели используются в качестве «масок» для территориально-выборочной оценки. Для различных структурно-каркасных единиц отмечены закономерности по устойчивой группировке показателей, связанных с широтной зональностью и формирующих, в подавляющем большинстве случаев, первую главную компоненту. Довольно устойчив фактор, объединяющий нагрузки антропогенной природы. Он занимает 2-4 место, в зависимости от степени освоенности территории. Несомненный интерес представляет изучение взаимодействия компонентов природной среды в пределах селитебных территорий.
Таким образом, из имеющейся совокупности исходных данных были выделены: региональная составляющая, отражающая широтную климатическую зональность территории; техногенная составляющая, являющаяся следствием антропогенной деятельности; составляющие, в разной степени определяемые вертикальной ландшафтной зональностью рельефа (факторы 2, 3, 5).
В целом, подобная методика применима для произвольного набора данных геологического, геохимического, гидрогеологического, геофизического, экологического характера. Она позволяет исследовать пространственное взаимодействие элементов изучаемой системы и выявить ведущие факторы, воздействующие на эту совокупность. Созданная на основе многоканального растра модельная база данных может быть использована для мониторинговых наблюдений и содержательной оценки геоэкологического состояния территории. При матричной форме организации ИП расчет последней возможен путем выполнения определенного набора процедур. Это позволяет в последующем модифицировать результаты оценки за счет введения дополнительных показателей и коэффициентов, в зависимости от мнения эксперта или целей оценки.
Литература.
1. Каждан А.М., Гуськов О.Н. Математические методы в геологии. М. Мысль, 1990- 251. с.
2. Экология России. Т.I Европейская часть/ Гл. редактор Г.С. Вартанян, М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000. -300 с.
3. Гершензон В.Е. и др. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания/ М.: Издательский центр «Академия», 2003. -288 с.
