Хромых В.В., к.г.н., Хромых О.В., к.г.н., Томский государственный университет, кафедра Географии, E-mail: geo@mail.tomsknet.ru
Долина нижней Томи характеризуется сложной ландшафтной структурой, что обусловлено её положением в зоне перехода от Алтае-Саянской горной страны к Западно-Сибирской равнине. Природные комплексы долины отличаются высокими темпами естественных изменений. Помимо этого, за период хозяйственного освоения многие геосистемы претерпели существенную антропогенную модификацию.
Цели исследования и источники данных
Для выявления изменений долинных геосистем с конца XIX в. были поставлены и последовательно решены следующие задачи:
- изучить современное состояние природных компонентов ландшафтов долины нижней Томи;
- проанализировать историко-географические особенности хозяйственного освоения и антропогенной модификации ландшафтов Нижнего Притомья;
- разработать методику крупномасштабного геоинформационного картографирования долинных геосистем, создать на её основе географическую информационную систему (ГИС) долины нижней Томи и карты геосистемы в масштабах 1:10000 — 1:25000;
- изучить динамику и эволюцию геосистем на основе разновременных картографических источников, данных дистанционного зондирования (ДДЗ) и материалов полевых исследований.
В качестве источников при создании ГИС использовались: топографические карты масштаба 1:25000 съёмок 1977-1981гг. (31 карта); топографические планы землеустройства 1:10000 съёмки 1998г. (77 листов); топографические планы долины нижней Томи 1:10000, составленные в 1896г. (22 листа); топоплан Томска 1:10000, составленный в 1930-1932гг.; карта почв и растительности окрестностей Томска 1928г.; карта растительности окрестностей Томска 1929г.; лоции Томи (94 листа); аэрофотоснимки (АФС) 1944-1973гг. (158 снимков); космические снимки (КС) Terra (Aster) 2000-2004гг. с пространственным разрешением 15м (7 снимков) и Quick Bird II 2005г. с пространственным разрешением 2,4м (37 снимков), а также материалы полевых исследований.
Методика
Разработанная авторами методика геоинформационного картографирования базируется на теоретических концепциях и практических разработках А.М. Берлянта [1], Н.Л. Беручашвили [2], П.А. Барроу [3] и др. и была адаптирована применительно к крупномасштабным ландшафтным исследованиям речных долин. Она основана на привлечении максимально возможного количества разновременных крупномасштабных картографических источников, данных дистанционного зондирования, полевых материалов с GPS-привязкой, интегрированных в единой картографической проекции и системе координат, а также на применении новейших технологий сложного пространственного анализа. Геоинформационное картографирование долинных природных территориальных комплексов (ПТК) проводилось в несколько этапов:
- перевод всех картографических источников и ДДЗ в цифровую форму с привязкой к топооснове в проекции Гаусса-Крюгера (15-я зона);
- создание единой базы геоданных, объединяющей картографическую информацию и атрибутивную (материалы полевых исследований);
- построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на основе высотных данных топографических карт 1:25000 и полевых съёмок;
- морфометрический анализ района с помощью ЦМР и «алгебры карт»;
- дифференциация крупных геоморфологических элементов долины на основе результатов морфометрического анализа, карты четвертичных отложений, космических снимков Terra (сканер Aster), материалов полевых исследований и картографирование типов местностей;
- углубленная дифференциация растительного и почвенного покрова внутри крупных геоморфологических элементов долины на основе топографических карт 1:25000, топографических планов 1:10000, данных аэрофотосъемки (АФС), КС Terra, Quick Bird, полевых описаний и картографирование типов урочищ;
- пространственный и статистический анализ морфометрических показателей геосистем (средняя площадь, углы наклона, экспозиции склонов и т.п.) и их взаиморасположения (преобладающие «соседи» по общим границам);
- анализ динамики и эволюции долинных геосистем путём сопоставления разновременных карт, ДДЗ и материалов полевых наблюдений.
Изменения пойменных геосистем
Под изменениями геосистем понимается приобретение ими новых или утрата прежних свойств в результате внешнего воздействия или под влиянием процесса саморазвития. При этом авторы придерживаются точки зрения В.Б. Сочавы [4], А.А. Крауклиса [5], А.Г. Исаченко [6] и др., которые признают три уровня изменений в ПТК:функционирование, динамику и эволюцию. Вслед за этими географами под функционированием авторы понимают циклические изменения ПТК (суточные и годовые ритмы). Изменения геосистем, не сопровождающиеся изменениями их структуры, авторы относят к динамике, а под эволюцией (развитием) геосистем понимаются необратимые направленные изменения, приводящие к появлению новых геосистем. В данной работе рассмотрена динамика и эволюция геосистем ранга урочищ. Такие геосистемы, по сравнению с ПТК более высоких рангов (местностей, ландшафтов), изменяются гораздо быстрее. При этом эволюция некоторых долинных урочищ (особенно пойменных) происходит в течение нескольких десятилетий, в отдельных случаях – лет.
Причинами естественной эволюции ПТК являются, как правило, изменения литогенной основы и изменения климата [7]. Наибольшие естественные изменения ландшафтной структуры в условиях почти не меняющегося климата наблюдаются, на взгляд авторов, в пойме и связаны с преобразованием рельефа эрозионно-аккумулятивной деятельностью реки.
Естественные изменения геосистем в пойме Томи
Естественная динамика и эволюция геосистем в пойме Томи была изучена на нескольких ключевых участках ниже Томска путём сравнения топопланов 1896 г. с современной ландшафтной картой. Изменения геосистем за 100 лет в районе устья Иштанской протоки показаны на рис. 1, 2. На этом участке наблюдается значительное смещение русла Томи, выражающееся в размыве левого берега (155м) и намыве правого (50м), и поэтому отчётливо видны вновь образованные пойменные геосистемы (стрелки на рис. 2). Здесь прослежена эволюция от самых молодых и динамичных геосистем прирусловых отмелей с пионерной растительностью на аллювиальных примитивных слоистых почвах до геосистем высоких грив с разнотравно-злаковыми лугами на аллювиальных дерновых почвах. Коды урочищ на рисунках: 1 – песчаные отмели с пионерной растительностью на примитивных слоистых почвах; 2 – невысокие валы с зарослями ивы на аллювиальных дерновых слоистых почвах; 3 – ложбины с хвощово-осоковыми лугами на аллювиальных луговых слаборазвитых почвах; 4 – межгривные понижения с полидоминантными лугами на аллювиальных луговых почвах; 7 – вершины грив с сосново-берёзовыми разнотравными лесами на аллювиальных дерновых почвах; 8 – глубокие межгривные понижения с осоковыми лугами на аллювиальных лугово-болотных почвах; 9 – гривы с ивовыми крапивно-злаковыми лесами на аллювиальных дерновых слаборазвитых почвах; 46 – гривы второй надпойменной террасы с сосново-берёзовыми лесами на серых лесных почвах; 101 – глубокие межгривные понижения на периферии старичных озёр и проток с заболоченными черёмухово-ивовыми зарослями на аллювиальных иловато-глеевых почвах; 108 – вершины высоких грив с разнотравно-злаковыми лугами на аллювиальных дерновых почвах.
Рис. 1. Типы растительности в районе устья Иштанской протоки в 1896 г.
Рис. 2. Фрагмент современной ландшафтной карты в районе устья Иштанской протоки.
Антропогенная модификация геосистем
В XIX-XXI веках человек активно вмешивается в процессы природной динамики геосистем. Это приводит к искажению естественной эволюции сукцессионных рядов и даже к возникновению природно-антропогенных геосистем, искусственно поддерживаемых человеком и испытывающих постоянное антропогенное воздействие. Ключевыми факторами антропогенной модификации геосистем являются промышленная и сельскохозяйственная деятельность человека: добыча песчано-гравийной смеси (ПГС), торфоразработки, лесозаготовки, распашка лугов, мелиоративные работы, гидростроительство, выпас скота, а также расширение селитебных территорий и транспортное строительство. Эти факторы часто накладываются друг на друга и на процессы естественного развития ПТК. Для изучения антропогенной динамики геосистем в результате действия всего комплекса факторов был выбран участок окрестностей Томска, где наблюдаются максимальные изменения. С целью выявления антропогенных изменений геосистем в ГИС было проведено сравнение оцифрованной карты растительности 1929 г. и современной ландшафтной карты (рис. 3, 4).
Рис. 3. Карта растительности окрестностей Томска в 1929 г. [8]. Стрелки – осушенные сейчас болота.
Рис. 4. Фрагмент современной ландшафтной карты окрестностей Томска.
Прежде всего, следует отметить антропогенное иссушение геосистем вследствие снижения уровня грунтовых вод, произошедшего из-за комплекса наложившихся друг на друга факторов: посадки уровня Томи из-за добычи ПГС на 2,6м, деятельности Томского водозабора, мелиоративных работ, вырубки лесов. Из-за посадки уровня реки изменился режим затопления поймы, что вызвало её структурную перестройку. Нарушение режимов поемности (продолжительности и степени затопления) привело к своеобразному «скачку» почти всех урочищ на одну ступень вверх в парагенетическом ряду пойменных геосистем. Так, многие русловые ПТК перешли в разряд прирусловых гравийно-галечных отмелей, что хорошо заметно у Лагерного сада, где русло Томи сузилось от 514м до 308м, и ниже Коммунального моста, где оно сузилось от 770м до 180м (рис. 3, 4).
ПТК прирусловой поймы переходят в категорию комплексов центральной поймы. Об этом свидетельствует смещение ивовых кустарников к руслу и замена их лугами. Высокая пойма превращается, в свою очередь, в молодую «антропогенную» надпойменную террасу – в последний раз полное затопление поймы в окрестностях Томска было в 1947 г. У многих ПТК здесь наблюдается быстрая трансформация аллювиальных луговых почв в сторону дерновых, что подтверждается нашими полевыми исследованиями. Отмечается уменьшение, а местами и полное исчезновение признаков оглеения почв, так как грунтовые воды большую часть года находятся за пределами почвенного профиля, хотя на высокую заболоченность центральной поймы указывали многие исследователи начала и середины XX в. [9, 10, 11]. Эксплуатация Томского водозабора за 30 лет привела к снижению уровня водоносного горизонта кочковской свиты, на питание которого сейчас увеличился расход верховодки, и стала ещё одним фактором понижения уровня грунтовых вод. Ситуацию усугубила интенсивная осушительная мелиорация на левобережье в 1960-1980-е годы.
В то же время, наряду с сужением русла Томи, в результате добычи ПГС были уничтожены прирусловые ПТК на о. Басандайский, который уменьшился почти в 2 раза – с 0,176кв.км в 1929 г. до 0,094кв.км в 2005 г. (рис. 3 и 4).
Почти все геосистемы пойменных лугов были модифицированы в пашни.
Снижение уровня грунтовых вод затронуло и ПТК надпойменных террас. Уменьшились размеры и глубины озера Песчаного, его форма трансформировалась из круглой в подковообразную. Многие залесенные болота модифицированы в геосистемы высохших сосново-берёзовых болот. Наш анализ на основе геоинформационного картографирования показал сокращение площади заболоченных лесов в четыре раза – с 8,02кв.км в 1929г. до 1,99кв.км в 2005г. Сильно выросла территория селитебных зон: площадь дер. Кисловка увеличилась в три раза (с 0,42кв.км в 1929г. до 1,41кв.км в 2005г.), с. Тимирязевское – в восемь раз (с 0,36 до 2,83кв.км).
Заключение
Таким образом, как показали наши исследования с использованием возможностей ГИС, в настоящее время антропогенной модификации в той или иной степени подвержены почти все геосистемы в окрестностях Томска. Вектор динамики геосистем здесь направлен в сторону значительного иссушения вследствие снижения уровня грунтовых вод, произошедшего из-за комплексного воздействия антропогенных факторов.
Литература
1.Картоведение / Берлянт А.М., Востокова А.В., Кравцова В.И. и др.– М.: Аспект Пресс, 2003.– 477 с.
2. Беручашвили Н.Л. Персональные компьютеры в географии.– Тбилиси: Изд-во Тбил. ун-та, 1992.– 180 с.
3. Burrough P.A. Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment.– Oxford, 1996.– 194 p.
4. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах.– Новосибирск: Наука, 1978.– 319 с.
5. Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения.– Новосибирск: Наука, 1979.– 233 с.
6. Исаченко А.Г. Теория и методология географической науки.– М.: Издательский центр «Академия», 2004.– 400 с.
7. Мамай И.И. Динамика и функционирование ландшафтов.– М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005.– 138 с.
8. Весенние ботанические экскурсии в окрестностях гор. Томска.– Томск, 1929.– 155 с.
9. Рожанец М.И., Рожанец-Кучеровская С.Е. Почвы и растительность окрестностей города Томска // Известия ТГУ.– 1928.– Т. 81.– С. 313-405.
10. Кузнецов К.А. Почвы окрестностей г. Томска // Труды ТГУ. Том. 92.– Томск, 1937.– С. 95-146.
11. Петров Е.Н. Особенности строения речного ложа р. Томи // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода. № 19.– М.: Изд-во АН СССР, 1953.– С. 38-49.
