Землеустройство, землепользование и
лйнджйф^ное планирование
УДК 911.5
ЛАНДШАФТНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ГЕОСИСТЕМ (ЧАСТЬ 1)
В. В. Сысуев, профессор, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, географический факультет, v.v.syss@mail.ru
Теоретическое описание структуры и функционирования геосистем использовано для ландшафтного планирования лесопользования в пределах Осташковской конечно-моренной гряды Валдайской возвышенности. Структура природно-территориаль-ных комплексов получена методами численной классификации поверхности рельефа по морфомет-рическим величинам, описывающим градиенты геофизических полей, и параметрам состояния растительного покрова по данным ДДЗ. Моделирование долгосрочной динамики многопородного древостоя проведено с использованием двух наиболее контрастных сценариев развития леса — естественное развитие насаждений и сплошные рубки главного пользования. Результаты моделирования положены в основу зонирования территории по способам рекомендуемого лесопользования. Приведены примеры постановки задач оптимизации лесопользования.
The theoretical description of geosystems is used for forest landscape planning in southern taiga within the marginal zone of Valdai glaciation in European Russia. The structure of natural complexes was obtained with the use of quantitative classification based on morphometric parameters, digital terrain model and space image. Classification of the relief was performed using parameters that describe gradients of geophysical fields of gravity and insolation. Landsat 7 data were used to decipher plant cover patterns. Classes were verified by field data from strip forest inventory using discriminant analysis. Modeling long-term dynamics of the uneven stands was conducted using two most contrasting scenarios, i.e. the natural development of forests and continuous felling. The simulation results were used as a basis for zoning on the recommended methods of forest management. The examples of mathematical formulation of the optimization problems of forestry management were presented.
Ключевые слова: ландшафтное планирование, теория геосистем, оптимизация лесопользования.
Keywords: landscape planning, the theory of geosystems, optimization of the forestry management.
Введение. Проблемы планирования, проектирования и управления устойчивым природопользованием и задачи условной оптимизации предполагают наличие одинаковых предпосылок: имеется цель, которую нужно достичь, учитывая всевозможные ограничения. Мощный аппарат решения этих проблем имеет теория оптимизации (оптимального управления). Для решения задачи оптимизации необходимо: 1) составить математическую модель объекта оптимизации; 2) выбрать критерий оптимальности и составить целевую функцию; 3) установить возможные ограничения, которые должны накладываться на переменные; 4) выбрать метод оптимизации для нахождения экстремальных значений искомых величин.
Выбор территориальных единиц для управления природопользованием и прогнозирование развития природных или природно-антропогенных территориальных комплексов под воздействием антропогенных воздействий являются важнейшими проблемами ландшафтного планирования.
Вследствие вышесказанного теоретическое описание структуры и функционирования геосистем должно стать одним из основных методов ландшафтного планирования. Использование априорных геофизических данных, объективных физико-математических моделей структуры и геосистемных процессов дает возможность оптимизации природопользования уже на первоначальном этапе разработки планов и проектов. В предыдущих работах на основе теории геосистем нами реализованы методы дифференциации природных территориальных комплексов, моделирования пространственной динамики развития древостоев под воздействием лесохозяйственной деятельности [1—3]. На рисунке представлена схема блоков функционирования при-родно-антропогенных лесохозяйственных ландшафтов.
Рис. Схема блоков модели функционирования природно-антропогенного лесохозяйственного ландшафта
(Николаев, Копыл, Сысуев, 2008)
Структура геосистем и средообразующие процессы
Цифровая модель рельефа,
дифференциация ПТК, выделение потенциальных типов местопроизрастания
Поле атмосферных осадков и химический состав
Водный режим почв и миграция химических веществ до грунтовых вод
Гидрологический и гидрохимический режим водосбора
Биогеохимический круговорот минеральных веществ и углерода
Климатические и метеорологические процессы (микро- и мезоуровня)
Исходные данные
Картографическая БД Таксационная БД Базы данных биологических параметров видов
Картографический интерфейс
Антропогенные и стихийные воздействия
Главное (промышленное) лесопользование
Лесохозяйственные
мероприятия, лесовосстановление, лесомелиорации
Побочные пользования, рекреация
Пожары
Вспышки численности вредителей леса
Ветровалы
Климатические изменения
Подтопление, заболачивание
Центральным блоком является модель динамики многопородного разновозрастного древостоя. Однако пространственное распределение продуктивности и состава древостоев предопределены ландшафтно-экологическими условиями местопроизрастания, которые отображены в виде блоков в левом столбце. Антропогенные и стихийные воздействия перечислены в правом столбце. Анализ блок-схемы позволяет говорить о необходимости оптимизации, с одной стороны — размещения породного состава древостоев для наилучшего использования биопотенциала условий местопроизрастания, с другой — об оптимизации лесохозяйственной деятельности для наиболее рационального использования лесных земель. В любом случае можно говорить об оптимизации лишь управляющих воздействий, в данном случае реальных лесохозяйственных мероприятий, которые могут быть использованы для достижения поставленных задач.
Основные концепции теории геосистем. Физико-математическое моделирование является методологической основой создания теории геосистем. Моделирование дает возможности проведения численных экспериментов природных процессов с резко различными характерными масштабами по времени и пространству — как длительных процессов формирования структуры и запасов древостоев и
структуры ландшафтов в целом, так и быстро протекающих процессов водного стока, миграции и биологического круговорота вещества и энергии. Причем во всех моделях с распределенными параметрами структура ландшафта является граничным условием, обеспечивающим определенность решения.
Опишем основные концепции теории геосистем низких рангов, включая ландшафт как геосистему региональной размерности, состоящую из генетически и функционально взаимосвязанных локальных геосистем, сформированных на единой морфоструктуре в условиях местного климата.
«Элементарным ПТК — приурочен к одному элементу мезорельефа; это территория однородная по трем своим характеристикам: литологическому составу пород, углам наклона рельефа и экспозиции склона. В этом случае суммарная солнечная радиация и атмосферные осадки, поступающие на поверхность, одинаковы. Поэтому формируются один микроклимат и один водный режим, ... один биогеоценоз, одна почвенная разность и однообразный комплекс почвенной мезофауны» [4, стр. 22].
Как следует из определения, выделение элементарные ПТК (фаций) может быть проведено по параметрам распределения солнечной радиации и воды по поверхности рельефа —
точнее по распределению градиентов полей инсоляции и гравитации. Таким образом, в классическом определении уже заложена необходимость описания дифференциации ПТК на основе теории поля и морфометрии земной поверхности
Концепции моделирования структуры ландшафтов
1. Модели и классификации природно-тер-риториальных комплексов (ПТК) отвечают принципам термодинамики необратимых процессов — билинейному уравнению Онзагера:
J = -^гаёи = ЬХ ^ Ji = X ЬкХк
к
и могут осуществляться: 1) по системообразующим потокам J2) по градиентам силовых полей Хк (инсоляции, гравитации и др.); 3) по феноменологическим коэффициентам Ь^ (обобщенным проводимостям). Например, по В. Н. Солнцеву [5] необходимо рассматривать три механизма ландшафтной структуризации — геостационарный, геоциркуляционный и биоциркуляционный либо по отдельности, либо те и другие одновременно. Построение теоретических моделей начинается с базовых аксиом и постулатов, основанных на физических принципах и эмпирических обобщениях.
2. Геосистемные аксиомы и постулаты
Выделение элементарного объекта. Пиксели трехмерной цифровой модели местности соответствующего масштаба выступают элементарными материальными точками (по аналогии с материальными частицами теоретической механики), из которых производится построение элементарных ПТК и их иерархии.
Параметрами состояния ПТК являются ландшафтно-геофизические данные (координаты, параметры градиентов полей инсоляции, геопотенциала, температуры, химических потенциалов, параметры состояния поверхности Земли, параметры продуктивности почв и растительности и др.). Для описания потоков, сил и проводимостей используются численные параметры. Выбор параметров — важнейший этап введения аксиоматики
Физические законы разной степени фундаментальности — основа описания структуры и процессов в ландшафтах — фундаментальные законы сохранения — основной инструмент для выведения теоретических моделей, градиентные законы (например, законы Дарси, Фурье, Фика и др.) описывают конкретные процессы переноса.
3. Геофизические параметры состояния ландшафтов — измеряемые величины: 1) по
цифровым моделям рельефа (ЦМР) — геомор-фометрические параметры, описывающие градиенты индуцирующих геофизических полей; 2) по цифровым данным дистанционного зондирования (ДЗЗ) — параметры состояния земной поверхности; 3) измеряемые в натуре в ландшафтных, лесотаксационных, гидрологических, геофизических и других исследованиях; 4) в лабораторных условиях; 5) в специальных экспериментах и т. д.
Пространство географических координат задается построением ЦМР для достижения максимальной разрешающей способности конкретного иерархического уровня геосистем. Например, по горизонтал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.