close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Создание механизма управления экосистемой малого водохранилища в условиях возрастания антропогенной нагрузки (на примере Шершневского водохранилища, г. Челябинск)

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Бобылев Александр Владимирович Шифр научной специальности: 25.00.36 - геоэкология Шифр диссертационного совета: Д 220.025.03 Название организации: Государственный университет по землеустройству Адрес организации: 105064, г.Москва, ул
На правах рукописи
БОБЫЛЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
СОЗДАНИЕ МЕХАНИЗМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКОСИСТЕМОЙ
МАЛОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В УСЛОВИЯХ ВОЗРАСТАНИЯ
АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
(на примере Шершневского водохранилища, г. Челябинск)
Специальность: 25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук
Челябинск - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет)
на кафедре "Водоснабжение и водоотведение"
Научный руководитель:
доктор географических наук, профессор
Рассказова Надежда Степановна
Официальные
оппоненты:
доктор географических наук, профессор,
Разумовский Владимир Михайлович
(ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет экономики и финансов")
кандидат географических наук, доцент,
Ларченко Ольга Викторовна
(ФГБОУ ВПО "Пермский государственный национальный исследовательский университет")
Ведущая организация:ФГУП "Уралгеоинформ"
Защита состоится " " мая 2012 г. в " " часов на заседании диссертационного совета Д 220.025.03 при ФГБОУ ВПО "Государственный университет по землеустройству" по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, д.15, конференц-зал. Тел. (499) 261-49-63, факс (499) 261-95-45.
Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, 15, ФГБОУ ВПО "Государственный университет по землеустройству", диссертационный совет.
С диссертацией можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГБОУ ВПО "Государственный университет по землеустройству".
Автореферат диссертации разослан и размещен на сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru/ " " апреля 2012 г. и на сайте университета www.guz.ru " " апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Т.А. Соколова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Шершневское водохранилище является единственным источником всех видов водоснабжения: питьевого, производственного и хозяйственно-бытового для города Челябинска, а также населенных пунктов, входящих в состав Челябинской агломерации. Общая численность населения составляет 1,5 млн. человек. Водохранилище испытывает колоссальные нагрузки, обусловленные сочетанием ряда природных и антропогенных факторов. Оно организовано на маловодной реке, является вторым водохранилищем в каскаде. В силу своих морфометрических характеристик и верхового расположения водозабора аккумулирует нагрузку природного характера. Неосвоенная часть водосбора собственно водохранилища рассматривается в качестве площадки перспективного развития Челябинска. Река Миасс, на которой создано Шершневское водохранилище, относится к Обскому бассейну, она является единственной водной артерией в районе Челябинской агломерации. Водопотребители Челябинска и пригородов используют весь суточный расход реки Миасс. При этом водосбор Миасса является источником поступления загрязняющих веществ в акваторию водохранилища. В результате развития Челябинской агломерации и территорий на водосборе водохранилища отмечается растущая потребность в водопотреблении. С другой стороны, в результате возрастания нагрузки на Шершневское водохранилище ограничивается возможность его использования в качестве постоянного источника водоснабжения. Одной из основных проблем Челябинской агломерации является дефицит водных ресурсов. Постоянно меняющееся воздействие водосбора как собственно водохранилища, так и водосбора реки Миасс, требует выработки общих методических подходов оценки природного и антропогенного воздействия на водные объекты, рассматриваемые в системе с водосбором. Сбор данных о состоянии частных водосборов требует изучения колоссального объема данных, длительной обработки, в результате чего собранные некогда данные могут стать неактуальными. Такой подход не приемлем не только для принятия оперативных решений, но и для решений управленческого характера, связанных с планированием развития территорий водосбора. Ввиду отсутствия возможности объективной оценки вклада частных водосборов в общее загрязнение необходимо разработать методические подходы для экспресс-оценки воздействия антропогенной деятельности на водосборе на состояние водных объектов. К сожалению, современное водное законодательство не отражает объекты, по значимости сопоставимые с Шершневским водохранилищем с позиции их охраны. Дальнейшее развитие территории водосбора должно производиться с учетом ее возможного воздействия на систему водных объектов, что должно регулироваться на законодательном уровне, технически и технологически.
Объект исследования. Объектом настоящего исследования является Шершневское водохранилище, которое будучи вторым звеном в каскаде, рассматривается в системе с Аргазинским водохранилищем и участком реки Миасс между данными водными объектами.
Предметом исследования выступает изучение воздействия хозяйственной деятельности на водосборе на водные объекты с последующим прогнозированием данного воздействия с учетом его развития. Одним из результативных аспектов антропогенной деятельности является пространственная структура организации хозяйственной деятельности на территории водосбора. В основу рассмотрения данной структуры положено функциональное использование территории водосбора.
Целью исследования является создание механизма управления системой водных объектов "Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище" и их водосборов, а также оценки воздействия антропогенной деятельности на водосборе на гидроэкологическое состояние водных объектов. Для достижения поставленной цели, необходимо выполнить следующие задачи:
1. Разработать систему учета воздействия верховых звеньев каскада и их водосборной площади на низовое звено (Шершневское водохранилище).
2. Обосновать возможность использования системы функционального зонирования территории водосбора в качестве пространственной основы для оценки воздействия антропогенной деятельности на состояние водных ресурсов.
3. Проанализировать состояние экосистемы водных объектов, динамику воздействия водосборной площади на каскад водных объектов и выявить возможные механизмы управления экосистемой. 4. Создать инструментарий для организации информационного пространства, мониторинга, моделирования и поддержки принятия управленческих решений на основе экспресс-оценки воздействия хозяйственной деятельности на водосборе на водные объекты.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы из различных областей науки:
* методы математической статистики (для анализа статистической тематической информации, а также статистический метод проведения массовых опросов); * SWOT-анализ (анализ текущего и перспективного использования Шершневского водохранилища в качестве источника водоснабжения);
* картографические методы (составление тематических карт методом генерализации на базе топоосновы; составление водохозяйственной схемы района метод графов);
* анализ территории по данным дистанционного зондирования;
* метод камеральной обработки первичной пространственной и тематической информации;
* геоинформационное моделирование (пространственный анализ как основное средство ГИС);
* имитационное моделирование (для оценки воздействия территории водосбора на водные объекты).
Научная новизна исследования. Шершневское водохранилище, основной источник водоснабжения Челябинской агломерации, является малым и вторым водохранилищем в каскаде. В результате развития агломерации антропогенная нагрузка на водоем увеличивается. Большинство исследований проводятся на крупных водохранилищах, организованных на реках с большими расходами. Малые водохранилища, расположенные в крупных промышленных центрах остаются объектами малоизученными. Уникальность района Челябинской агломерации заключается в том, что крупная агломерация с развитым комплексом промышленного производства, образованная областным центром и его городами-спутниками (Копейск, Коркино, Еманжелинск) расположена на реке с малым расходом - подобная ситуация является уникальной для России. В связи с этим проблема количества и качества водных ресурсов является одной из основных для Челябинской агломерации. Методологическая новизна заключается в том, что впервые в практике, в данном исследовании использовано сочетание градостроительного и гидроэкологического подходов для оценки изменений воздействия территорий водосбора на гидроэкологическое состояние водных объектов при изменении их функционального назначения. Изменение функционального зонирования водосборной площади (составляющая градостроительной деятельности) впервые рассматривается как инструмент управления экологическим состоянием водного объекта. Структура функционального зонирования территории рассматривается как основа сбора данных о состоянии водосбора.
Информационная база. В работе использованы гидрологические и гидроэкологические данные, предоставленные для исследования специалистами кафедры водоснабжения и водоотведения ЮУрГУ, Южно-Уральского филиала Нижнеобского бассейнового водного управления, уральского филиала РОСНИИВХ, ЮУНИИВХ, МУП ПОВВ г. Челябинска. В качестве картографической основы использованы картографические материалы открытого пользования, созданные при непосредственном участии автора исследования. Работа выполнена при технической поддержке специалистов ФГУП "Уралмаркшейдерия". Использованы также первичные материалы собственных наблюдений автора. Градостроительные данные также были собраны и проанализированы автором исследования. В работе, помимо специальных тематических материалов, нашли отражение различные литературные источники по экологической, краеведческой и общегеографической тематике. Технические расчеты, тематическое обновление топоосновы, тематическое картосоставление, геоинформационное и имитационное моделирование моделирование, графическое представление результатов выполнены непосредственно автором.
Практическая значимость результатов заключается: 1.В обосновании необходимости совместного применения градостроительного и гидроэкологического подходов при разработке планирования развития территорий. 2.В использовании геоинформационной системы, разработанной автором на основе ПО "Панорама", в качестве инструментария исследования для реализации совместного применения градостроительного и гидроэкологического подходов. 3.В базу данных ГИС заложен тематический картографический материал, актуализированный по данным дистанционного зондирования; ГИС-инструментарий использован также как средство экспресс-оценки воздействия водосбора на водные объекты при принятии управленческих решений, как перспективного, так и оперативного характера. 4.Основной результат - установление связи между пространственной структурой хозяйственной деятельности на водосборе и качеством водных ресурсов в исследуемом районе.
Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на внутривузовских конференциях, на региональных конференциях: "Природное и культурное наследие Урала" (2006, 2007), "Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства" (2007, 2008, 2009, 2010)", межрегиональных конференциях "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий" (г. Челябинск, 2008, 2010). Автор выступил с докладами на Международных конгрессах "ГЕО-Сибирь-2007, 2008, 2009" (г. Новосибирск) и Международной научно-практической конференции "Современные проблемы водохранилищ и их водосборов" (г. Пермь, 2009). Научно-исследовательская работа включена в состав региональной программы "Чистая вода" в 2008 году. Собранные автором материалы по гидроэкологической тематике использованы территориальными органами структуры Росреестра (ФГУП "Уралмаркшейдерия") при создании и обновлении цифровых карт на территорию Челябинской области. Созданная автором геоинформационная система принята к использованию МУП "Производственное объединение водоснабжения и водоотведения" г. Челябинска, данная система также прошла тестирование на кафедре "Градостроительство" Южно-Уральского государственного университета.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 152 страницах машинописного текста, иллюстрировано 17 таблицами и 36 рисунками. Список литературы содержит 124 наименования.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору географических наук, профессору Рассказовой Надежде Степановне за руководство исследованием, доктору технических наук, профессору Денисову Сергею Егоровичу за ценные замечания. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Шершневское водохранилище расположено на территории Челябинского городского округа (юго-западная часть). На западе по урезу воды проходит граница Челябинского городского округа и Сосновского муниципального района Челябинской области (центр - с. Долгодеревенское). На водосборе водохранилища с востока расположена застройка г. Челябинска: жилые кварталы, производственные территории, садоводческие товарищества, транспортная инфраструктура. В приплотинной части с восточной стороны расположен Городской бор - особо охраняемая территория. Западный берег занят преимущественно сельхозугодиями, садово-дачными кооперативами, в настоящее время рассматривается как площадка перспективного развития города Челябинска и сети поселений его агломерации.
Водозабор г. Челябинска (пос. Сосновка) расположен в верховой части водохранилища.
Рис.1. Каскад водохранилищ на реке Миасс (Шершневское водохранилище)
Основной русловой сток в водохранилище осуществляется рекой Миасс, выше по течению которой расположен регулятор каскада - Аргазинское водохранилище (создание 1939-1946 гг.) в ), основное назначение которого состоит в управлении уровнем Шершневского водохранилища (создание 1964-1969 гг.). Водосбор Аргазинского водохранилища с запада представляет собой производственную территорию (г. Карабаш), стоки которой поступают в водоем. На водосборе реки Миасс (на участке между Аргазинским и Шершневским водохранилищами) развита сельскохозяйственная деятельность. В непосредственной близости от уреза расположена также застройка нескольких крупных сельских населенных пунктов (рис.1).
Ввиду сложности системы субъектов негативного воздействия на Шершневское водохранилище требуется создание эффективного механизма управления экосистемой. ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Представление объекта исследования в виде природно-антропогенного комплекса, состоящго из трех подсистем: Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище позволяет проводить его целостное исследование и решать задачи, направленные на изучение процессов трансформации и передачи вещества, энергии и информации.
Представим структуру объекта исследования в виде трех подсистем, основываясь на территориальном принципе: * Аргазинское водохранилище;
* Река Миасс (участок Аргази - Шершни);
* Шершневское водохранилище (в подсистему включена также акватория реки Миасс непосредственно вблизи зоны выклинивания подпора).
Каскад водохранилищ на реке Миасс создан для обеспечения всех видов водоснабжения Челябинского промузла. Сток реки Миасс в значительной степени регулируется указанным каскадом водохранилищ. Верхним регулятором каскада является Аргазиинское водохранилище, созданное для поддержания постоянного уровня Шершневского водохранилища, управление которым может производиться в ограниченных пределах, исходя из условий Сосновского водозабора, расположенного в верховье Шершневского водохранилища. Водохранилища, расположенные на реке Миасс выше Аргазинского и созданные исключительно для водоснабжения Миасского промузла не оказывают существенного воздействия на гидрологический режим Аргазинского водохранилища. С учетом вышеупомянутого были обозначены границы объекта исследования: Аргазинское водохранилище - река Миасс (участок от плотины Аргазинского водохранилища до Шершневского водохранилища) - Шершневское водохранилище.
Каскад с технической, технологической и гидроэкологической точек зрения представляет собой систему, элементы которой непосредственно связаны друг с другом переносом вещества и энергии.
Вследствие сложности исследуемой системы водных объектов, а также неоднородности данных о ее состоянии следует рассмотреть отдельные ее составные части (подсистемы): Аргазинское водохранилище, река Миасс и Шершневское водохранилище. В качестве критериев данного разделения приняты:
* геоморфологические особенности водных объектов;
* структура хозяйственной деятельности на территории водосбора и, как следствие, характер воздействия на водный объект посредством переноса вещества и энергии;
* характер ландшафта водосборной площади;
* наличие искусственных систем водоснабжения и гидротехнических сооружений.
Необходимость комплексного рассмотрения продиктована:
* сложностью общих и причинно-следственных отношений между подсистемами;
* тесным взаимодействием системы водных объектов с водосбором;
* вовлеченностью рассматриваемой системы в сложный цикл взаимодействия с объектами народного хозяйства;
* сложностью структуры информации и разнородностью данных об объектах исследования.
Представим структуру взаимодействия звеньев каскада в виде логической схемы, в ее основе - накопленное воздействие одних объектов на другие без учета комплексного рассмотрения (таблица 2) и с учетом комплексного рассмотрения (таблица 1).
На рис. 2. приведено расположение условных позиций наблюдения за взаимодействием подсистем каскада. Данные позиции соответствуют номерам подсистем в таблицах. Итак, 1 - наблюдается воздействие только Аргазинского водохранилища, 2 - наблюдается воздействие Аргазинского водохранилища и реки Миасс, 3- наблюдается воздействие Аргазинского водохранилища и реки Миасс на Шершневско водохранилище. В таблице 1 в виде рангов 0, 1, 2, 3 представлено накопление воздействия подсистем с учетом разбавляющей способности водных объектов. Так ранг 3 присваивается подсистеме, расположенной выше точки наблюдения, т.е. системе с порядковым номером N, считая от точки наблюдения. Воздействие подсистем, расположенных по каскаду ниже, оценивается на ранг ниже, т.е. ранг 2 присваивается системе с номером N+1, а балл 3 - системе N+2.
Присвоение рангов (табл.2) проведено с учетом самовосстанавливающей способности водных объектов (больший ранг присваивается объекту с наибольшим значением воздействия фактора). В основу ранжирования положен бассейновый принцип. Сопоставление таблиц 1,2 показывает взаимодействие подсистем в структуре каскада водохранилищ реки Миасс при различном расположении точек, в которых проводилась оценка накопленного воздействия подсистем друг на друга (т.1. т.2, т.3).
Таблица 1
Структура взаимодействия подсистем каскада водохранилищ на реке Миасс с применением комплексного рассмотрения
Место наблюдения накопленного воздействияАргазинское водохранилищеРека МиассШершневское водохранилищеНакопленное воздействие по территории1. Аргазинское водохранилище30032. Река Миасс23053.Шершневское водохранилище1236Накопленное воздействие по подсистемам653
В таблице 2, ввиду отсутствия комплексного рассмотрения, всем подсистемам присвоен одинаковый балл.
Таблица 2
Структура взаимодействия подсистем каскада водохранилищ на реке Миасс без учета комплексного рассмотрения
Место наблюдения накопленного воздействияАргазинское водохранилищеРека МиассШершневское водохранилищеНакопленное воздействие по территории1. Аргазинское водохранилище10012. Река Миасс01013.Шершневское водохранилище0011Накопленное воздействие по подсистемам111
Для обоснования необходимости комплексного рассмотрения каскада водохранилищ реки Миасс, а также дальнейшего создания геоинформационной системы объекта исследования, каждая из подсистем рассмотрена на предмет выполнения принципов комплексного подхода относительно факторов негативного воздействия водосбора на гидроэкологическое состояние водных объектов:
* принцип единства информационной базы;
* принцип совершенствования и непрерывного развития;
* принцип инвариантности;
Рис.2. Расположение условных точек наблюдения за взаимодействием звеньев каскада водохранилищ реки Миасс. Функциональное зонирование исследуемой территории водосбора
* принцип согласованности действий;
* принцип оперативности взаимодействия.
Принцип единства информационной базы не выполняется для большинства факторов, хотя именно это условие является основным при создании инструментария исследования.
Представление объекта исследования в виде экосистемы, состоящей из трех подсистем, объединенных процессами трансформации и передачи вещества, энергии и информации дает возможность комплексного изучения воздействия на экосистему. При комплексном рассмотрении в изучение вовлекается большее число факторов воздействия на каждый из элементов системы. Следствием использования комплексного рассмотрения в изучении системы (природно-антропогенного комплекса) "Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище" является реализация принципа единства информационной базы, что становится необходимым условием корректности принимаемых управленческих решений. В результате также появляется возможность учесть воздействие каждой из рассматриваемых подсистем на целостную систему "Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище".
2. Качественный и количественный состав загрязняющих веществ, а также гидроэкологическое состояние водных объектов определяются природохозяйственной структурой территории водосбора и служат механизмом управления его экологическим состоянием
В настоящее время в научных исследованиях и в практической деятельности редко проводится комплексное изучение бассейнов рек совместно с их водосборной площадью. На настоящем этапе развития наук гидрологии, геоэкологии и водного хозяйства как отрасли народного хозяйства редко проводятся масштабные исследования, объектами которых были бы целые бассейны рек вместе с их водосборной площадью. Исследования, по результатам которых могут быть приняты корректные управленческие решения, как правило, являются междисциплинарными. Сбор данных о водосборной площади, как структуре, формирующей качество водных ресурсов, занимает значительное время, требует анализа большого объема разнородных данных, для предоставления которых часто требуется санкция руководящих субъектов, а также значительное число задействованных в обработке специалистов. За время сбора и обработки данные могут потерять свою актуальность.
В настоящем исследовании автором предложена обобщенная методика сбора данных о состоянии водосбора рассматриваемой водной системы, основанная на разделении водосбора на функциональные зоны и изучения воздействия каждой зоны водосбора на водные объекты. Подобное изучение не требует длительного анализа данных. Любой водосбор можно рассмотреть как совокупность территорий, используемых в хозяйственной деятельности. В результате ландшафт на водосборе либо остается непреобразованным, либо модифицируется. Каждый элемент водосбора, формируя поверхностный и подземный сток, вносит вклад в состояние локальных водотоков. Частные водосборы формируют общий сток, а притоки рек формируют состав загрязняющих веществ основных рек. Для водохранилищ, участков с замедленным водообменном, состав загрязняющих веществ имеет особое значение. В качестве основы изучения водосбора, а в последствие, управления водными ресурсами, автор предлагает модель, основанную на зонировании водосборной площади, согласно общих принципов земельного законодательства, и рассмотрении вклада каждого из элементов зонирования в формирование качества стока. Обязательным условием является также учет следующих факторов:
* удаленность каждого из рассматриваемых элементов от уреза;
* трансформация стока при движении от условного источника по водосбору;
* трансформация стока в водной среде (в притоках или в основном русле).
В качестве источника пространственных данных использована топографическая основа, соответствующая карте открытого пользования масштаба 1:100000 на рассматриваемую территорию. Все операции по анализу водосбора произведены в среде создания указанной карты - ГИС "Панорама" (настольная версия, PanDesk 10).
Средствами ГИС были получены производные картографические произведения: карты уклонов местности, матрицы высот, тематические карты рельефа.
На основе производных топокарты была выделена физическая граница территории водосбора, которая и стала границей области исследования. В классификатор картографической информации к основным топографическим слоям добавлены тематические слои зонирования и геоэкологии. В результате на данную топографическую основу с точностью масштаба 1:100000 нанесены границы зон различного функционального использования:
* земли городских поселений;
* земли сельских поселений;
* территории садово-дачных поселков;
* земли сельского хозяйства;
* земли лесного фонда;
* территории объектов инфрастуктуры и специального назначения;
* особо охраняемые территории.
Границы указанных территорий были уточнены по тематическим и открытым базовым картографическим материалам более высокой метрической и составительской точности.
Пригодность полученного картографического материала с точки зрения возможности использования в качестве основы в ГИС была оценена с помощью космических снимков Ресурс-ДК и ALOS высокого разрешения. В результате были произведены следующие изменения:
* корректировка границ функционального зонирования - актуализация топографической основы;
* нанесение фактических контуров объектов, которые были утрачены в процессе составления топографической карты 1:100000;
* детализация контуров и точечных вблизи населенных пунктов и промузлов.
Использование материалов ДЗЗ также позволило построить структурные линии для объектов гидрографии и линий стока территории. Населенные пункты городского и сельского типа на основе имеющихся материалов были разделены автором на функциональные зоны более детально на основе принципов общего градостроительного зонирования с выделением территорий селитьбы, производства, рекреации. Жилые зоны подразделялись по этажности, производственные - по классу вредности. Земли сельского хозяйства были подразделены на территории выращивания сельхозкультур для различных целей и объекты сельскохозяйственного производства (см. рис.2).
В результате указанных действий водосбор был разделен на зоны различного функционального использования. Деление произведено более подробно в районах наиболее интенсивного производственного освоения и жилой застройки, оказывающих наибольшее воздействие на водные объекты. Все субъекты, формирующие сток на данном водосборе разделены автором по локализации, согласно классификатора на площадные, линейные и точечные. При этом большинство элементов зонирования являются площадными объектами. Отдельно расположенные объекты также были подразделены по локализации на точечные, линейные и площадные. В качестве отдельного слоя были нанесены объекты, загрязняющие площадной сток водосбора.
В базе данных ГИС собрана доступная информация о воздействии территории водосбора на систему водных объектов.
Для удобства представления тематической информации о структуре водопользования в исследуемом районе в геоинформационной среде составлен граф гидрографической сети объекта исследования. Семантические базы данных графа содержат информацию о морфометрических характеристиках водных объектов, а также о водопотреблении и водоотведении. Далее исследовалось воздействие территориальной структуры народнохозяйственной деятельности на водосборе на гидроэкологическое состояние системы рассматриваемых водных объектов. Результаты представлены в виде распределения загрязняющих веществ в водных объектах. Данные об отборах проб, а также данные створных замеров представлены в ГИС в виде набора тематических карт, произведен геоинформационный анализ данных материалов с учетом особенностей миграции основных элементов.
По результатам выполненного автором зонирования территории водосбора был установлен состав загрязняющих веществ в поверхностном стоке с каждого элемента зонирования. Вклад каждой из зон в общий состав стока оценен в процентном отношении от общего количества загрязняющих веществ (таблица 3).
Таблица 3
Состав загрязняющих веществ функциональных зон
№Наименование зоны (согласно классификации)СПАВНефтепродуктыМеталлыФенолыОрганические. веществаФосфорАзотДр.Примерное содержание, % от общего загрязнения в стоке с каждой зоны1Селитебная территория городских поселений4030-----302Производственная территория городских поселений4025-25---103Садово-дачные поселки----60--404Сельские населенные пункты1515--50--205Земли сельского хозяйства----252525256Земли объектов инфраструктуры, коммуникаций и сетей253025----20 На основании геоинформационного моделирования с применением в качестве информационной основы о состоянии водосбора структуры его функционального зонирования были получены данные о текущем гидроэкологическом состоянии Шершневского водохранилища, подтвердившее проведенные ранее исследования (см. рис.4).
В настоящем исследовании отдельно рассматриваются урбанизированное и сельскохозяйственное воздействие территорий водосбора на водные объекты. При помощи геоинформационного моделирования была выявлена двойственность воздействия водосбора Шершневского водохранилища на его гидроэкологическое состояние. Западная часть подвержена сельскохозяйственному воздействию, а восточная - воздействию урбанизированного типа. Данная экологическая ситуация сложилась исторически, т.к. с момента создания водохранилища ситуация на водосборе практически не изменялась. Это объясняется расположением на водосборе с запада территорий сельскохозяйственного использования и коллективных садов. С восточной стороны располагаются урбанизированные территории.
Корректность полученной на основе расчетов модели гидроэкологического состояния Шершневского водохранилища подтверждает возможность использования функционального зонирования территории водосбора объектов каскада в качестве информационной основы для изучения влияния водосбора на качество водных ресурсов. При этом изменение как вида использования земель водосбора, так и площадей функциональных зон территории водосбора, приведет к изменению состава поверхностного стока с данных территорий. Таким образом, природохозяйственная структура (структура функционального использования водосборной площади) определяет гидроэкологическое состояние водных объектов, а ее изменение (в т.ч. формирование как составляющая развития территорий) является механизмом управления данным воздействием.
Рис.4. Гидроэкологическое состояние Шершневского водохранилища
3. Повышение эффективности управления каскадом малых водохранилищ с повышенной антропогенной нагрузкой обеспечивается совместным применением градостроительного и гидроэкологического подходов, реализованных в ГИС.
Анализ данных по составу загрязняющих веществ в стоке, выполненный автором, показал значительную их трансформацию как на рельефе местности, так и в водных объектах. Если руководствоваться территориальным принципом деления водосбора, то характер изменения состава стока зависит от порядка расположения функциональных зон на водосборе относительно уреза воды к границам водосбора по линиям стока. На основании используемой пространственной информации, а также проведенного автором зонирования территории водосбора были выявлены различные сочетания расположения функциональных зон (полигонов - площадных объектов) относительно уреза. Характер трансформации стока определяется следующими факторами:
* подстилающей поверхностью;
* коэффициентом фильтрации почвогрунтов данной зоны;
* морфологическими особенностями зоны;
* степенью антропогенной преобразованности рельефа (уровнем инженерной подготовки территории);
* вкладом данной зоны в общий состав стока.
Степень антропогенной преобразованности рельефа определена по тематическим картам заложенным в ГИС. Характер подстилающих грунтов, просачиваемость и морфологические особенности частного водосбора определены по топографическим картам. В качестве основы геоинформационного моделирования стока использована регулярная сетка. В результате картометрических операций по созданной в среде ГИС модели местности получена следующая общая зависимость (1):
Qзагр. = ∑f(Fi, Ki, Li) + fтрансф.рел. + fтрансф.вод.,(1)
где Qзагр. - количественный показатель состава загрязняющего вещества в замыкающем створе; f(Ki,Fi,Li) - характеристика стока (Fi - площадь рассматриваемой зоны в границах водосбора, Ki - характер взаимного расположения функциональных зон относительно уреза (сочетание), Li - удаленность от уреза) fтрансф.рел. - показатель трансформации стока на рельефе местности; fтрансф.вод. - показатель трансформации стока в водной среде.
Анализ формулы (1) показывает прямую пропорциональную зависимость (2):
Qзагр. ~ Fi и Qзагр. ~ Ki(2)
В формуле (1) первое слагаемое (∑f(Fi, Ki, Li)) представляет собой градостроительную составляющую исследования, т.к. учитывает обусловленные градостроительной деятельностью пространственные параметры расположения функциональных зон, второе слагаемое (fтрансф.рел.) учитывает градостроительную и гидроэкологическую составляющие формирования стока, третья составляющая (fтрансф.вод.) учитывает гидроэкологические особенности трансформации стока.
Количественно состав загрязняющих веществ в стоке представляет собой сложную многокомпонентную зависимость, учитывающую как пространственные характеристики объектов, так и характеристики определенные на основе экспертных оценок. Проведение расчетов не представляется возможным без использования средств автоматизации. В настоящем исследовании расчеты проведены средствами геоинформационной системы, разработанной автором с использованием ПО "Панорама". Градостроительная составляющая определена в ГИС картометрическим способом, а слагаемые, характеризующие трансформацию стока на водосборной площади и в водной среде заложены в систему на основании проведенного районирования (рис.5)
1 - район Аргазинского водохранилища
2 - участок реки Миасс от с. Байрамгулово до притока Миасс р. Караси
3 - участок от р. Караси до п. Трубный
4 - Кулуевский заказник
5 - участок от п. Кайгородово до Шершевского водохранилища
6 - Шершневское водохранилище
Рис.5. Районирование водосбора р. Миасс по морфологическим показателям для определения функции трансформации
Установленная автором зависимость (1) положена в основу имитационного моделирования, проводимого средствами геоинформационной системы. В качестве примера на рис. 6 приведено моделирование соотношения урбанизированной и сельскохозяйственной нагрузки на Шершневское водохранилище при условии застройки территории водосбора на западном берегу, согласно реализуемого проекта.
Рис.6. Моделирование соотношения типов воздействия на Шершневского водохранилища при застройке западного берега
Структура геоинформационной системы предусматривает использование в качестве методологической основы сочетание градостроительного и гидроэкологического подходов. Техническая возможность обновления исходных данных для их последующей обработки обусловливает объективность и актуальность ГИС как инструментария изучения водных объектов.
Информация, заложенная в тематических блоках геоинформационной системы, позволяет моделировать пространственную структуру территории водосбора. Воздействие определенного варианта развития территории на гидроэкологическое состояние водных объектов можно представить графически, или с использованием расчетной части блока моделирования. На основании имитационного моделирования принимается управленческое решение. На основе рассматриваемых вариантов развития территории и характера их воздействия на водные объекты могут быть приняты управленческие решения различного характера:
* общие;
* перспективные;
* оперативные.
Территориальный принцип реализован в ГИС таким образом, что в качестве вариантов развития территории каждый раз фактически оценивается изменение пространственной структуры территории водосбора.
Таким образом, выбор ГИС в качестве инструментария эффективного изучения водных объектов, а также использования его для управления как водными ресурсами (гидроэкологическая составляющая), так и развитием территории водосбора (градостроительная составляющая) подтверждается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное диссертационное исследование посвящено созданию механизма управления природно-антропогенным комплексом "Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище", а также воздействия на данный комплекс объектов народнохозяйственной деятельности. Границы района исследования определены по водосборной площади реки Миасс с Аргазинским и Шершневским водохранилищами. В проведенном исследовании рассматривается воздействие хозяйственной деятельности на территории водосбора на акватории малых водохранилищ и рек.
По результатам исследования сделаны следующие выводы: 1.Применение комплексного подхода в изучении системы "Аргазинское водохранилище - река Миасс - Шершневское водохранилище" позволяет учесть большее число факторов воздействующих на гидроэкологическое состояние нежели при рассмотрении объектов без применения указанного подхода. Используемый подход учитывает, главным образом, воздействие элементов системы, расположенных выше по течению на элементы, располагающиеся ниже. В данном случае комплексное рассмотрение как метод исследования реализует бассейновый принцип и обеспечивает корректность принимаемых управленческих решений. Для учета всего комплекса факторов воздействия антропогенной деятельности на водные объекты также необходимо использование комплексного рассмотрения в изучении взаимодействия "водосборная площадь - водные объекты". 2.Функциональное зонирование территории предлагается использовать в качестве пространственной основы представления территории водосбора. Это связано с тем, что структура функционального использования территории водосбора меняется, следовательно, меняется и воздействие водосбора на водные объекты. Установлена связь между природохозяйственной структурой водосбора и качественным и количественным составом загрязняющих веществ в стоке с водосбора.
3.Функциональное зонирование территории водосбора служит основой для общей оценки характера воздействия водосбора на состав загрязнения водного объекта при отсутствии возможности сбора данных о частных водосборах. В случае использования в качестве информационной основы функционального зонирования водосбора с заранее определенным воздействием по каждому виду использования земель, отпадает необходимость сбора данных о состоянии каждого элемента частных водосборов. Это приводит к сокращению времени обработки и анализа данных. На основании функционально-территориального деления водосбора сделаны следующие выводы:
* зонирование территории водосбора выявляет исторически сложившиеся особенности и противоречия установленного порядка охраны водных объектов;
* информация по зонированию территории может быть легко актуализирована, на основании данных ДЗЗ;
* функционально-территориальный принцип сочетает гидрологическую, землеустроительную и градостроительную составляющие. Их учет позволяет находить компромиссные решения в сфере управления водными объектами, землепользования, в т.ч. и при застройке водосбора;
* законодательное и техническое регулирование развития территорий на водосборе позволит управлять гидроэкологическим состоянием малых водохранилищ с возрастающей антропогенной нагрузкой;
Практические результаты исследования заключается в следующем:
* структура функционального зонирования территории водосбора определяет степень количественного и качественного воздействия водосборной площади на водные объекты. Количество загрязняющих веществ, поступающих с поверхностным стоком в водные объекты, пропорционально площади водосбора, занятой под территории разного функционального назначения (Qзагр ~ Fi). При этом единственным управляемым фактором является площадь функциональных зон;
* наибольшего внимания при определении характера воздействия водосбора на водные ресурсы требуют районы перспективного развития урбанизированных территорий; их воздействие на состояние водных объектов, в т.ч. малых водохранилищ представляет собой сложный многоуровневый процесс и является не до конца изученным, требует комплексного подхода в изучении, включающего градостроительную и гидроэкологическую составляющие;
* регулирование воздействия на водные объекты может быть выполнено путем проектирования структуры водосбора (взаимного расположения зон с различным использованием) на этапе территориального планирования в области градостроительной деятельности.
4. Совместное применение градостроительного и гидроэкологического подходов при анализе воздействия антропогенной деятельности на водные объекты позволило утверждать эффективность использования данного аппарата при проведении планирования развития территорий.
В условиях ограниченности водных ресурсов реки Миасс и организованных на ней водохранилищ важную роль приобретает эффективное управление водными ресурсами. Инструментарий изучения и управления воздействием реализован в виде геоинформационной системы. Созданная автором ГИС на базе ПО "Панорама" может рассматриваться не только как инструментарий изучения воздействия водосбора на водные объекты, но и как механизм моделирования с целью поддержки принятия управленческих решений различного уровня. Реализованное в ГИС сочетание градостроительного и гидроэкологического подходов позволяет применять ее для управление экосистемой малого водохранилища.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ
1 Бобылев, А.В. Градостроительный и гидроэкологический подходы при создании схем территориального планирования муниципальных образований / А.В.Бобылев, А.В.Малаев, Н.С.Рассказова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Строительство и архитектура. - Челябинск, 2009. - С. 15-19.
2 Бобылев, А.В. "Белые пятна" в экологическом мониторинге и пути их устранения с применением методов дистанционного зондирования и ГИС-технологий / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Проблемы региональной экологии. Общественно-научный журнал. - М.: Камертон, 2012. - С. 57-60.
Статьи и тезисы научных докладов на конференциях
3 Бобылев, А.В. Представление данных цифровых моделей рельефа в экологических геоинформационных системах / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Вестник Челябинского государственного университета. Экология. Природопользование. - Челябинск, 2010. - С. 36-40.
4 Бобылев, А.В. Географическая информационная система реки Миасс и Шершневского водохранилища: проблемы создания и перспективы использования / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов III Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2007", (г. Новосибирск, 2007). - Новосибирск, 2007. - Т. 1., Ч. 1., С. 259-263.
5 Бобылев, А.В. Географическая информационная система реки Миасс / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник Международной научно-практической конференции "Современные проблемы водохранилищ и их водосборов", (г. Пермь, 2007). - Пермь, 2007. - Т. 2., С. 110-112.
6 Бобылев, А.В. Геоинформационное обеспечение управление акваторией Челябинской городской агломерации / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов IV Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2008", (г. Новосибирск, 2008). - Новосибирск, 2008. - Т. 1., Ч. 2., С. 181-185.
7 Бобылев, А.В. К вопросу о межмуниципальном взаимодействии и территориальном устройстве при создании ГИС водных объектов / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов IV Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2008", (г. Новосибирск, 2008). - Новосибирск, 2008. - Т. 1., Ч. 2., С. 245-250.
8 Бобылев, А.В. Географическая информационная система Шершневского водохранилища / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Материалы III научно-практической конференции "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий", (г. Челябинск, 2008). - С. 245-250.
9 Бобылев, А.В. Картографичекое и геоинформационное обоснование гидрологического аспекта при создании схем территориального планирования муниципальных образований / А.В.Бобылев, И.О.Овчинникова, Н.С.Рассказова, О.Ю.Филиппова // Сборник материалов V Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2009", (г. Новосибирск, 2009). - Новосибирск, 2009. - Т. 1., Ч. 2., С. 218-222.
10 Бобылев, А.В. Гидроэкологический и градостроительный подходы при создании схем территориального планирования муниципальных образований с каскадом водохранилищ / А.В.Бобылев, А.В.Малаев, Н.С.Рассказова // Сборник Международной научно-практической конференции "Современные проблемы водохранилищ и их водосборов", (г. Пермь, 2009). - Пермь, 2009. - Т. 2., С. 11-16.
11 Бобылев, А.В. К использованию и применению методов антропогенной нагрузки на водоем / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Материалы Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий", (г. Челябинск, 2010). - Челябинск, 2010. - С. 178-183.
12 Бобылев, А.В. Картографические произведения и геоинформационные системы современного музейного комплекса / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Материалы IV региональной научно-практической конференции "Природное и культурное наследие Урала". - Челябинск, 2006. - С. 26-29.
13 Бобылев, А.В. Проблемы водоохранных зон Шершневского водохранилища / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов региональной научно-практической конференции "Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства". - Челябинск, 2007. - С. 33-37.
14 Бобылев, А.В. О состоянии водоохранных зон Шершневского водохранилища / А.В.Бобылев // Материалы V региональной научно-практической конференции "Природное и культурное наследие Урала" (г. Кыштым, 2007). - Челябинск, 2007. - С. 35-38.
15 Бобылев, А.В. Современные информационные технологии управления акваториями городских агломераций / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов региональной научно-практической конференции "Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства". - Челябинск, 2008. - С. 81-84.
16 Бобылев, А.В. Информационные технологии в управлении водохозяйственной деятельностью / А.В.Бобылев, Н.С.Рассказова // Сборник материалов Международного форума "Изменение климата и экология промышленного города". - Челябинск, 2010. - С. 42-43.
Издательство Край РА, 454092, г.Челябинск, ул. Постышева, 2.
Тел./факс 8(351) 7-000-477, E-mail: krara@mail.ru
Подписано в печать 16.04.2012 г. Объем 1,0 п.л.
Заказ № К365. Тираж 100 экз.
Документ
Категория
Географические науки
Просмотров
299
Размер файла
31 278 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа