ненты являются своеобразными каналами, по которым происходит перенос вещества и энергии в ландшафте.
С этим свойством тесно связано понятие равновесия в природе, т. е. положения, когда расход вещества и энергии равен их приходу, а также обратимые и необратимые изменения в природе. При кратковременном или однократном воздействии комплексы восстанавливают своё равновесие, т. е. изменения обратимы.
Инженерные (гидромелиоративные) сооружения имеют стационарный характер, длительно действуют на природу. Происходят изменения необратимые, что вызывает формирование биогеотехнических систем, при этом перестройка природного комплекса происходит до тех пор, пока компоненты не придут в соответствие с вновь созданными внешними условиями и между собой. Новое равновесие будет значительно отличаться от исходного состояния. Однако знание предыдущей динамики, используемое в качестве модели, помогает оценить вновь приобретённые формы, свойства и уровень, на котором достигается равновесие, что позволяет вскрыть тенденцию, обусловленную новым развитием.
Наиболее сложно исследуется и прогнозируется необратимая трансформация, когда идёт смена неустойчивых состояний, при которых ни одно из состояний не повторяет предыдущего.
Геотехнические системы развиваются по своим природным законам, однако скорость трансформации у них заметно превосходит темпы изменений в естественных условиях. Происходит увеличение контрастности среды, активизируется обмен веществом и энергией. Интенсивность изменения комплексов не одинаковая, можно выделить 2 стадии: 1) ускоренное развитие, при котором происходит наибольшая трансформация природных комплексов и становление их новой структуры (первые годы); 2) замедленное изменение, при котором антропологенная трансформация продолжается, но темпы её падают и приближаются к естественным.
Информационное обеспечение географического прогнозирования важно в связи с тем, что часто имеющаяся информация не содержит нужных для прогнозирования сведений. Поэтому проводятся социальные исследования для целей географического прогноза. Принципы таких исследований следующие: 1) они должны учитывать специфику объекта прогнозирования и носить комплексный характер; 2) поскольку в зоне действия инженерных сооружений происходит ускоренное изменение природы, необходим динамический подход, т. е. измерение скорости трансформации ландшафта в пространстве и времени; 3) изучение по одной и той же программе воздействия как проектируемых инженерных сооружений, так и уже построенных. При этом в зоне действующих сооружений основное внимание уделяется выявлению происшедших изменений, а в условиях проектируемых – изучению факторов, способствующих проявлению прогнозируемых процессов.
Реализация этих принципов осуществляется следующим образом. Сначала выявляются источники информации. Особое внимание уделяется материалам, составленным для одной территории в разные периоды, что позволяет определить тенденцию изменений и процессы. Сейчас особенную ценность приобретают космические снимки.
Однако главным источником прогнозной информации являются полевые наблюдения. При этом целесообразно вести наблюдения в условиях пассивного эксперимента (без изменения изучаемых процессов): маршрутный, полустационарный, стационарный, комбинированный и другие виды эксперимента.
Важен стационарный метод. Однако в связи с его трудоёмкостью и продолжительностью на практике чаще применяется полустационарный, т. е. работа на ключевых участках (закладка профилей, разрезов, площадок и т. д.). При этом профили, разрезы являются моделями фации, урочища. Исследования ведутся ещё до создания инженерного сооружения, а затем повторяются через 3–4 года в течение 15–20 лет. Специфика прогнозных исследований заключается в выявлении индикаторов динамики природных комплексов (дендроиндикация, по травяной растительности, по рельефу, почвам и т. д.). Принято выделять три основные формы индикации: прогнозную (выявление процесса до его начала), стадийно-синхронную (индикация процесса в ходе его развития), ретроспективную (восстановление хода процесса по оставленным им последствиям).
При отсутствии возможности сравнения наблюдаемых процессов с протекаемыми ранее пользуются «эталонами». Ими могут быть участки, расположенные за пределами зоны действия инженерных сооружений; информация из карт и снимков, сделанных до строительства объекта; участки, восстановленные по реликтовым признакам (морфологические особенности почв: горизонты, новообразования и т.д.).
В прогнозировании важно определить границу зоны действия сооружения. Это линия или полоса, за пределами которой не проявляется трансформация природы под воздействием инженерных сооружений. Внутренняя граница – проектный контур объекта, внешняя – зона действия (по уровню грунтовых вод, по состоянию растительности, по видимым природным рубежам и т. д.). Методика определения зоны действия рассмотрена выше.
Накопленные материалы могут быть использованы для целей прогнозирования только после их систематизации и обобщения. Эта операция называется географическим анализом информации. Проводится она следующими методами: сравнительным, динамическим, математическим, картографическим. На основании комплексного использования этих методов географический анализ может выполняться по следующей схеме: выявление сущности и механизмов изменения природы – определение факторов, вызывающих эти изменения, установление причинно-следственных связей и цепных реакций в природе– определение динамики процессов в пространстве и во времени – построение базовой модели изменений геосистемы.
Так как преобразование природных комплексов начинается с изменения одного-двух компонентов, а остальные трансформируются через систему внутриландшафтных связей, то эти изменения можно рассматривать как физико-географический процесс, т. е. перестройку геосистемы в результате взаимосвязанных трансформаций и их отдельных компонентов. Механизм формирования геотехнических систем зависит от конкретных природных условий и подчинён зональным особенностям территории. В различных природных комплексах интенсивность и направление процессов будут неодинаковыми даже при однозначном изменении одного и того же компонента.
Факторы оцениваются с двух точек зрения: их количества и степени значимости для прогнозируемого процесса. Такая оценка предполагает выявление существующих зависимостей между факторами и параметрами изучаемого объекта.
Установление формирующих факторов помогает выявить причинно-следственные прямые и обратные связи и цепные реакции в природе. Особое значение имеет поиск устойчивых связей, так как в этом случае проявляются наиболее тесные взаимосвязи между факторами и объектами прогнозирования. Это положение относится как к вертикальным, так и к горизонтальным потокам вещества и энергии.
Исследование взаимосвязей содействует выявлению переменных состояний природных комплексов, а значит, и закономерностей динамики их формирования во времени и в пространстве. Наилучшие результаты получают при наблюдении на стационарных объектах, функционирующих 15–20 лет и более. При отсутствии этого динамика восстанавливается косвенным путём: по аэрофотоснимкам, ходу прироста деревьев, колебаниям гидрометеорологических показателей и т.д. В любом случае целесообразно построение временных рядов – последовательных рядов величин каких-либо характеристик во времени. Наиболее удобный интервал для географических процессов – 1 год.
А. Г. Емельянов выделяет две основные задачи, стоящие перед исследованием временного ряда: изучение изменчивости и характеристик периодических и непериодических колебаний; предсказание поведения временного ряда в будущем.
Направленная изменчивость может быть охарактеризована рядом показателей: трендом (общая тенденция развития); скоростью или темпом формирования (изменение характеристик в единицу времени); стадиями развития, периодичностью, ритмичностью, лагом запаздывания (промежутком времени от момента начала действия фактора до момента проявления изменений в природе). Для определения тренда и периодичности ряда используются различные методы математической статистики: сглаживание с помощью скользящей средней, метод наименьших квадратов и др.
Конечным результатом географического анализа для целей прогнозирования является построение базовой модели, отражающей основные взаимодействия и взаимосвязи между компонентами природного комплекса, а также закономерности его динамики во времени и пространстве.
Следующими этапами процесса прогнозирования являются: выбор территориальных и временных масштабов прогнозирования; разработка методов прогнозирования; составление прогноза и его верификация; разработка рекомендаций для принятия решения.
7. 2. Проблемы территориальных и временных масштабов в геопрогнозировании
Достоверность, точность, а соответственно и ценность результатов прогнозирования зависят от правильности выбора масштаба территориальных и временных прогнозных единиц.
Выбор территориальных единиц определяется целью и уровнем организации объекта прогнозирования. По территориальному масштабу выделяются следующие географические прогнозы: глобальные, континентальные, региональные и локальные.
Глобальные географические прогнозы строятся в масштабах всей поверхности Земли, охватывают территории в миллионы и десятки миллионов квадратных километров. Объект континентального масштаба – это вся территория континента как площадь для размещения производства и его развития на базе природных ресурсов и как экологическая среда жизни людей. Региональные прогнозы – это прогнозы в пределах отдельных природных зон, провинций, областей на площади в сотни и десятки тысяч квадратных километров, а локальные – это прогнозы в пределах природных комплексов топологического уровня на площади в сотни и десятки квадратных километров. На региональных и локальных уровнях решаются задачи соответствующего масштаба с учётом природных особенностей территории.
Исследуя проблемы прогнозирования взаимодействия природы и общества, Н. Н. Чижов и Ю. Г. Липец пришли к выводу, что с позиций экономической географии глобальный прогноз должен быть дезагрегирован на прогнозы по регионам и странам. Для введения пространственной дифференциации предложена схема территориальной иерархии, состоящей из пяти уровней: глобальная система, регионы (группы стран), страны (государства), районы, местности. Динамика взаимодействия природы и общества выражена неодинаково на разных уровнях. Например, проблема пресной воды характерна для районов и местностей в странах разных типов; проблема чистоты воздуха остро стоит на уровне местностей и для группы развитых капиталистических стран и т. д. Этот подход позволяет учитывать не только специфику природных закономерностей, но и коренные различия между общественно-экономическими формациями.
А. П. Капица, Ю. Г. Смирнов, П. Я. Бакланов и другие, разрабатывая прогноз эволюции окружающей среды в условиях техногенеза, выявили, что между глобальным и региональным прогнозами существуют следующие принципиальные различия. Глобальные прогнозы обеспечивают поиск глобальной стратегии, региональные – конкретные региональные мероприятия; глобальные не требуют детальной привязки выводов к поверхности планеты, региональные имеют строгую территориальную привязку; глобальные рассматривают системы, в которых нет входов, региональные – системы с широко представленными разнообразными входами, состояния которых в рамках регионального прогноза непредсказуемы. В соответствии с этим должны различаться и методы прогнозирования. Глобальные прогнозы строятся на основе дедуктивных моделей, региональные носят статистический характер и опираются на фактический материал.
Наряду с территориальными единицами в географическом прогнозировании большое значение имеют правильность, всесторонняя обоснованность выбора временных операционных единиц. В географическом прогнозировании используются такие временные характеристики, как «характерное время» и «масштаб времени». Характерное время — это время, в течение которого осуществляется переход системы в равновесное состояние, если система была выведена из него. Объекты разной природы имеют разное характерное время, различие в котором принято называть масштабом времени.
Территориальные прогнозные единицы находятся в тесной зависимости от соотношения заданного времени упреждения прогноза и времени существенных сдвигов в структуре географических объектов. Например, при времени упреждения 25 лет в крупном экономическом районе первым уровнем, на котором произойдут довольно значительные структурные изменения, будет внутриобластной подрайон. Следовательно, при прогнозировании территориальной структуры хозяйства экономического района основной операционной единицей будет внутриобластной подрайон, при следующей схеме таксономических единиц – страна, экономический район, экономический подрайон (в ранге области), внутриобластной подрайон, промышленный узел, экономический пункт.
При изучении продолжительности протекания географических процессов во времени (прошлое – настоящее – будущее) следует учитывать, что скорость её в разные периоды значительно изменяется. Бурный рост производства приводит не только к изменению, но и ускорению природных процессов. Поэтому необходим учёт всех изменений в соотношении времени и пространства, т. е. на каждом этапе прогнозных расчётов надо использовать показатели пространственно-временных зависимостей. Все времена, которыми приходится оперировать исследователю при географическом прогнозировании, можно представить в виде времени упреждения, внутренне исторического времени природной системы (время полного цикла её развития), времени длительности отдельных этапов развития системы, времени длительности стадий отдельных этапов, минимального характерного времени, т. е. времени, за которое можно отметить изменения явлений.
Практическое значение и достоверность данных, полученных в результате географического прогнозирования, во многом определяются продолжительностью общего расчётного срока или его периодов (промежуточных прогнозных сроков). Они должны быть не слишком длинными и не очень короткими.
По срокам заблаговременности (масштабу времени) географические прогнозы принято делить на следующие: сезонные (срок заблаговременности менее 1 года), краткосрочные (до 15 лет), долгосрочные (несколько десятилетий), сверхдолгосрочные (несколько столетий и более). Сезонный прогноз отражает прежде всего будущие изменения метеорологических условий, сезонное развитие природы и другие природные явления, определяемые преимущественно методом фенологической индикации. Это фактически первая ступень прогнозирования, отличающая современное и прогнозное состояние природных ресурсов и явлений. Краткосрочные прогнозы позволяют оценить первые признаки перестройки, происходящей в геосистеме в результате техногенного воздействия. Их оперативное значение велико, так как они могут быть включены в перспективные планы развития народного хозяйства. Среднесрочные и долгосрочные прогнозы имеют большое стратегическое значение: отражают состояние прогнозируемых событий на близкую перспективу. Возможности сверхдолгосрочных прогнозов ограничены многими факторами, однако уже имеются научно обоснованные прогнозы с периодом заблаговременности 1000 лет и более. Это разработки И. И. Краснова, М. Г. Эйгенсона и др. Продолжительность прогнозного срока следует рассчитывать исходя из реальных возможностей народного хозяйства, с учётом прогресса в науке и технике. На современном уровне развития прогнозно-географических исследований допустимая продолжительность общего расчётного прогнозного срока может достигать 20–25 лет.
В связи с тем, что сроки заблаговременности, или время упреждения, прогноза меняются, одновременно должна меняться и модель прогнозирования. Так как скорость изменений различных компонентов ландшафтов неодинаковая, то в зависимости от сроков заблаговременности можно принимать неизменёнными то один, то второй из них (рельеф для долгосрочного прогноза, почва и гидрография – для краткосрочного и т. д.). Однако это не означает, что для целей прогнозирования не требуется полного изучения всего комплекса природных компонентов и их взаимосвязей. Подчеркивая необходимость глубоко, фундаментально исследовать всю структуру природных комплексов, Н. А. Солнцев подчеркивал, что поставить правильный прогноз можно, если ясно, как устроены отдельные части ландшафта, каковы их динамика, взаимосвязь и общая морфологическая структура всего ландшафта в целом.
Наряду с указанными факторами при определении общего и промежуточных сроков используются закономерности развития природы, т. е. временной масштаб прогноза должен опираться на цикличность, периодичность и ритмичность природных явлений и процессов. В связи с этим устойчивость временных связей достигается учётом взаимозависимостей всех природных процессов и явлений, служащих объектом прогнозных исследований, которым, в свою очередь, присуща определённая цикличность, ритмичность или периодичность развития. В то же время в географическом прогнозе важна взаимоувязка или полное соответствие временных периодов прогноза и народнохозяйственного плана. Единая временная периодизация прогноза и плана увеличивает прикладное значение географического прогноза, так как позволяет использовать непосредственно результаты прогнозирования в планировании, а затем при реализации планов – и в проектировании. Каждый проект хозяйственных и других мероприятий, касающихся использования природных ресурсов, должен строиться на основе данных географического прогнозирования.
Важным требованием, предъявленным к географическому прогнозу, являются условия закрытости и конечности временного интервала. Согласно И. Р. Спектору, минимальный временной интервал будущего, в пределах которого имеет смысл говорить о состоянии прогнозируемого социально-экономического объекта, равен одному году. При прогнозировании физико-географических процессов А. П. Капица и Ю. Г. Симонов предложили считать минимальным сроком заблаговременности период времени, за который проявляются чёткие изменения в природе. Практически этот период также равен одному году.
Для построения алгоритма выбора операционных единиц времени и масштаба при географическом прогнозировании можно использовать такие допущения: 1) на срок упреждения прогноза внешние условия остаются стабильными; 2) время полного цикла развития систем одного масштаба соизмеримо; 3) элементарная масштабная единица максимально приближается к уровню прогнозируемой системы; 4) время упреждения прогноза должно быть сопоставимо со временем длительности отдельных этапов системы; 5) уровень операционной единицы времени берётся по наиболее медленно изменяющейся системе одного масштаба. В результате алгоритмических сопоставлений используемых в прогнозировании видов времени получены следующие выводы. Время упреждения и уровни операционных единиц масштаба и времени находятся в прямо пропорциональной зависимости. Чем выше степень изменчивости условий внешней среды (отклонение от стабильных), тем выше уровни операционных единиц масштаба и времени.
Обобщая данные, накопившиеся в результате географического прогнозирования, А. Г. Исаченко также пришёл к выводу, что между расчётными сроками, масштабами и комплексом факторов прогноза существует определённая связь. Например, рассматривая ландшафтную структуру, можно видеть, что связи между прогнозируемыми сезонными явлениями (метеорологическими, ботаническими, гидрологическими и т. д.) и другими природными факторами наиболее устойчиво прослеживаются на фациальном уровне. Следовательно, основной территориальной единицей прогнозов сезонного временного масштаба является фация, которая скорее других геосистем реагирует на внешнее воздействие путём перестройки всей организации. Геосистемы более высоких уровней структурной организации отреагируют на воздействие через более продолжительный период времени. И это необходимо учитывать уже в прогнозах больших временных масштабов (средне- и долгосрочных). Такие сроки позволяют учесть все изменения геосистем под воздействием как естественных, так и антропогенных факторов. В связи с этим при разработке ландшафтно-географического прогноза в качестве оптимальной территориальной единицы средне- и долгосрочного прогнозирования предлагается собственно ландшафт. Г. П. Миллер, подчёркивая связь между пространственным и временным масштабами прогнозирования, считал, что в качестве единиц регионального среднесрочного прогнозирования развития природной среды можно использовать внутриландшафтные геосистемы (ПТК).
Согласно Т. В. Звонковой, все работы по географическому прогнозированию можно расположить в такой последовательности: определение цели, объекта, территории прогноза; определение типов прогнозируемых систем и функциональное назначение составляющих их блоков; отбор прогнозных факторов, установление тесноты связи и степени зависимостей между факторами и объектами прогноза; выявление значимости и силы влияния побочных факторов; определение расчётных сроков прогноза; выбор методов прогнозирования и числа прогнозных вариантов для нахождения оптимального варианта; проверка достоверности прогноза.
Сложной проблемой географического прогнозирования является учёт антропогенных факторов. Анализ истории развития техники и техногенного воздействия на природу показывает, что одновременно с их усложнением идёт процесс совершенствования управления этим воздействием. Техногенное воздействие из спонтанного превращается в высокоорганизованное, управляемое человеком. В связи с этим при производстве сверхдолгосрочных прогнозов не следует преувеличивать роль техногенных факторов в изменении природной среды в будущем. Основное внимание должно уделяться тенденциям развития природы, определяемым на основе палеогеографических исследований. Географическое прогнозирование, особенно долгосрочное и сверхдолгосрочное, затрудняется статичностью исследования природных явлений и процессов в прошлом. Несмотря на широкое развитие, методы исследования ландшафтов в динамике пока ещё не дали надёжных количественных показателей (скорости протекания природных процессов, взаимозависимости компонентов природы на разных стадиях развития геосистемы).