Контрольные вопросы
Определение инженерной географии как науки и учебной дисциплины.
Основные задачи инженерной географии и подходы к их решению.
3. Этапы процесса инженерно-географических исследований.
1. 2. Предмет исследования инженерной географии
Объектом инженерно-географических исследований может быть территориальная географическая единица в виде ПТК, ландшафта, геосистемы, т. е. ландшафтообразующее пространство, процессы внутри которого обусловливают дифференциацию земной поверхности, проявляющуюся в форме морфологической структуры. Однако из трех названных понятий для инженерно-географических целей наиболее удобно использовать геосистемный подход, так как при изучении других единиц (ПТК, ландшафт) основное внимание уделяется их генезису и морфологии, а при изучении геосистем – их функционированию и динамике (развитию).
Системный подход успешно применяется в естественных и общественных науках. Он рассматривается в качестве общенаучного метода, использование которого позволяет решать самые сложные задачи, стоящие перед учеными. Системный подход предполагает решение проблем путем представления объекта исследования как комплекса взаимодействующих систем разного порядка. Система – это множество элементов, находящихся во взаимосвязях и образующих определенную целостность, единство. Системы могут быть малыми, большими, простыми и сложными. В качестве системы может рассматриваться предмет любой природы, имеющий специфические свойства. Наряду с понятием «система» имеется термин «структура», включающий способ соединения предметов, в результате чего образуется новый предмет с отличительными свойствами. Системный и структурный анализы существенно различаются между собой. Сис-
Рис.2
темный анализ сначала изучает свойства предмета в целом, а затем его элементарный состав. Структурный – направлен на рассмотрение отдельных составных частей. Смешанный системно-структурный анализ позволяет получить наиболее полную характеристику изучаемого предмета.
Основная задача системного подхода – представить изучаемый объект в виде совокупности элементов, находящихся во взаимосвязи и взаимообусловленности.
Согласно Д. Л. Арманду, склонность системы к сохранению базируется на распространенном в природе принципе Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать, изменяя какое-либо из условий, определяющих это равновесие, то оно сменится в том направлении, при котором эффект произведенного воздействия уменьшится. Все природные системы открытые, так как нет твердых границ, на которых бы прекращался обмен вещества и энергии на Земле.
Широкие возможности, представляемые в географии системным подходом, основываются, прежде всего, на том, что он является совокупностью методов, пригодных для изучения сложных систем с большим числом переменных, которые могут быть вначале измерены весьма неточно или оставаться неидентифицированными. Главное условие системного подхода в географии заключается в необходимости последовательно соблюдать принципы системности на всех уровнях научного исследования. В силу того, что всякий природный объект, и каждый компонент природного комплекса представляют собой систему, возникает немало сложностей. В связи с этим многие исследователи считают, что раздельное рассмотрение природных территориально-производственных систем и территориальных систем населения и анализ их взаимосвязей дают более конструктивные выводы, нежели рассмотрение природных систем в качестве единого географического комплекса, сочетающего в себе природу, население, хозяйство.
В. Б. Сочава первым предложил термин «геосистема», включающий как абиогенные, так и биогенные компоненты и их взаимосвязи, что позволило четко определить предмет исследования физической географии. Между геосистемой и природным комплексом имеются существенные различия. Всякий природный комплекс есть геосистема, однако, не всякая геосистема является природным комплексом. Это вызвано тем, что в геосистеме важнейшими свойствами являются целостность и функционирование, а в природном комплексе– взаимосвязи компонентов и их место в общей структуре.
В последнее время под геосистемой понимаются относительно автономные совокупности природно-территориальных и социально-экономических компонентов. Объединенные однородными условиями компоненты геосистемы связаны между собой потоками вещества, энергии и информации: перемещением твердого материала, влагообменом, биогенной миграцией химических элементов и социальными факторами.
Таким образом, геосистемы – это особый план иерархически организованных систем. В сложной иерархии геосистем В. Б. Сочава (1974) выделил три главных уровня: планетарный, представлен географической оболочкой Земли; региональный – в виде крупных структурных частей географической оболочки (зоны, страны, провинции); локальный, или топологический, – относительно простые образования, предельные единицы физико-географической дифференциации, характеризующиеся признаком неделимости по всем основным компонентам.
Среди методологических течений, отражающих применяемые в физической географии направления и подходы, чётко выделяются следующие три группы: типологические, генетические и функциональные. Типологический подход предполагает расчленение территории по типологическим признакам (свойствам) природных компонентов (рельефа, почв, растительности, климата и т. д.). Генетический подход заключается в рассмотрении отдельных природных компонентов или их свойств в отношении к различным факторам среды (внешним условиям). В результате образуются системы взаимосвязанных объектов. Суть функционального подхода в познании механизма взаимодействия между объектами.
Исследуя вопрос об идентичности ландшафтных единиц (фации, урочища) и природных систем, А. Д. Арманд и Т. П. Куприянова пришли к выводу, что в схемах районирования не все типы систем находят отражение. Они делят геосистемы на вертикальные, когда преобладает вертикальное перемещение потоков вещества и энергии, и горизонтальные, в которых превалирует горизонтальное направление потоков. Эти два направления движения потоков в ландшафтной сфере Земли – следствие существования двух факторов: вектора силы тяжести, направленного к центру Земли, и формы поверхности Земли, параллельно которой происходит перемещение материальных масс. Как вертикальные, так и горизонтальные системы могут быть статическими или динамическими в зависимости от наличия или отсутствия в них постоянных потоков.
Границы природных систем носят несколько условный характер и проводятся по линии ослабления связи между элементами, т. е. по поверхностям, вдоль которых передача вещества и энергии наименьшая.
Основными свойствами геосистем, которые учитываются при изучении особенностей формирования и функционирования мелиоративно-географических систем, являются целостность, динамика, эволюция, структура, устойчивость и др. Целостность геосистемы заключается во взаимосвязи и взаимообусловленности её геолого-геоморфологической основы, почв, вод, воздушных масс, биологических компонентов, определяющих взаимосвязанность потоков вещества и энергии и обусловливающих режимные характеристики.
Совокупность процессов обмена и трансформации энергии и вещества в географических комплексах А. Г. Исаченко называет функционированием. Выделяются следующие «функции» геосистем: трансформация солнечной энергии, механическое перемещение вещества под действием силы тяжести, циркуляция воздуха и влаги, биологический круговорот веществ и др. Динамика геосистемы отражает её способность к изменению и возвращению в исходное состояние, т. е. обратимое изменение. Геосистема будет находиться в устойчивом состоянии до тех пор, пока все изменения её, независимо от вызывающих их причин, будут обратимыми. Это относится и к геосистемам, испытывающим антропогенное воздействие. Следует учитывать, что эволюционное развитие геосистемы – это необратимое, поступательное изменение, проявляющееся через постепенную перестройку её структуры. Эволюционное изменение не является характеристикой динамичности геосистем, а служит показателем их фонового состояния при изучении динамики.
Взаимное расположение составных частей геосистемы и характер их соединения включается в понятие «структура геосистемы». От структурных особенностей геосистемы зависит направленность и интенсивность потоков вещества и энергии, которые понимаются как взаимосвязи между структурными элементами геосистемы. Геосистемам присущи два вида специфической структурной организованности: вертикальная и горизонтальная. Вертикальная включает литосферу, поверхностные воды, атмосферу, находящиеся во взаимосвязи и взаимопроникновении. Горизонтальные структурные части геосистемы – территориальные составные её части или отдельные геосистемы более низкого таксономического ранга. Например, геосистемы локального ранга являются составными частями геосистем региональных, а те в свою очередь – составными структурными частями географической оболочки.
Важное свойство геосистем – временная структура, так как составные части располагаются в определённом порядке не только в пространстве, но и во времени. А. Г. Исаченко указывает, что каждой геосистеме присущи сезонные аспекты, которые можно рассматривать как своего рода структурные единицы геосистемы.
Относительное постоянство структуры, как горизонтальной, так и вертикальной, в процессе функционирования геосистем выражается через их устойчивость, т. е. способность геосистемы возвращаться в своё исходное состояние. Под устойчивостью геосистемы понимается степень сохранения её структуры и основных функций и свойств, если под воздействием внешних или внутренних факторов часть свойств или функций системы претерпела существенные изменения и отклонения от нормального состояния. Устойчивое состояние геосистем проявляется прежде всего через структурную их организацию. Однако эта устойчивость носит флуктуационный (колебательный) характер, т. е. ей присущи некоторые отклонения от среднего состояния. Чем больше степень нарушенности структуры геосистемы, тем меньше вероятность её самовосстановления. В. Б. Сочава (1978) выделил две категории геосистем с нарушенной структурой: 1) относительно сохранившие свои спонтанные потенции и способные воспроизвести первоначальную структуру за счёт факторов саморегуляции; 2) коренным образом изменившие свою структуру, восстановление которой возможно лишь через очень длительный срок и только при воздействии планетарно-региональных движущих сил.
Устойчивость геосистем в значительной степени определяется наличием в них обратных связей. При этом если положительные обратные связи усиливают преобразовательный процесс, то отрицательные способствуют восстановлению равновесия, т. е. играют стабилизирующую роль. Эта зависимость прослеживается как на региональном, так и на локальном (топологическом) уровнях.
Устойчивость геосистемы не имеет прямой зависимости от жестокости связки её структурных элементов, а определяется динамичностью последних, т. е. способностью иметь непостоянную связь. Важным фактором устойчивости геосистем является сложность их структуры. Установлено, что устойчивость (стабильность) геосистем тесно связана с их сложностью, т. е. разнообразием структурных элементов.
С устойчивостью геосистемы тесно связаны обратимость или необратимость её преобразований под воздействием антропогенных и других факторов. Поэтому при желании целенаправленного преобразования, в том числе мелиоративного, интенсивность преобразовательного воздействия должна быть достаточной для перевода системы в неустойчивое состояние и перехода её в другое состояние, отличающееся другой параметрической и функциональной характеристикой. Если же для создания необратимого процесса в системе оказанных усилий недостаточно, то желаемое преобразование достигнуто не будет.
Рассмотренные особенности строения, свойств и развития геосистем в полной мере проявляются при воздействии на природные комплексы.
Методологической основой инженерной географии является концепция формирования геотехнических систем. Исследуя проблемы образования геотехнических систем, Г. Ф. Хильми подчёркивал способность технических устройств активизировать выход энергии из биосферы. Он указывал, что насыщенность биосферы техникой приведёт к появлению неизвестных ранее организационных законов. Этот подход способствовал развитию геотехнической концепции в географии. Проведена классификация технических средств воздействия на геосистемы, изучены основные взаимодействия технических систем и геосистем.
Согласно К. Н. Дьяконову, геотехническая система – это природно-техническое образование физико-географической размерности, у которого природные и технические части настолько сильно взаимосвязаны, что функционируют в составе единого целого, хотя отдельные подсистемы, как системы открытые, получают сигналы управления не только из общества, но и из природы – внешней среды.
Технические системы оказывают весьма сильное направленное воздействие на геосистемы. В результате происходит перестройка последних в структурном и функциональном плане.
Во взаимодействии инженерных систем и геосистем существуют определённые закономерности. Они проявляются во влиянии инженерных систем на природные комплексы и влиянии природных условий на функционирование инженерных систем.
Исходя из того, что зона влияния характеризуется большой неоднородностью происходящих в ней изменений, Ф. Н. Мильков ввёл понятие «поле обратного воздействия». Например, в поле обратного воздействия водохранилищ выделяются три полосы: геоморфологическая, гидрогеологическая и климатическая. Каждой из них присущ свой характер изменения природных комплексов и отдельных компонентов. При этом особое значение имеет учёт внутрисистемных качественных обратных связей. Эти связи довольно разнообразны и присущи не только целенаправленно преобразованным ландшафтным комплексам, но и взаимосвязанным с ними комплексам смежных территорий. Обратные связи –это горизонтальные потоки вещества и энергии, направленные в сторону инженерных систем. Наличие обратных связей вызывает такие явления, как заиление водохранилищ и мелиоративных каналов, засорение и разрыв дренажных сетей, разрушение плотин и шлюзов и др. Исследования проблемы взаимодействия природных комплексов и технических систем показывают, что большой ущерб народному хозяйству могут нанести разрушения, вызванные недоучётом воздействия природного комплекса на технические сооружения. Эта величина должна быть ниже той, которую может выдержать техническое устройство.
Изменения изначального состояния природы могут быть разделены на несколько групп: 1) изменения абиогенных компонентов природных комплексов; 2) изменения как отдельных видов биогенных компонентов, так и целых биоценозов; 3) изменения хозяйственных условий и появившихся новых форм и объектов природопользования.
Чтобы выяснить изменения, которые произойдут в комплексе сооружений, необходимо чётко представлять и иметь возможность фиксировать изменения, происходящие в каждом компоненте ландшафта и отдельных блоках. Под влиянием хозяйственной деятельности человека одни блоки ландшафта могут изменяться медленно и образовывать «жёсткий скелет системы», другие – быстрее.
В результате воздействия происходят как глубокие изменения, затрагивающие всю структуру ландшафта, так и поверхностные, касающиеся отдельных компонентов или параметров.
Связи, формирующиеся в новых системах, также разнообразны по характеру, уровню тесноты, степени разветвлённости. Среди них следует выделить связи, определяющие целостность всей системы, которые называются жёсткими, и связи, называемые гибкими, которые могут видоизменяться, не приводя при этом к распаду системы. Большинство жёстких связей материальны, так как сопровождаются потоком вещества (вода, химические элементы, органическое вещество и др).
Система может быть определена и формально описана при условии, если можно описать и количественно охарактеризовать все составляющие её компоненты и взаимосвязи между ними.
Влияние антропогенных и природных факторов выражается через изменение количественных параметров инженерно-географи-ческой системы. Оно может быть прямым, если существует непосредственная зависимость компонента от фактора, и опосредствованным, если воздействие фактора проявляется через всю систему в целом.
Инженерно-географическая система объединяет наиболее тесно сопряжённые участки земной поверхности. Основа их формирования– потоки вещества и энергии, изменённые как пространственно, так и по интенсивности. Следовательно, в основе изучения систем должен быть анализ потоков вещества и энергии, а также характера направленности и силы воздействия на них сооружений. Перемещение вещества в системе определяется биогеохимическими процессами и геолого-геоморфологическими условиями, а перемещение энергии в основном биоклиматическим фактором, поэтому определяющие параметры инженерно-географических систем соответственно следующие: биогеохимические, гидрогеологические, геоморфологические и биоклиматические.
Таким образом, инженерно-географическая система – это разновидность геотехнической системы, характеризующаяся закономерным сочетанием природных компонентов, инженерных систем и сооружений, а также социальных и экономических составляющих, находящихся в тесном взаимодействии и образующих единую систему. Она не является окончательно сформировавшейся, а представляет собой переменное состояние природных систем, подверженных воздействию инженерных сооружений. Это контролируемые (эпизодически или регулярно) системы, степень управления (контроля) которых зависит от уровня изученности протекающих в них процессов и состояния технического блока.
Инженерно-географическая система состоит из взаимосвязанных природного, технического, экономического и социального блоков, часто не имеющих чёткой территориальной выраженности.
Техническая составляющая (блок) инженерно-географических систем представляет собой инженерные системы или сооружения, которые, в свою очередь, определяются видом природопользования, то есть виды природопользования, которые образуются на протяжении длительного исторического периода развития хозяйства, являются фактором преобразования природной среды соответствующей территории. Изменения, протекающие в природной среде под влиянием разных видов природопользования, имеют свою специфику в направленности и интенсивности изменений отдельных природных компонентов и процессов. Однако значительная часть видов природопользования имеет близкие воздействия на ПТК, и по этим показателям виды могут быть объединены в отдельные группы.
Выделяются следующие группы видов природопользования: сельскохозяйственное, промышленное, строительное, водохозяйственное, лесохозяйственное, градостроительное, рекреационное.
Наиболее распространённым, разнообразным и продолжительным по времени является сельскохозяйственное природопользование. По характеру воздействия на ландшафты оно делится на земледельческое, пастбищно-животноводческое и мелиоративное. Земледельческое воздействие включает: механическое (структура земель, распаханность, освоенность), физическое (влияние земледельческой техники), агротехническое (севообороты, технология возделывания растений), химическое (применение удобрений, пестицидов). Пастбищно-животноводческое воздействие проявляется в непосредственном влиянии животных на растительность, уплотнение и изменение водно-воздушного режима почвы, поступление питательных веществ в почву; стойловое содержание (животноводческие комплексы) вызывает загрязнение стоками почв, вод, воздуха. Мелиоративное воздействие на ландшафт происходит через осушительные и оросительные системы, изменяющие структуру ландшафта, водно-воздушный режим почв, микроклимат, гидрографическую сеть; через культуртехнические и планировочные работы, вызывающие перемещение огромной массы почво-грунтовой смеси, формирование микрорельефа, изменение мощности плодородного (гумусового) слоя почвы; с орошением связано засоление почв и почвенно-грунтовых вод; лесомелиоративное воздействие ведёт к созданию лесополос, облесению склонов, оврагов, песков, прибрежных зон, к изменению характера стока.
Промышленное воздействие на ландшафт выражается в загрязнении окружающей среды производственными отходами, отчуждении территории под промышленные объекты, в насыщении ландшафта техногенными системами. Горнодобывающая промышленность ведёт к образованию карьеров, техногенных форм рельефа (терриконов, просадок, отвалов), созданию рекультивированных (вторичных) ландшафтов.
Строительные мероприятия вызывают разрушение почвенного и растительного покрова, изменение формы рельефа (срезание положительных и засыпка отрицательных форм), намыв грунтов, закрепление и изменение физических свойств грунтов (техническая мелиорация). Градостроительство ведёт к формированию городского ландшафта, отчуждению земель, изменению рельефа, почв, уровня и состава вод, интенсивному техногенному насыщению, формированию микроклимата и состава атмосферного воздуха, образованию зоны влияния городского поселения.
Водохозяйственное воздействие проявляется в создании водохранилищ, прудов, каналов, спрямлении русл рек, изменении количественных и качественных параметров водотоков, техногенном насыщении гидрографической сети (шлюзы, дамбы, мосты), подтоплении прилегающих земель, создании специфического микроклимата.
Лесохозяйственное воздействие проявляется через эксплуатационные мероприятия (сплошная или выборочная рубка, прокладка дорог, вывоз лесоматериала, подсочка смолы), изменение видового состава растительности и животных, осушительную мелиорацию, внесение химических мелиорантов.
Рекреационное воздействие вызывает уплотнение почв отдыхающими, дигрессию растительности, изменение состава вод, строительство рекреационных объектов и инфраструктуры; необходимость мероприятий по усилению пейзажной выразительности, микроклимата, видового состава растительности.
В результате формируются ландшафты разной степени антропогенной преобразованности, которую можно определить по методике, предложенной П. Г. Шищенко (1988). Суть её заключается в том, что каждый вид природопользования имеет свой ранг преобразованности (r): охраняемые территории – 1; леса – 2; болота и заболоченные земли – 3; луга – 4; сады – 5; пашня – 6; сельскохозяйственная застройка – 7; городская застройка – 8; водохранилища, каналы – 9; земли промышленного использования – 10.
Индекс антропогенной преобразованности территории можно определить по формуле:
UАП=Σ(rg),
где UАП – индекс антропогенной преобразованности, r – её ранг, g –доля (%) данного вида природопользования в регионе.
Экспертным методом устанавливается вес каждого вида природопользования в суммарной преобразованности региона. Принят индекс глубины преобразованности: охраняемые территории – 1; леса – 1,05; болота, заболоченные земли – 1,1; луга – 1,15; сады, виноградники – 1,2; пашня – 1,25; сельскохозяйственные застройки – 1,3; городские застройки – 1,35; водохранилища – 1,4; земли промышленного использования – 1,5.
С учётом этого можно определить степень антропогенной преобразованности ландшафтов региона следующим образом:
КАП=Σ (rί pί q) п / 100,
где rί – ранг антропогенной преобразованности ί-ым видом использования, рί–площадь ранга (%), q – индекс глубины преобразованности ландшафта, п – количество выделов в пределах контура ландшафтного региона, деление на 100 для удобства пользования коэффициентом. КАП изменяется в пределах 0<K<10.
Построена пятиступенчатая шкала преобразованности ландшафтов:
1. слабопреобразованные – 2,0–3,8;
2. преобразованные – 3,81–5,3;
3. среднепреобразованные – 5,31–6,5;
4. сильно преобразованные – 6,51–7,4;
5. очень сильно преобразованные – >7,4.
КАП могут рассматриваться как нормативные коэффициенты антропогенной преобразованности ландшафтов региона, отражать преобладающее влияние того или иного фактора. Они используются как количественная мера дифференциации ландшафта и обоснования схем ландшафтного районирования территории для целей регионального проектирования.