В соответствии с основными положениями, сформулированными в Стратегии пространственного развития Российской Федерации на период до 2025 г., территориальное развитие должно осуществляться в первую очередь за счет совершенствования территориальной организации объектов экономики и системы расселения с учетом принципов комплексного подхода и рационального природопользования [1]. В условиях обострения геоэкологических проблем рациональная организация территориальной структуры является одним из основных факторов, лежащих в основе эффективного управления пространственным развитием объектов любого иерархического уровня.
На современном этапе нормативно-правовые аспекты анализа территориальных структур основаны на процедуре территориального планирования. Являясь одной из составных частей градостроительной деятельности, территориальное планирование, в соответствии с Градостроительным кодексом Российской Федерации, ставит своей основной целью создание эффективной системы размещения объектов различных отраслей экономики, управления селитебными территориями, инженерно-транспортной инфраструктурой и охрану окружающей среды. Геоэкологический анализ метагеосистем городов для целей принятия управленческих решений, оптимизации процедур территориального планирования является одним из наиболее сложных в силу необходимости учета и моделирования широкого спектра природных, социальных и экономических процессов, локализованных на весьма ограниченной территории с высокой концентрацией населения, производств, объектов инфраструктуры, сложной системой функционального и градостроительного зонирования и др. В связи с этим решение ключевых прикладных задач геоэкологической оптимизации и территориального планирования метагеосистем на региональном и муниципальном уровнях в настоящее время в значительной степени основано на совершенствовании технологии применения геоинформационных и геопортальных систем, обеспечивающих создание электронных карт путем интерпретации массивов пространственно-временных данных о природных, социальных, экономических и экологических процессах и условиях местности [2], применения автоматизированных методик обработки и анализа данных дистанционного зондирования Земли [3].
Цель исследования – развитие методов геоэкологического обоснования территориального планирования на основе геоинформационного моделирования метагеосистем города для принятия управленческих решений.
Материалы и методы исследования
Понятие «территориальная структура» было сформулировано и получило развитие в многочисленных работах ученых второй половины XX в. в условиях усиления масштабов воздействия человека на природу и активного развития процесса урбанизации. По А.П. Горкину, Е.Е. Демидовой, Л.А. Кадиловой, территориальная структура является признаком любой пространственной системы и представляет собой взаиморасположение, взаимосвязи и взаимодействия пространственно выраженных элементов сложного географического объекта, рассматриваемого как система [4]. Концепция территориальной структуры включает в себя последовательный анализ и оценку ключевых взаимосвязанных измеримых параметров интегрального пространственного исследования – концентрации, дифференциации, связности, композиции [5, 6].
Анализ территориальной структуры выполняется с целью разработки и реализации проектных решений по геоэкологической оптимизации процессов хозяйственного освоения и включает в себя оценку перечня факторов, под воздействием которых произошло ее формирование: природных, исторических, социально-демографических – а также особенностей застройки, размещения основных объектов производства, системы озеленения. В последние годы данному направлению прикладных геоэкологических исследований посвящены работы И.К. Лурье, Е.А. Балдиной, А.И. Прасоловой и др. [7], Б.И. Кочурова, А.Ю. Карандеева [8], О.А. Климановой, Е.Ю. Колбовского, О.А. Илларионовой [9], В.А. Низовцева, Б.И. Кочурова, Н.М. Эрман с соавт. [10] и др., систематизирующие опыт геоэкологического обоснования разработки планировочных решений на основе геоинформационных технологий в отношении различных городов Российской Федерации.
При исследовании взаимодействия природы, населения и техногенных систем города в качестве основных объектов рассматриваются метагеосистемы – закономерно организованные природные, социальные и техногенные подсистемы с пространственно распределенными структурными элементами и компонентами, генетически, структурно, функционально связанными между собой. Общая структура метагеосистем города приведена в таблице.
Общая структура метагеосистем
|
Подсистемы |
Структура и основные слои электронных карт метагеосистем |
Научно-прикладные карты |
|
|
Экологические процессы и проблемы |
Оптимизация территориальной структуры землепользования |
||
|
Природные |
Геолого-тектоническое строение, морфоструктурные и морфоскульптурные формы рельефа, климат и приземные слои атмосферы, гидрологический режим поверхностных вод, гидрогеодинамика и гидрогеохимия подземных вод, структура почвенного покрова, растительность и животный мир, геосистемы (ландшафты) |
Геоэкологическая диагностика состояния метагеосистем: геоэкологический потенциал, устойчивость геосистем, техногенное изменение и прогнозирование аномальных экологических явлений |
Ландшафтно-экологическое зонирование |
|
Социальные |
Динамика и плотность населения, медико-демографическая ситуация: рождаемость, смертность, возрастная и половая структуры, национальный состав |
||
|
Объекты образования, культуры, торговли, предприятий питания, спорта, средств размещения и др. |
|||
|
Техногенные |
Промышленные и сельскохозяйственные предприятия, транспортная инфраструктура |
||
Рис. 1. Алгоритм проектирования электронных карт для анализа территориальной структуры
Основополагающими принципами исследования метагеосистем являются: 1) системность – исследование изучаемого объекта как пространственно-временного образования, функционирование которого обеспечивается потоками вещества, энергии и информации между отдельными элементами, подсистемами и внешней средой; 2) комплексность – сопряженный анализ всех аспектов функционирования с учетом взаимосвязи факторов, определяющих особенности деятельности социума и его взаимодействия с окружающей средой; 3) территориальность – изучение пространственных группировок свойств элементов; 4) региональная целостность – учет показателей интегрированности, самодостаточности и автономности; 5) экологичность – регламентация исследований взаимодействия социума с окружающей природной и техногенной средой как единой целостной системой; 6) управляемость – ориентация на сознательную оптимизацию пространственной организации.
Системы электронных карт, используемые для анализа, оценки и мониторинга экологического состояния метагеосистем, значительно различаются по своей структуре, функциональным возможностям, применяемому алгоритму сбора и обработки информации, что зависит от природных, исторических и социально-экономических особенностей территории. В общем виде алгоритм проектирования баз электронных карт для анализа территориальной структуры можно представить в виде следующей схемы (рис. 1).
Общий алгоритм исследования метагеосистем для выработки концепции геоэкологического обоснования территориального планирования включает следующие этапы: 1) сбор и систематизация информации: разработка базовой картографической основы ГИС; 2) дешифрирование многозональных космических снимков с составлением синтетической карты геосистем; 3) оценка значимости техногенных воздействий и прогнозирование экологических последствий; 4) ландшафтно-экологическое зонирование метагеосистем. Такой комплексный подход призван создать целостное представление о пространственно-временной организации взаимодействия природных, социальных и производственных подсистем, выделить закономерности происхождения, развития, динамики геосистем и их изменении в процессе хозяйственного освоения для принятия управленческих решений по оптимизации функционирования метагеосистем города.
Результаты исследования и их обсуждение
Формирование структуры и баз данных региональной географической информационной системы (ГИС) «Мордовия» для экологического обоснования градостроительной документации г. Саранска и мониторинга состояния метагеосистем началось в конце ХХ в. [11]. Современная архитектура инфраструктура пространственных данных ГИС представлена на рис. 2.
Основные блоки ГИС: 1) подсистема сбора, обработки, анализа и управления пространственными данными; 2) распределенное облачное хранилище; 3) геопортальная система. Процессы систематизации пространственных данных основаны на знаниях о геосистемах как иерархически упорядоченных совокупностях различных составляющих географической оболочки, которые связаны между собой потоками веществ и энергии.
Формирование территориальной структуры г. Саранска происходит под влиянием широкого спектра факторов, наибольшее значение среди которых имеют позиционные, природные и исторические. Для решения поставленных задач была создана система карт, отражающая особенности динамики и развития процессов экологического взаимодействия региональных и локальных природных, социальных и техногенных систем, ориентированная на геоэкологическую диагностику состояния метагеосистем: анализ структуры геосистем, развития планировочной системы города, геоэкологического потенциала, устойчивости и техногенного изменения геосистем, ландшафтно-экологическое зонирование.
Карты природного потенциала. В качестве центрального звена комплекса карт природы (таблица) выступает синтетическая карта геосистем, Характерными чертами вмещающего природного ландшафта являются выраженная инсоляционная асимметрия склонов, доминирование выпукло-вогнутых склонов, определяющих смену лесных типов геосистем приводораздельных пространств лугово-степными на нижних участках склонов.
Анализ карт развития планировочной системы города Саранска позволил выделить 7 этапов смен состояний метагеосистем: 1) крепостной город (от основания в 1641 г. до разрушения крепости в середине XVIII в.); 2) слободской город (период до проектирования Генерального плана межевания конца 1785 г.); 3) реконструкция города (этап от старта воплощения плана реконструкции до 1820-х гг.); 4) упорядочение квартальной планировки города (до революции 1917 г.); 5) придание городу «советского» облика (завершая периодом, включающим годы восстановления страны после Великой Отечественной войны); 6) индустриальная реконструкция; 7) комплексная реконструкция (в 1990-е гг. и до настоящего времени) [11]. Структура природного и культурного наследия в метагеосистемах региона отражена на геопортале «Природное и культурное наследие Мордовии. Путешествуем с Русским географическим обществом» (рис. 3).
Анализ и оценка смен состояний метагеосистем позволили провести типологию территории города по особенностям градостроительного освоения и сформулировать возможные ограничения их развития.
Карты геоэкологического потенциала отражают способность природной системы удовлетворять потребности населения в качественной среде, устойчивость геосистем к техногенным нагрузкам.
Рис. 2. Схема цифровой инфраструктуры пространственной информации
Рис. 3. Страница геопортала «Природное и культурное наследие Мордовии. Путешествуем с Русским географическим обществом»
Геоэкологический анализ развития метагеосистем г.о. Саранск с использованием геоинформационного моделирования показал, что в качестве важнейшего лимитирующего фактора развития выступают водные ресурсы водоносного каменноугольно-пермского карбонатного горизонта. В результате активного водохозяйственного освоения Саранского месторождения образовалась депрессионная воронка, которая охватила значительную часть центральной Мордовии. Абсолютная отметка уровня в 2010 г. по центру депрессии составила 55 м. Последующее сокращение водозабора определило подъем уровня вод до 0,45 м в год. Современная площадь депрессионной воронки по пьезоизогипсе 75 м на 2021 г. составляет 222,55 км2. Изменение гидрогеодинамических процессов определило ухудшение качества питьевых вод за счет притока минерализованных вод из нижележащих водоносных горизонтов и восточной Мордовии.
Дальнейшее освоение эксплуатационных ресурсов Саранского месторождения предполагает разработку и реализацию программы стратегического развития водного хозяйства Республики Мордовия – снижение общей антропогенной нагрузки экономики на окружающую среду, повышение эффективности потребления водных ресурсов, улучшение правового регулирования природопользования.
Карты устойчивости геосистем. Как показывает практика, наибольшую значимость для градостроительного освоения имеет информация о структуре геологической среды, развитии экзогеодинамических процессов (затопление, подтопление, оползнеобразование, заболачивание и т.п.) и геохимическая устойчивость ландшафтов к накоплению продуктов техногенеза, что важно учитывать не только для обеспечения безопасности населения, моделирования геоэкологических рисков в условиях природного режима функционирования геосистем, но и в условиях техногенеза.
Для целей геоэкологического обоснования территориального планирования города природные и природно-техногенные процессы должны описываться по одинаковой схеме: вид явления, место, вероятное время проявления, интенсивность, возможные последствия и экономический ущерб, мероприятия по предотвращению или смягчению геофизических, геохимических и других воздействий на метагеосистемы.
Карты техногенного изменения метагеосистем. Для целей экологического обоснования территориального планирования урбанизированных территорий проведение ландшафтно-геохимического анализа позволяет выявить закономерности распределения загрязняющих веществ в отдельных компонентах и подсистемах городской среды. Данный подход предусматривает оценку степени геохимической трансформации метагеосистем на отдельных исторических этапах развития территории с последующей подготовкой картографических материалов и выделением участков с различной динамикой загрязнения.
Оценка и прогноз техногенного воздействия на геосистемы реализуется через расчет показателей концентрации химического элемента в пыли, накопленной снегом, суммарный показатель загрязнения снежного покрова. Для количественной оценки степени загрязнения почвенного покрова рассчитывались коэффициенты концентрации химических элементов и суммарный показатель загрязнения почв. Обобщенная ассоциация химических элементов, накапливающихся (Кс > 1,5) в почвах городских ландшафтов, имеет вид Pb5,7 – Sn3,3 – Cu3,2 – Zn2,4 – Mo1,6. На отдельных участках в них аккумулируются хром, стронций, галлий, никель, ниобий, барий, ванадий и серебро. Сопряженный анализ загрязнения почв и снежного покрова комплексом химических элементов позволил выделить участки реликтового, устойчивого, прогрессирующего загрязнения [12, 13].
Анализ геохимических данных для целей геоэкологической оптимизации градостроительной структуры определяется двумя основными векторами. С одной стороны, результаты геохимических исследований могут свидетельствовать об основных тенденциях развития геоэкологической ситуации на урбанизированной территории в связи с изменением объемов и масштабов промышленного производства, конфигурации транспортных путей и инженерных коммуникаций. Результаты геоинформационного моделирования распределения загрязняющих веществ используются для прогнозирования развития геоэкологических ситуаций. С другой стороны, данные материалы сами могут выступать в качестве исходных данных для внесения изменений в документы территориального планирования, являясь одним из инструментов выделения ключевых направлений дальнейшего развития территориальной структуры, гармонизации взаимодействия природных, социальных и производственных подсистем.
Рис. 4. Моделирование ландшафтно-экологического каркаса: а) зоны ландшафтно-экологического равновесия г. Саранска: 1) субмеридиональная водно-зеленая система Саранска – центральная зона экологического равновесия («Ц»); 2) основные зеленые массивы в пригороде; 3) узлы экологического равновесия; 4) основные субширотные водно-зеленые системы; б) расчет NDVI для оценки продуктивности биомассы растительности
Анализ уровней техногенного загрязнения метагеосистем г.о. Саранск показал, что наибольшие концентрации тяжелых металлов наблюдались в районах размещения основных транспортных артерий и примыкающих к ним участкам жилой застройки. Внесенные изменения в Генеральный план городского округа, в частности организация транспортных развязок и объездных дорог, позволили снизить техногенные нагрузки на окружающую среду, как непосредственно в местах строительства новых путепроводов, так и на прилегающих территориях, в местах скопления автотранспорта на подъездах к основным магистралям, что подтверждено результатами последующих геохимических исследований.
Ландшафтно-экологические карты оптимизации функционирования метагеосистем. Для целей геоэкологического обоснования территориального планирования метагеосистем города разработан комплекс электронных карт, содержащих сведения о структуре природных и антропогенных комплексов и ландшафтов, исторических этапах пространственного развития и современной территориальной структуре городской среды, а также об основных тенденциях развития деструктивных экологических ситуаций.
В соответствии с результатами экологического картографирования в структуре метагеосистем г. Саранска были выделены основные элементы ландшафтно-экологического каркаса – леса пригородной зоны и садово-парковые комплексы, размещенные в пределах пойменных комплексов р. Инсар и его основных притоков, и соединенные между собой элементами зеленых и водно-зеленых коридоров (рис. 4).
Система ландшафтно-экологических зон (составных частей метагеосистемы города) призвана минимизировать геоэкологические риски, связанные с развитием экзогеодинамических процессов, обеспечить очистку нижних слоев тропосферы, регулирование поверхностного и подземного стока, сохранение растительности и среды обитания в целом. Расчет вегетационных индексов показал, что основные элементы ландшафтно-экологического каркаса соответствуют нормативным показателям и являются достаточными для выполнения природоохранных функций.
Заключение
Важнейшими объектами современных экологических исследований выступают метагеосистемы – географические объекты, формирующиеся в результате взаимодействия физико-географических, историко-культурных, социально-экономических, политико-административных, технологических и иных факторов. Ключевыми аспектами исследования метагеосистем являются формулировка целей и ориентиров устойчивого развития территории и формирование систем обеспечения управления. Основополагающими принципами исследования являются: 1) системность; 2) комплексность; 3) территориальность; 4) региональная целостность; 5) экологичность; 6) управляемость.
Гибкими и универсальными средствами для исследования сложной иерархической системы метагеосистем города являются ГИС-технологии, обеспечивающие сбор, обработку, хранение и визуализацию пространственной информации о состоянии природных, социальных и производственных систем, их взаимодействии. Их практическая востребованность заключается, прежде всего, в оперативности представления информации и в точной пространственной привязке данных. Базы электронных экологических карт, создаваемые для целей территориального управления, призваны сформировать единый информационный массив, в котором различные типы данных объединены в систему и позволяют комплексно подойти в процедуре оценки существующей градостроительной структуры и разработке мероприятий по оптимизации ее функционирования.
Ключевую роль в системе управления должны играть геопорталы, обеспечивающие доступ к информационным ресурсам о природно-социально-экономических объектах регионов (стран). Открытая система электронных карт оптимизирует мониторинг динамики и эволюции территориальной структуры, изменения геоэкологического потенциала, техногенной трансформации природной среды, оценку устойчивости геосистем и прогнозирование деструктивных процессов, а следовательно, оптимизирует процесс гармонизации развития метагеосистем населенного пункта.