1.5. Пространственные и временные масштабы экологической информации и

экологических карт

Соотношение экологических характеристик с пространственными и временными масштабами экологических карт.

Смена масштаба карты ассоциируется с охватом разной территории, с разной детальностью изображения объектов, с генерализацией изображения. Но при изменении пространственных масштабов меняется набор характеристик, определяющих экологическую ситуацию. Тем самым происходит изменение содержания ситуаций и их оценки. Это происходит, прежде всего, в связи с характером пространственного соотношения фоновых величин и локальных неоднородностей (Бойчук, Марченко, 1968). Неоднородности природных явлений, проявляющиеся при определенном масштабе, при переходе к более крупному масштабу перестают иметь ощутимую пространственную дифференциацию. Например, широтные изменения солнечной радиации при переходе на локальный ландшафтный уровень (фации, урочища) становятся очень незначительными и могут не учитываться.

Изменение содержания карт разных пространственных масштабов связано и с другими причинами. Такие, например, экологические характеристики, как озерность и распаханность, могут использоваться для экологических оценок лишь для территорий достаточно крупного размера: административного или ландшафтного района и более. Степень распаханности в пределах самых мелких природных единиц (фации или урочища) не имеет экологического смысла.

Для анализа данной проблемы было проанализировано соотношение характеристик, используемых при анализе экологических типов ландшафтов, с масштабами карт (табл.1.3). Такие характеристики, как климатическое увлажнение, суммы температур, речной сток, изображаются на картах мелких и средних масштабов, но не показываются на крупномасштабных картах. Причина заключается в том, что данные характеристики на уровне крупных масштабов или переходят в разряд фоновых (климатическое увлажнение), или не могут быть изображены из-за отсутствия соответствующих наблюдений (суммы температур), или не проявляются на небольших участках (речной сток).

Другие характеристики (увлажнение, связанное со склоновым перераспределением воды, метелевым переносом снега и степенью закрытости склонов, проективное покрытие травостоя) показываются на крупномасштабных картах, но обычно отсутствуют на картах более мелкого масштаба. Это связано с тем, что на последних не выделяются контуры, в пределах которых происходит пространственная дифференциация по названным показателям.

Таблица 1.3. Соотношение характеристик, используемых для экологической оценки, с масштабами карт

Масштабы карт и соответствующие ландшафтные единицы	Климатиче- ское (фоно­вое) увлажнение)	Увлажнеие за счет склонового пере­распре-де­ления воды	Увлажне-ние за счет перераспре-деления снега	Увлажне-ние, связанное с открытостью -за-крытостью склонов	Суммы температур	Речной сток	Проектив-ное покрытие травостоя
М 1 : 500000 - 1 : 1 000 000 Ландшафтные районы	+	–	–	–	+	+	–
М 1:100 000 Ландшафтные местности и группы урочищ	+	–	–	–	+	+	–
М 1:200 000-1:400 000 Группы ландшафтных местностей	+	–	–	+	+	–	–
М 1:25 000 - 1:50 000 Ландшафтные урочища	–	+	+	+	–	–	+
М 1:5 000 - 1:10 00 Ланд­шафтные фации	–	+	+	+	–	–	+

Знаком [+] отмечены характеристики, которые показываются на картах

соответствующего масштаба ; [–] - данная характеристика не показывается на карте

В таблице показывается соотношение ряда экологических показателей с рангами ландшафтных комплексов. Такие показатели, как облесенность, степень трансформации земель, изменение ареала редких видов растений, площадь техногенных ландшафтов, не показываются на крупномасштабных картах. Все эти показатели имеют смысл лишь для относительно крупных территорий. В то же время загрязнение почвы можно показать для ландшафтных комплексов небольшого ранга, тогда как, например, для зоны он не имеет большого смысла.

Понятие «масштаб карты» традиционно относится к пространственной составляющей. Появление экологических карт, более четко ориентированных на цель субъектов, сделало необходимым введение представлений и о временных масштабах. Речь идет о картах, содержание которых относится к разным периодам времени. Встает проблема выбора соответствующих методов изображения и набора показателей. Это характерно и для пространственных масштабов. Но при анализе временных масштабов экологических карт встает и еще одна проблема - время их составления и передачи потребителям.

Временной масштаб экологических карт может рассчитываться двумя путями: 1) как период, за который происходит формирование состояния объекта; 2) как период, за который фиксируется состояние данного участка. В этом случае непосредственно наблюдаемый отрезок обычно меньше периода формирования показателя. Например, состояние растения отображает ситуацию за достаточно длительный период. За еще более длительный период формируется почва.

Изменение масштаба времени карт приводит к смене содержания экологических карт потому, что явления, характерное время которых большое, нет смысла изображать на картах, имеющих меньший временной масштаб, так как в этом случае не будет наблюдаться пространственной дифференциации

Показ таких характеристик, как облесенность, климатическое увлажнение, трансформация земель, на оперативных картах может лишь увеличить нагрузку карт, не давая полезной информации.

При изменении пространственных и временных масштабов карт имеет место и изменение методики оценки экологических ситуаций, а также изменение терминологии. По отношению к территориям разного размера и к периодам времени разной продолжительности не следует применять одни и те же термины. Такое, например, понятие как экологическая ситуация вряд ли можно использовать для обозначения ситуации, сложившейся на небольшой территории. Такой же вывод следует по отношению к понятию « экологическое бедствие». Оба понятия не следует применять по отношению к коротким промежуткам времени.

С целью преодоления разнобоя в применении терминов предлагается следующий порядок их использования. В первом приближении выделены три пространственных масштаба (глобальный, региональный, локальный) и три временных масштаба (вековой, сезонный, суточный). Для многолетнего периода рекомендуется использовать термин «проблема», для сезонного - «нарушение», для суточного - «отклонение» (отклонение от нормы).

Пространственная и временная локализация объектов экологического картографирования: локализация в пунктах, на линиях, на площадях.

Воздействия, различающиеся по пространственно-временным масштабам проявления

В таблице 1.4. показаны различные типы техногенных воздействий, различающихся по времени проявления и по пространственному выражению.

Таблица 1.4. Типы техногенных воздействий, различающихся по времени проявления и по пространственному выражению

По времени проявления	П о ф о р м е
	точечные	линейные	пятнистые	площадные
Разовые	Залповые вы-бросы из труб			Раскладка удобрений на полях
Периодические				Сельскохозяйственные поля,
Циклические	Трубы предприятий Котельные	Дороги,	Выпадение загрязнений с атмосферными осадками, смоги
Постоянные	Фермы, свалки	трубопроводы, реки, ЛЭП	Населенные пункты
Редкие экстремальные	Аварии на АЭС,

Временные рамки. Оцениваться могут последствия скрытой единовременной деятельности, как, например, сбросы, а также накопленные результаты всех предшествующих воздействий за многие годы. Временные рамки определяют временное пространство исторического исследования, которое должно быть осуществлено.

Явления, локализованные в пунктах, точках

Речь идет как о точках воздействия (дымовые и сточные трубы предприятий, автомобили, самолеты, предприятия в целом, населенные пункты, карьеры и др.), так и о точках отбора проб, наблюдений. При этом труба выступает точкой на крупномасштабных картах, город – на среднемасштабных, а мегалополис – на мелкомасштабной. Различаются точки воздействия и с точки зрения устойчивости в прост ранстве: трубы находятся постоянно на месте (стационарные системы), а автомобили, самолеты и др. – перемещаются (передвижные системы).

Явления, локализованные на линиях

К ним относятся дороги, трубопроводы, реки, границы (если они имеют экологический смысл).

Явления, локализованные на площадях. Площадные техногенные воздействия имеют место в рамках сельскохозяйственных полей (в ходе внесения удобрений и применения ядохимикатов),

Проведение линий

Ключевой процедурой экологического картографирования (и картографирования вообще) является проведение линий, разграничивающих территории, участки с разными интервалами значений экологических показателей. Линии, разграничивающие контуры с разными интервалами показателей, называют границами. Границы в географии и экологии очень разнообразны по морфологии, динамике и выполняемым функциям (Родоман, ; Каганский, ; Бобра ). Все границы выполняют информационные функции, но некоторые из низ выполняют также барьерные и фильтрующие функции. Например, на равнине с однородными ландшафтными условиями могут быть проведены границы между разными уровнями загрязнения почв или воздуха. Эти границы-линии могут соответствовать тем или иным нормам (например ПДК) или условным разграничительным линиям (см. выше в разделе 1.3. вопрос о разделении интервала показателя на градации). Такого типа границы выполняют только информационные функции. Но если территория имеет сложную ландшафтную структуру (происходит резкая смена форм рельефа, литологии и растительности), каждая ландшафтная граница неизбежно является одновременно и экологической границей и выполняет также барьерные функции (например гребень хребта) или фильтрующие функции.

Поиск линий происходит в трех ситуациях.

1.Линии соответствуют границам операционных территориальных единиц. То есть вопрос решается на уровне выделения ОТЕ , часто не составителем экологической карты.

2.Линии проводятся при наличии точек наблюдений, в которых регистрируются экологические показатели. Для проведения линии между точками (если разграничивающее значение показателя не совпадает со значением показателя в точке, что бывает редко) используют интерполяцию или (реже) экстраполяцию. В случае отсутствия локальных неоднородностей

Многие детали проведения экологических границ в связи с ландшафтными контурами будут рассмотрены в главе 2.

Явления сплошного и рассеянного распространения.

Важно также понимать, что явления, которые используются для оценки экологической ситуации, образуют как сплошные пространственные поля, так и точечные элементы. Для получения сопоставимой картины в этом случае приходится приводить явления разной пространственной структуры к единой системе, например трансформировать точечные структуры в изолинейные. Эта процедура будет рассмотрена в главе 5.

Получение картографических контуров.

Главным элементом содержания тематических карт обычно бывают контуры, обозначенные цветом или штриховкой. Они соответствуют определенным явлениям. Для получения контуров решается одна из нескольких задача:

1)как получить контуры на основе точечных наблюдений (наблюдений в точках), линейных наблюдений (наблюдений по линиям) ?

2)как перейти от площадной мозаики (космического снимка, аэрофотоснимка) к контурам.

В первом случае главная процедура – интерполяция (и экстраполяция), во втором случае – генерализация.

Если производится площадная съемка (типа почвенной или ландшафтной), то контуры карты получаются непосредственно.

1.От точек или линий к контурам на основе интерполяции. Интерполяция математическая и географическая (с учетом перегибов, резких границ и т.д.). На рис.1.18 показано несколько точек, равномерно отстоящих друг от друга в условиях однородного пространства. В этом случае допустимо проведение изолиний на основе формальной интерполяции.

На рис.1.19 показано несколько точек, находящихся на разном расстоянии друг от друга. Задача мало отличается от предыдущей.

На рис.1.20 есть две точки с разными величинами. Где провести линию кратную ? 1 вариант – формальная интерполяция, 2 вариант – с учетом ландшафтной границы (например леса и степи). Граница проводится по опушке или рядом с ней.

На рис. 1.21 имеются две точки, а между ними перегиб рельефа или уступ. Как он влияет на проведение изолинии ?

2.От площадной мозаики к контурам на основе генерализации: самые мелкие контуры опускаются – они причленяются к более крупным контурам, некоторые контуры (они могут быть сравнительно крупными) объединяются. Крайний случай построения карты на основе космического снимка – прямая трансляция снимка в карту при использовании процедуры оценки.

3.Еще один вариант получения контуров – использование операционных территориальных единиц. В их пределах внутренние различия не рассматриваются, то есть ОТЕ есть однородная система. При этом ОТЕ может быть как очень небольшой территорией (типа биогеоценоза или ландшафтной фации), так и целой страной или даже материком. Каждая операционная территориальная единица выступает контуром.

Для каждой ОТЕ определяется средняя величина показателя (или сумма), весь диапазон значений разбивается на интервалы. Определяется интервал для каждой ОТЕ, подбираются цвета или штриховка.

При планировании точек сбора информации необходимо использовать выборочный метод.

При экстраполяции необходимо учитывать закономерности пространственной динамики загрязнений в воздухе, в реке, подземных водах, озерах, морях и т.д. Широкую известность получила модель ОНД-86, описывающая распространение загрязнения в воздухе.

Аналогичные проблемы имеют место в связи с учетом времени. Сбор информации осуществляется в различные промежутки времени или же запись параметра производится постоянно (самописцы). В первом случае проблема заключается во временной интерполяции. Во втором случае необходимы процедуры сглаживания или осреднения данных. Обычная ситуация – ограниченные финансовые и технические возможности. Поэтому количество моментов наблюдения ограничено.

Пространственная экстраполяция и интерполяция экологических характеристик

Для получения пространственной картины распределения экологических показателей важно знать характер воздействий на экосистемы – точечный, линейный, площадной и др. Необходимо учитывать, что воздействие на экосистему может быть точечным или площадным, фоновым, однократным, многократным или постоянным.

Если воздействие носило площадной характер, то для пространственной интерполяции и экстраполяции можно использовать ландшафтные карты. Необходимо отметить ограниченное использование математической интерполяции и экстраполяции и широкое использование географической интерполяции и экстраполяции.

1.Определение влияния точечного объекта на окружение

Точечный объект – это заводская труба или предприятие или даже целый город (при другом масштабе рассмотрения). При точечном воздействии следует использовать схему распространения воздействия от точечного источника, например ОНД-86 для распространения газовых примесей от трубы.

Перенос газовых примесей можно рассмотреть для трех вариантов: 1.при постоянном направлении ветра; 2.при равномерной (симметричной) розе ветров; 3.при несимметричной розе ветров. Если ветер дует в одном направлении (это может быть по крайней мере в течение нескольких часов, но может быть и подряд несколько дней), то газовый выброс от точечного источника образует конус, расширяющийся по мере удаления от точки (рис.1.22).

Ясно, что ширина конуса и его длина зависят от скорости ветра, турбулентности потока, а также характера примеси (размеров частиц, температуры смеси и др.). Если выброс разовый, то форма распространения будет особой (рис.1.23). Концентрация загрязнения будет убывать по мере удаления от трубы, что объясняется, прежде всего, ростом площади, на которую проецируется выброс. Но играет роль также то обстоятельство, что часть примесей оседает на земную поверхность, и тем самым при удалении от точки выброса концентрация загрязнителя уменьшается.

При симметричной розе ветров концентрация примеси будет значительно меньше, поскольку резко возрастает площадь, на которую проецируется поток.

Рис.1.22. Распространение загрязнений из заводской трубы (залповый выброс)

Рис.1.23. Распространение загрязнений из заводской трубы (постоянные выбросы)

В целом характер изменения концентрации примесей от точки в зависимости от расстояния можно описать следующей зависимостью:

P = ,

P - величина загрязнения, S - расстояние от точки, a и b коэффициенты, зависящие как от характера розы ветров, так и от характера ветра и примесей.

Если учитывать только расстояние от точки выброса (оставив за пределами рассмотрения ветровые характеристики и характеристики газовой смеси), то за счет круговой формы рассеивания выбросов и соответственно быстрого увеличения площади территории, на которой происходит осаждение примесей, имеет место быстрое снижение загрязнения (рис.1.24).

Если нам необходимо построить изолинейную карту по средним данным по загрязнению, полученным в нескольких точках, то необходимо использовать пространственную интерполяцию. Первый и самый простой вариант – предположение о постепенном изменении величин между точками (то есть мы должны быть уверены в том, что между точками имеет место плавное изменение величин). Если есть для этого основания, то можно использовать линейную интерполяцию (рис.1.25 ). Это может быть в том случае, если между точками нет резких изменений ландшафтных условий: мезорельефа, растительности. Часто это не так (рис.1.26). Если между точками А и В происходит смена леса безлесными участками, то изолиния

Точно также наличие скачка рельефа способствует смещению изолинии в сторону этого скачка (рис.1.27 ).

Широко используются также методы экстраполяции. Наиболее широкое распространение получил следующая форма экстраполяции. Например, получены данные о величине загрязнения в пределах контура определенного типа ландшафтного комплекса. Если мы уверены в том, что загрязнение имело фоновый характер, то есть распространение шло воздушным путем, то имеется высокая вероятность того, что на всех участках с таким типом ландшафта будет аналогичное загрязнение. Однако, если загрязнение носило пространственно неравномерный характер, то экстраполяция такого типа неточна.

Широко используется метод аналогии, который позволяет значительно сократить число точек, в которых фиксируется экологическая информация.

При составлении экологических карт большое значение имеет также метод индикации.

Выбор точек наблюдений и моментов наблюдений зависит от территориальной и временной структуры анализируемого объекта. Задачи опробывания по-разному решаются для динамичных (транспортирующих загрязнения) и депонирующих (накапливающих загрязнения) компонентов природной среды. Естественная концентрация поллютантов в реках происходит в 70 раз, а в почвах в 1400 раз медленнее, чем в воздухе. Для этих систем характерны различные соотношения балансов поступления и выведения загрязняющих веществ. Характерно, что динамичные компоненты являются непосредственно жизнеобеспечивающими, тогда как депонирующие оказывают на человека влияние опосредованно.

Пробы, взятые в почве, характеризуют ее загрязненность за весь период существования (по крайней мере, за период антропогенного воздействия). Но более поздние отрезки времени вносят более весомый вклад в формирование полученного результата, так как процессы самых ранних периодов частично сглаживаются за счет процессов самоочищения. Пробы древесных тканей и коры отображают явления за ряд лет, снежного покрова и зеленой растительной массы – за год.