Флювіальні геоморфосистеми: геоінформаційне моделювання водозбірної організації рельєфу : Флювиальни геоморфосистеми: геоинформационное моделирование водосборной организации рельефа

Краткое описание

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна
Геолого-географічний факультет
Кафедра географічного моніторингу і охорони природи

На правах рукопису

Костріков Сергій Васильович

УДК 551.4.01(551.436)+556.51+911.5+004.9

Флювіальні геоморфосистеми:
геоінформаційне моделювання водозбірної організації рельєфу

11.00.04 геоморфологія та палеогеографія

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора
географічних наук

Науковий консультант
Черваньов Ігор Григорович
доктор технічних наук,
професор

Харків 2006

ЗМІСТ Стор.

Перелік головних скорочень (у алфавітному порядку).

6

Перелік умовних позначень та символів, які найбільш часто зустрічаються в тексті роботи...

12

ВСТУП....................................................................................................................

19

ЧАСТИНА I. ДОСВІД ПОПЕРЕДНІХ ДОСЛІДЖЕНЬ..

35

Розділ 1. Геоінформаційні МОДЕЛІ в ГЕОЕКОЛОГІЇ,
ГЕОМОРФОЛОГІЇ ТА ГІДРОЛОГІЇ................................................................

35

1.1. Комп’ютерне моделювання при фізико-географічних дослідженнях і базові ГІС-операції при вирішенні геоекологічних задач

36

1.2. ГІС-моделювання й дослідження довкілля водозборів......

53

1.3. Висновки...

57

Розділ 2. Досвід вивчення Й моделювання
водозбірних басейнів....

59

2.1. Елементарний водозбір - первинна комірка просторово-функціональної організації території .........

59

2.2. Системна парадигма у флювіальній геоморфології........

63

2.3. Моделі флювіальних мереж......................

69

2.3.1. Моделі руслових мереж..........................................................................

70

2.3.2. Моделі вододільних мереж....................................................................

78

2.3.3. Моделі струмкових мереж первинного стоку.................................

82

2.4. Мережа флювіального рельєфу водозбору і її властивості....................

85

2.5. Висновки.

102

ЧАСТИНА II. МЕТОДОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНОГО
МОДЕЛЮВАННЯ ВОДОЗБІРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ФЛЮВІАЛЬНОГО
РЕЛЬЄФУ....

103

Розділ 3. Водозбірний басейн як об’єкт гідролого-геоморфологічного аналізу.....

103

3.1. Водозбірний басейн, гідролого-геоморфологічна одиниця й флювіальна геоморфосистема.

105

3.2. Флювіальні процеси на водозборах.

118

3.2.1. Флювіально-геоморфологічний аспект змін в оточуючому середовищі ....

118

3.2.2. Екстремальний гідрологічний стік і стік наносів в межах заплави та у всій річковій долині...

120

3.2.3. Масштаб досліджень для індикації змін у довкіллі водозборів

122

3.2.4. Гідролого-геоморфологічний відгук водозбірних басейнів на зміни у довкіллі...

131

3.3. Поняття ефективності гідролого-геоморфологічної системи річкового водозбору...............................................................................................................

139

3.4. Водозбір та організація даних: первинні і вторинні атрибути флювіального рельєфу.

152

3.4.1. Водозбірний басейн як просторове інформаційне утворення.

152

3.4.2. Концептуальна модель морфології і морфометрії рельєфу водозбору..

155

3.4.3. Морфолого-морфометричні атрибути рельєфу ..

161

3.5. Висновки.

168

Розділ 4. Принципи розробки імітаційних комп’ютерних моделей РЕЛЬЄФУ ВОДОЗБОРІВ для ГІДРОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГІЧНОГО АНАЛІЗУ

170

4.1. Передумови просторового аналізу водозбірних басейнів.

171
171
185

4.1.1. Компонентне моделювання водозборів....

4.1.2. База даних і база знань гідролого-геоморфологічної ГІС..

4.2. Загальні принципи вибору моделі і середовищ комплексного моделювання.......................................................................................................................

191

4.3. Цифрові та геоінформаційні моделі....

197

4.3.1. Геоінформаційна модель водозбору (ГІМВ)

194

4.3.2. Топографічний шар ГІМВ.

202

4.3.3. Три концепції розробки геоінформаційної моделі водозбірного басейну..

204

4.3.4. Комплексна побудова ГІМВ для геоекологічного районування

212

4.4. Фрактальне моделювання флювіального рельєфу водозборів..

215

4.5. Висновки.

233

ЧАСТИНА III. ПРИКЛАДНІ АСПЕКТИ ГІДРОЛОГО-ГЕОМОРФОЛО-ГІЧНОГО АНАЛІЗУ, ІНТЕРПРЕТАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ І ПЕРСПЕКТИВИ........................................................................................

234

Розділ 5. Реалізація гідролого-геоморфологічного аналізу через геоінформаційне моделювання.....

234

5.1. Математична модель флювіального рельєфу..

235

5.2. Маршрутизація гідрологічного стоку...................

243

5.3. Оптимізація ГІМВ моделлю стільникового автомату................................

258

5.4. Реалізація ГІМВ на підставі модельної конструкції TOPMODEL.....

266

5.5. Розподілене моделювання гідрологічного режиму водозборів.................

276

5.5.1. Розподілена гідрологічна модель руслових витрат поталих вод...

279

5.5.2. Розподілена гідрологічна модель руслових витрат дощових
паводків..

288

5.6. Реалізація просторово-статистичного аналізу рельєфу водозбору......

299

5.7. Висновки.

309

Розділ 6. ВИКОРИСТАННЯ МОДЕЛЕЙ ВОДОЗБІРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ФЛЮВІАЛЬНОГО РЕЛЬЄФУ: РЕГІОНАЛЬНИЙ АСПЕКТ..

311

6.1. Просторовий аналіз кінематичних змін у морфології рельєфу

311

6.2. Регіональні моделі водозбірної організації флювіального рельєфу.

327

6.2.1. Регіональна імплементація тополого-морфологічного і морфометричного моделювання.......

327

6.2.2. Геостатистична варіабельність морфології рельєфу і моделювання ФР, який наближається до свого рівноважного стану..

336

6.3. Районування через морфолого-морфометричні атрибути рельєфу..

350

6.4. Розрахунки екстремального стоку через параметри гідролого-геоморфологічної системи водозбору.

361

6.5. Оцінки водної ерозії по геоінформаційних моделях водозбірних басейнів..

380

6.6. Висновки.

395

Розділ 7. ПРОБЛЕМИ І Перспективи геоінформаційного моделювання водозборів..................................................................

398

7.1. Об’єктивні обмеження і найближчі перспективи гео інформаційного моделювання водозборів.................

398

7.2. Формалізація менеджменту водозборів через гідролого-геоморфологічний аналіз..............................

405

7.3. Висновки.

413

Висновки..............................................

415

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.........

426

ДОДАТОК А: ТАБЛИЦІ ТА РИСУНКИ (окремий том разом з додатком Б)

ДОДАТОК Б: ПАКЕТ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ GIS-MODULE UKRAINIAN 1.5 FOR WINDOWS. КОРОТКИЙ ПІДРУЧНИК КОРИСТУВАЧА.. (окремий том разом з додатком А)

ВСТУП

Актуальність теми дослідження. Рельєф значної частини території України є закономірним поєднанням форм земної поверхні, які класична геоморфологія відносить до ерозійно-акумулятивного (флювіального) генезису [1]. Сутність процесів флювіального рельєфоутворення вимагають їх дослідження в рамках лімітрофної (флювіальна геоморфологія ↔ гідрологія) предметної галузі. Морфологія поверхні флювіального геоморфологічного об’єкту водозбірного басейну та його гідрологічний режим дуже складно пов’язані одне із іншим через геоморфологічні процеси, які обумовлюють зміни стану ґрунтового шару, ерозію й акумуляцію твердого матеріалу. Виділення річкових басейнів як об’єктів вивчення в геоморфології та гідрології спрямоване на те, щоб в ході їхнього аналізу на перший план висувалися парагенетичні сполучення екзогенних процесів рельєфоутворення й зв'язані із ними форми рельєфу [2]. Саме водозбірні басейни є найбільш значним типом одиниць морфогенетичного районування земної поверхні в регіонах поширення водноерозійної морфоскульптури. Принципова перевага водозборів як об’єктів вивчення для цілей дослідження природного довкілля обумовлюється тією обставиною, що водозбірні басейни виступають як єдине функціональне ціле у той час, коли особливості їх поверхні і процесів, що на ній відбуваються, мають досить різноманітні просторові зміст й подання. Це функціональне ціле, як правило, включене у систему водозбору більш високого рівня ієрархії й водночас є надсистемою щодо флювіальних систем нижчих рівнів.
В геоморфології завжди підкреслювалася роль ерозійно-денудаційних процесів у формуванні загальної морфології земної поверхні [3-9]. Спільні закономірності різних ланок цих процесів доказуються єдністю механічного, мінерального і хімічного складу продуктів стоку, і вони значною мірою обумовлені відповідною внутрішньою властивістю флювіального рельєфу. Остання полягає у тому, що ерозійно-акумулятивний процес, який має місце в межах поширення флювіальних форм, є скоріше єдиним, аніж диференційованим, що підтверджується закономірними взаємопереходами пухких відкладень, зв'язаних із кожною з форм [10]. Зовнішнє виявлення вказаних закономірностей відбивається у формуванні водозбірних басейнів, які доцільно розглядати гідролого-геоморфологічними об’єктами із ієрархічно упорядкованими гідрографічними мережами й структурованими сукупностями елементів флювіальної морфології поверхні. Такий висновок ґрунтується на визнанні активності флювіального рельєфу в процесі власного розвитку (морфологія рельєфу як фактор, що регулює процес рельєфоутворення), що бере початок від ідей В.Пенка [11], натомість сприяє екологізації геоморфології, бо обумовлює можливість вирішувати ряд задач геоекології та раціонального природокористування геоморфологічними методами. Вказане обумовило становлення в Україні новітнього наукового напрямку екологічної геоморфології [6, 12-14], яка органічно доповнила сферу згаданої екологізації” інших предметних галузей геолого-географічного циклу (у цьому відношенні доцільно згадати цікаві приклади підручників для вузів [15, 16]). В рамках предмета екологічної геоморфології фактично знаходиться чимало досліджень, які формально виконуються на підставі інших підходів [17].
Інший методологічний аспект розуміння активності флювіального рельєфу має на увазі впровадження загальнонаукового системно-структурного підходу [18] до пізнання процесу рельєфоутворення щодо флювіальної морфології й мереж рельєфу [19] із визначенням емерджентних властивостей геосистем [20, c. 94-102]. Саме на підставі зазначеного підходу встановлено, що флювіальний геоморфологічний процес безпосередньо регулює стан географічного ландшафту [21] в межах водозбірного басейну, оскільки загальні риси морфології поверхні водозбору і особливості його гідрологічних характеристик пов’язує історія формування рельєфу [22].
Дослідницький досвід свідчить, що самі різні проблеми природно-антропогенного довкілля та суспільно-історичної практики людства на територіях поширення флювіальної морфоскульптури у просторовому аспекті можуть успішно вирішуватися через впровадження підходів, що базуються на водозбірних басейнах як на головних гідролого-геоморфологічних об’єктах дослідження та одиницях тематичного картографування [23-25]. У цей саме час, соціально-економічні збитки, які спричиняються несприятливими природними явищами й екзогенними процесами, котрі первинно легше за все визначити й проаналізувати саме в межах водозбірних басейнів, є дуже актуальними для України [26].
Вказані несприятливі екзогенні явища можуть бути ефективно досліджені й адекватно прогнозовані саме через вивчення характеру взаємодії двох домінантних складових геосистеми водозбірного басейну рельєфу й гідрологічного режиму та особливостей їх відгуку-реакції на вплив зовнішніх факторів. Між обома складовими, які у просторово-часових границях довкілля водозбору поєднуються в одне ціле, існують прямі й зворотні зв’язки, на підставі чого можна впроваджувати об’єктивне формування спеціалізованих баз географічних даних й баз знань, визначаючи серед всього спектра ландшафтних процесів ведучі, які могли би бути індикатором стану природного середовища. Цьому задовольняють геоморфологічні й гідрологічні процеси та явища.
Такий концептуальний підхід, притаманний цьому дисертаційному дослідженню, є його першою характерною особливістю. Саме повний дослідницький цикл від концепції до її реалізації сучасними технологічними засобами, є другою визначальною рисою нашої дисертаційної роботи.
Об’єктивна доцільність вибору річкового басейну об’єктом дослідження також обумовлюється значенням елементарного водозбору як первинної комірки територіально-функціональної організації регіонів із флювіальним рельєфом. Саме через відповідний вибір водозбірного басейну флювіальна геоморфологія може зробити суттєвий внесок в розуміння змісту і напрямку інвайронментальних наслідків таких глобальних змін у середовищі життя людини як парниковий ефект і опустелювання частин суші. У вказаному відношенні дві наступні дослідницькі проблеми мають бути досить актуальними: 1) визначення сучасних процесів у довкіллі водозборів, які відбивають глобальні зміни на регіональному рівні даного природного об’єкта; 2) вивчення характеру таких процесів для розуміння, до якого ступеня вони обумовлені саме природними чинниками. Фактично йдеться про пізнання суті сучасного геоморфогенезу, в процесі якого природний та штучний механізми змін рельєфу взаємодіють протягом усього етапу, що спричинює співіснування двох результатів спостереженого внаслідок прояву комплексу природних процесів, а також необхідного, пов’язаного з доцільністю антропогенних (техногенних) змін рельєфу” [27, c. 19].
Інтенсивне зростання розробки та впровадження геоінформаційних систем (ГIС) пов'язане із зручністю їх використання у багатьох сферах практичної діяльності. Саме ця обставина і змушує дослідників, які діють, наприклад, у різноманітних предметних галузях географії, та геоморфології зокрема, змінювати звичайну методику теоретичних та особливо прикладних вивчень, а ГІС-засоби надають користувачам цього програмного забезпечення можливість ефективного збирання, обробки, аналізу і візуалізації даних, які мають просторове посилання. Із наших власних багаторічних досліджень та з інших відповідних прикладів застосування новітніх підходів й ГІС-технологій для пізнання середовища життя людини [28-35], достатньо легко зробити висновок, що у сучасний час будь-якої переконливої альтернативи застосуванню вказаних підходів й технологій, зокрема - геоінформаційного моделювання, для дослідження рельєфу й гідрорежиму для цілей менеджменту водозбірних басейнів попросту не існує. Адекватність та ефективність (а часто й грошова вартість) звичайних польових досліджень річкових та яружно-балкових водозборів із подальшим традиційним картографуванням результатів однозначно програватимуть застосуванню ГІС, коли як основні первинні дані будуть використовуватися матеріали дистанційного зондування. На жаль, дотепер в Україні не існувало оригінальних вітчизняних розробок в галузі ГІС-технологій та систем щодо дослідження, моделювання та менеджменту водозбірних басейнів, що значною мірою було обумовлено відсутністю відповідного теоретичного підґрунтя реалізації подібного підходу.
При всій детальності й змістовності проведених раніше досліджень флювіального рельєфу (ФР) та гідрологічного режиму водозборів:
1) рельєф й гідрологічний режим переважним чином розглядалися, перш за все, відокремлено, в рамках самостійних предметних галузей, що не могло не впливати негативним чином на адекватність висновків щодо функціонування й розвитку цілісної гідролого-геоморфологічної системи водозбору, та взагалі залишало поза розглядом, з одного боку, емерджентні властивості останньої безумовні чинники просторової водозбірної організації ФР, а, із іншого боку наслідки цієї організації;
2) відповідно положенню 1) системоутворюючі відношення між рельєфом та гідрологічним режимом річкових басейнів розглядалися лише на досить загальних принципах;
3) через причини, вказані в положеннях 1) і 2) існуючі приклади визначення ієрархічних типів та зразків сумісної просторової організації рельєфу та гідрологічного режиму мали, значною мірою, еклектичний характер;
4) переважно розглядався тільки гідрологічний відгук водозборів на певні метеоявища, й лише в окремих випадках (наприклад, роботи І.П. Ковальчука [12, 13 та інші]) досліджувалася відгук-реакція гідролого-геоморфологічних систем водозборів на ті комплексні зміни в їх довкіллі, що мають місце через техногенний вплив та низку природних чинників;
5) багато геоморфологічних й геоекологічних досліджень останніх трьох десятиріч розглядали вплив рельєфу на екосистеми переважно в наступних масштабах: на нано (відповідні особливості ґрунтового шару), мікро (зв’язані із рельєфом характеристики рослинності, виключаючи висотну поясність) та мезо (обумовленість рельєфом місцевого клімату) рівнях у той час, коли топорівню масштабу водозбірного басейну (прямі й зворотні зв’язки між флювіальним рельєфом та гідрологічним режимом; похил, форма схилів, їх азимути, все, що контролює інсоляцію поверхні) приділялося значно менше уваги, зокрема - дослідженню взаємозв’язку геоморфологічної й гідрологічної гетерогенності;
6) визначене положеннями 1)-5) обумовлювало відсутність теоретичних підвалин адекватного геоінформаційного моделювання водозбірних басейнів.
Сукупність вказаних проблемних питань обумовило постановку задач даного дисертаційного дослідження, у центрі уваги якого є розробка концепції обґрунтування, побудови багатофункціональних моделей водозбірних басейнів та їх гідролого-геоморфологічних систем, що є конкретним прикладом внеску геоморфології у вивчення й вирішення інвайронментальних проблем.
Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження безпосередньо пов’язане із міжнародним проектом Tempus Tasis Project CD-JEP 21242-2000/Ukr (2001-2004 рр.) та держбюджетними науково-дослідницькими роботами за планом МОН України. Останні під керівництвом автора вже більш ніж 10 років виконуються на кафедрі географічного моніторингу і охорони природи Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Автор керував й керує наступними НДР, які повністю відповідають предметній галузі даного дисертаційного дослідження: 1996-97 рр. Вивчення впливу структури річкових басейнів через фрактальну розмірність ерозійних мереж на саморозвиток й саморегулювання процесів ерозії-акумуляції на водозборі” (номер державної реєстрації 0197U008093

Список литературы

ВИСНОВКИ

На закінчення роботи доцільно узагальнити її ключові парадигми, поняття й розробки як теоретико-методологічні, методичні, емпіричні, регіональні висновки та прикладні результати.
1. Теоретико-методологічні висновки:
1.1. При вивченні територій із флювіальним рельєфом доцільно впроваджувати необхідні процедури дослідження, моделювання й тематичного картографування відповідно до об’єктивно існуючих на цих територіях гідролого-геоморфологічних одиниць водозбірних басейнів, які також є найбільш значним типом одиниць морфогенетичного районування у регіонах поширення ерозійно-акумулятивної морфоскульптури. Принциповою перевагою використання водозборів для цілей фізико-географічного та геоекологічного районування є та обставина, згідно з якою водозбірні басейни виступають як єдине функціональне ціле, у той час, коли особливості їх поверхні та процесів, що на ній відбуваються, мають досить різноманітні просторові зміст та подання (розділи (р.) 1-3, 6).
1.2. Феномен водозбірної організації водноерозійного рельєфу свідчить про притаманність флювіальній морфоскульптурі організаційних та самоорганізаційних властивостей. Встановлення об’єктивних критеріїв відокремлення одних (організаційних властивостей) від інших (самоорганізаційних) потребує різнобічних подальших досліджень, однак, вже з’ясовано, що узяті разом, ці властивості проявляються у здатності гідролого-геоморфологічної системи водозбору оптимізувати поверхневий й русловий стік через просторове впорядкування (яке може розглядатися як самоузгодження) площ сукупності окремих субводозборів в межах більшого водозбірного басейну, відповідне пристосування до цього поздовжніх профілів русел постійних й тимчасових водотоків та взаємоузгодження параметрів стоку (р. 3, 5, 6).
1.3. Процес флювіального рельєфоутворення доцільно розглядати єдиним гідролого-геоморфологічним процесом за участю рельєфу й гідрологічного стоку. Їхню взаємодію можна адекватно подавати моделлю стільникового автомату. Для такого подання необхідно відокремлювати внутрішньосистемні зміни у флювіальному рельєфі, які обумовлюються гідролого-геоморфологічним процесом, від позасистемних змін, обумовлених зовнішніми чинниками рельєфоутворення. Внутрішньосистемним змінам у ГГСВ будуть відповідати зміни у тих елементах морфології рельєфу, які підпадають під критерій розміру (масштаб водозбору) та існують приблизно той саме час, який існує річковий водозбірний басейн. (р. 3, підрозділи (п.-л.) 4.3, 4.4, р. 5).
1.4. Флювіальний рельєф функціонує як підсистема, що знаходиться у стані сталої нерівноважності, й належить до гідролого-геоморфологічної системи водозбору реально існуючої геосистеми, рекурентного квазітелеологічного утворення вищого текстурного рівня. В підсистемі флювіального рельєфу узгоджуються процеси енерго-масопереносу завдяки сталій єдності функціонального, топологічного й планіметричного інваріантів рельєфу, тобто завдяки внутрішній формі організації цієї підсистеми - структурі. Феномен подібної єдності обумовлюється як станом сталої нерівноважності підсистеми рельєфу, так і її належністю до ГГСВ. У цьому полягає сутність водозбірної організації флювіального рельєфу (р. 2, 3, 5, 6).
1.5. У випадку впровадження ортодоксального системного підходу для дослідження водозбірних басейнів час релаксації геоморфологічної системи (морфології водозбору та мережі рельєфу) виявиться значно більшим, аніж відповідний період релаксації гідрологічної системи (поверхневого, підповерхневого та руслового стоку). З цього випливає, що у випадку відокремленого дослідження систем цих двох класів, результат моделювання флювіальна геоморфосистема має скоріше відображати особливості взаємодії морфології рельєфу й гідрологічного режиму водозбору у досить далекому минулому, ніж у сучасний період. Таким чином, необхідно розглядати єдиний флювіальний процес і гідролого-геоморфологічну систему водозбору (р. 2, 3, 5).
1.6. Відповідно пп. 1.1-1.5., із емпіричного об’єкта дослідження водозбірного басейну (результату взаємодії різних чинників природно-антропогенного довкілля: геолого-тектонічної будови території, геоморфологічних та гідрологічних процесів і фактора техногенезу) має відокремлюватися дослідницький об’єкт гідролого-геоморфологічна система цього водозбору. Остання є похідною емпіричного об’єкта й відбиває концентрацію в об’єктивно існуючих природних границях емерджентних властивостей, притаманних організованому в часі й просторі флювіальному морфогенетичному утворенню річковому або яружно-балковому водозбору (р. 3, 5, п.-л 6.1, 6.2).
1.7. При формуванні спеціалізованих бази географічних даних й бази знань серед усього широкого спектра ландшафтних процесів у водозбірних басейнах необхідно визначити ведучі, які могли би бути індикатором стану природного середовища водозборів. У першому наближенні процеси флювіального рельєфоутворення й гідрологічний режим території задовольняють подібній вимозі, оскільки саме їх просторова взаємодія визначає границі територій поширення ерозійно-акумулятивної морфоскульптури. У цьому випадку, флювіальний характер рельєфу водозбору має відображатися сукупністю ГІС-об’єктів разом із його гідрологічним режимом для формалізації опису водозбірного басейну як об’єкта моделювання (п.-л 1.3, 2.1, 3.1, 3.4).
1.8. Транзитивний предмет дослідження відбиває об’єкт наукового пізнання, який можуть вивчати хоча і близькі, але формально різні предметні галузі наприклад, флювіальна геоморфологія та гідрологія як у випадку цього дисертаційного дослідження. Хоча кожна із вказаних галузей робить наголос на власному аспекті предмета, будь-який з них при комплексному дослідженні є рівнозначним іншому, у чому й полягає транзитивність такого предмета флювіальної геоморфосистеми. Приведення у адекватну відповідність емпіричному (водозбір) та дослідницькому (ГГСВ) об’єктам, предмета дослідження (ФГМС) можливо лише за умовою транзитивності останнього (п.-л 3.1, пункт (п.) 4.1.1).
1.9. Флювіальна геоморфосистема має розумітися як пізнавальна конструкція модель, формалізована через структуру флювіального рельєфу. Під останньою (не розділяючи це поняття як з поняттям структури ФГМС, так й з поняттям структури підсистеми ФР (див. висновок 1.4), оскільки в такому випадку розглядати структуру рельєфу безглуздо) будемо розуміти сталі положення, зв’язки й відношення проміж елементів ФР при різних зовнішніх (ізоморфних) та внутрішніх (автоморфних) перетвореннях під впливом геоморфологічних процесів й інших ландшафтних чинників (р. 2, 3).
1.10. Із висновків 1.1-1.9 випливає, що дефініції геоінформаційна модель водозбору” або геоінформаційна модель ГГСВ” коректно використовувати, коли йдеться про онтологічну сутність водозбору як матеріального об’єкту. У разі необхідності підкреслення саме гносеологічного аспекту доцільніше використовувати поняття геоінформаційна модель ФГМС”. В переважній більшості випадків відповідних дослідницьких процедур два вказаних поняття можна розглядати як тотожні, а модельне подання флювіального рельєфу у обох випадках має бути адекватним його ієрархічній організації, відображаючи єдиним комплексом його структуру, текстуру й гідролого-геоморфологічний процес (п.-л 1.2, р. 3, 4, 6).
1.11. Вплив морфології рельєфу та його мережі на формування поверхневого й руслового стоку полягає в обумовленості гідрологічної гетерогенності водозбору його гетерогенністю геоморфологічною, також підкреслюючи єдність басейну як гідролого-геоморфологічної одиниці природного ландшафту (р. 2, п.-л 3.2, 3.3, 4.3, р. 5).
Наслідок 1.11.1: Формальний опис маршрутизації по елементах мережі рельєфу гідрологічного стоку як результату геоморфологічної гетерогенності може бути підставою вирішення зворотної задачі формалізації опису гідрологічної гетерогенності басейну через розрахункові характеристики мережі рельєфу.
Наслідок 1.11.2: Вхідні модельні параметри - показники просторової геоморфологічної гетерогенності різноманіття генетичних і морфолого-морфометричних характеристик рельєфу у просторі - будуть достатньо репрезентативно відображати у вихідній моделі гідрологічну гетерогенність водозбору (неоднорідність його гідрологічного режиму).
1.12. Процеси флювіального рельєфоутворення на річкових заплавах є як прямими, так і опосередкованими індикаторами змін у природному довкіллі водозборів. Саме ці процеси найбільш повно відбивають прояв відомої аксіоми емерджентності. Ці процеси можуть знаходитися в рамках автогенних приладжувань форми рельєфу гідрологічний режим заплави”. Останні є часткою узгоджень по підтримці динамічної рівноваги у гідролого-геоморфологічній системі річкового водозбору (п.-л 3.2, р. 6).
1.13. Емпірично підтверджене теоретичне припущення про характерну властивість гідролого-геоморфологічних систем водозборів із мережами постійних водотоків - чим більша річкова система розглядається, тим меншою лінійністю відрізняється відгук-реакція ГГСВ її басейну на зовнішній вплив. Цей відгук залежить не тільки (й інколи - не стільки) від масштабу зовнішнього чинника гідрометеорологічного явища (наприклад, повені), як від самої ГГСВ, якій взагалі притаманна властивість рекурентності і, зокрема емерджентні характеристики, однією з яких є чутливість гідролого-геоморфологічної системи водозбору” (п.-л 3.2, р. 5, 6 ).
Наслідок 1.13.: Ті особливості гідролого-геоморфологічного відгуку водозбору, які залежать від чутливості ГГСВ”, виявляються, як правило, в нелінійності цього відгуку.
1.14. Обґрунтоване поняття ефективності гідролого-геоморфологічної системи водозбору - здатності ГГСВ трансформувати частину метеорологічних опадів у гідрологічний стік, тобто виконувати основну ландшафтну функцію цього водозбору. Більша ефективність зумовлює скорішу трансформацію опадів в басейновий стік, тобто скорочується час концентрації максимуму гідрографа, і збільшується витрата у замикаючому перерізі головного гирла, яке замикає водозбір (п. 2.3.3, п.-л 3.3, 3.4, 5.2, 5.4).
Наслідок 1.14.: Набір математичних виразів, які складають відому модельну конструкцію TOPMODEL може вважатися тим результатом послідовних процедур перезапису моделей флювіального рельєфу, з одного боку, й моделей гідрорежиму, з іншого, у комплексну геоінформаційну модель водозбору, який відбиває розрахунок параметра ефективності ГГСВ.
1.15. Метою впровадження просторового гідролого-геоморфологічного аналізу є комплексне відтворення на геоінформаційній моделі водозбору морфології ФР цього басейну, його флювіальної мережі, особливостей гідрологічного режиму, а в окремих випадках також - інших ландшафтних компонентів та характеристик (р. 3-6).
Наслідок 1.15.:. Передумовою впровадження гідролого-геоморфологічного підходу є моделювання інших аніж рельєф та гідрорежим компонентів довкілля водозборів перш за все, елементів геолого-тектонічної підвалини територій поширення флювіального рельєфу та процесів ландшафтно-геохімічної міграції.
1.16. Моделювання й подальше комп’ютерне картографування ГІС-об’єктів, які прив’язані до водозбору як до покриття (під останнім розуміється відома геореляційна модель даних), передбачає їх впровадження, враховуючи регіональні особливості рельєфу й гідрологічного режиму. Підхід на підставі гідролого-геоморфологічного підходу до організації атрибутивних даних полягає у розгляді водозбору-покриття в якості сукупності ГІС-об’єктів (п.-л 3.4, 5.6, 6.3).
1.17. Функціонально-геоморфологічні моделі можуть бути перетворені на геоморфологічні історико-генетичні моделі через довільний додаток до них параметрів, які враховують позасистемні зміни у ФР. Геоморфологічна система у загальному розумінні (як сукупність геоморфологічних об’єктів) відбиває лише один, статичний тип, утворення, якому притаманні емерджентні властивості, у той час, коли можна виділити також кінематичний й динамічний типи ГМС. Головними компонентами динамічного типу мають бути гідролого-геоморфологічний процес і швидкість його течії. (р. 4, 6).
1.18. Знайдені нами співвідношення показника фрактального коефіцієнта” DФК із масштабом подання флювіального рельєфу підтверджують існуючі відомості про занижені значення фрактальної розмірності для згладженого зрілого водноерозійного рельєфу, близького до стану рівноваги між ерозією та акумуляцією твердого матеріалу, тобто думку про його нефрактальну сутність”. З іншого боку, відповідне комп’ютерне моделювання дозволяє стверджувати про перспективність фрактальних досліджень щодо молодого флювіального рельєфу (переважає активна ерозія через зовнішні чинники), які дають результати, незалежні від масштабу подання цього рельєфу (п.-л 4.4, р. 6).
1.19. Встановлено, що сучасні ГІС-засоби спроможні генерувати адекватні комплексні моделі водозборів, як статичні, так і динамічні, як двовимірні, так і тривимірні. Розроблено і запроваджено до розробки параметри моделі флювіального рельєфу, котрі у сукупності дають змогу відображати і аналізувати його функціональний, топологічний й метричний інваріанти, анізотропію та інші фундаментальні властивості (р. 4-6, Додаток А).
1.20. Перспективними напрямками геоінформаційного моделювання доцільно вважати: 1) відтворення інших, аніж рельєф й гідрорежим, складових природного середовища водозбірних басейнів; 2) розробку об’єктивних методів оцінки варіативності різних показників в межах однієї чарунки стільникової моделі (ЦММ РС); 3) генерацію більш точніших ЦММ й інших стільникових моделей (р. 7).
1.21. Висновки 1.1-1.20 знаходяться в рамках теоретико-методологічного підґрунтя становлення новітньої предметної галузі в циклі геоморфологічних наук геоморфологічної інформатики.
2. Методичні та емпіричні висновки:
2.1. На підставі аналізу характеристик загальних комп’ютерних моделей у фізичній географії, геоморфології та гідрології визначено головні стадії розробки і прийняття формалізованої ГІС-моделі природної системи. Запропонована класифікація базових функціонально-аналітичних операцій ГІС щодо моделювання для геоморфологічних, гідрологічних й геоекологічних задач (р. 1).
2.2. Визначення водозбірного басейну як гідролого-геоморфологічної одиниці ландшафту передбачає формалізацію опису його гідрологічної гетерогенності через розрахункові характеристики мережі рельєфу й формалізоване подання еволюції флювіальної поверхні, на якій відбувається гідролого-геоморфологічний процес (р. 3).
2.3. Геоінформаційні моделі для відтворення гідрологічного компонента довкілля водозборів мають прогнозувати: 1) регулярні витрати води у руслах та пікові витрати від весняних повеней та літніх дощових паводків, 2) глибини у зонах затоплення від повеней та паводків, 3) здатність руслового потоку до розмиву підстильної поверхні, 4) транспортуючу здатність руслового потоку й поверхнево-схилового стоку щодо твердого матеріалу (п.-л 1.2, р. 5, 6).
2.4. По мірі того, як ЦММ із даними про рельєф та гідрорежим стають більш детальними через кількість їх стільникових чарунок, яка постійно збільшується, подання такою моделлю значної території із флювіальним рельєфом, наприклад, великого водозбору стає дуже проблематичним. Об’єктивну методику дезінтеграції такої перевантаженої ЦММ пропонує гідролого-геоморфологічний підхід через створення окремих геоінформаційних моделей субводозборів. Останній також забезпечує спільний аналіз отриманих результатів (р. 4-6).
2.5. Результатом дослідження є статистично значущі емпіричні дані про вплив морфології й мережі рельєфу на руслові витрати від поталих вод та дощових паводків. Таким чином, засобами ГІС-моделювання підтверджується вплив геоморфологічного компонента ГГСВ на функціонування всієї системи водозбору. У вказаному відношенні застосування для побудови функціональних моделей послідовності ЦММ => ЦМРВ робить загальну схему моделювання значно ефективнішою (р. 5, п.-л 6.4, Додаток А).
2.6. Водозбір як просторовий об’єкт задовольняє основним вимогам щодо структуризації просторової інформації, які передбачають обов’язковість опису певних структурних рис просторових феноменів. Вказане обумовлює доцільність вибору елементарного водозбору як первинної комірки просторово-функціональної організації території (п.-л 2.1).
2.7. Складовими концептуальної моделі морфології-морфометрії ФР водозбору є, по-перше, підтверджений емпіричний зв’язок довжини головного русла басейну із водозбірною площею, яка дренується цим руслом; по-друге встановлений емпіричний зв’язок між довжиною ділянки цього русла від витоку до певної точки на руслі й наростанням (в напрямку гирла водозбору) величини площі, яка дренується даною ділянкою русла; третьою складовою моделі є змодельований взаємозв’язок головних морфолого-морфометричних показників рельєфу абсолютних відміток, питомих довжин тальвегів ерозійних форм щільності мережі рельєфу. Доведено, що параметри трьох складових обумовлюються певним ступенем чутливості” ГГСВ даного річкового басейну (р. 3, п.-л 5.6).
2.8. Зберігання у спеціалізованій базі географічних даних різномасштабної інформації як про рельєф, так і про інші компоненти природного середовища водозбірних басейнів надає можливість в рамках компонентного моделювання, наприклад, відтворення геолого-тектонічної будови території й вивчення міграції забруднюючих речовин по субводозборах. Результати відповідного моделювання можуть подаватися через автоматизовану побудову карт розламаної тектоніки та рельєфозалежного фактора міграції й просторового розподілу забруднень ґрунтового покриву (п. 4.1.1, 4.1.2, Додаток А).
2.9. Запропонована й апробована процедура моделювання маршрутизації гідролого-геоморфологічного процесу. Для послідовного відтворення флювіального рельєфу, поверхневого стоку і руслової мережі вирішуються три задачі: 1) формального опису процесу маршрутизації стоку через ММ ФР функцію r(0) флювіального рельєфоутворення; 2) евристичного моделювання стоку по ЦММ; 3) маршрутизації стоку по цифровій моделі рельєфу водозбору, яка відбиває характеристики геоморфологічної гетерогенності. Через змодельовані параметри мережі вирішується задача формалізації опису неоднорідності гідрологічного режиму (п.-л 5.1, 5.2).
2.10. Геоінформаційна модель водозбору та його розподілена гідрологічна модель співвідносяться як загальна модельна конструкція та її складова. РГМ визначається як набір тих програмних алгоритмів, котрі виконують гідрологічне моделювання на підставі розгляду річкового басейну як сукупності субводозборів (п.-л 5.5, 6.4).
2.11. Порівнюючи із визначенням статистично значущої різниці модель рівноважного” флювіального рельєфу водозбору із візуалізованими даними первинної ЦММ, по вірогідності відмінностей між характеристиками морфології / мережі ФР обох моделей можливо визначити спрямованість розвитку гідролого-геоморфологічного процесу у бік або посилення, або послаблення руслової та яружно-балкової ерозії (п.-л 6.2, 6.3, Додаток А).
2.12. Доведено, що візуалізація в середовищі ГІС кінематичних змін у морфології рельєфу може здійснюватися на підставі просторово-часового аналізу й через визначення спочатку примітивів морфологічних елементів для певного варіанта результуючої поверхні”, які прив’язуються до часового репера відповідно до певного алгоритму, а потім - через набір примітивних подій”, які відбивають кінематичні зміни в морфології флювіального рельєфу, що мають місце через процеси денудації, вивітрювання та врізання русел. (п.-л 6.1).
3. Прикладні результати:
3.1. На підставі теоретичних й методичних розробок, які є предметом захисту дисертаційного дослідження, реалізоване авторське програмне забезпечення для моделювання й дослідження водозборів пакет GIS-Module Ukrainian 1.5 для MS Windows. Він є модулем-аплікацією ГІС, який включає програмні алгоритми + графічний інтерфейс користувача (Додаток Б).
3.2. Запропонована й апробована оригінальна методика розрахунків гідрологічної складової ГГСВ, яка базується на розподілених емпіричних моделях максимумів від поталих та дощових вод при відсутності спостережень. Розподілені гідрологічні моделі окремо реалізовані для весняних повеней й літніх дощових паводків. Геоінформаційна модель водозбору оптимізована через модель стільникового автомату. На підставі оптимізованої таким чином ГІМВ виконувався ефективний прогноз зон затоплення від весняних повеней та дощових паводків (п.-л 5.3, 5.5, 6.4).
3.3. Розроблена загальна структура системи підтримки прийняття рішень для менеджменту водозбірних басейнів на підставі підходу: просторовий гідролого-геоморфологічний аналіз → просторові багатоатрибутивні рішення-пропозиції / просторові багатоцільові рішення-пропозиції (п.-л 7.2).
3.4. Виконане калібрування WEPP-моделі втрат ґрунту від зливової ерозії. На регіональних прикладах реалізована оригінальна методика моделювання просторового розподілу процесів водної ерозії по територіях водозборів, що знаходяться в різних ландшафтних умовах (п.-л 6.5).
3.5. Взагалі обґрунтовано й показано можливість використання ГІС-технологій для розв’язання задач сучасної системи інвайронментального менеджменту водозборів (р. 4-7).
4. Регіональні висновки:
4.1. Визначена й перевірена дієздатність ГІС-технологій у різних природних зонах помірного поясу на об‘єктах різних ієрархічної підпорядкованості та географічного місцеположення. Встановлена адекватність регіональних моделей флювіального рельєфу його дійсній природній організації. Доведено, що комплексні характеристичні параметри субводозборів, які визначаються на конкретному масштабі досліджень, є репрезентативними показниками рельєфу всього (більшого) річкового басейну відносно будь-якого масштабу його вивчення, а мережа рельєфу субводозбору може розглядатися як просторовий аналог відповідної мережі великого басейну. Ступінь залежності між морфометричними параметрами різних субводозборів залежить від їх місцеположення, яке також визначає їх функціональну роль в ГГСВ (р. 3, 5, 6).
Наслідок 4.1: Висновок 4.1 добре погоджується із висновком 1.18 щодо перспектив фрактального моделювання рельєфу водозбірних басейнів.
4.2. На прикладі частини басейну р. Сіверський Донець верифікована ГІС-модель гідрографічної мережі. Було встановлено, що ця модель, побудована через відбиття внутрішньосистемних змін у флювіальному рельєфі, адекватно подає його реальні руслову мережу й гідрологічний режим (п.-л 6.2).
4.3. По тестових річкових водозборах спостерігається добра узгодженість результатів моделювання поверхневого стоку й мінливості насиченості вологою ґрунтового шару. Побудова моделі виконувалася як через обчислення ряду топографічно-ґрунтових індексів”, так й через розрахунок показника дефіциту накопичення вологи ґрунтом у даній точці водозбору Si , та сталий показник вертикального дренажу вологи у ґрунті QV . Результатом впровадження моделі є просторова диференціація поверхні водозборів на декілька класів як по вказаних показниках, так й по характеристиках зливової ерозії що може використовуватися як для прогнозування наслідків сильних злив (п.-л 5.4, 6.5).

4.4. Через впровадження в рамках ПГГА методу прогнозного аналізу здійснено адекватне геоекологічне районування частини гірської території крупного вододільного вузла по видах деревної рослинності (п.-л 6.3).

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

1. Щукин И.С. Общая геоморфология - Т. 1. - М.: Изд-во МГУ, 1960. - 616 с.
2. Симонов Ю.Г., Кружалин В.И. Речные бассейны / Динамическая геоморфология. Учебное пособие / Ананьев Г.С., Симонов Ю.Г., Спиридонов А.И. (ред.). М.: Изд-во МГУ, 1992. С. 237-264.
3. Симонов Ю.Г. Региональный геоморфологический анализ. - М.: Изд-во МГУ. - 1972. - 251 с.
4. Палиенко В.П. Новейшая геодинамика и ее отражение в рельефе Украины - К.: Наук. думка, 1992. - 116 с.
5. Маринич А.М., Палиенко В.П. Сопряженный анализ горных и равнинных поверхностей выравнивания Украины / Геоморфология гор и равнин: взаимосвязи и взаимодействие.- Краснодар, 1998.- с.279-280.
6. Стецюк В.В. Теорія і практика еколого-геоморфологічних досліджень у морфо-кліматичних зонах. Київ: Вересень, 1998. 289 с.
7. Симонов Ю.Г. Морфометрический анализ рельефа. Москва - Смоленск: Изд-во Смоленского гуманитарного ун-та, 1998. 271 с.
8. Стецюк В.В., Ковальчук І.П. Основи геоморфології. Навч. посіб. / За ред. О.М. Маринича. К.: Вища школа, 2005. 495 с.
9. Палієнко В.П., Барщевський М.Є., Бортник С.Ю., Палієнко Е.Т. та ін. Загальне геоморфологічне районування території України // Український географічний журнал. 2004. - № 1. С. 3-11.
10. Bridge J.S. Paleochannel patterns inferred from alluvial depozits: a critical evalution // Journal of Sedimentary Petrology. - 1985. Vol. 55. - P. 579-589.
11. Penk W. Die morphologische Analyse. Stuttgart, 1924. 283 p.
12. Ковальчук И.П. Эколого-геоморфологический анализ региона // Вестн. Моск. ун-та. Серия 5. География. 1992. - №3. С.10-16.
13. Ковальчук І.П. Регіональний еколого-геоморфологічний аналіз. - Львів: Інститут українознавства, 1997 438 с.
14. Стецюк В., Ткаченко Т. Екологічна геоморфологія України. - К.: КНУ, 2004. 224 с.
15. Адаменко О. М., Квятковський Г.Й. Екологічна геофізика: Підруч. для студ. екол. спец. вищ. навч. закл. / Інститут менеджменту та економіки. - Івано-Франківськ : Полум'я, 2003. - 428с.
16. Адаменко О. М., Рудько Г.І., Консевич Л.М. Екологічне картування : Підручник для студ. вищ. навч. закл. / Інститут менеджменту та економіки. - Івано-Франківськ : ІМЕ, 2003. - 579с.
17. New Trends in Ecology Research / A.R. Burk, editor. New York: Nova Science Publishers, 2005. 233 p.
18. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Перевод с англ. М.: Едиториал УРСС, 2003. 312 с.
19. Черванев И.Г., Боков В.А. Развитие представлений о саморегулировании и самоорганизации рельефа // Самоорганизация и динамика геоморфосистем. Материалы XXVII Пленума Геоморфологической комиссии РАН. Отв. редактор А.В. Поздняков. Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2003 С. 14-19.
20. Багров М.В, Боков В.О., Черваньов І.Г. Землезнавство. Підручник для вузів / Ред. П.Г. Тищенко. Київ: Либідь, 2000. 462 с.
21. Черванев И.Г. Структура рельефа и ее влияние на структуру ландшафта // Физ. география и геоморфология. - 1983. - Вып. 30. - С. 104-107.
22. Richards, K. Fluvial geomorphology // Progress in Physical Geography. - 1986. Vol. 10. - P. 401-420.
23. Ramsar convention on wetlands. River basin management. Handbook # 4. Ramsar handbooks for the wise use of wetlands 2nd Edition, 2004. 36 p.
24. Директива Европейского парламента и Совета Европейского Союза № 2000/60/ЕС от 23 октября 2000 года, устанавливающая основы для деятельности Сообщества в области водной политики. 102 с.
25. Підліснюк В.В., Алієв К.А., Стефанівська Т.Р. Україна та Рамкова Водна Директива ЄС: Посібник. К.: Вид. дім "КМ Академія", 2002. 44 с.
26. Барщевський М.Є., Гриневецький В.Т., Сорокіна Л.Ю. Підтоплення земель в Україні: проблема та шляхи подолання // Український географічний журнал. 2003. - № 2. С. 3-8.
27. Палієнко В.П. Механізми, режими та обстановки сучасного геоморфогенезу на території України // Український географічний журнал. 2003. - № 4. С. 19-29.
28. Blaszczynski J. Landform characterization with geographic information systems // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1997. Vol. 63. P. 183-191.
29. Митчел Э. Руководство по ГИС Анализу. Часть I: Пространственные Модели и Вз