Маляренко Олександр Сергійович Моделювання регіональної екологічної мережі в Північному Приазов’ї

Краткое описание

Маляренко Олександр Сергійович, асистент історичного факультету Полтавського національного педагогічного уні­верситету імені В. Г. Короленка: «Моделювання регіональної екологічної мережі в Північному Приазов’ї» (11.00.01 - фі­зична географія, геофізика і геохімія ландшафтів). Спецрада Д 26.001.45 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
Маляренко Олександр Сергійович
УДК 911.9 [502.35 : 502.6 + 502.7]
МОДЕЛЮВАННЯ РЕГІОНАЛЬНОЇ ЕКОЛОГІЧНОЇ МЕРЕЖІ В
ПІВНІЧНОМУ ПРИАЗОВ’Ї
11.00.01 – фізична географія, геофізика і геохімія ландшафтів
Дисертація
на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук
Науковий керівник
Самойленко Віктор Миколайович
доктор географічних наук, професор
Київ – 2016
2
ЗМІСТ
ВСТУП………………………………………………………………… 4
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ПЕРЕДУМОВ І ОБҐРУНТУВАННЯ
ЗАСНОВКІВ ДОСЛІДЖЕННЯ…………………………………………... 10
1.1. Аналіз наявних розробок і досвіду за предметом і об’єктом
дослідження………………………………………………………………… 10
1.2. Визначення завдань дослідження та обгрунтування його
концептуальних підвалин…………………………………………………. 16
Висновки до розділу 1………………………………………………... 65
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА МЕТОДИКИ МОДЕЛЮВАННЯ
РЕГІОНАЛЬНОЇ ЕКОМЕРЕЖІ…………………………………………... 67
2.1. Розробка алгоритму моделювання регіональної екомережі….. 68
2.2. Удосконалення систематизації критеріїв аналізу
біоландшафтного різноманіття…………………………………………… 78
2.3. Розвиток геоінформаційно-технологічних підходів до
моделювання регіональної екомережі……………………………………. 97
Висновки до розділу 2………………………………………………... 104
РОЗДІЛ 3. КОМПЛЕКСНА ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГІОНУ
ПІВНІЧНОГО ПРИАЗОВ’Я………………………………………………. 105
3.1. Формування вихідного геоінформаційного базису щодо
регіону дослідження……………………………………………………….. 105
3.2. Комплексна характеристика регіону дослідження……………. 108
Висновки до розділу 3………………………………………………... 146
РОЗДІЛ 4. МОДЕЛЮВАННЯ РЕГІОНАЛЬНОЇ ЕКОМЕРЕЖІ В
ПІВНІЧНОМУ ПРИАЗОВ'Ї……………………………………………….. 147
4.1. Створення першої-п’ятої модельних структур………………… 147
4.2. Створення шостої-восьмої модельних структур………………. 154
4.3. Інші модельні рішення…………………………………………... 166
Висновки до розділу 4………………………………………………... 168
3
ВИСНОВКИ…………………………………………………………... 169
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………. 172
ДОДАТКИ…………………………………………………………...... 198
Додаток А……………………………………………………………... 198
Додаток Б……………………………………………………………... 201
Додаток В……………………………………………………………... 219
Додаток Г……………………………………………………………... 224
Додаток Ґ…………………………………………………………….... 230
4
ВСТУП
Актуальність теми. Обґрунтування створення екологічних мереж
різного рівня наразі є актуальною проблемою фізичної географії та
ландшафтної екології, позаяк такі мережі є поступальною природоохоронною
комплексною технологією. Ця технологія власне й реалізує принцип
геоекологічно-економічного збалансованого (усталеного) розвитку територій
і досягнення консенсусу між потребами розвитку суспільства та збереження
й відновлення довкілля. При цьому особливу вагу мають регіональні
екомережі, які, з одного боку, істотно змістово доповнюють екомережні
структури національного та міжнародного рангу, а, з іншого, боку, правлять
за "дороговказ" для імплементації локальних екомереж.
Огляд існуючого досвіду з моделювання екомереж засвідчує наявність
низки невирішених наразі завдань в царині такого моделювання, які
потребують новітніх досліджень. Головним із цих завдань є удосконалення
підходів до моделювання екомереж регіонального рівня в напрямку
збільшення їхньої формалізованої універсалізації для застосовності в
різноманітних природних умовах і при різних ступенях антропізації
території. Це зумовлює необхідність модифікації концептуально-прикладних
засад моделювання регіональної екомережі зі створенням можливості
застосування цих засад для структурно багатоманітних і істотно
антропізованих регіонів, до яких належить, зокрема, Північне Приазов'я.
Таким чином, проблема розробки методики моделювання регіональноспецифічної екомережі на основі сучасних геоінформаційних технологій та
втілення цієї методики для регіону Північного Приазов'я є нагальною фізикогеографічною та ландшафтно-екологічною проблемою, що й визначає
актуальність обраної теми.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розвідки
за змістом дисертації було виконано згідно з планами науково-дослідних
робіт географічного факультету КНУ імені Тараса Шевченка за участі автора
5
як виконавця держбюджетної теми "Екологічна і природно-техногенна
безпека України в регіональному вимірі" (2014-2015 рр., № д.р.
0114U003476).
Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в
обґрунтуванні та розробці методики геоінформаційного моделювання
регіональної екологічної мережі для структурно багатоманітних і істотно
антропізованих регіонів та реалізації цієї методики на прикладі регіону
Північного Приазов’я. Досягнення цієї мети передбачало вирішення низки
завдань, а саме завдань з:
– аналізу наявних розробок і досвіду за предметом і об’єктом
дослідження та обґрунтування його концептуальних підвалин;
– розробки методики, в т.ч. алгоритму, моделювання регіональної
екологічної мережі із удосконаленням систематизації критеріїв аналізу
біоландшафтного різноманіття та розвитком геоінформаційно-технологічних
підходів до моделювання;
– формування геоінформаційного базису щодо Північного Приазов'я як
регіону дослідження і комплексної характеристики цього регіону;
– реалізації розробленої методики в моделювання регіональної
екомережі в Північному Приазов'ї.
Об’єкт і предмет дослідження. За загальний об’єкт дослідження
править регіональна екомережа структурно багатоманітних і істотно
антропізованих регіонів, за частковий – екомережа в Північному Приазов'ї.
Загальним предметом дослідження є концептуальні, критеріальні й
геоінформаційно-технологічні засади моделювання загального об’єкта
дослідження; а частковим предметом – реалізація розроблених підходів у
моделювання екомережі в Північному Приазов’ї.
Методи досліджень. У роботі застосовувалися сучасні методи фізикогеографічного, ландшафтознавчого та ландшафтно-екологічного аналізу, а
також методи ймовірнісного аналізу та математично-картографічного
моделювання в геоекології з використанням геоінформаційних технологій. За
6
робочий правив ГІС-інструментарій MapInfo Professional Version 11.5,
допоміжним до якого були ГІС-інструментарії QGIS Wein v. 2.8.3 і SAGA GIS
2.1.2. Крім того, додатково було залучено підходи, методи та прийоми
загальнонаукових (аналізу та синтезу, індукції та дедукції, класифікації,
аналогії і системного аналізу, узагальнення, абстрагування, ідеалізації тощо);
загальногеографічних (картографічного аналізу) та математико-прикладних
(логіко-математичного і функціонального модельного аналізу) досліджень.
Вихідними матеріалами для геоінформаційного моделювання
регіональної екомережі в Північному Приазов’ї стали наступні джерела та
способи отримання та/або постачання геоданих: 1) електронні каталоги
відкритого доступу та цифрові джерела інформації: (суб)глобальна
цифрова модель висот (ЦМВ) SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) DEM
4; (суб)глобальна ЦМВ ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Thermal Emission
and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model) 2; HydroSHEDS
(Hydrological data and maps based on SHuttle Elevation Derivatives at multiple
Scales); база гідрологічних геоданих для європейського континенту CCM
River and Catchment Database, v. 2.1 (CCM2) / Institute for Environment and
Sustainability JRC EU; дані дистанційного зондування Землі, отримані
супутником Landsat 8; дані програми Global Forest Change; глобальна база
даних про біорізноманіття GBIF (Global Biodiversity Information Facility); дані
веб-сервісу Open Street Map (OSM); публічна кадастрова карта України;
матеріали веб-сайтів “Природно-заповідний фонд України” та “Єдина
інформаційно-аналітична система “Довкілля України”” (з інформацією про
види або асоціації, занесені до Червоної та/або Зеленої книги України),
“Портал “Природа України”” (з інформацію про природно-заповідний фонд,
"червонокнижні" види та "зеленокнижні" асоціації); електронні версії Атласу
та Національного атласу України (ІГ НАНУ, ІС ГЕО, ДНВП «Картографія»,
ДСГКК, 2000, 2007); матеріали веб-сервісів Google Earth і Google Maps, 2)
переведені автором у цифровий векторний формат паперові варіанти: карти
ґрунтів Української РСР (Український науково-дослідний інститут
7
ґрунтознавства ім. О.Н. Соколовського та інститут “Укрземпроект”, масштаб
1:200 000, аркуші 97-101, 115-119, 126-130, 137-139); топографічних карт
території Північного Приазов’я М 1:100 000 (КНУ імені Тараса Шевченка).
Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що вперше
обґрунтовано та розроблено методику геоінформаційного моделювання
регіональної екологічної мережі для структурно багатоманітних і істотно
антропізованих регіонів з реалізацією цієї методики на прикладі регіону
Північного Приазов’я. При цьому:
вперше:
– обгрунтовано концептуальні підвалини математичногеоінформаційного моделювання регіонально-специфічної екологічної
мережі;
– розроблено алгоритм моделювання регіонально-специфічної
екомережі;
– запропоновано класифікацію буферних зон екоядер і екокоридорів
екомережі;
– створено цифрову ландшафтну карту регіону Північного Приазов'я та
низку тематичних карт стану регіону та чинників динаміки цього стану;
– реалізаційно змодельовано регіональну екомережу Північного
Приазов'я;
удосконалено:
– класифікації екомережних ядер і коридорів;
– систематизацію критеріїв аналізу біоландшафтного різноманіття;
отримали подальший розвиток:
– геоінформаційно-технологічні підходи до моделювання регіональної
екомережі;
– підходи до формування сучасного геоінформаційного базису щодо
регіонів моделювання екомереж.
Практичне значення отриманих результатів полягає, по-перше, в
тому, що методику, геоінформаційний базис і результати моделювання
8
екомережі, подані в роботі, може бути застосовано органами державної влади
у галузі екології та природних ресурсів і органами місцевої влади для
розробки та проектування природоохоронних заходів та регламентів
природокористування як щодо Північного Приазов'я, так і щодо інших
істотно антропізованих регіонів.
По-друге, певні розробки дисертації було впроваджено в навчальний
процес на географічному факультеті КНУ імені Тараса Шевченка під час
викладання дисциплін “Географічне моделювання”, “Географічні
інформаційні системи та технології” та "Інфраструктури просторових даних".
По-третє, основні результати роботи були отримано й реалізовано в
процесі виконання науково-дослідних робіт географічного факультету КНУ
імені Тараса Шевченка за темою "Екологічна і природно-техногенна безпека
України в регіональному вимірі" (2014-2015 рр.).
Особистий внесок автора у роботу полягає у обґрунтуванні та розробці
всіх складників методики геоінформаційного моделювання регіональної
екологічної мережі для структурно багатоманітних і істотно антропізованих
регіонів та реалізації цієї методики на прикладі регіону Північного
Приазов’я. Формування геоінформаційного базису моделювання, аналіз та
узагальнення результатів дисертації, а також розробку нових і удосконалення
чинних способів, критеріїв та класифікаційних схем моделювання виконано
автором самостійно під керівництвом доктора географічних наук, професора
В.М.Самойленка. Загалом усі надбання дисертації, які характеризуються
науковою новизною, мають практичне значення і правлять за предмет
захисту, належать винятково авторові і є його особистим науковим доробком.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації та
результати проведених досліджень були оприлюднено на XII міжнародній
науковій міждисциплінарній конференції студентів, аспірантів та молодих
вчених “Шевченківська весна – 2014” (Київ, 2014); Х Всеукраїнській
науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених
“Молоді науковці – географічній науці” (Київ, 2014); XVIІ Міжнародній
9
науково-практичній конференції “Екологія, охорона навколишнього
середовища та збалансоване природокористування: освіта – наука –
виробництво – 2014” (Харків, 2014); IІІ Міжнародній науковій конференції
студентів, магістрантів, аспірантів та молодих вчених “Екологія, неоекологія,
охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування”
(Харків, 2014); Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні
проблеми освіти та науки" (Будапешт, 2015); Всеукраїнській науковій
конференції, присвяченій 15-річчю кафедри конструктивної географії і
картографії Львівського національного університету імені Івана Франка
(Львів, 2015); Всеукраїнській науково-практичні конференції “Географічна
освіта і наука в Україні” (Київ, 2015); Всеукраїнській науково-практичній
конференції “Освітні й наукові виміри географії” (Полтава, 2016); ХІІ з’їзді
Українського географічного товариства “Українська географія: сучасні
виклики” (Вінниця, 2016).
Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у 16 наукових працях: 6
статтях (у т.ч. 4 одноосібних) у фахових наукових виданнях України, 2
статтях (у т. ч. 1 одноосібній) у наукових періодичних виданнях інших
держав із напрямку дисертації та 1 науковій статті і 7 публікаціях у
матеріалах конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох
розділів, висновків та 5 додатків. Дисертація, загальним обсягом 235 стор.,
містить 158 стор. основного тексту, 43 рисунків, 27 таблиць та 5 додатків на
37 сторінках. Список використаних джерел налічує 235 найменування (з них
45 латиницею).

Список литературы

ВИСНОВКИ
У дисертації обґрунтовано, розроблено та реалізовано на прикладі
Північного Приазов’я методику геоінформаційного моделювання
регіональної екомережі для структурно багатоманітних і істотно
антропізованих регіонів. Головними висновками роботи є:
1. Обґрунтовано концептуальні підвалини математичногеоінформаційного моделювання регіонально-специфічної екологічної мережі.
При цьому запропоновано формалізовані способи структурування регіону
моделювання екомережі з його вихідним поділом на (квазі)природну,
природно-антропогенну й антропогенну структури та їхнім подальшим
диференціюванням на субструктури й модельним задаванням динаміки цих
субструктур.
2. (Квазі)природна структура регіону поділяється на (квазі)природні
сингулярні субструктури – площинні (ландшафтні, фізико-географічні,
басейнові, позиційно-динамічні, геоботанічні, зоогеографічні та інші) й
мережну біоцентричну, а також на інтегровану мережну біоландшафтну
субструктуру, що дозволяє модельно відтворювати елементи (ядра й
коридори) (квазі)природного (реконструйованого) каркаса біоландшафтного
різноманіття.
3. Природно-антропогенна й антропогенна структури регіону
ототожнюються з регіональною функціональною структурою
природокористування з огляду на поділ останньої на функціональноприродокористувальні субструктури згідно з головним видом
природокористування. Серед них особливе місце посідають природоохоронні
субструктури – об'єктів природно-заповідного фонду, біотично-охоронні, інші
спеціальні охоронні та екомережні. Останні, в свою чергу, диференціюються
на субструктури елементів національної (міжрегіональної) та локальних
екомереж, елементи (ядра й коридори) актуального каркаса біоландшафтного
різноманіття та власне регіональну екомережу, що моделюється.
170
4. Модельна регіональна мережа тлумачиться, з одного боку й
насамперед, як обґрунтована за складом і модельно об’єднана в мережу
сукупність (квазі)геосистем актуальної природно-антропогенної та/або
(квазі)природної біоландшафтної територіальної структури, початково
визначених і остаточно обраних за заданою системою критеріїв аналізу
біоландшафтного різноманіття з метою поточного або перспективного
збереження та/або ренатуралізувального реставрування й охорони цих
(квазі)геосистем як екомережних складників. З іншого боку, до складу
екомережі може бути додатково модельно залучено й сукупність нових
штучних, передбачених для створення, елементів природоохоронних
субструктур, які можуть і мають забезпечувати оптимальний склад і
сформованість майбутньої екомережі.
4. Обидві, зазначені в п.4, сукупності спільно призначено для
забезпечення реалізації й усталеного функціонування оптимально
сформованого (відновленого й додатково створеного) каркаса
біоландшафтного різноманіття регіону, який за структурою є максимально
можливо (бажано) наближеним до (квазі)природного такого каркаса з
урахуванням реальної регіональної геоекологічної ситуації та потреби в
оптимальній будові й сформованості майбутньої екомережі. При цьому за
власне структурні елементи ((квазі)геосистеми) модельної екомережі будуть
правити її регіональні екоядра й екокоридори та їхні буферні зони. Ці
екоядра й екокоридори підлягають певному модельному обиранню й аналізу
як можливі, а згодом і остаточні основні структурні екомережні елементи з
подальшим поділом їх на першочергові й перспективні з відповідними
буферними зонами.
5. Розроблено алгоритм моделювання регіонально-специфічної
екомережі, який містить низку критеріально обумовлених операцій,
реалізацію яких спрямовано на послідовне (поетапне) створення, узгодження
й трансформацію визначених модельних структур регіону моделювання
екомережі з одночасним створенням й інформаційним насиченням
171
відповідних зазначеним структурам блоків електронної бази даних (ЕБД)
“Екомережа регіону”.
6. Удосконалено класифікації регіональних екомережних ядер і
коридорів, розроблено класифікацію буферних зон цих елементів екомережі,
запропоновано модифіковану класифікаційну схему критеріїв ідентифікації
та рівня стійкості, надійності і ефективності функціонування екомережі, що
моделюється, а також систематизовано та визначено набір показників,
прийнятних для параметризації вищезазначених критеріїв в умовах значної
антропізації досліджуваного регіону.
7. Сформульовано основні вихідні принципи та особливості
геоінформаційного моделювання регіонально-специфічної екомережі та
визначено вихідний набір джерел формування електронної бази даних,
застосовних для такого моделювання. Це дозволило, по-перше, промаркувати
межі Північного Приазов'я як регіону дослідження, насамперед за фізикогеографічним принципом, а по-друге – сформувати сучасний
геоінформаційний базис, зокрема із створенням цифрової ландшафтної
карти, і комплексно охарактеризувати зазначений регіон з аналізом його
структур, що засвідчило репрезентативність цього регіону для поставлених
модельних завдань.
8. Здійснено реалізацію розробленої методики на прикладі регіону
Північного Приазов’я шляхом послідовного створення ЕБД “Екомережа
регіону” та поетапного формування запропонованих модельних субструктур.
Підсумково отримано оптимально сформований каркас біоландшафтного
різноманіття регіону, до складу якого увійшло понад 120 екоядер і 160
екокоридорів, у т. ч. із їхнім поділом на першочергові та перспективні для
створення, а також визначенням орієнтовних розмірів їхніх буферних зон.
Результати засвідчили обґрунтованість запропонованих модельних підходів,
які є безпосередньо застосовними, спільно із сформованими базами даних,
для розробки та проектування природоохоронних заходів як у Північному
Приазов'ї, так і у інших істотно антропізованих регіонах.