L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
Учебно-научная компьютерная программа Econorth
| Группа | Учебная литература |
|---|---|
| Область науки | Технические науки |
| Название на русском языке | Учебно-научная компьютерная программа Econorth |
| Авторы на русском языке | Марахтанов В.П. |
Резюме
Учебно-научная программа «Econorth» разработана Марахтановым В.П. на основе обобщения опыта отечественных и зарубежных исследований в осваиваемых районах криолитозоны. «Econorth» позволяет оперативно анализировать последствия антропогенных воздействий на ландшафты и на основе этого оптимизировать стратегию хозяйственного освоения любого района Крайнего Севера.
Идейной предпосылкой создания программы «Econorth» послужила концепция матричной инвентаризации антропогенных воздействий и их последствий. Сущность концепции сводится к следующим основным положениям
1. Антропогенные воздействия и их последствия (нарушения ландшафтных компонентов и активизирующиеся в результате нарушений природные процессы), а также ландшафтные факторы, определяющие характер реакции на воздействия, ограничены в своем разнообразии и в силу этого могут быть сведены к конечному числу типов.
2. Каждый из этих типов может быть закодирован, а значит, возможна и кодировка любых сочетаний этих типов, выделяемых на основе соответствующей эмпирической базы, в данном случае – опыта изучения последствий антропогенного воздействия на ландшафты Крайнего Севера.
3. С учетом характера информации, наиболее удобной формой ее представления является совокупность связанных между собой матриц.
На основе этих положений была разработана матричная модель реакции ландшафтов криолитозоны на антропогенные воздействия (Марахтанов, 1992, 2001, 2004). Входящие в модель матрицы включают в себя все возможные сочетания ландшафтных условий, антропогенных воздействий, связанных с ними нарушений природной среды и неблагоприятных процессов.
Формализованный характер информации позволил преобразовать матричную модель в компьютерную программу (в Excel), выдающую наборы нарушений ландшафтных компонентов и активизирующихся процессов и явлений при любых сочетаниях ландшафтных условий и антропогенных воздействий (вариантах освоения), типичных для равнинных территорий криолитозоны. Программа позволяет также одновременно сравнивать два варианта освоения по значимым критериям. Сравнение выполняется в интерактивном режиме с загрузкой исходных данных (вариантов освоения), благодаря чему облегчается выбор оптимального варианта. Наконец, программа выполняет автоматическую оценку устойчивости ландшафтов к антропогенным воздействиям. При этом четко отражается изменчивый характер оценочных показателей в зависимости от конкретного сочетания природных условий и антропогенных воздействий.
Программа состоит из трех листов (частей) – «Ввод данных и оценка», «Обобщенная матрица», «Ландшафты». В лист «Ввод данных и оценка» входят:
- таблица загрузки ландшафтных типов с оценкой устойчивости и биологического потенциала ландшафтных типов;
- таблица загрузки антропогенных воздействий;
- таблица оценки вариантов освоения.
В таблице загрузки ландшафтных типов каждый тип соответствует определенному сочетанию состояний ландшафтных компонентов (литогенной основы, положения в рельефе, подземных и поверхностных вод), определяющему особенности развития неблагоприятных процессов при антропогенных воздействиях. Эти состояния характеризуются в трех разделах таблицы, обозначенных как «геоморфологический тип», гидрогеологический тип» и «инженерно-геологический тип». Свойства этих трех типов в совокупности определяют ландшафтный тип.
По положению в рельефе (геоморфологический тип) выделяются: субгоризонтальные поверхности междуречий, речных озёрных и морских террас, склоны; днища речных долин (в том числе низкая и высокая пойма), морские и озерные пляжи, лайды, днища озёрно-болотных котловин.
Важное значение имеет степень увлажненности (дренированности) поверхности, связанную с глубиной залегания уровня подземных вод (гидрогеологический тип). По этому признаку можно выделять территории дренированные (сухие), слабодренированные и заболоченные, которые в таблице обозначены соответственно буквами Д, С и З.
Для многолетнемерзлых горных пород (инженерно-геологический тип) основное значение имеют инженерно-геологические свойства верхней (до глубины 5 – 10 м) части разреза: литологический состав, льдистость, а также неоднородность массива породы, который может быть расчленён на морозобойные Ополигоны с полигонально-жильным льдом или безо льда. Целостные массивы в таблице обозначены как БП, с морозобойными полигонами – как МП, с полигонально-жильными льдами – ПЖЛ. По литологическому составу можно выделить следующий ряд: породы скальные, глыбовые (валунные), галечные (щебнистые), гравийные (дресвяные), песчаные, тонкодисперсные (супесчано-глинистые), органогенные (торф). По величине льдистости песчаные грунты подразделяются, в зависимости от степени заполнения пор льдом G, на мало льдистые. (G<0,8), льдистые (0,8<G< 1,0), сильно льдистые (G>1,0). Льдистость тонкодисперсных пород зависит от того, какую долю (Лв) от объёма породы занимают включения льда: мало льдистые (Лв< 0,2), льдистые (0,2< Лв <0,4) сильнольдистые (Лв>0,4).
По сочетанию отмеченных выше природных факторов в таблице выделяются 79 ландшафтных типов, в которых при антропогенных воздействиях активизируются те или иные процессы. Сочетания, которые в природе не наблюдаются, обозначены клетками коричневого цвета. Ландшафтные типы, в которых антропогенные воздействия не приводят к развитию неблагоприятных процессов, являются устойчивыми и обозначены клетками зеленого цвета.
В таблице загрузки воздействий представлен перечень типичных для территорий криолитозоны воздействий на естественную земную поверхность, сопутствующих различным видам хозяйственной деятельности.
Программа «Econorth» может работать в двух разных режимах: в режиме рассмотрения одного варианта освоения и в режиме сравнения двух вариантов освоения. Под «вариантом освоения» в данном случае понимается конкретное сочетание определенного набора ландшафтных типов и набора видов антропогенных воздействий на участки земной поверхности, в пределах которых распространены данные ландшафтные типы.
При рассмотрении одного варианта освоения в мелкую верхнюю клетку внутри каждого выбранного ландшафтного типа вводится любой знак (число, буква и т. д.), кроме 0. Мелкие нижние клетки при этом должны быть не заполнены. В таблице воздействий должна быть заполнена по крайней мере одна ячейка в столбце с номером I и не заполнена ни одна ячейка в столбце с номером II.
Для исключения какого-либо ландшафтного типа или антропогенного воздействия из рассмотрения удаляется содержимое соответствующей мелкой клетки и ячейки.
При рассмотрении одного варианта оценивается устойчивость ландшафтных типов. Устойчивость оценивается с учетом возможного развития при антропогенных воздействиях процессов трех типов – тепловых (Т), механических (М) и химических (Х). К тепловым относятся процессы, в основе которых лежат фазовые переходы воды (оттаивание – термокарстовые процессы, промерзание – пучение, наледеобразование, морозобойное растрескивание). К механическим относятся склоновые процессы, движущей силой которых являются запасы гравитационной энергии грунтовой толщи (солифлюкция, сплывы грунта) и кинетическая энергия водного потока (термоэрозия), а также процессы ветрового выдувания грунтовых частиц (дефляция). К химическим относятся процессы накопления в ландшафтных компонентах (горных породах, почвенно-растительном покрове, поверхностных и подземных водах) загрязняющих веществ (солей и нефтепродуктов).
Для оценки устойчивости используется величина коэффициента изменчивости ландшафтного типа Ки. Чем меньше Ки, тем устойчивее данный тип. Ки рассчитывается для каждого типа процессов (см. выше) по формуле: Ки = n-K/N, где n – число разных процессов данного типа, активизирующихся в данном ландшафтном типе при данном наборе антропогенных воздействий, K – число разных ландшафтных типов при данном варианте освоения, N – число разных процессов данного типа, активизирующихся во всех ландшафтных типах при данном варианте освоения. Величина Ки по сути характеризует степень отклонения встречаемости процессов данного типа в данном ландшафтном типе от средней встречаемости процессов данного типа для всего набора ландшафтных типов при данном варианте освоения. Например, если Ки = 1, то данный ландшафтный тип является абсолютно средним для данного набора ландшафтных типов при данном наборе антропогенных воздействий. Очевидно, при таком подходе число разных ландшафтных типов должно быть не менее 2. В случае всего лишь одного типа оценивать устойчивость не имеет смысла.
При оценке устойчивости по отношению к тепловым и механическим процессам, в зависимости от величины Ки, выделяются три категории устойчивости ландшафтных типов: высокая (Ки меньше 0,5), средняя (Ки в промежутке от 0,5 до 1,5), низкая (Ки больше 1,5). При оценке устойчивости по отношению к химическим процессам, в зависимости от величины Ки, выделяются две категории устойчивости ландшафтных типов: высокая (Ки равно 0) и низкая (Ки больше 0).
Величина Ки конкретного ландшафтного типа, в соответствии с методикой расчета этого показателя, зависит от конкретного набора остальных ландшафтных типов и от набора антропогенных воздействий. При изменении этих наборов (при переходе к другим вариантам освоения) данный ландшафтный тип может характеризоваться другой величиной Ки и при этом переходить в другую категорию устойчивости.
Биологический потенциал ландшафтного типа зависит от способности восстановления растительного покрова после прекращения антропогенного воздействия, уничтожившего растительность. В ландшафтных типах с высоким биологическим потенциалом самозарастание поверхности происходит через 1-3 года после прекращения воздействия. Здесь не требуется проведения специальных агротехнических мероприятий. В ландшафтных типах со средним биологическим потенциалом растительность возобновляется в течение 3-5 лет. Для ускорения зарастания поверхности рекомендуется посев многолетних трав районированных сортов (кострец безостый, овсяница, лисохвост луговой, мятлик луговой и др.). В ландшафтных типах с низким биологическим потенциалом коренная растительность восстанавливается в течение десятилетий. Наряду с посевом районированных сортов трав, необходимо вносить минеральные удобрения (азотные, фосфорные и калийные) в виде гидросмесей. Очень низкий биологический потенциал имеют ландшафтные типы, в которых самостоятельно растительность восстановиться не может. Здесь рекомендуется стимулировать почвообразовательный процесс с помощью нанесения латексного покрова, предохраняющего поверхность от деструктивных процессов (термоэрозии, дефляции).
При сравнении двух вариантов освоения в мелкие верхние клетки вводятся доли площади (в %%) соответствующих ландшафтных типов первого варианта от площади всей рассматриваемой территории при первом варианте освоения. В мелкие нижние клетки вставляются доли площади (в %%) соответствующих ландшафтных типов второго варианта от площади всей рассматриваемой территории при втором варианте освоения.
Сумма процентов по каждому варианту должна равняться 100. Для контроля величина этой суммы отображается в появляющихся при сравнении вариантов "окошках". Оценка вариантов выполняется только при равенстве обеих сумм 100 и при одновременном заполнении в таблице воздействий каких-либо ячеек в столбце с номером I и в столбце с номером II. При этом появляется информация в таблице сравнения вариантов.
Ячейки, соответствующие только варианту I, при заполнении окрашиваются черным цветом, только варианту II – бирюзовым цветом, обоим вариантам сразу – серым цветом.
При сравнении двух вариантов освоения в качестве оценочного критерия используется величина показателя О, численно равная среднему количеству антропогенных процессов различных типов – тепловых, механических и химических (см. выше методику оценки устойчивости), приходящемуся на один ландшафтный тип данного варианта, с учетом доли площади, занятой каждым типом. Для каждого типа процесса значение показателя рассчитывается по формуле: О = X n-p/K, где p – доля площади каждого ландшафтного типа от общей площади территории при данном варианте освоения, n и К – то же, что и при оценке устойчивости (см. выше). Таким образом, варианты сравниваются отдельно по тепловым (От), механическим (Ом) и химическим (Ох) процессам. Предпочтение отдается варианту с меньшими значениями этих показателей
Таблицы загрузки ландшафтных типов и антропогенных воздействий снабжены соответствующими указаниями по технике заполнения, а таблица оценки устойчивости и биологического потенциала ландшафтных типов и таблица оценки вариантов освоения – примечаниями, в которых разъяснена методика выполнения оценки.
Лист «Обобщенная матрица» содержит итоговую матрицу, отображающую характер нарушения ландшафтных типов (типы нарушений) и развитие в них неблагоприятных процессов (отмеченных выше) в зависимости от характера антропогенного воздействия. Рассматриваются следующие типы нарушений:
- изменение теплообмена многолетнемерзлых горных пород с атмосферой в направлении повышения их температуры и оттаивания;
- изменение теплообмена многолетнемерзлых горных пород с атмосферой в направлении понижения их температуры и промерзания;
- активизация (усиление и концентрация) стока поверхностных вод;
- повышение уровня подземных вод;
- разгрузка подземных вод;
- ослабление закрепляющего воздействия растительности на грунты;
- повышение концентрации загрязняющих веществ в ландшафтных компонентах (преимущественно в почвенно-растительном покрове и в подземных водах).
При этом отображаются только те нарушения и процессы, которые существуют при данных сочетаниях ландшафтных типов и воздействий (при данном варианте освоения).
При сравнении двух вариантов освоения в итоговой матрице отображаются лишь те ландшафтные типы и антропогенные воздействия, которыми оба сравниваемых варианта различаются, а сходные воздействия и ландшафтные типы не показываются (игнорируются). Таким образом, наглядно прослеживаются различия сравниваемых вариантов.
В листе «Ландшафты» применяются другие способы отображения информации о последствиях антропогенных воздействий на ландшафты. Этот лист «работает» в режиме рассмотрения одного варианта, чему в листе «Ввод данных и оценка» соответствует заполнение мелких верхних клеток в таблице ландшафтных типов и клеток в столбце с номером I в таблице воздействий.
В листе «Ландшафты» оцениваются лишь те ландшафтные типы, которые были активизированы в загрузочной таблице листа «Ввод данных и оценка». То же самое относится и к рассматриваемым здесь антропогенным воздействиям (не активизированные воздействия отсутствуют). В матрице листа «Ландшафты» красным цветом показано наличие неблагоприятного процесса в данном ландшафтном типе при данном антропогенном воздействии. Случаям, когда данное воздействие в данном ландшафтном типе не вызывает развития процесса, соответствуют клетки зеленого цвета. Для исключения из матрицы пустых строк (с не активизированными ландшафтными типами) можно пользоваться автофильтром, кнопка которого находится над правым верхним углом матрицы. В диалоговом окне выбирается условие показа строк с ненулевыми значениями. Перед изменением варианта освоения следует восстановить всю матрицу, включив в диалоговое окно строки с нулевыми значениями.
Таким образом, в каждом из трех листов компьютерной программы «Econorth» по- разному организована информация о последствиях антропогенных воздействий на ландшафты исследуемой территории. В листе «Обобщенная матрица» в концентрированном виде представлены данные об антропогенных нарушениях и процессах в зависимости от характера ландшафтных условий и воздействий. В листе «Ландшафты» наглядно отображается различный вклад разных воздействий в развитие неблагоприятных процессов в зависимости от ландшафтных условий. Это позволяет оптимизировать нагрузки на ландшафты, добиваясь минимизации негативных последствий. В листе «Ввод данных и оценка» выполняются оценки устойчивости и биологического потенциала ландшафтных типов, а также вариантов освоения. Меняя варианты освоения (ландшафтные типы и воздействия в загрузочных таблицах), мы оперативно отслеживаем ситуацию, что может способствовать выбору лучшего варианта освоения.
Программа «Econorth» является базовой («материнской») программой, на основе которой возможно оперативное составление аналогичной программы на любую перспективную территорию криолитозоны. В частности, была выполнена ее модификация «Econorth-Ямал» на районы проектирования транспортной сети полуострова Ямал в связи с созданием там газодобывающей инфраструктуры.
МЕДАЛЬ «ЗА ВЕРНОСТЬ ТРАДИЦИЯМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ» С УДОСТОВЕРЕНИЕМ