Вследствие повышенного антропогенного воздействия речные долины являются объектом сосредоточения и развития эрозионных процессов, засорения и загрязнения почвы, воды и воздуха [1, 2]. Леса в долинах рек, а также на непосредственно прилегающих к ним территориях выполняют целый ряд хозяйственных и биосферных функций: являются источником древесины и недревесных продуктов и полезностей леса; преобразуют климатические факторы и создают благоприятный климат для человека, животных и растений; предотвращают или замедляют водную и ветровую эрозию; аккумулируют продукты эрозии, перехватывая частицы и предметы минерального, органического и другого происхождения; очищают воздух и воду от загрязнений; обогащают воздух кислородом и антибактериальными веществами; снижают шум [3].
Таким образом, леса вдоль рек имеют исключительно важное значение, как для народного хозяйства, так и для полноценного существования человека. Поэтому в них необходимо ведение особого режима хозяйства, направленного на сохранение защитных и санитарных функций леса. Для этого устанавливается категория водоохранно-защитных лесов (ВЗЛ) вдоль рек [4].
В настоящее время леса вдоль большинства рек отнесены к защитным лесам различных категорий (относимым к лесам водоохранных зон, защитным полосам автомобильных и железных дорог или к ценным лесам, включающим запретные полосы лесов вдоль водных объектов и нерестоохранные). Для выделения применялся директивный метод, т.е. эти категории определялись путем присвоения им определенной ширины, в зависимости от протяженности реки без учета природно-климатических условий речной долины. Поэтому существующие защитные леса вдоль рек не могут полностью обеспечить выполнение возложенных на них функций: на отдельных участках ширина защитных лесов необоснованно завышена, а на других – уменьшена. Так, для р. Сысолы длиной 487 км директивно выделена нерестоохранная зона 800 м и водоохранная зона 200 м.
В то же время существуют научно обоснованные методы выделения защитных лесов вдоль рек. Так, метод М.В. Рубцова [5] основан на анализе морфометрических элементов речной долины, но метод не нашел широкого применения на практике ввиду сложности определения параметров морфометрических элементов речной долины.
Современные ГИС-технологии предоставляют широкий спектр инструментов, позволяющих применять научно обоснованные подходы к выделению защитных лесов вдоль рек на основе всестороннего географического анализа.
Цель исследования – выделить категорию водоохранно-защитных лесов (ВЗЛ) на основе научно обоснованного метода с применением ГИС-технологий на примере тестового участка на р. Сысола (в Сыктывдинском лесхозе).
Задачи исследования:
1) изучение литературных источников, материалов лесоустройства, архивных данных;
2) подбор картографических материалов, аэрокосмических снимков, повыдельных баз данных;
3) подготовка, установка, тестирование программных продуктов;
4) выделение категории водоохранно-защитных лесов морфометрическим методом на базе ГИС-технологий;
5) подведение итогов и результатов исследования.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования был тестовый участок на р. Сысола в Сыктывдинском районе. Сыктывдинский лесхоз (лесничество) находится в юго-западной части Республики Коми. Рельеф представляет полого-увалистую равнину, расчлененную развитыми речными долинами, почти плоскую в междуречьях. Почвы – пойменные, сильно подзолистые, подзолисто-болотные. Территория района расположена в подзоне средней тайги. Леса елово-сосновые с примесью березы, ольхи, осины.
М.В. Рубцов к категории ВЗЛ рекомендует относить пойму, склоны коренных берегов крутизной более 6° и водопоглотительную полосу [6]. Пойма реки и склоны коренных берегов составляют долинную часть норматива категории ВЗЛ, вдоль границ которой выделяется водопоглотительная полоса.
Для определения норматива категории водоохранно-защитных лесов рекомендуется следующий порядок работ:
1. Выделение склонов коренных берегов крутизной более 6° по топографическим картам.
2. Выделение поймы реки по топографическим картам, аэрофотоснимкам, космическим снимкам, результатам полевых исследований. При этом пойма определяется по характерным признакам: наличию озер, стариц, аллювиальных наносов и наносов из прошлогодних ветвей, травы и т.п., гривистой структуре насаждений.
3. Выделение водопоглотительных полос. Водопоглотительная полоса примыкает к склонам крутизной более 6°, а при их отсутствии – к пойме реки. Ширина водопоглотительной лесной полосы зависит от крутизны склона, механического состава и водно-физических свойств почвы, лесоводственной характеристики насаждений в полосе, длины линии тока от ближайшего водораздела на концентрированной вырубке до водопоглотительной полосы и др. Эти факторы на склонах чрезвычайно изменчивы не только вдоль одной реки, но и в пределах каждого квартала в лесничестве. При определении водопоглотительных полос следует рассматривать только преобладающие в квартале или даже лесничестве уклон, механический состав почв и древесную породу в насаждениях на данной территории. Р.Д. Жилкиным была составлена таблица ширины полос в зависимости от механического состава почв, уклона территории и преобладающей породы. М.В. Рубцов на основе этой таблицы рекомендует применять следующие придержки при определении ширины водопоглотительных полос [7]:
50 м – для насаждений всех древесных пород на песчаных почвах с уклоном территории до 10°, и на супесчаных и суглинистых почвах с уклоном до 5°;
100 м – для суглинистых почв с уклоном территории до 5° и супесчаных почв – с уклоном 6–10°;
150 м – для насаждений всех древесных пород, кроме ели, произрастающих на суглинистых почвах при уклоне территории 6–10°; 200 м – для еловых насаждений, произрастающих на суглинистых почвах при уклоне 6–10°.
М.В. Рубцов предложил также использовать стандартную ширину водопоглотительной полосы, равную 100 м. Это значение соответствует необходимой ширине водопоглотительной полосы для критических условий.
Выделение ВЗЛ по научно обоснованному нормативу, предложенному М.В. Рубцовым, сопряжено с определенными трудностями, обусловленными сложностью определения морфометрических элементов долины (ширины поймы, крутизны и длины склонов и др.) [8]. Эта работа требует анализа географической, т.е. пространственно распределенной информации. Для работы с ней используют специальные географические информационные системы (ГИС) [9]. Применение ГИС-технологий позволяет значительно упростить выделение ВЗЛ, а также повысить точность их выделения. Применение данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) позволяет надежно выделить пойму реки и другие элементы долины. Географический анализ электронных топографических карт дает возможность с высокой точностью выделить морфометрические элементы речной долины. ГИС-технологии упрощают операцию по выделению водопоглотительных полос, исключению болот и заболоченных участков леса и т.д. Совмещение тематических слоев ВЗЛ, полученных разными способами, с повыдельной электронной картой, проведение анализа и сравнения дает возможность оценки лесоводственно-таксационной характеристики защитных лесов.
Характерной тенденцией последнего времени является стремительное расширение возможностей оперативной актуализации геоданных, а также рост объема открытой пространственной информации. В свободном доступе находятся базовые пространственные данные (проекты OpenStreetMap, VMap0, VMap1), космические снимки с детальностью 10–30 м (LANDSAT, SENTINEL), цифровые модели рельефа (SRTM, ASTER GDEM), ряд источников тематических данных. Сейчас в лесном хозяйстве используется программное обеспечение от разных производителей: MapInfo, TopoL, ГеоГраф/GeoDraw, ЛабМастер, WinGIS/WinMap, ArcGIS, ArcView, MapEDIT, ForsGIS и др. Таким образом, сложившаяся ситуация демонстрирует потребность в адаптации существующих ГИС-технологий под задачи лесного хозяйства и разработку соответствующего современным требованиям программного обеспечения.
Для выделения категории ВЗЛ по морфометрическому методу М.В. Рубцова применялось следующее программное обеспечение линейки ArcGIS: ArcCatalog, ArcMap, ArcToolBox, 3D Analyst, Spatial Analyst.
Результаты исследования и их обсуждение
Выделение водоохранно-защитной категории лесов по морфометрическому методу на базе геоинформационных технологий произведено в следующей последовательности.
Для выделения склонов коренных берегов крутизной более 6° был произведен анализ рельефа местности в программном продукте Spatial Analyst. Основой были топографические карты с данными о рельефе (рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент топографической карты на тестовый участок
Рис. 2. Фрагмент цифровой модели рельефа долины р. Сысола и выявленные склоны коренных берегов крутизной более 6° на тестовом участке
В программном продукте ArcMap были оцифрованы изолинии рельефа и отметки высот. По этим данным в Spatial Analyst была построена цифровая модель рельефа, и на ее основе создана карта уклонов территории. Она была оформлена способом классификации таким образом, чтобы искомые участки с уклоном более 6° хорошо выделялись на фоне остальной территории (рис. 2).
Для речной поймы характерны выраженный ложбинно-гривистый рельеф, наличие аллювиальных отложений, большое количество стариц и озер, гривистая структура древостоев, т.е. лесные насаждения на пойме чередуются с открытыми пространствами, озерами и старицами. Перечисленные признаки поймы четко выражены на космических снимках. Применение снимков, полученных в период половодья, позволяет выделить речную пойму напрямую без учета косвенных признаков. В данной работе использовались снимки среднего пространственного разрешения Sentinal 2A\2B, полученные во время весеннего половодья, и снимки сверхвысокого пространственного разрешения, полученные в меженный период.
В качестве вспомогательных использовались данные о рельефе и производные продукты, созданные путем тематической обработки снимков Sentinal 2A\2B: классифицированное изображение и растр нормализованных дифференцированных вегетационных индексов – NDVI. Данные о ширине поймы, длине и расположению склонов коренных берегов крутизной более 6° были оцифрованы. Таким образом, была сформирована долинная часть норматива категории ВЗЛ.
Внешними границами норматива категории ВЗЛ являются водопоглотительные лесные полосы, ширина которых зависит от преобладающих уклона, механического состава почв и древесной породы на изучаемом участке местности. Инструментами ГИС на основе почвенных карт, электронных повыдельных лесных карт (рис. 3) и данных о рельефе были получены эти величины, в соответствии с которыми рекомендуемая ширина полос составила 50 м для левого берега и 100 м для правого.
На рис. 4 представлена долинная часть норматива категории водоохранно-защитных лесов и водопоглотительные полосы на тестовом участке. Как видно из рис. 4, водопоглотительные полосы вдоль долинной части норматива были выделены автоматически путем построения буферных зон в ArcMap и на карте представлены в виде желтых полос.
Рис. 3. Фрагмент электронной повыдельной лесной карты на тестовый участок
Рис. 4. Долинная часть норматива категории водоохранно-защитных лесов и водопоглотительные полосы на тестовом участке
Заключение
Характеристика лесного фонда категории ВЗЛ осуществлялась путем построения запросов к повыдельной электронной лесной карте с присоединенной к ней таксационной базе данных и вычисления статистических оценок.
Разработанный подход с помощью применения ГИС-технологий позволил произвести уточнение границ зон защитных категорий. В результате выделения ВЗЛ вдоль изучаемого участка р. Сысолы Сывтындинского лесхоза по морфометрическому методу определен норматив категории ВЗЛ шириной: для левого берега – от 200 до 2500 м, для правого – от 240 до 3600 м.
Анализ правовых требований и состояния исследований по теме статьи показал, что, несмотря на сугубо нормативный подход, утвердившийся в практике проектирования и установления защитных лесных полос и водоохранных зон, интерес к научно обоснованным ландшафтно-экологическим методам их определения по-прежнему силен. Использование компьютерных средств открывает возможности для более тщательного учета местных геоморфологических и растительных условий. Апробированный в работе метод благодаря применению технологий ГИС позволил оптимизировать границы зон защитных категорий лесов и доказать экономический и экологический эффект от их уточнения. Результаты исследования могут быть полезны специалистам проектных землеустроительных и водохозяйственных организаций, разрабатывающим проекты специальных зон и территорий, аналитикам и должностным лицам исполнительных органов власти, утверждающим их границы, а также научным работникам лесного и водного хозяйства, изучающим влияние леса на сток рек.