книги / Опасные геоморфологические процессы и риск природопользования

Опасные геоморфологические процессы на территории Иркутской области

Таблица 3.9

Иерархия опасных геоморфологических процессов и коэффициенты достоверности аппроксимации для полиномиального распределения

их спектра вдоль гипотетического геоморфологического профиля от равнинных к горным геоэкологическим районам

зобщенность с равнинными районами, средняя степень общности с переходными зонами и высокая степень общности между собой (коэффициенты достовернос­ ти аппроксимации варьируют от 0,84 до 0,89). Только Хамар-Дабанский район показал не очень высокие степени общности с другими высокогорными района­ ми, что говорит о своеобразии его структуры.

Проведенный анализ подтверждает репрезентативность оценки геоэколо­ гических районов по классам экологической опасности. Выделены четыре груп­ пы районов: I —с равнинно-холмисто-грядовым рельефом, II —с низко- и средне­ горным и плоскогорным рельефом, III —со среднегорным и плоскогорно-нагор­ ным рельефом, IV —с высокогорным рельефом. Выстроив районы в указанном порядке, получаем гипотетический геоморфологический профиль: от условно равнинных районов к условно горным. На профиле отражен спектр и характер полиномиального распределения тренда опасных геоморфологических процес­ сов для каждого района (рис. 3.5, табл. 3.9).

Класс процессов: сейсмогенные. Группа процессов: быстрые. Процесс: зем­ летрясения, проявляет устойчивую тенденцию к возрастанию доли своего учас­ тия в спектре опасных геоморфологических процессов по мере продвижения от

91

Глава 3

равнинных районов к горным. Группа процессов: медленные. Процесс: тектони­ ческий крип, определяет уже устойчивую зависимость к возрастанию доли свое­ го участия в спектре опасных геоморфологических процессов по мере продви­ жения от равнинных районов к горным.

К ласс процессов: криогенные. Группа процессов: мерзлотные. Процессы: термокарст, пучение грунтов, нивация, термоэрозия и др. Эти опасные геомор­ фологические процессы определили два максимума в полиномиальном тренде: для равнинных районов на севере Иркутской области и для высокогорных райо­ нов. В предгорных и низкогорных геоэкологических районах эти процессы ме­ нее развиты.

К ласс процессов: гравит ационно-склоновы е. Группа процессов: гравитаци­ онные. Процессы: обвалы, осыпи, лавины. Полином их распределения практи­ чески линейный с очень высоким коэффициентом достоверности аппроксима­ ции R2 = 0,82 при степени полинома 2 и отражает увеличение доли данных опасных геоморфологических процессов по направлению от равнинных районов

кгорным.

Класс процессов: склоновый гидрогенного оползания и т ечения. Группа про­

цессов: блокового сползания. Процессы: оползни, особы. Полином распределе­ ния данных процессов на гипотетическом геоморфологическом профиле не по­ казал какой-либо статистически достоверной связи или хотя бы тенденции. Оползни и особы практически в равной степени развиты как на равнинах, так и в горах, с той лишь особенностью, что приурочены к районам широкого распро­ странения осадочных горных пород.

К ласс процессов: склоновый водно-эрозионны й . Группа процессов: линейно­ го размыва. Процесс: овражная эрозия. Полином показывает устойчивую тен­ денцию, скорее даже определенную зависимость, к снижению ее процентной доли в спектре опасных геоморфологических процессов по направлению от рав­ нинных районов к горным.

К ласс процессов: озерны й. Группа процессов: абразионные. Процесс: абра­ зия. График полиномиального распределения отчетливо фиксирует максимумы в районах, тяготеющих к оз. Байкал и Ангарскому каскаду водохранилищ, вдоль берегов которых главным образом и развита абразия.

К ласс процессов: флювиальный. Группа процессов: эрозии рек и временных водотоков. Процессы: глубинная и боковая эрозия. Полиномиальный тренд фик­ сирует устойчивую тенденцию к нарастанию доли этих опасных геоморфологи­ ческих процессов в общем их спектре по направлению от равнинных к горным геоэкологическим районам. Группа процессов: аккумуляции рек и временных водотоков. Процесс: сели. Полиномиальный тренд аналогичен предыдущему с меньшим коэффициентом достоверности аппроксимации. Процесс: пойменная, старичная и дельтовая седиментация. Полиномиальное распределение фиксиру­ ет два максимума: больший —для равнинных районов, меньший —для горных районов. В первом случае седиментация широко развита в Канско-Ленском районе, во втором — в горных районах, обрамляющих активно прогибающиеся внутригорные котловины Байкальской рифтовой зоны.

К ласс процессов: подзем но-водны й . Группа процессов: денудации раствори­ мых пород. Процесс: карст. Полиномиальный тренд указывает на устойчивую тенденцию к возрастанию роли процесса в предгорных, низко- и среднегорных районах и к снижению ее в равнинных и высокогорных районах. Группа про­ цессов: денудации нерастворимых пород. Процесс: суффозия. Полиномиальный

92

Опасные геоморфологические процессы на территории Иркутской области

Рис. 3.6. Диаграммы распределения и полиномиальные тренды (штриховые линии) опасных геоморфологических процессов вдоль гипотетического геоморфологического профиля “равнинные районы —горные районы".

Номера геоэкологических районов (1 —10) см. на рис. 3.1.

93

Глава 3

тренд аналогичен предыдущему, но коэффициент достоверности аппроксима­ ции заметно ниже, что говорит о меньшей упорядоченности в распределении процесса на гипотетическом геоморфологическом профиле "равнины —горы"

Класс процессов: техногенный. Группа процессов: техномобилизационные. Процесс: подтопление. Полиномиальный тренд для этого опасного геоморфоло­ гического процесса определил четкую тенденцию к снижению его процентной доли по направлению от равнин к горам. Это связано в первую очередь с тем, что основные техногенные объекты (индустриальные центры, водохранилища, ком­ муникации и др.) расположены в равнинных геоэкологических районах.

При анализе структуры опасных геоморфологических процессов важна оценка не только спектра, но и роли процессов в этой структуре, т. е. упорядо­ ченное подразделение процессов по категориям: ведущий, сопутствующий, вто­ ростепенный. Для этого построены диаграммы распределения этих категорий опасных геоморфологических процессов вдоль гипотетического геоморфологи­ ческого профиля. Максимальное участие опасного геоморфологического про­ цесса оценивалось цифрой: 3 —ведущий, 2 —сопутствующий, 1 —второстепен­ ный (рис. 3.6, табл. 3.10).

Таблица 3.10

Коэффициенты достоверности аппроксимации для полиномиального распределения роли (значимости) опасных геоморфологических

процессов вдоль гипотетического геоморфологического профиля от равнинных к горным геоэкологическим районам

94

Опасные геоморфологические процессы на территории Иркутской области

Землетрясения выступают как ведущий опасный рельефообразующий про­ цесс только в одном геоэкологическом районе —Приморском. Во всех других горных районах землетрясения играют роль сопутствующего процесса. Полино­ миальный тренд указывает на возрастание роли землетрясений по мере продви­ жения от равнинных к горным геоэкологическим районам (Байкальская рифтовая зона и зона Главного Саянского разлома). Тектонический крип не является ведущим опасным геоморфологическим процессом ни в одном геоэкологичес­ ком районе, но как сопутствующий присутствует во всех горных районах, поэто­ му его полиномиальное распределение указывает на ту же тенденцию, что и в предыдущем случае, только с меньшей достоверностью.

Криогенные процессы не позволяют построить статистически достоверный тренд вдоль гипотетического геоморфологического профиля. Они выступают в роли ведущего процесса в равнинных (Ангаро-Тунгусском), в горных (ВосточноСаянском, Забайкальском) и в переходных (Байкало-Патомском) районах. В дан­ ном случае в структуре процессов большое значение имеет широтная климати­ ческая зональность, которая обеспечивает ведущую роль криогенеза в северных районах Иркутской области.

Гравитационно-склоновые опасные геоморфологические процессы —обва­ лы, осыпи, лавины — не играют определяющей роли в каком-либо районе, но часто встречаются как сопутствующие в горах, на что указывает и полиномиаль­ ный тренд.

Склоновые гидрогенные процессы —оползни, особы —также не являются ни в одном из геоэкологических районов ведущими опасными геоморфологичес­ кими процессами. Однако их полиномиальный тренд указывает на определен­ ную тенденцию к уменьшению роли (значимости) данных опасных геоморфоло­ гических процессов по мере продвижения от равнинных геоэкологических районов к горным. Невозможно уловить эту тенденцию по спектру всех опасных геоморфологических процессов (см. выше), но по их роли (значимости) в струк­ туре процессов эта тенденция отмечается довольно четко.

Оврагообразование является ведущим опасным геоморфологическим про­ цессом в Канско-Ленском районе, а по мере продвижения к горам его влияние ослабевает, что и отражает полиномиальный тренд с высокой степенью досто­ верности аппроксимации.

Абразия особый геоморфологический процесс и не может рассматриваться на гипотетическом геоморфологическом профиле, так как зависит в большей степени от наличия стоячих водных бассейнов (озер, водохранилищ).

Эрозия является ведущим опасным геоморфологическим процессом во всех горных и большинстве переходных геоэкологических районов, что и отражено в полиномиальном тренде с высокой достоверностью аппроксимации.

Сели являются ведущим опасным геоморфологическим процессом только в одном районе —Хамар-Дабанском. Их полиномиальный тренд достаточно слож­ ный и говорит в целом о возрастании роли селей в горных районах по сравнению с равнинными, но в то же время внутри горных районов роль селей неоднознач­ на. Увеличение значимости селей в Хамар-Дабанском и Восточно-Саянском районах и снижение значимости в Северо-Байкальском и Забайкальском райо­ нах связано, по-видимому, с тем, что хозяйственная освоенность двух первых на порядок выше, чем двух последних.

Седиментация играет роль ведущего процесса в Канско-Ленском районе, а по мере продвижения к горным районам ее значение падает, что подтверждается

95

Глава 3

полиномиальной зависимостью с высокой достоверностью аппроксимации. Не­ который максимум седиментации в Северо-Байкальском и Хамар-Дабанском районах связан с активными седиментационными процессами на побережье оз. Байкал (внутригорные котловины).

Карст не является ведущим опасным геоморфологическим процессом в ка­ ком-либо геоэкологическом районе, но как сопутствующий отмечается во всех переходных районах, что и определило характер его полиномиального распреде­ ления.

Суффозия играет роль ведущего опасного геоморфологического процесса в двух районах — Лено-Ангарском и Приморском, в целом ее полиномиальный тренд аналогичен предыдущему, причем степень достоверности аппроксимации здесь ниже.

Подтопление не является ведущим опасным геоморфологическим процес­ сом, а как сопутствующий встречается в равнинных (Канско-Ленском и АнгароТунгусском) районах, что и подтверждает его полиномиальное распределение.

После оценки взаимосвязи между геоэкологическими районами Иркутской области по структуре опасных геоморфологических процессов и взаимосвязи между процессами вдоль гипотетического геоморфологического профиля "рав­ нины-горы" построен иерархический ряд как самих геоэкологических районов по их структурно-геоморфологической позиции, так и опасных геоморфологи­ ческих процессов по их генезису или источникам поступления энергии. На осно­ ве иерархического соотношения опасных геоморфологических процессов по ис­ точникам энергии следует выявить характер распределения этих процессов внутри геоэкологических районов для оценки типов их структур, модели форми­ рования этих структур и синергетического баланса внутри модели.

3.4. Моделирование типов структур опасных геоморфологических процессов

В понятиях "модель" и "моделирование" в геоморфологии я придержива­ юсь общей канвы рассуждений на эту тему В.П. Бондарева [1993]. Не останавли­ ваясь подробно на анализе его представлений, приведу здесь только главные не­ обходимые нам определения в моей несколько вольной по отношению к автору интерпретации. Под моделью в геоморфологии следует понимать вещественный или мысленно представляемый аналог оригинала — форм рельефа или геомор­ фологических процессов, имеющий подобие или аналогию с оригиналом в су­ щественных для конкретного исследования чертах, определенных его целями

изадачами. Под моделированием в геоморфологии следует понимать создание

иисследование моделей геоморфологических систем с целью изучения их происхождения, структуры, функционирования, состояния и т. д. [Бондарев, 1993]. Основные теоретические представления о моделировании типов структур опасных геоморфологических процессов опубликованы ранее [Кузьмин, 2007а, 2008].

Для моделирования типов структур опасных геоморфологических процес­ сов использованы основные положения теории синергетики [Хакен, 1980; Пригожин, Стенгерс, 1986; Арманд, 1988; Летников, 1992, 2006; Князева, Курдюмов, 2003], а также некоторые новые и модернизированные взгляды на геосистемы и их организованность [Арманд, 2003; Лихачева, Тимофеев, 2004, 2007; Трофимов, Рубцов, 2006].

96

Опасные геоморфологические процессы на территории Иркутской области

В 1970-х гг. И. Пригожин установил, что: 1) механизмом связи подсистем в систему является поле или пространственно-временная неравномерность рас­ пределения фактора, приведшего к формированию новой системной структу­ ры, — импульс самоорганизации; 2) механизмом взаимодействия системы со средой является наблюдаемая в природных процессах вспышка энергии, приток отрицательной энтропии и последующая ее растрата —диссипация. Системные структуры, формирующиеся вследствие притока отрицательной энтропии в не­ равновесной области и характеризующиеся согласованным поведением подсис­ тем, предложено называть диссипативными.

Геоморфологические системы обладают всеми основными признаками и свойствами диссипативных структур [Петров, 2007]. Равновесным состоянием геоморфологической системы является гомеостаз —высокая энтропия. Потоком энергии, снижающим энтропию геоморфологических систем, т. е. неравновес­ ным фактором-полем, являются эндогенные и экзогенные факторы рельефообразования. Они постоянно формируют новые связи подсистем в системе, новую структуру геоморфологической системы. Поэтому основу самоорганизации в геоморфологических системах составляет согласованное и упорядоченное дейст­ вие факторов (агентов) рельефообразования —эндогенных и экзогенных, кото­ рое и выражается через формирование особых типов структур геоморфологи­ ческих процессов. Диссипативные структуры в геоморфологических системах порождаются однонаправленными геоморфологическими процессами (потока­ ми энергии), необратимыми во времени.

С позиций синергетики универсальность диссипативных механизмов за­ ключается в том, что потоки энергии и энтропии реализуются в виде дискретных переходов от неравновесного состояния к равновесному и обратно. Приток энер­ гии от ее источников к геоморфологической системе (оростаз —оростатическое начальное состояние) уже несет в себе некоторую упорядоченность (структуру), которая зависит от количества источников и объема поступающей энергии. При­ нятие геоморфологической системой энергии и ее трансформация (метастаз — метастатическое переходное состояние) всегда осуществляется по наибольшему числу каналов связи. Это формирует новую структуру, которая ведет себя всегда иначе, чем изначальная, что выражается в усилении неравновесное™ системы. Далее происходит диссипация трансформированной энергии и вновь формиру­ ется определенная структура, которая по законам синергетики стремится к фор­ мированию наименьшего числа каналов диссипации энергии, что упорядочивает структуру и повышает энтропию системы (гомеостаз — гомеостатическое фи­ нальное состояние).

Эти приток, трансформация и диссипация энергии носят не поступательный или вращательный, а колебательный характер. Колебательный характер синерге­ тического баланса не представляет собой кривую со “скачками" с постепенным затуханием амплитуды колебаний (аналогичных автомодельных состояний) после сообщения геоморфологической системе энергетического импульса. Наоборот, первоначальный импульс приводит к нарастанию амплитуды колебаний и увели­ чению неравновесное™ системы. При этом если синергетический фактор-поле достаточно стабильный и долгоживущий, то после нарастания амплитуды насту­ пает период автомодельных гомологичных (тождественных) состояний геоморфо­ логической системы. Когда фактор-поле прекращает сообщать системе энергети­ ческие импульсы, после некоторого критического состояния происходит затуха­ ние амплитуды колебаний (аналогичных автомодельных состояний), что повышает энтропию и приводит геоморфологическую систему к гомеостазу (рис. 3.7).

97

Глава 3

Рас. 3.7. Элементарные модели синер­ гетического баланса в геоморфологи­ ческих системах.

а — с первоначальным скачком притока энергии и последующей ее диссипацией че­ рез автомодельные аналогичные состояния; б — с относительно постепенным нараста­ нием притока энергии и последующей ее диссипацией через автомодельные анало­ гичные состояния; в — с относительно по­ степенным нарастанием притока энергии,

последующим ее притоком с сохранением автомодельных гомологичных состояний идальнейшей диссипацией через автомодельные аналогичные состояния.

Нисходящий

литодинамический

поток

жж

111111

Восходящий

литодинамический

поток

Рас. 3.8. Синергетическая модель формирования типов структур опасных геоморфо­ логических процессов.

98

Опасные геоморфологические процессы на территории Иркутской области

Теперь можно создать эвристическую модель формирования типов струк­ тур и синергетического баланса геоморфологических процессов в геоэкологи­ ческих районах (рис. 3.8). Ее принципиальные положения и граничные условия следующие.

1.Приток энергии к геоморфологическим системам осуществляется из двух источников: а) эндогенная энергия —горообразовательный процесс, или восхо­ дящий литодинамический поток; б) экзогенная энергия —гороразрушительный процесс, или нисходящий литодинамический поток (по Н.А. Флоренсову [1978]). Эти потоки энергии несут с собой начальную структуру, которая для сохранения синергетического баланса должна описываться бимодальным (или близким к не­ му) распределением кривой спектра геоморфологических процессов в этой гео­ морфологической системе. В результате притока энергии формируются оростатические геоморфологические системы с инициальной структурой геоморфоло­ гических процессов и аккумуляцией энергии.

2.Далее нарастает амплитуда автомодельных колебаний геоморфологичес­ кой системы, сообщенная ей энергия распределяется по наибольшему из воз­ можного числа каналов связи геоморфологической системы с внешней средой, происходит преобразование или трансформация энергии. Такие потоки энергии

внеравновесной области описываются полимодальным распределением кривой спектра геоморфологических процессов. В результате формируются метастати­ ческие геоморфологические системы с трансакционной структурой геоморфо­ логических процессов и трансформацией энергии.

3.Далее нарастает энтропия геоморфологической системы, происходит мак­ симально возможное упорядочивание потока энергии (минимизация числа кана­ лов связи геоморфологической системы с внешней средой) и последующая ее дис­ сипация. Потоки энергии такого рода описываются уномодальным (или близким

кнему) распределением кривой спектра геоморфологических процессов. В ре­ зультате формируются гомеостатические геоморфологические системы с новой финальной структурой геоморфологических процессов и диссипацией энергии.

4.В итоге в результате этих трех преобразований формируются три зоны: а) притока энергии — оростатическое состояние геоморфологических систем; б) трансформации энергии — метастатическое состояние геоморфологических систем; в) диссипации энергии — гомеостатическое состояние геоморфологи­ ческих систем. Этот процесс приводит к формированию трех типов структур геоморфологических процессов: инициальной, трансакционной и финальной.

Теперь оценим, насколько предложенная эвристическая модель подтверж­ дается реальными данными по структуре геоморфологических процессов. Для этого построим графики модального распределения спектра опасных геоморфо­ логических процессов для каждого геоэкологического района Иркутской облас­ ти, расположив их последовательно по источникам энергии (рис. 3.9). В результа­ те получаем следующую картину деления (или типизации) геоэкологических районов по характеру модального распределения опасных геоморфологических процессов:

99

Глава 3

Рас. 3.9. Характер модального распределения опасных геоморфологических процес­ сов в геоэкологических районах Иркутской области.

Номера геоморфологических процессов (i—14) см. на рис. 3.2.

100