Теоретико-методологічні основи басейнової організації природокористування на водозбірних територіях транскордонних річок (на прикладі басейну Дніпра)

Abstract

У дисертаційній роботі здійснено теоретико-методологічне обґрунтування басейнової організації природокористування на основі позиційно-динамічних, адаптивно-ландшафтних, геосистемних принципів, розроблені та апробовані авторська методологія та методики дослідження басейнових ландшафтних структур і представлені результати оцінки екологічного стану та комплексного великомасштабного просторово-часового моделювання ситуації в басейні річки Дніпро. Методологічна схема дослідження включає шість логічно-послідовних блоків: визначення внутрішньої геоморфологічної структури території водозбору; дослідження змін клімату та грунтово-кліматичного потенціалу; дослідження стану басейнових ландшафтних територіальних структур; екологічна оцінка якості поверхневих вод; оцінка рівня порушення екологічного стану басейну річки; механізм організації природокористування на території транскордонного басейну річки. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в системі вони становлять вирішення важливої проблеми – створення концептуальної моделі еколого-раціональної експлуатації території транскордонного басейну річки як цілісної позиційно-динамічної просторово-організованої системи та розроблення методології та методик, які дозволяють ефективно й всебічно оцінити поточний стан басейну річки, прогнозувати розвиток ситуації та розкрити шляхи оптимізації землекористування в межах єдиного водозбірного комплексу. Вперше: - розроблена авторська методика великомасштабної оцінки неоднорідності мозаїчного агроландшафту та морфометричних характеристик рельєфу територій басейнів річок на основі ГІС і ДЗЗ-технологій і на її основі створені просторові моделі розподілу стабілізуючих і дестабілізуючих складових функціонального стану у водозборі р. Дніпро; - розроблені принципово нові просторові моделі територіального розподілу величин кліматичних енергетичних витрат на ґрунтоутворення та граничну потужність гумусового горизонту ґрунтів у межах транскордонного водозбору із застосуванням модернізованої та доповненої методики біокліматичної оцінки територій на основі ГІС-технологій; - із застосуванням модифікованої моделі RUSLE встановлені просторові особливості розподілу чинників впливу на потенційну небезпеку ерозії ґрунтів і визначена ерозійна небезпека всієї території басейну Дніпра; - на основі застосування багатомірної статистики, Вейвлет-аналізу та адаптивних методів нелінійного прогнозування створена, апробована та доведена ефективність і прогнозна цінність методики ретроспективного аналізу та довгострокового прогнозу зміни гідрологічного режиму річок; - із використанням моделі розрахунку умовної концентрації валового фосфору здійснена поточна оцінка зональної небезпеки забруднення поверхневих вод грунтово-ерозійною міграцією біогенних речовин у межах водозбірної території р. Дніпро; - створені нові просторові моделі типізації територій водозбору Дніпра та інтегральної оцінки їх стану за рівнем агрогенної трансформації та водно-ерозійної деструкції ландшафтних структур у межах різнопорядкових суббасейнів за авторською методикою на основі ГІС-технологій; - створена концептуальна модель еколого-раціональної експлуатації території транскордонного басейну річки як цілісної позиційно-динамічної просторово-організованої системи; - із застосуванням ГІС і ДЗЗ-технологій розроблена ієрархічна модель інтегрованої багаторівневої геоінформаційно-аналітичної системи моніторингу та управління басейновим природокористуванням, представлене її апробування на прикладі басейну Дніпра; - на прикладі модельного регіону (транскордонного суббасейну р. Ворсклиця) розроблений детальний проект басейнової організації природокористування на території річкового басейну в контексті протиерозійної оптимізації структури земельного фонду та екологізації аграрного природокористування. Удосконалено: - методику аналізу гетерохронних кліматичних коливань на території річкових басейнів за рахунок використання методів багатомірного геостатистичного оброблення кліматичних показників і розроблення авторського алгоритму використання штучних нейронних мереж для прогнозування клімату, які показали найвищу на сьогодні достовірність ретроспективного аналізу, коротко- та середньострокового прогнозу; - математичну модель оцінки та прогнозування потенційної біопродуктивності на різних просторових ієрархічних рівнях на основі встановленої залежності від енергетичних втрат клімату; - методику визначення структури земельного фонду водозбору та розроблення проекту басейнової організації природокористування на території водозбору річки за рахунок використання методів ГІС і ДЗЗ-технологій. Набуло подальшого розвитку: - уявлення про причинно-наслідкові зв’язки антропогенної трансформації гідрологічного та гідрохімічного режимів Дніпра, зональні закономірності багаторічних змін клімату та грунтово-кліматичний потенціал території басейну; - уявлення про геоморфологічну систему водозбору Дніпра на основі представлення внутрішньої позиційно-динамічної структури території водозбору на рівні суббасейнів і створення моделі екологічного каркасу річкового басейну із застосуванням ГІС-технологій; - концепція басейнового природокористування та методичні підходи його організації за рахунок авторського визначення поняття «екологічний каркас річкового басейну», наукове обґрунтування процедури оптимізації земельного фонду та екологізації природокористування в басейнах річок на засадах протиерозійної безпеки. Основний науковий і прикладний результат дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше для сільськогосподарської науки виконано наукове дослідження, результатом якого є обґрунтування теоретико-методологічних засад і методичних підходів басейнової організації природокористування на водозбірних територіях транскордонних річок, розроблення авторської концептуальної моделі еколого-раціональної експлуатації території транскордонного басейну річки як цілісної позиційно-динамічної просторово-організованої системи. Головною практичною цінністю роботи є створення авторської методології та розроблення методик комплексного вивчення та оцінки екологічної ситуації в басейнах річок, зокрема транскордонних, які можна застосувати для територій водозборів будь-якого просторового ієрархічного рівня. Практичне значення дисертаційного дослідження підтверджує його актуальність і полягає в необхідності використання обґрунтованих автором теоретичних положень, методологічних засад, запропонованих методичних рекомендацій для подальшого вдосконалення практики раціоналізації та екологізації використання природно-ресурсного потенціалу басейну річок, формування водної стратегії та екологічної політики. Результати досліджень доцільно впроваджувати та використовувати в сфері земельних відносин, екології та природних ресурсів, аграрної та водної політики на міждержавному, державному, регіональному та локальному рівнях. Розроблена та апробована на території водозбору Дніпра авторська концептуальна модель еколого-раціональної експлуатації території транскордонного басейну річки як цілісної позиційно-динамічної просторово-організованої системи взаємопов’язаних природно-антропогенних складових заснована на впроваджені геоінформаційно-аналітичної системи моніторингу та управління басейновим природокористуванням із застосуванням ГІС і ДЗЗ-технологій. Модель дозволяє оптимізувати структуру земельного фонду, зменшити ризики екологічної деструкції земельних і водних ресурсів, забезпечити екологізацію сільського господарства та поліпшення екологічної ситуації в річкових басейнах. The thesis provides theoretical and methodological substantiation of the basin organization of nature management based on positionally dynamic, adaptive-landscape, geosystemic principles. It proposes methodology and methods of research on basin landscape structures developed by the author and tested. The study also presents the results of assessing the ecological state and the complex large-scale space-time modeling of the situation in the basin of the Dnipro river. The methodological scheme of the investigation includes six logical-consecutive blocks: determining the internal geomorphological structure of the catchment area; research on climate change and soil and climatic potential; a study of the state of the basin landscape territorial structures; ecological assessment of surface water quality; assessment of the level of violation of the ecological status of the river basin; a mechanism of nature management organization on the territory of the transboundary river basin. The scientific novelty of the results obtained lies in the fact that as a whole they present the solution of an important problem - the creation of a conceptual model of ecological and rational exploitation of the territory of a transboundary river basin as a holistic positionally dynamic and spatially organized system, and the development of a methodology and technique which allow making an effective and comprehensive evaluation of the current state of the river basin, forecasting the development of the situation and revealing ways of optimizing land use within a single catchment area. Pioneer findings: - the author has developed an original method of a large-scale evaluation of the heterogeneity of the mosaic agro-landscape and morphometric characteristics of the river basin relief on the basis of GIS and remote sensing technologies; based on this method, spatial models of the distribution of stabilizing and destabilizing components of the functional state in the catchment area of the Dnipro river basin were created; - there were developed fundamentally new spatial models of the territorial distribution of the values of climatic energy comsumption for soil formation and the limit power of the humus soil horizon within the boundaries of the transboundary catchment area with the application of the modernized and improved method of bioclimatic assessment of the territories based on GIS technologies; - using the RUSLE modified model, there were determined spatial features of the distribution of the factors of influence on the potential danger of soil erosion as well as erosion hazard on the whole territory of the Dnipro basin; - based on the application of multidivariate statistics, wavelet analysis and adaptive nonlinear forecasting methods, the efficiency and prognostic value of the method of retrospective analysis and long-term forecast of changes in the hydrological regime of rivers were determined, tested and proved; - using the model of calculation of the conditional concentration of gross phosphorus, a current assessment of the zonal danger of surface water contamination due to soil-erosive migration of biogenic substances within the catchment area of the Dnieper river was carried out; - based on the author's original technique and GIS-technologies, there were created new spatial models of the typization of the Dnipro catchment areas and an integrated assessment of their state by the level of agro-transformation and water-erosion destruction of landscape structures within the boundaries of sub-basins of different orders; - there was created a conceptual model of ecological and rational exploitation of the territory of the transboundary river basin as a holistic positionally dynamic and spatially organized system; - with the use of GIS and remote sensing technologies, a hierarchical model of an integrated multi-level geoinformation-analytical system of monitoring and control of basin nature management was developed and tested taking the Dnipro basin as an example; - using a model region (the transboundary sub-basin of the Vorsklytsa river) as an example, a detailed design of the basin organization of nature management on the territory of the river basin was developed in the context of anti-erosion optimization of land fund structure and ecologization of agricultural nature management. The author has improved: - a method for analyzing heterochronic climatic fluctuations on the territory of river basins through the application of methods of multivariate geostatistical processing of climatic indicators and development of the author's original algorithm for the use of artificial neural networks for climate prediction, which showed the highest reliability of retrospective analysis and short- and medium-term forecast at present; - a mathematical model of assessment and prediction of potential bioproductivity at various spatial hierarchical levels based on the established dependence on climate energy losses; - a method for determining the structure of the catchment land fund and developing a design of the basin organization of nature management on the territory of the catchment area of a river through the use of GIS and remote sensing technologies. The author has further developed: - understanding a cause-effect relationship between anthropogenic transformation and the hydrological and hydrochemical regime of the Dnipro river, zonal patterns of long-term climate changes and soil and climatic potential of the basin territory; - understanding the geomorphological catchment system of the Dnipro based on the presentation of the internal positionally dynamic structure of the catchment area at the level of sub-basins and the creation of a model of the ecological framework of the river basin using GIS-technologies; - the concept of basin nature management and methodological approaches of its organization considering the author's definition of the concept "ecological framework of a river basin"; scientific substantiation of the procedure for optimizing the land fund and ecologization of nature management in river basins based on anti-erosion principles. The main scientific and applied result of the doctoral thesis is that for the first time specific scientific research has been carried out for agricultural science, the result of which is the substantiation of theoretical and methodological principles and procedure approaches to the basin organization of nature management in the catchment areas of transboundary rivers, as well as the development of the author's original conceptual model of ecological and rational exploitation of the territory of the transboundary river basin as a holistic positionally dynamic and spatially organized system. The main practical value of the thesis is the creation of the author's original methodology and the development of techniques for the integrated study and assessment of the ecological situation in river basins, transboundary ones in particular; these techniques can be applied to catchment areas of any spatial hierarchy level. Practical significance of the research confirms its relevance and implies the necessity to use the theoretical positions and methodological principles substantiated by the author, as well as methodological recommendations proposed for further improvement of the practice of rationalization and ecologization of the use of the natural resource potential of river basins, the formation of water strategy and environmental policy. It is expedient to apply the findings to the sphere of land relations, ecology and natural resources, agricultural and water policy at the interstate, national, regional and local levels. The author's original conceptual model of ecological and rational exploitation of the territory of a transboundary river basin as an integrated positionally dynamic and spatially organized system of interrelated natural and human-made components has been developed and tested on the territory of the Dnipro catchment area; it is based on the inroduction of a geoinformation and analytical system of monitoring and management of basin nature use using GIS and remote sensing technologies. The model allows optimizing the structure of the land fund, reducing the risks of environmental degradation of land and water resources, providing ecologization of agriculture and improvement of the ecological situation in river basins.