Исследование самоорганизации флювиального рельефа в

ИССЛЕДОВАНИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ ФЛЮВИАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА В ХАРЬКОВСКОЙ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ШКОЛЕ
Черванёв И.Г. Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, Харьков, Украина,
[email protected]
RESEARH ON SHELF-ORGANISATION OF FLUVIAL TOPOGRAPHY: DEVELOP ON THE
KHARKOV GEOMORPHOPOGY SIENTIFIC SCOOL
Chervanyov I.G. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine, [email protected]
Уходит в прошлое эпоха, когда рельеф оценивался как достаточно постоянный, уравновешенный, такой, что покидает это состояние преимущественно из-за негативного влияния человеческой деятельности,
хотя, в то же время, значительное количество и главное – «дух» научных исследований геоморфологов исходит из парадигмы равновесия. Приблизительно в течение последней четверти века стали утверждаться общенаучные представления теории систем и синергетики об устойчивой неравновесности природных систем.
Приобрело специфическое содержание понятие геомофосистемы как объекта синергетики [1]. Такие построения опираются на следующие фундаментальные понятия (в нашем видении).
А. Пространственная структура флювиального рельефа, определяемая историческими и генетическими
предпосылками, в то же время является активным фактором геоморфогенеза. Для его прослеживания, следуя
Г.И.Швебсу, следует выделить его структуру (структурную сеть) - отражение морфологического аспекта развития, и рассмотреть функционирование – динамический аспект и сущность этого процесса.
Б. Динамика и функционирование флювиального рельефа характеризуется неравновесными процессами поступления, транзита, накопления и выноса вещества и диссипации энергии – сложными превращениями
потенциальной энергии высот рельефа и атмосферных осадков, которые, в органическом взаимодействии,
определяют нисходящий литодинамический поток, по Н.А. Флоренсову [2], и др.
В. Уже на водосборе происходит морфологически саморегулированная концентрации энергии стекающей воды в виде временных водотоков, с которых начинается это самодвижение, что убедительно показано в
трудах классиков эрозиоведения [3]. В то же время, в самой сети стока происходят, на фоне нисходящего
движения вещества, транзит, концентрация, трансформация, в конечном счёте - рассеивание (диссипация)
энергии.
Эти процессы характеризуют флювиальный рельеф как ту сложную нелинейную устойчиво неравновесную систему, которая служит натурным объектом современной флювиальной геоморфологии. В структуре
ландшафтной сферы суши рельеф в целом является одним из ведущих, "сильных" компонентов ландшафта:
структура рельефа некоторым образом определяет структуру ландшафта, которые совместно образуют гетерогенную самоорганизующуюся систему. На двух пленумах Геоморфологической комиссии АН СССР (Новосибирск, 1983) и РАН (Томск, 2003) состоялось становление концепции самоорганизации как современного
устремления «неогеоморфологии», по крайней мере, на научном пространстве СНГ.
В Украине к этому направлению на стыке гидрологии и геоморфологии тяготеют современные теоретические исследования А.А. Светличного [4], экспериментальные достижения и обобщения И.П.Ковальчука
[5], конкретно-методические работы эрозиеведов С.Ю.Булыгина и Н.В.Куценко. В то же время, требует дальнейшей разработки концепция самоорганизации рельефа как способности, хранить, воссоздавать, совершенствовать собственную структуру - носитель её инварианта, и функционировать в этом направлении. Эта концепция постепенно становится хребтом общенаучной парадигмы синергетики сложных неравновесных систем, которая захватывает все новые объекты из области современного естествознания. Очень убедительно,
хотя и несколько амбициозно, эти отношения между структурой, топологией (тоже ведь структура) и геодинамикой показаны в фундаментальной монографии А.Н.Ласточкина [6], который считает их основой (можно
было бы назвать – «тремя китами») современной физической географии в целом. Обобщая многое, что следовало бы рассмотреть подробно, отметим, что сети флювиального рельефа выступают в качестве комплексного дифференциатора земной поверхности.
Водосбор и флювиальная геоморфологическая система. Исследовать такой структурно сложный, гетерогенный и гетерохронный объект, каким есть водосбор, непосредственно и во всей полноте свойств и отношений практически немыслимо – даже в единичном экземпляре. Выбирая, в качестве предмета исследования, к произвольному выбору структур, свойств и отношений, их визуальной, картографической, вербальной и
отчасти числовой характеристике их характеристике, мы получаем множество вариантов такого предмета и
неоднозначность результата. Поэтому в последних работах мы стали формировать промежуточный исследовательский объект флювиальную геоморфологическую систему – ФГМС. Чтобы избавиться от произвольного
выбора свойств и отношений, которые, как правило, соотносились с реальным объектом, в структура, свой-
ства и отношения в ФГМС определяются исходя из критериев подобия. Только в отношении этих параметров
исследовательский объект адекватен натурному. Таким образом, между водосбором и ФГМС существуют
отношения гомоморфизма.(частичного, избирательного соответствия). Только в этих рамках возможно переносить результаты, полученные путём анализа ФГМС, на реальный водосбор., перенести в неё некоторые основные свойства натурного объекта. Эти соотношения примерно такие же, как химический гомоморфизм Н2О
(исследовательский объект) по отношению к природной воде (натурному объекту). Экспериментальные исследования показали, что для формирования ФГМС необходимо ограничиться всего тремя основополагающими понятиями [7]:
- водосбора как структурированной, отделённой части территории, которая может рассматриваться как целостное структурно-функциональное звено пространственной организации земной поверхности,
- поверхностного стока – основного агента эволюции рельефа этой территории, действующего активно, постоянно и целенаправленно, и
- самоорганизации водосбора, то есть его способности, непрерывно развиваясь, в то же время сохранять и
совершенствовать морфологическую структуру и функциональные отношения в нём за счёт использования
притока внешней энергии, тепло- влагопереноса и активной роли экосистемы.
ФГМС рассматриваются нами (повторяем - в качестве исследовательского объекта) как специфические
открытые структурно-функциональные образования1. В течение последних 30 лет мы пытаемся осмыслить и
исследовать через ФГМС самоорганизацию флювиального рельефа. Пионерной работой была короткая постановочная статья о саморазвитии рельефа, где впервые был затронут вопрос о его самоорганизации [8].
Потом было написано ещё несколько статей, важнейшая из них в «Геоморфологии» [9], а совместно с
А.В.Поздняковым монография, специально посвящённая самоорганизации [10] . Эти результаты, взятые вместе, постепенно вылились в концепцию, которая, возможно, приобретёт впоследствии статус новой парадигмы флювиальной геоморфологии [11]. Наиболее современный анализ этой проблемы содержится в монографии [12], изданной накануне этого Пленума. В ней на основе аналитического рассмотрения мирового опыт
исследования и моделирования проявлений самоорганизации, преимущественно во флювиальных сетях,
обобщены фундаментальные фрактальные и аллометрические закономерности этого феномена.
ФГМС демонстрируют яркое проявление способности рельефа быть целесообразно организованным и
реагирующим на человеческую деятельность подобно тому, как живое существо воспринимает раздражение
извне. Побочным по отношению к анализу рельефа как самоорганизующейся системы является геоинформационный аспект исследований. Идёт речь об определяющей роли информационных компьютерных технологий не только на методическом, но и на более глубоком парадигмально-концептуальном уровне. Наиболее
убедительно этот аспект проблемы характеризуют разработки С.В. В.Кострикова, который (иногда совместно
с автором этих строк) использует ГИС-технологии для получения качественно новых научных знаний. В
развернуто-доказательном виде они изложены в двух упомянутых выше коллективных монографиях: установлены индикативные свойства самоорганизации флювиальных сетей, закономерности ангулярности тройников
– элементарных ФГМС, фрактальных и аллометрических (не-фрактальных) свойств последних; доказаны критерии подобия флювиальных сетей и критерии диагностики различных состояний, моделируемых через
ФГМС
Происходит ли парадигмально-технологическая революция в геоморфологии? Ассимиляция опыта
ГИС-моделирования позволяет выдвинуть ряд обобщений относительно роли информационных технологий в
познании свойств самоорганизации вообще. Поскольку процессы морфогенеза не поддаются ни непосредственному наблюдению, ни управлению ими из-за пространственно-временных ограничений, приходится
прибегать к компьютерной симуляции. Такие научные результаты ранее определялись как знание, полученное «на кончике пера». Можно выделить три уровня такого опосредованного (через исследовательский объект) познания рельефа а) автоматизации известных задач; б) экспериментирования над использованием компьютеров и ГИС-технологий для морфологического анализа и в) формирования новой парадигмы вместе с
разработкой технологий для получения новых знаний (т.е. новое видение морфологии рельефа, несвойственное в прежней парадигме анализа). Суть третьего познавательного уровня, заменить феноменологическое
объяснение аналитическим методом. При этом, обнаруживаются закономерности, строго доказываемые задачи, которые раньше даже не ставились из-за невозможности их выявить традиционным взором. Из этого следует, на наш взгляд, что в учении о морфологии рельефа происходит парадигмально-технологическая революция. Происходит своего рода «дрейф» от центральной роли знаний и информации, присущей традиционной геоморфологии, к высоко формализованному применению таких знаний и информации для генерирования
новых знаний через высокие технологии в виде все более изощрённых программных продуктов, которые
обрабатывают информацию на новом «витке» возможностей, добывая из неё все более глубинные закономерности, чем обеспечивается восходящая спираль познания.
1
Следует отметить, что раньше мы не дифференцировали между собой натурный и исследовательский объекты, в связи
с чем приписывали свойства одного другому. – Примеч. авт.
Исследователи Харьковской университетской геоморфологической школы убеждены, что современной
геоморфологии недостаёт большего внимания к морфологии рельефа как его структурной основе, таящей в
себе в свёрнутом виде (в свёрнутом морфологическом коде, структурном языке) значительную информацию,
которая до сих пор добывается натурфилософским (историко-генетическим) анализом и синтезом. Очевидно,
что на традиционном пути нет возможности совладать с лавинообразным потоком информации о морфологии
рельефа, и возникает дилемма – либо остаться на обочине (подобно Остапу Бендеру, созерцающему автопробег – все учебники общей геоморфологии пересказывают замечательную книгу И.С.Щукина – но ведь ей 80
лет!), либо спекулятивно приписывать геоморфологии всякую новую концепцию, не утруждая себя строгим
доказательством правомочности такого «дрейфа понятий» - системная, системно-структурная, структурнофункциональная, самоорганизации, синергетическая – и что будет дальше? - либо ринуться в гущу современной науки, где господствующими средствами познания стали технологические – от цифровой и электронной топографической карты до визуализации в Googl’е, превосходящей по возможностям все ранее известное.
Но для этого надо научиться быть, так сказать, «адекватно-технологичными». Хочется напомнить, что геоморфология началась с удачных опытов диагностики тектонических структур по морфологии рельефа. Сейчас
такие возможности неизмеримо возросли, но практически не востребованы наукой, взятой в целом, и в
особенности – её образовательным звеном .
«Расширения» за пределы геоморфологии. Наверное, самой специфичной общесистемной чертой, которая порождена информационно-технологической революцией, является сетевая логика анализа совокупностей системных отношений. Оказывается, что морфология сети лучше всего приспособлена к растущей
сложности взаимодействий и к непредсказуемым заранее траекториям развития, возникающим, говоря высоким слогом, из творческой мощи таких взаимодействий. Интересным и показательным является то, что ещё 3
десятилетия назад, до провозглашения сети как основы информационного общества, уже было положено
начало использованию сетевой логики (сети – как инварианта рельефа) в познании геоморфосистем. Тогда
нами, в частности, был сформулирован руководящий принцип: логика модели должна отвечать структуре сети
рельефа. Это произошло также задолго до того, как сетевая логика приобрела общее признание в информационных технологиях.
Из этого можно сделать смелый вывод: наступило время, когда геоморфология как наука «в корне» системно-морфологическая приобретает актуальность именно благодаря тому, что естественные морфологические системы получили отображение в форме и образах исследовательских объектов: в конфигурациях, топологически родственных важным технологическим структурам современных ГИС-технологий , особенно
восприимчивым в «сетевом» обществе. Именно обстоятельство может быть парадигмальной основой современных и перспективных усилий науки в выявлении и упорядочении знаний о топологии информационного
общества.
Литература:
1. Арманд А.Д. Самоорганизация и геосистемы / Материалы XXVII Пленума Геоморфологической комиссии РАН. – Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2003.-С. 24-30.
2.Флоренсов Н.А. Очерки структурной геоморфологии. . - М.: Наука. - 1978. - 237 с.
3. Нежиховский Р.А. Русловая сеть басейна и процесс формирования стока. – Л.: Гидрометеоиздат. –
1971. – 476 с.
4. Світличний О.О., Чорний С.Г. Основи ерозієзнавства: підручник. Суми:Університетська книга.- 2007.
– 265 с.
5. Ковальчук І.П. Регіональний еколого-геоморфологічний аналіз- Львів: 1997. – 438 с.
6.Ласточкин А.Н. Системно-морфологическое основание наук о Земле (геотопология, структурная география и общая теория систем). – СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. – 762 с.
7.Черваньов І.Г., Костріков С.В., Воробйов Б.Н. Флювіальні геоморфосистеми: дослідження й розробки
Харківської геоморфологічної школи / За ред. І.Г. Черваньова – Харків: Вид-во ХНУ, 2006. – 322 с.
8.Черванёв И.Г. Аспекты структурно-функционального анализа рельефа для оптимизации природопользования // География и природные ресурсы. - 1985. - № 2. - С. 120-125.
9.Черванёв И.Г. Самоорганизация рельефа: структура, функции, организация, управление в геоморфологических системах флювиального типа // Геоморфология. - 1989. - № 4. - С. 17-25.
10. Поздняков А.В., Черванёв И.Г. Самоорганизация в развитии форм рельефа. - М.: Наука, 1990. - 204с.
11. Костріков С.В., Черваньов І.Г. Морфологія рельєфу як керуюча ланка гідролого-геоморфологічного
процесу на водозборі / // Фізична географія та геоморфологія. Міжвідомчий науковий збірник. – Київ, 2009. –
С. 67-74.
12.Костріков С.В., Черваньов І.Г. Дослідження самоорганізації флювіального рельефу на засадах синергетичної парадигми сучасного природознавства – Харків: ХНУ ім.. В.Н.Каразіна. 2010. – 144 с.