РОЗДІЛ 1. Теоретико-методичні основи досліджень

Як просторово-часові утворення природні геосистеми характеризуються одночасним сполученням діалектично пов'язаних протилежних властивостей - мінливості та стійкості (усталеності). Мінливість обумовлена як впливом зовнішніх факторів, так і процесами саморозвитку (саморегулювання, самоорганізації); вона може бути визначена як здатність геосистем існувати в різних мінливих станах. Серед компонентів природи найбільш чутливими до зазначених змін є атмосферне повітря і вода, а найстійкішими є гірські породи і рельєф; проміжне положення займають біота і ґрунти. Зміни можуть бути зворотними та незворотними. Якщо геосистема після певного впливу змінилася, але потім повернулася до свого початкового стану, це буде зворотна зміна. Природний період повернення до початкового стану називають характерним часом (напр., період відновлення лісових біогеоценозів після вирубки становить 100-150 років). А якщо після порушень відновлення минулих характеристик не відбувається, це є незворотною зміною.

Мінливість геосистем існує завдяки постійним процесам функціонування, динаміки та розвитку в геосистемах, що приводять до змін їхнього стану. Функціонування геосистем - це сукупність постійно діючих процесів, які поступаються один одному протягом доби, днів, місяців, сезонів року та ін. Можна ще сказати, що функціонування -це сукупність процесів передачі і перетворення речовини та енергії в системі, яка підтримує її в певному стані. Тобто в результаті цих процесів відбуваються невеликі кількісні зміни компонентів природи, які зазвичай мають ритмічний (добовий, сезонний) характер. Наприклад, випаровування і транспірація в сонячний день значно вищі, ніж у дощову погоду. Ці процеси необхідно особливо уважно враховувати при проектуванні таких природно-технічних геосистем, функціонування яких залежить від стану їхньої природної складової (сільськогосподарські, меліоративні).

Динаміка геосистем - це сукупність усіх зворотних змін, що відбуваються у межах єдиної структури і не приводять до якісних перетворень геосистем. До них можна віднести багаторічні періодичні коливання властивостей геосистем, відновлювальні зміни їхніх станів (напр., відновлення лісових біогеоценозів після вирубок і пожеж). Хоч у процесі динамічних змін не відбувається зміни структури, але йде повільна підготовка до неї. Урахування динамічних станів є дуже важливим при проектуванні, оскільки в результаті аналізу сучасних серійних рядів геосистем можна прогнозувати зміни серійно-динамічного ряду під впливом геотехсистеми, що проектується. Наприклад, надлишкове зрошення може призвести до заболочування та засолення ґрунтів; створення водосховищ - до підтоплення або обвалювання їхніх берегів.

Розвиток (еволюція) геосистем — це незворотна, направлена, поступальна зміна, що викликає корінну перебудову їхньої структури. Розвиток виражається в якісному перетворенні компонентів природи і формуванні нових геосистем, що пов'язано як із зовнішнім впливом (природним і антропогенним), так і з внутрішніми причинами (саморозвитком). У природних умовах зміна структури відбувається поступово (напр., заростання озер, заболочування лісів тощо), але за інтенсивного антропогенного впливу вона може йти дуже швидко і навіть призводити до деградації ландшафтів.

Уявлення про еволюцію геосистем особливо важливе при проектуванні геотехсистем (ГТС) довготривалої дії. Важливо передбачити можливі зміни станів ландшафтів, які можуть відбутися як у результаті саморозвитку або зміни природних умов, так і під впливом функціонування системи, що проектується. У результаті довготривалого розвитку у структурі геосистеми можуть співіснувати елементи різного віку: 1) реліктові, які збереглися з минулих епох і служать індикатором історії розвитку; 2) консервативні, що найповніше відповідають сучасній структурі; 3) прогресивні, які свідчать про можливі тенденції розвитку і становлять основу прогнозу.

І, нарешті, стійкість природних геосистем - це їхня здатність зберігати свою структуру і стан під впливом зовнішніх (природних і антропогенних) навантажень. Це властивість, протилежна мінливості геосистем, але діалектично пов'язана з нею. Визначення ступеня стійкості ландшафтів до різних видів впливів, до різних антропогенно-техногенних навантажень є однією з головних проблем проектування. Стійкість природних геосистем забезпечується в основному за рахунок процесів самоорганізації та саморегулювання, а інтегральних - значною мірою регулюванням і керуванням з боку суспільства. Навантаження на геосистему можливе до певних меж, за яких зняття навантаження призводить до повернення геосистеми практично у попередній стан за рахунок саморегулювання.

1.2.2. Властивості інтегральних геосистем

Складність вивчення інтегральних геосистем обумовлена подвійною природою цих утворень. З одного боку, зберігаючи природні властивості, вони розвиваються за природними законами; з іншого - вони знайшли соціальні якості, що визначаються законами розвитку суспільства. Подвійність характеризує й основні ознаки інтегральних геосистем. По-перше, до їхнього складу поряд з природними компонентами входять елементи матеріальної діяльності людей у вигляді культурних рослин, штучно створених об'єктів, істотно змінених компонентів природи тощо (рис. 2). По-друге, їх відрізняє складне сполучення процесів природного саморегулювання та управління. Оскільки у цих комплексів порушений механізм саморегулювання, вони можуть існувати лише за підтримки з боку людини. Яскравим прикладом можуть служити рисові плантації - вони функціонують тільки в результаті постійної боротьби людей з мусонними зливами, повенями, бурхливою тропічною рослинністю, завдяки підтримці штучного водного режиму та штучному надолуженню втрат ґрунтової родючості.

Рис. 2. Структурна схема інтегральної геосистеми (А) та геотехсистеми (В): 1 - техногенні елементи; 2 - технічні засоби; 3 - блок управління; 4 - керований блок системи; 5 - зв'язки між компонентами

У результаті взаємодії природи та суспільства формуються складні інтегральні і функціональні геосистеми різного рівня (виробничі, демоекологічні, природно-технічні та ін.), котрим також притаманні певні властивості. Оскільки в цих утвореннях взаємодія суспільства і природи носить системний характер, вони мають усі системні риси - взаємозв'язки елементів, єдність, цілісність. Як і в природних геосистемах, будь-який вплив тягне за собою цілий ланцюг змін унаслідок тісного вертикального і горизонтального взаємозв'язку окремих компонентів і частин геосистеми.

Важливою особливістю інтегральних геосистем є нерівнозначність їхніх основних блоків природа і суспільство. Особлива роль належить суспільству, яке здатне проектувати шляхи розвитку геосистеми в цілому та впливати за допомогою керування на її функціонування і динаміку. Суперсистема суспільство - природа є різнорідною, багаторівневою. У підсистемі "суспільство" виділяють такі блоки (підсистеми 2-го порядку):

- господарсько-територіальні виробничі комплекси;

- населення - групи людей, організовані за територіальною ознакою;

- органи управління.

Кожна із цих підсистем, у свою чергу, має набір взаємопов'язаних компонентів. Підсистема "природа" - це й є природні геосистеми та їхні компоненти.

Інтегральні геосистеми, як і природні, також мають територіальну диференціацію та інтеграцію, у результаті чого їхній склад змінюється від місця до місця, до них у різному співвідношенні входять техніко-економічні, соціально-економічні та природні підсистеми. Тому територіальна диференціація інтегральних геосистем складніша та різноманітніша, ніж природних. Кількість різних варіантів територіальної диференціації та інтеграції цих геосистем значно більша, ніж природних. Інтегральні геосистеми та їхній особистий випадок - природно-технічні системи - поділяються за типом призначення (функції) або видом перетворення природи. Так, до сільськогосподарського типу ПТГС належать поля, сінокоси, городи, меліоративні системи. У той же час останні разом з водосховищами, каналами, ставками можуть бути віднесені й до водогосподарських систем. Ті ж водосховища можуть бути розділені за функцією, що переважає: загальне водопостачання, енергетична, рекреаційна, рибогосподарська та ін.

Крім просторової організації, інтегральні геосистеми, як і природні, мають також часову організованість. Специфіка часової організованості інтегральних геосистем визначається, насамперед, тим, що ці системи - гетерогенні. Різна тривалість, а іноді незбіг циклів і ритмів функціонування і розвитку природних та антропогенних підсистем створюють значні труднощі в дослідженні взаємодій цих циклів у межах цілісних ПТГС. Природні підсистеми завжди первинні, техногенні - вторинні, і перші завжди "доросліше" других. До того ж життя природних підсистем набагато триваліше, ніж технічних. При цьому терміни життя останніх, як правило, визначаються людиною, як і життя інтегральної системи в цілому. Вторинність технічних підсистем визначає і вторинність їхньої часової організації - ритмів, циклів їхнього функціонування і динаміки. Саме тому для нормального функціонування ПТГС у цілому необхідно узгодження часової організованості технічної підсистеми з організованістю природи, тому що зламати природні ритми і цикли практично неможливо - до них можна лише пристосуватися.

Часова організованість технічної підсистеми, на відміну від природної, повністю залежить від людини, вона керована, але не відрізняється стійкістю і потенційно може завжди давати збої. Цикли розвитку суспільства взагалі, а отже, і техніки нерівномірні. До того ж спостерігається стійка тенденція скорочення тривалості цих циклів - перевороти в науці й техніці спочатку відбувалися через тисячоліття, потім - через століття, у наш час - кожні 40-50 років, а зміна поколінь техніки - через 5-10 років. Специфіку часової організованості інтегральних геосистем необхідно враховувати при проектуванні, створенні й управлінні ГТС будь-яких типів і рангів, оскільки вони мають функціонувати як цілісні системи, узгоджені з навколишнім середовищем. Узагалі часову організованість інтегральних геосистем слід розглядати не як мінливість їх у часі, а як один із способів збереження упорядкованості - циклічності, ритмічності, що забезпечує стійкість геосистеми в більш або менш тривалий період часу. Тобто можна сказати, що спостерігається деяка діалектично суперечлива єдність мінливості та стійкості - циклічна ритмічна мінливість геосистем забезпечує їхню стійкість.

Інтегральним геосистемам також притаманні стійкість і мінливість. Але на відміну від природних геосистем їхня стійкість і мінливість забезпечується сполученням процесів самоорганізації та керування. Мінливість (властивість змінюватися) буде тим менше, чим більше стійкість до різних зовнішніх впливів. Мінливість геосистем оцінюється за глибиною змін окремих компонентів. Зміни інтегральних геосистем можуть бути оборотними та необоротними, прогресивними та регресивними. Якщо після антропогенно-техногенного впливу геосистема через певний проміжок часу повертається до колишнього стану, можна говорити про оборотні зміни. Якщо ж повернення не відбувається, це будуть необоротні зміни. Прогресивними вважаються такі зміни, які призводять до збільшення продуктивності ландшафту; регресивні зміни, навпаки, пов'язані з порушенням ресурсо- та середовищетвірних функцій ландшафту.

Під стійкістю інтегральних геосистем і надійністю ГТС розуміють їхню здатність продовжувати виконання заданих суспільством соціально-економічних функцій при зовнішніх природних та антропогенно-техногенних впливах. Стійкість не може бути однаковою до різних видів впливу, тому вона має оцінюватися відносно певного виду природокористування (гірничодобувна промисловість, сільська чи міська забудова, рекреація та ін.) та сукупності впливів. Стійкість інтегральних геосистем визначається не стільки стійкістю самих підсистем, скільки стійкістю зв'язків між ними. При цьому під стійкістю зв'язків розуміють не лише їхню різноманітність, гнучкість, щільність тощо, але Й їхню часову організованість - своєчасне та швидке виконання кожної операції, суворе дотримання їхньої послідовності. Надійність ПТГС можна визначити як здатність виконання геосистемою суспільних функцій, які на неї покладено (до певних меж - певного навантаження).