Current state of green infrastructure in Tyumen

Full Text

Урбанизация — ведущая современная тенденция развития общества, которая проявляется в увеличении городских площадей, сопровождается экологическими проблемами, связанными с преобразованием растительного покрова, разрушением среды обитания живых организмов [1, 2], изменением потоков энергии, локальным повышением температуры [3–6], нарушением водных и углеродных циклов [7–9].

Наиболее эффективным способом смягчения негативных последствий урбанизации является развитие растительного покрова в пределах городской территории. Растения улучшают качество воздуха, очищают его от пыли и загрязняющих веществ, поглощают выбросы диоксида углерода (СО₂), способствуют снижению шума, регулируют температурный режим, сток ливневых вод [10–15]. Зеленые насаждения оказывают благоприятное воздействие на психологическое и физическое здоровье человека [16–19]. Городскую растительность можно использовать в качестве эффективного инструмента для создания устойчивой и комфортной среды обитания для человека. Наличие развитой зеленой инфраструктуры, к которой относятся имеющиеся и сохраненные природные территории и городское озеленение, вновь созданное и поддерживаемое человеком, обусловливает успешное функционирование городских экосистем. В связи с этим изучению городских зеленых насаждений уделяется огромное внимание [20–29].

В настоящее время для рационального планирования и управления городским озеленением назрела острая необходимость в данных о пространственной структуре городской растительности и ее изменении во времени. Наиболее полные данные получают с помощью полевых исследований, однако в случае крупных городских масштабов, исключительным источником данных о городском растительном покрове являются геоинформационные системы (ГИС), функционирующие на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [30–36]. В зависимости от цели исследования используются различные индексы, связанные с ДЗЗ. Наиболее простым и информативным является нормализованный относительный индекс растительности — Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) [37, 38]. NDVI применяется для идентификации и оценки состояния растительности в городской местности [32–41] и анализа пространственно-временны́х изменений растительного покрова [30, 42, 43].

Несмотря на огромный интерес к использованию методов ДЗЗ в мире, в России подобные исследования не имеют широкого распространения [31–36].

Цель работы

Цель работы — комплексная оценка современного состояния зеленой инфраструктуры города Тюмени с помощью методов дистанционного зондирования Земли и выявление основных проблем и направлений для ее развития.

Материалы и методы

Описание района работ. Тюмень — административный центр Тюменской области, один из активно развивающихся научных, культурных, образовательных и инвестиционно привлекательных городов России и Западной Сибири. В последние годы город занимает ведущие позиции по объему жилищного строительства. Площадь городского округа Тюмень составляет 698,48 км². По состоянию на 2024 г. в городе проживает 861,1 тыс. жителей [26].

Тюмень располагается в умеренном поясе в пределах юго-западной части Западно-Сибирской равнины, у восточной границы Туринской равнины, высота н. у. м. составляет 50…120 м. Климат континентальный, среднегодовая температура воздуха +0,3 С, средняя температура января –17,8 С, июля +17,2 °С. Средняя продолжительность вегетационного периода составляет 120…125 дней. Годовая сумма осадков 457 мм [44].

Ландшафт города равнинный с чередованием холмистых и ровных участков. Гидрографическая сеть представлена р. Турой и ее притоками — Бабарынкой, Ключами, Тюменкой. Относительно широко в черте города распространены озера, большинство из которых являются старицами р. Туры. Пойма р. Туры протягивается через центральную часть города, достигает ширины от 3 до 4 км. В пойме хорошо выражены надпойменные террасы высотой до 20…30 м и более над урезом воды [45]. Для Тюмени характерна близость грунтовых вод к поверхности почв.

Почвенный покров представлен преимущественно дерново-подзолистыми, серыми лесными, торфяно-болотными, лугово-болотными почвами, выщелоченными черноземами, а также слабооподзоленные песчаные почвы. На пустырях, под постройками и различными объектами городской инфраструктуры почвы в различной степени антропогенно трансформированы [44, 46].

По ботанико-географическому районированию Тюмень расположена в подзоне мелколиственных лесов, или подтайге. Подзона характеризуется преобладанием березовых и осиново-березовых лесов. На территории города широко распространены представители злаково-разнотравной растительности лугов (иногда заболоченных). В южной части города произрастают массивы сосновых лесов, как правило, преобразованные в вследствие антропогенной деятельности. В пойме р. Туры, которая часто подвергается паводкам, в основном представлена травянисто-кустарниковая растительность. В северной части города располагается Тарманский озерно-болотный комплекс с преобладанием в понижениях рельефа осоковых лугов. На озелененных территориях в пределах городской застройки практически все виды древесно-кустарниковой растительности являются искусственными насаждениями [47].

Расчет вегетационного индекса. Для исследования городской системы озеленения были использованы мультиспектральные космические данные продукта Sentinel-2А, предоставленные с сайта геокосмической информации [48]. При отборе снимков ключевыми критериями служили минимальная облачность и период максимального развития вегетационной массы. Временны́м интервалом для исследования выбран июль 2024 г. (месяц пика вегетации). Было доступно 23 космоснимка территории Тюмени с разным уровнем облачности — 0 до 88 %, из которых отобрали снимки с минимальными значениями облачности (<10 %). Данные, полученные с помощью продукта Sentinel-2A, имеют разрешение 10 м и каждый пиксель на космическом изображении соответствует размеру 10×10 м на местности. Такая детализация позволяет точно дифференцировать различные типы поверхности: лес, водные объекты, почвы, дороги и застроенные территории, что особенно важно при анализе зеленой инфраструктуры города [32, 35, 49].

В процессе обработки космических данных был выполнен NDVI в геоинформационной системе QGIS 3.36. С помощью этого индекса проведен анализ распространения и текущего состояния системы озеленения Тюмени. NDVI рассчитывается как отношение разности между ближней инфракрасной и красной отражательной способностью к их сумме. Этот показатель позволяет оценить степень развития растительного покрова [50]. Общая формула для расчета индекса имеет вид

$\text{NDVI}=\frac{\text{NIR}–\text{Red}}{\text{NIR}+\text{RED}},$

где NIR — отражение солнечного света в ближнем инфракрасном диапазоне;

RED — отражение солнечного света в красном диапазоне спектра [51, 52].

Диапазон значений NDVI изменяется от –1 до +1. Наличие растительности фиксируется его положительными значениями. Высокие значения соответствуют областям с густой растительностью.

Выделение функциональных зон города. Разработана детализированная векторная карта функционального зонирования территории городского округа Тюмень (рис. 1). На ее основе оценены показатели уровня озеленения и доли древесного покрова. Для повышения точности анализа городские функциональные зоны были разделены на отдельные выделы. В результате выполненных работ отрисовано 3065 выдела (см. рис. 1), объединенные в шесть основных функциональных зон города: жилую, общественно-деловую, рекреационную, промышленную, специального назначения и сельскохозяйственную.

 

Рис. 1. Функциональное зонирование г. Тюмени [53]: МлЖЗ — малоэтажная жилая застройка; МнЖЗ — многоэтажная жилая застройка; ДОК — объекты делового, общественного и коммерческого назначения; ОД — общественно-деловые объекты; СЦО — специализированные центры обслуживания; СКО — спортивные комплексы; ОИКЦ — объекты историко-культурного центра; ПИКТ — промышленные, инженерные, коммунальные и транспортные объекты; УДС — улично-дорожная сеть; ВТ — внешний транспорт; ГЛ — городские леса; ООТ — объекты отдыха и туризма; ОТОП — озелененные территории общего пользования; ПЛ — природный ландшафт; ПСС — полигоны для складирования снега; РО — режимные объекты; РН — ритуального назначения; СОД — садовые и дачные объекты; СХ — сельскохозяйственные объекты

Fig. 1. Functional zoning of Tyumen [53]: MLZHZ — low-rise residential buildings; MNZHZ — multi–storey residential buildings; DOCK — business, public and commercial facilities; ML — public and business facilities; NSC — specialized service centers; SKO — sports complexes; DECC — historical and cultural center facilities; PICT — industrial, engineering, municipal and transport facilities; UDS — street and road network; VT — external transport; GL — urban forests; OOT — recreation and tourism facilities; OOT — green areas of common use; PL — natural landscape; PSS — landfills for storing snow; RO — high–security facilities; PH — ritual purposes; SOD — garden and suburban; CX — agricultural

 

Оценка уровня озеленения и доли представленности древесных насаждений. Расчет уровня озеленения и доли представленности древесных насаждений осуществлен в геоинформационной системе QGIS 3.36 с помощью специализированных модулей. Под показателем «уровень озеленения» в настоящей работе следует понимать соотношение количества пикселей, отображающих растительность, к общему числу пикселов в пределах функционального выдела. Были учтены все типы растительности — травянистой, кустарниковой, древесной, которая произрастает в пределах города. Аналогичный подход применен для анализа показателя «доля древесных насаждений». В этом случае были учтены все древесные насаждения, включая одиночные деревья, рядовые посадки, групповые насаждения и лесопарковые зоны.

В основе анализа рассчитанных показателей лежали данные растрового слоя карты (рассчитанный вегетационный индекс) и векторного слоя (функциональное зонирование). В модуле «Зональная статистика» были определены средние, минимальные и максимальные значения NDVI для каждой функциональной зоны города. Далее с помощью «Калькулятора растров» были получены карты NDVI со значениями от 0,2 до 1,0 (вся растительность) и от 0,7 до 1 (исключительно древесная растительность). В модуле «Зональная гистограмма» получены необходимые итоговые значения для расчета показателей. В завершение с помощью инструмента «Калькулятор полей» были определены уровень озеленения (%) и доля древесных насаждений (%) по функциональным зонам Тюмени. Анализ полученных результатов проводился с шагом 10 % (от 0 до 100 %), что целесообразно для анализа больших городов и распределения объектов зеленой инфраструктуры [31].

Результаты и обсуждение

Анализ значений NDVI. На основе ранжирования значений NDVI для Тюмени установлено, что его значения находятся в пределах от –0,2 до +0,96 (рис. 2).

 

Рис. 2. Карта территории городского округа Тюмень, классифицированной на основе ранжирования значений NDVI

Fig. 2. Tyumen territory map based on the ranking of NDVI values

 

Ранее зарубежными и отечественными коллегами [31, 32, 35, 36, 39, 40] было показано, что городские территории, имеющие значение NDVI ниже 0,2, характеризуются как участки без растительности. Для Тюмени получены схожие результаты. На карте красным цветом обозначены участки города со значением NDVI в пределах от –0,2 до 0, что указывает на полное отсутствие растительного покрова. Отрицательные значения NDVI характерны для участков с различными водными объектами, например р. Тура и ее пойменные водоемы.

Городские территории (на карте показаны оранжевым цветом), которым соответствуют значения NDVI 0…0,2, характеризуются сильно разреженным растительным покровом и высокой долей непроницаемых искусственных покрытий, таких как бетон и асфальт, например: тротуары, автомобильные дороги, асфальтированные площадки, промышленные предприятия, многоэтажные жилые дома, торгово-развлекательные центры, песчаные карьеры и т. п. Площадь таких непроницаемых участков в Тюмени составляет 415 км² (59,5 %).

Большая доля непроницаемых участков сосредоточена в центральной и юго-восточной частях города, где располагается застройка с переменной этажностью и новая высокоплотная жилая застройка (см. рис. 2). Например, новые районы многоэтажной жилой застройки (Ново-Патрушево, Тюменская слобода, Плеханово, новые микрорайоны в Заречной части и другие). Территория многих жилых комплексов на 85 % состоит из искусственных поверхностей и только 15 % приходится на газоны у жилых зданий с травянистой растительностью и недавно высаженными кустарниками и деревьями. Ранее было показано [26], что именно эти участки Тюмени создают тепловой стресс для населения в летний период и требуют «охлаждающего эффекта». Если учесть, что здесь проживает около 87 % населения города, становится очевидной необходимость увеличения плотности растений в густонаселенных районах города.

Неоднократно было показано, что именно городские участки с непроницаемыми поверхностями характеризуются повышенными значениями температуры и приводят к возникновению эффекта городского теплового острова [26, 54], который представляет опасность для здоровья населения. К примеру, он влияет на вертикальное перемешивание загрязнителей воздуха и определяет их дневную концентрацию, что приводит к респираторным заболеваниям [41] и может вызывать тепловой стресс организма, характеризующийся нарушением физиологических процессов терморегуляции [11].

Значения NDVI в пределах от 0 до 0,1 имеют также участки с расположенными в их пределах неглубокими озерами (оз. Алебашево), прудами (Южный, Чистый, Дамбовский, Школьный и т. д.) и промышленными карьерами.

Районам города с малоэтажной жилой застройкой (коттеджи и частный сектор) в микрорайонах Нефтяник, Парфеново и садовым и дачным товариществам (Геолог-3, Автотранспортник-2, Солнышко и др.) характерны значения NDVI 0,2…0,35. Застройка здесь менее плотная, доля непроницаемых поверхностей ниже, соответственно, выше площадь озелененных пространств: придорожные газоны и древесно-кустарниковых насаждений (преимущественно из тополя, клена, березы, липы яблони) вдали домов и улиц, а также во дворах. Диапазон более высоких значений NDVI 0,2…0,55 отмечен для некоторых участков с разреженным травянистым покровом, например, с луговой растительностью в пойме р. Туры и на городской набережной.

Территории небольших скверов, зеленых зон у жилых и общественных зданий, а также участки вдоль крупных автомобильных дорог имеют диапазон значений NDVI 0,35…0,55. Здесь развит растительный покров из травянистых растений в сочетании с редкими деревьями и кустарниками.

Значения NDVI выше 0,5 характерны для городских территорий с хорошо развитым растительным покровом [39, 40]. Участки ландшафтов с луговой и кустарниковой растительностью, которым соответствуют значения вегетационного индекса от 0,55 до 0,7, показаны зеленым цветом (см. рис. 2), например влажные луга и заросли кустарников в пойме р. Туры. Городские территории с максимальными значениями NDVI 0,7…1 окрашены синим цветом (см. рис. 2) — это участки с древесными насаждениями.

Анализ уровня древесных насаждений по функциональным зонам. Доля древесных насаждений достигает самых высоких показателей в рекреационной функциональной зоне (таблица, рис. 3). Это природные и природоподобные ландшафты: участки городских сосновых и березовых лесов, парки — Лесопарк им. Ю.А. Гагарина, Гилёвская роща, Плехановский бор, Верхний бор и др., скверы — Сквер Нефтяников, Сквер Сибирский и др., Памятник природы регионального значения «Тополя».

 

Оценка современного состояния зеленой инфраструктуры (г. Тюмень)

Assessment of the current state of the Tyumen city’s green infrastructure

Функциональная зона	Площадь, км2	Уровень озеленении, %	Доля древесных насаждений, %
Жилая зона, всего	85,5	45	5
в том числе  зона малоэтажной застройки  зона многоэтажной застройки		51 39	6 4
Общественно-деловая зона, всего	61,6	50	10
в том числе  историко-культурный центр  специализированные центры обслуживания  общественные, деловые и коммерческие объекты  спортивные комплексы и сооружения		20 67 34 61	5 12 6 16
Зона производственной, инженерной и транспортной инфраструктуры, всего	97,5	57	9
в том числе  зона внешнего транспорта  улично-дорожная сеть  производственные, коммунальные, инженерные и складские объекты		67 45 60	5 7 15
Рекреационная зона, всего	207,4	83	37
в том числе  городские леса  озелененные территории общего пользования  природные ландшафты  объекты отдыха и туризма		95 70 92 74	52 39 50 7
Зона специального назначения, всего	8,65	63	17
в том числе  зона полигонов для складирования снега  режимные объекты  зона ритуального назначения		47 46 95	6 6 38
Сельскохозяйственная зона, всего	176,2	87	22
в том числе  территории сельскохозяйственного назначения  территории садоводческих хозяйств		93 82	30 15
Всего по городу*	636,85	64	16
*Общие данные приведены без учета площади водных объектов и некоторых территорий, не отнесенных к функциональному зонированию.

 

Рис. 3. Доля древесных насаждений на территории городского округа Тюмень

Fig. 3. The proportion of tree plantations in Tyumen

 

В зонах специального назначения участие древесных растений выше, в частности на участках ритуального назначения (Текутьевское кладбище) и сельскохозяйственной зоне с неблагоустроенными территориями, покрытыми древесно-кустарниковой растительностью, которые расположены в северо-восточной части города.

В селитебной части города доля площадей, занятых древесными насаждениями, не превышает 20 %. Участки с деревьями отмечены на участках торгово-развлекательных и спортивных объектов, вдоль автомобильных дорог (Тобольский проспект, Текутьевский бульвар, ул. Береговая, Сиреневая и др.).

Самая низкая представленность древесных насаждений отмечается в зоне жилой застройки (см. таблицу, рис. 3). При этом доля древесной растительности выше в зоне малоэтажной застройки 1960–1980 гг. и ниже — в районах 12–16-этажной застройки 2000–2020 гг. Кварталы с новой многоэтажной застройкой занимают большую площадь города. Особенно активно застраиваются высокие террасы правобережья и заболоченные низкие террасы левобережья р. Туры. В новых кварталах зеленая инфраструктура только начала формироваться и редкие посаженные деревья не успели разрастись.

В целом в Тюмени только 22 % площади занято древесными насаждениями. Соответственно, почти 80 % территории города (558,8 км²) характеризуются низким уровнем участия древесных растений — менее 30 % (см. таблицу, рис. 3). Особенно остро дефицит деревьев наблюдается в кварталах с новой многоэтажной застройкой. В то же время именно на древесные растения приходится широкий спектр экосистемных услуг. Соответственно, при планировании очень важно уделить пристальное внимание более масштабному внедрению древесных растений в городское озеленение.

Характеристика уровня озеленения города. Озелененность функциональных зон напрямую связана с NDVI. Чем выше его значение, тем выше больше степень озеленения, и наоборот. С помощью общего количества пикселей со значениями NDVI, соответствующими растительности, построена дифференцированная картосхема озелененности (рис. 4). В целом низким уровнем озеленения характеризуются центральная застроенная часть города, а по направлению к окраинам уровень озеленения повышается, достигая максимальных значений.

 

Рис. 4. Дифференцированная картосхема значений уровня озелененности городского округа Тюмень

Fig. 4. Differentiated cartography of the landscaping in the city of Tyumen

 

Самый высокий уровень озеленения — 60…100 % характерен для рекреационной и сельскохозяйственной функциональных зон. В пределах рекреационной зоны максимальные значения озелененности отмечены на участках природных ландшафтов и городских лесопарков — 92 и 95 % соответственно. На озелененных территориях общего пользования и в туристических зонах уровень озеленения снижается (70 и 74 % соответственно), что отражает наличие искусственных поверхностей и сокращение растительного покрова. Примечательно, что одни из самых высоких показателей озеленения обнаружены в зоне специального назначения на территориях городских кладбищ (см. таблицу).

В селитебной части города (80 км², или 55 % площади) уровень озеленения не превышает 50 %. В жилой зоне процент озеленения территории ниже средних значений по городу. В частности, в зоне многоэтажной застройки он составляет 39 %, а в историко-культурном центре города, где сосредоточена туристическая инфраструктура — только 20 % (см. табл. 1).

Выводы

Анализ уровня озеленения г. Тюмени с помощью методов ДЗЗ показал крайне неравномерное распределение зеленых насаждений по территории города. Высокий уровень озеленения характерен для периферийных районов города, где сохраняются участки природных ландшафтов. Селитебная часть города испытывает острый недостаток зеленых насаждений. Зоны жилой застройки, общественно-деловая, производственной и инженерной инфраструктуры характеризуются самым низким уровнем озеленения. В центральной части города, в районах жилой застройки, отсутствуют крупные лесопарки (ядра экологического каркаса), и они не связаны между собой. Система коридоров (пешеходные аллеи, бульвары), связывающая между собой узлы экологического каркаса (небольшие парки, скверы) развита слабо или отсутствует.

Еще одна особенность зеленой инфраструктуры г. Тюмени — недостаток древесных насаждений: почти 80 % территории города (558,8 км²) характеризуется низким уровнем участия древесных растений — менее 30 %. Особенно остро дефицит деревьев наблюдается в кварталах с новой многоэтажной застройкой. Отчасти это можно объяснить тем, что в новых кварталах зеленые насаждения только начинают формироваться, имеют небольшой возраст и не успели разрастись. Обширные участки городской набережной у р. Туры лишены древесной растительности по объективным причинам.

Обширная площадь, занимаемая непроницаемыми искусственными поверхностями (около 60 %), и недостаток древесных насаждений, которыми занято только 22 % площади города, отрицательно сказываются на состоянии окружающей среды, особенно в условиях глобальных климатических изменений.

Для улучшения экологической обстановки и формирования комфортной среды для населения необходимо увеличение как общей площади озелененных пространств, так и доли древесных насаждений. С этой целью, в программы развития города следует включать разработку и реализацию мероприятий по следующим направлениям:

• отведение площадей и создание крупных лесопарковых комплексов, в первую очередь в зонах массового жилищного строительства;
• интеграция долины р. Туры и ее притоков в систему зеленых коридоров экологического каркаса;
• увеличение доли древесных насаждений вдоль линейных объектов — защитных полос вдоль железных дорог и автомагистралей, формирование озелененных пешеходных аллей и бульваров;
• повышение общего уровня озеленения зон жилой застройки и производственного назначения, в том числе за счет точечного озеленения и формирования нестандартных зеленых пространств (мобильных объектов, террас жилых домов и общественных зданий, дренажных систем, живых изгородей и т. п.).

В качестве одного из мероприятий можно предложить разработку правил благоустройства улиц, общественных пространств, дворов. Подобные работы проведены в г. Екатеринбурге [55]. Отличительной особенностью новых стандартов благоустройства должна стать идея обеспечения равновесия природных и антропогенных элементов города, устойчивости городских экосистем, сохранения биологического разнообразия на городской территории и повышения качества жизни населения. Особое внимание следует уделить набережным, поскольку сегодня их благоустройство представлено гранитными парапетами и мощением, в связи с чем возникают тепловые острова и участки с повышенной ветровой нагрузкой, непригодные для использования в рекреационных целях.

 

Работа выполнена в рамках государственного задания Института комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, тема № 1021062311241-6-1.6.20;1.6.22;1.6.15;1.15.12 (FWUG2024-0005); Института проблем освоения Севера Тюменского научного центра СО РАН, тема № 1025031300145-5-1.5.1 (FWRZ-2026-0022); Ботанического сада УрО РАН, тема № 123112700111-4. Работа выполнена при поддержке ООО «Брусника» в рамках направления деятельности НИОКР «Устойчивый ландшафт. Расширенные возможности озеленения».

About the authors

Dmitriy V. Zhuchkov

Institute for Complex Analysis of Regional Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (ICARP FEB RAS)

Author for correspondence.
Email: dmitry.zhuchkov.2000@mail.ru

Junior Researcher

Russian Federation, 4, Sholom Aleichem st., 679016, EAO, Birobidzhan

Valeriy A. Glazunov

Tyumen Scientific Centre SB RAS

Email: v_gl@inbox.ru

Cand. Sci. (Biology). Senior Researcher

Russian Federation, 86, Malygina st., 625026, Tyumen

Alena S. Tret'yakova

Botanical Garden of the Ural Branch of the RAS

Email: as.tretyakova1@yandex.ru

Dr. Sci. (Biology), Director

Russian Federation, 202a, 8 Marta st., 620144, Yekaterinburg

Denis M. Fetisov

Institute for Complex Analysis of Regional Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences (ICARP FEB RAS)

Email: dmf.mail@yandex.ru

Cand. Sci. (Geography), Senior Researcher, Director

Russian Federation, 4, Sholom Aleichem st., 679016, EAO, Birobidzhan

Aleksandr G. Burtsev

The R&D department of LLC «Brysnika»

Email: a.burtsev@brusnika.ru

Head of the Scientific Research Department

Russian Federation, 18 Gogol st., 620026, Yekaterinburg

Aleksey V. Khrichenkov

The R&D department of LLC «Brysnika»

Email: khrichenkov@brusnika.ru

Head

Russian Federation, 18 Gogol st., 620026, Yekaterinburg

References

Supplementary files