Введение к работе
Актуальность работы. Санкт-Петербург расположен в замыкающем звене крупнейшей в Европе водной системы, имеющей стратегическое значение для экономического и социального развития города. Водосбор Невской водной системы включает 5 крупных областей России, Карелию, небольшие территории Белоруссии и Финляндии. Самой характерной чертой окружающей Санкт-Петербург природной среды является обилие водного пространства, занимающего 10 % территории города.
Водная система Ладожское озеро - р.Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива является важным стратегическим ресурсом многофункционального назначения. Отдельные отрасли хозяйства, являясь потребителями и пользователями водных ресурсов, оказывают негативное влияние на экологическое состояние водной среды. Увеличение грузооборота в восточной части Финского залива требует в настоящее время выработки кардинальных мер по снижению негативных воздействий на водную среду. Прогноз развития портовых комплексов и полуторократного увеличения грузооборота (около 40% составят нефтепродукты) приведет к обострению проблем экологической безопасности водной среды Невской губы и восточной части Финского залива. В створе комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС) планируется создание трех портовых комплексов с грузооборотом около 15 млн. тонн в год. После завершения строительства КЗС Невская губа практически превратится во внутригородской водоем площадью около 400 км2 и управляемую природно-техническую систему. Подготовка методов управления уникальной природно-технической системой Санкт-Петербургского региона для ее оптимального функционирования является приоритетной задачей в связи с планируемым завершением КЗС в 2008 году. Сооружения защиты Санкт-Петербурга от наводнений, находящиеся в замыкающем звене водной системы, могут стать важным механизмом управления водными ресурсами этого водоема.
Интегрированное управление водными ресурсами (ИУВР) - это научно-обоснованный подход к управлению, учитывающий связи между природной водной системой, ее использованием и всеми организациями,
з О» m^wJOOp
задействованными в административном управлении водной системой, для оптимизации функционирования водных объектов.
Для разработки и успешной реализации ИУВР одной из главных задач является обеспечение системы поддержки принятия решений (СППР) надежными методами оценки состояния и защиты природно-технических систем. Почти все исследования базируются на большом объеме наблюдений и экспериментальных работ в области гидрологии, гидрофизики, гидрохимии, гидробиологии и взаимодействии с ними человека.
Разработанные модели, экспертные информационные системы служат в основном для переработки, осмысления и визуализации натурных данных и оценки антропогенного воздействия, а также для составления на этой основе прогнозов. Модели экологических систем не могут развиваться, поддерживаться и служить основой СППР без постоянной корректировки на основе использования результатов натурных наблюдений. Создание информационной основы для ИУВР, включающей разработку методов оценки состояния и защиты природно-технических систем, является одной из приоритетных проблем, требующих скорейшего разрешения.
Работа выполнена в рамках научно-исследовательских задач управления "Морзащита" Правительства Санкт-Петербурга, в том числе по программам международных грантов "Интегрированное управление водными ресурсами Санкт-Петербургского региона" и 'ТИС предупреждения наводнений в Санкт-Петербурге и оценки ущерба" ("Integrated Water Management of St.Petersburg Region", "A Flood Warning and Assessment GIS for St.Petersburg). Научные исследования и технические разработки осуществлялись автором в период с 1990 по 2004 гг.
. Цель работы - достижение рационального использования и развития водных ресурсов на основе создания методов оценки состояния и защиты природно-технических систем для ИУВР Санкт-Петербургского региона. Для осуществления этой цели необходим научный подход для анализа и оценки состояния водной системы, который позволит сформулировать приоритеты для сбалансированного управления и развития всех видов деятельности, связанной с водной системой. Главными компонентами такого подхода являются: базы данных для оценки качества воды и экологического состояния, геоинформационные системы (ГИС) об, имеющихся свойствах отдельных
составляющих природной среды, система региональных нормативов и интегральных критериев оценки состояния водных объектов, основанная на природных особенностях и антропогенных показателях, модель нагрузки загрязнения для определения суммы общего загрязнения системы; программы для последующей обработки данных с использованием ГИС и развитого пользовательского интерфейса, способного представить данные в виде, необходимом для принятия решения.
Для создания методов комплексной оценки состояния и защиты природно-технических систем для ИУВР Санкт-Петербургского региона необходимо:
-
Разработать метод составления подробного каталога всех натурных наблюдений (как мониторинговых, так и специальных), проведения подробного обзора баз данных в результате опроса организаций, связанных с исследованием водной системы.
-
Создание гидроэкологической базы данных на основе современных ГИС технологий.
-
Обосновать метод комплексной геоэкологической оценки динамики основных параметров водной среды с учетом влияния технических систем на водные ресурсы.
-
Определить технологию управления природно-техническими системами Санкт-Петербурга.
-
Разработать ГИС для предупреждения наводнений в Санкт-Петербурге и оценки ущерба.
Объект исследований - водная система река Нева - Невская губа -восточная часть Финского залива.
Методы исследований. Исследования выполнены с использованием комплексных методов оценки состояния природно-технических систем, использования математической статистики и методов экологической и экономической оценки ущербов от наводнений. При создании базы данных и геоинформационной системы для предупреждения наводнений в Санкт-Петербурге и оценки ущерба использовано программное обеспечение ARCVIEW 3.2.
В результате анализа литературных источников и материалов многолетних натурных исследований акватории Невской губы и восточной части Финского залива автор считает, что для каждой водной системы, ввиду ее
природных особенностей и различий в антропогенной нагрузке необходим региональный подход в методах оценки геоэкологического состояния и защиты природно-технических систем. При этом необходим учет возможностей технических систем и природного баланса водных объектов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые для Санкт-Петербургского региона, в рамках сотрудничества между Нидерландами и Россией, разработан метод инвентаризации данных натурных наблюдений и составлен каталог натурных наблюдений (как мониторинговых, так и специальных) и баз данных по водной системе Ладожское озеро - река Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива. Исследования проведены на основе информации, полученной от различных организаций Санкт-Петербурга по специально разработанной форме запроса об имеющихся данных по состоянию исследуемой водной системы. Представленные в каталоге таблицы содержат сведения о данных по всем звеньям исследуемой водной системы, включая перечень основных параметров водной среды. Кроме того, представлен анализ методологий и методов этих исследований.
2. Впервые на основе современных ГИС технологий создана База гидроэкологических данных для акватории Невской губы и мелководной восточной части Финского залива, получившая сертификат Госстандарта России и включенная в Государственный реестр баз данных Российской Федерации. База NevaBayGIS предназначена для решения задач оценки экологического состояния и защиты природно-технической системы Невской губы и содержит многолетние ряды натурных наблюдений по 120 ингредиентам с 1968 года по 2003 год. Базу данных составляет более 1,5 млн. измерений и несколько программ обработки и визуализации данных. В базу внесены гидрологические, гидрохимические, гидробиологические, санитарно-бактериологические параметры водной среды, многолетние данные по источникам загрязнения Невской губы, реки Невы и ее притоков, а также морфометрические характеристики и рельеф прибрежных территорий Невской губы и восточной части Финского залива. База данных интегрирована с геоинформационной системой предупреждения наводнений Санкт-Петербурга. На основе базы данных управления "Морзащита" проведена работа по внедрению интегральных оценок качества воды.
3. Предложен метод комплексной геоэкологической оценки динамики
основных параметров водной среды с учетом влияния технических систем на
водные ресурсы для информационного обеспечения системы интегрированного
управления водными ресурсами.
4. Впервые под научным руководством автора был проведен
крупномасштабный натурный эксперимент в акватории Невской губы для
изучения возможности влияния на экологическое состояние водной среды
маневрирования затворами КЗ С. Получены экспериментальные данные для
создания метода управления природно-технической системой Санкт-
Петербурга.
5. Полученные в ходе эксперимента результаты свидетельствуют о
принципиальной возможности управления природно-технической системой.
Общее влияние маневрирования затворами прослеживается на акватории от
створа г. Петродворец - о. Верперлуда до створа Комплекса сооружений
защиты Санкт-Петербурга от наводнений и в мелководной акватории
восточной части Финского залива. Появился опыт проведения комплексных
работ и аргументация по методике их выполнения. Маневрирование затворами
КЗС позволяет управлять стоковым течением в Невской губе, наиболее
эффективно при сгонно-нагонных ситуациях.
-
Составлены рекомендации по разработке регламента маневрирования затворами водопропускных сооружений Комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений.
-
Впервые в России разработана ГИС предупреждения наводнений и оценки потенциального экологического и экономического ущерба для Санкт-Петербурга, включающая информацию по геодезическим отметкам уровня на затапливаемой территории, полученную на основе цифровой модели рельефа города. ГИС для предупреждения наводнений позволяет определять затапливаемые при наводнениях территории города и представляет интерес для широкого круга пользователей. Впервые в мире для крупных мегаполисов разработана методика оценки потенциального ущерба от наводнений при различных уровнях поднятия воды от 1,5 м до 6,0 м, с шагом 0.5 м, позволяющая визуализировать зоны затопления Санкт-Петербурга и находящиеся в них конкретные объекты, а также рассчитывать экономический и экологический ущерб от наводнений.
На защиту выносятся следующие положения:
Метод комплексной оценки геоэкологических исследований природно-технической системы, выполненной в рамках международного проекта по контракту между нидерландской фирмой Дельфт Хайдроликс и управлением «Морзащита» под руководством автора диссертации.
Метод создания каталога натурных наблюдений (как мониторинговых, так и специальных) и баз данных, составленного впервые в Санкт-Петербурге, в результате опроса 17 организаций, связанных с исследованием водной системы. Представленные в каталоге таблицы содержат сведения о данных по всем звеньям водной системы Ладожское озеро - р.Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива, включая перечень основных характеристик экологического состояния водной среды. Кроме того, представлен анализ методологий и методов этих исследований.
База гидроэкологических данных, составленная на основе использования современных ГИС технологий, имеющая сертификат Госстандарта России и включенная в Государственный реестр баз данных РФ. База данных создана для решения задач оценки экологического состояния водной среды и защиты природно-технической системы Невской губы в целях информационного обеспечения принимаемых решений для ИУВР.
- Модель предупреждения наводнений в Санкт-Петербурге и оценки экологического и экономического ущерба в ГИС, позволяющая определять уровни потенциального затопления территорий города и рассчитывать экономический и экологический ущерб при наводнениях с использованием разработанной региональной базы данных по объектам Санкт-Петербурга, включая оценку стоимости объектов в зависимости от уровня затопления территорий.
Практическая значимость результатов исследований. Впервые в Санкт-Петербургском регионе создан каталог натурных исследований и натурных наблюдений, который позволил разработать ценные рекомендации по оптимизации мониторинга водной системы. Постоянно поддерживаемая в актуальном состоянии созданная база данных позволяет анализировать многолетние ряды наблюдений, использовать результаты для разработки природоохранных мероприятий и оценки воздействия на окружающую среду, а также для принятия оперативных управленческих решений. С использованием
гидроэкологической базы данных создана программа определения интегрального критерия оценки качества воды, определяющая степень трофности водоема и участков акватории. Созданная ГИС может быть использована при проведении страхования, передаче в аренду, разработке планов действий в чрезвычайных ситуациях и позволяет определить роль и ответственность задействованных в период наводнений организаций. Результаты проведенного широкомасштабного натурного эксперимента позволяют разработать регламент маневрирования затворами водопропускных сооружений для защиты природно-технической системы и управления экологической ситуацией в Невской губе с целью улучшения состояния водной среды.
Внедрение результатов.
Результаты работы использовались многочисленными комиссиями, включая Международную комиссию экспертов по оценке экологического состояния в Невской губе и восточной части Финского залива и комиссию Российской академии наук по оценке степени влияния КЗС на экологическое состояние, а также экспертами Европейского банка реконструкции и развития, фирмы ГИББ (Великобритания) и нидерландского консорциума НЕДЕКО для подготовки Технико-экономического обоснования завершения КЗС с целью получения заемных средств Европейского банка реконструкции и развития, Северного инвестиционного банка и других международных финансовых организаций.
Совместно с нидерландской стороной специалисты управления "Морзащита" и ряда других организаций и институтов Санкт-Петербурга завершили три стадии разработки проекта ИУВР СПб (научный руководитель рабочей группы и руководитель проекта с российской стороны, а также непосредственный исполнитель разработок проекта - автор диссертационной работы). В 2004 году автором диссертации разработана Программа мероприятий по созданию системы интегрированного управления водными ресурсами Санкт-Петербурга на 2005-2009 годы, принятая Постановлением Правительства Санкт-Петербурга от 25.05.2004 № 804.
Разработанные методы оценки состояния и защиты природно-технических систем используются Санкт-Петербургским НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Военно-медицинской академией имени
СМ. Кирова и 0 0 0 "Центр системных исследований".
Результаты модели предупреждения наводнений и оценки ущерба в ГИС имеют прикладное значение и используются в настоящее время Главным управлением по гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям Санкт-Петербурга, Государственным Эрмитажем, ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», территориальными управлениями административных районов города при планировании мероприятий при угрозе наводнений, Комитетом по градостроительству и архитектуре Правительства Санкт-Петербурга при подготовке концепции Генерального плана Санкт-Петербурга и экологического атласа города и другими организациями Санкт-Петербурга. Использование разработанной ГИС для предупреждения наводнений позволит выявить динамику наводнений для уточнения прогноза развития опасных ситуаций и принятия мер по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, возникающих при наводнениях.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались автором, обсуждались и были
одобрены: на четырех международных водных симпозиумах (Стокгольм, 1999,
2000,2001, 2002); на международном научном форуме в Кембридже в сентябре
2003 года; на 19-ти международных конференциях, в том числе на
Международной конференции «Управление Европейским водным кризисом»,
проходившей в Амстердаме в ноябре 2003 года; на 4-х съездах Союза ученых,
инженеров и специалистов производства Санкт-Петербурга; многочисленных
международных семинарах; были представлены в виде стендовых докладов на
трех выставках в рамках конференций «Акватерра» в 1999, 2000, 2001 гг., на
двух специально подготовленных под руководством автора
специализированных российско-нидерландских выставках в Зале инвестиционных проектов Санкт-Петербурга в 2000 и 2002 гг., на 5-й итоговой выставке "300 лет Санкт-Петербургу. 300 лет во славу России" и в рамках научного форума на выставке в Кембрижде в 2003 году. По данному направлению исследований автором прочитаны лекции в ГИДУВЕ, Санитарно-гигиеническом медицинском институте и Санкт-Петербургском университете.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 55 печатных работах, которые включены в общий список литературы.
Личный вклад автора состоит в следующем:
- Автор диссертации с 1990 г. по 1999 гг. являясь главным экологом, а с 2000 г. по настоящее время - начальником отдела научного сопровождения и экологии управления "Морзащита" Правительства Санкт-Петербурга научно обосновывала проведение и составляла программы научно-прикладных работ, организовывала и руководила научно-исследовательскими работами и экспериментальными исследованиями. Являлась координатором комплексных натурных исследований в Невской губе и восточной части Финского залива в течение 15 лет.
Под руководством и при непосредственном участии автора в период с 1988 по 2004 гг. для решения задач информационного обеспечения ИУВР и поддержки принятия решений в управлении «Морзащита» Правительства Санкт-Петербурга создана единственная и наиболее полная в городе база гидроэкологических данных, получившая сертификат Госстандарта России и включенная в Государственный реестр баз данных Российской Федерации. База данных постоянно поддерживается в актуальном состоянии и используется многочисленными организациями при подготовке городских проектов и программ.
Под научным руководством автора в рамках российско-нидерландского проекта ИУВР Санкт-Петербурга создан метод разработки каталога натурных наблюдений и исследований по исследуемой водной системе, проведена комплексная оценка экологического состояния водной среды Невской губы.
Под руководством и при непосредственном участии автора (соруководителя международного проекта с российской стороны) в 1999-2001 годах впервые в Санкт-Петербурге разработана ГИС для предупреждения наводнений в Санкт-Петербурге и оценки экологического и экономического ущерба. Являясь руководителем дипломных проектов студентов Санкт-Петербургского государственного университета, Российского государственного гидрометеорологического университета, Балтийского университета Экологии политики и права, Санкт-Петербургского государственного технического университета автор способствовала научно-прикладному развитию темы управления водными ресурсами Санкт-Петербурга.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы
