Содержание к диссертации
Введение
1. Современная изученность крупных озер 5
1.1. Зарубежный опыт изучения крупных озер на примере Великих американских
1.1.1. Общая физико-географическая характеристика системы Великих Американских озер 5
1.1.2. Общая характеристика хозяйственного освоения геосистемы Великих Американских озер 9
1.1.3. Мониторинговые наблюдения за состоянием и система мер по охране и водному управлению Великими Американскими озерами 12
1.1.4. Моделирование качества вод Великих Американских озер 16
1.2. Изучение геосистемы Ладожского озера
1.2.1. Физико-географическая характеристика геосистемы Ладожского озера 26
1.2.2. Наблюдения и экологическая организация акватории Ладожского озера 38
1.2.3. Общая характеристика хозяйственного освоения территории Приладожья 44
1.2.4. Создание информационных баз натурных наблюдений за состоянием геосистемы Ладожского озера 66
1.2.5. Моделирование качества вод Ладожского озера 101
Глава 2. Методические основы оценки состояния крупных озер
2.1. Геоэкологическая оценка как основной вид оценки состояния водных объектов 107
2.2. Современные проблемы оценки состояния водной геосистемы 117
2.3. Критерии, методы и средства оценки нормы состояния геосистемы 124
2.4. Метод сводных показателей как основа получения экологических индексов 128
2.5. Применение многокритериального подхода для оценки состояния водной экосистемы 131
2.6. Основные понятия, связанные с определением устойчивости геосистем 137
Глава 3. Оценка современного состояния и устойчивости геосистемы Ладожского озера основе многокритериального подхода
3.1. Подходы к разработке интегральных индексов состояния водных геосистем 145
3.2. Планирование эксперимента. Подходы к выделению лимнических зон . 151
3.3. Применение метода построения сводных показателей для диагностики трофического статуса водных объектов 160
3.4. Применение метода построения сводных показателей для оценки качества водных объектов 165
3.5. Оценка устойчивости геосистемы Ладожского озера на основе интегральных показателей 170
3.6. Выводы по результатам оценок состояния геосистемы 174
Обсуждение результатов 177
Выводы 179
Список литературы 181
Приложения 201
- Изучение геосистемы Ладожского озера
- Современные проблемы оценки состояния водной геосистемы
- Планирование эксперимента. Подходы к выделению лимнических зон
- Оценка устойчивости геосистемы Ладожского озера на основе интегральных показателей
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях значительной остроты водных проблем большую актуальность приобрели вопросы интегральной оценки состояния и устойчивости водных геосистем, в т.ч. крупных озер. Это связано как с решением задач диагностики и прогноза состояния водных объектов, так и с развитием методов и средств экологического нормирования. Выполнение работ на стыке дисциплин на основе системного анализа открывает большие возможности для географии вообще и для гидрологии в частности. Особенно серьезно вопрос антропогенных воздействий и анализа их влияния на водные объекты ставился, например, на IV Международном симпозиуме, посвященном проблемам Ладожского и других крупных озер мира (Великий Новгород, 2002), где была признана необходимость улучшения качества исследовательских работ на водных объектах, а также широкого использования методов математического моделирования и статистической оценки для определения степени воздействия и возможных изменений в гидросистемах.
Поскольку анализ состояния водного объекта является ключевой темой для перехода к вопросам оценки устойчивости к антропогенным воздействиям, то это позволяет в дальнейшем переходить к разработке вопросов нормирования этих воздействий. Усилиями коллективов Института озероведения РАН (г. Санкт-Петербург), ИВПАН (г. Москва), Санкт-Петербургского государственного университета и других организаций достигнут значительный прогресс в разработке теории единой системы методов оценки состояния водных объектов с основами регламентации и нормирования воздействий на гидроэкосистемы, но проблема еще не решена полностью. В данной работе предполагается внести вклад в решение этой проблемы, уделив основное внимание следующим направлениям:
1) разработке интегральных критериев оценки состояния гидроэкосистем в
условиях активного антропогенного воздействия на них;
разработке методики оценки состояния и воздействия на природную систему;
оценке устойчивости природных систем к антропогенному воздействию.
Все эти разработки апробируются в первую очередь для Ладожского озера, одного из наиболее «проблемных» пресноводных водоемов мира и России.
Цель работы - разработка методической основы для интегральной оценки состояния крупного пресноводного водоема и ее количественная апробация в меняющихся условиях антропогенного воздействия.
Задачи, решаемые в ходе исследования:
1) обобщение и формулировка понятийного аппарата для разработки методов
количественной оценки состояния водного объекта и ответной реакции на антропогенные
воздействия;
создание информационной базы и оценочных шкал для построения интегральных показателей состояния пресноводного водоема;
разработка метода многокритериального оценивания отдельных свойств крупного водного объекта (трофность, качество и токсичность вод);
интегральная оценка состояния крупного водоема и его частей;
определение устойчивости водной геосистемы к меняющимся естественным и антропогенным воздействиям.
Основным объектом исследования является геосистема Ладожского озера.
Исходные материалы. В работе использованы: данные многолетних наблюдений Российского государственного гидромет университета, Института озероведения РАН, Карельского научного центра РАН, ежегодные аналитические обзоры экологической обстановки в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. Данные гидрологических, гидрохимических, гидробиологических наблюдений на водных объектах Северо-Запада России. Сборники оценки состояния водных объектов и водохозяйственной обстановке, издаваемые Ленкомэкологией. Данные натурных наблюдений. Картографические материалы района исследования.
Методы исследования. Использован подход к многокритериальной геоэкологической оценке состояния водоемов (Дмитриев, 2000), а также разработки БИ. Кочурова по диагностике состояния наземных ландшафтов. Указанные методы применялись для анализа экологического состояния крупнейшего водоема Европы и его бассейна. В работе была использована выборка из массива данных натурных наблюдений обобщенных автором. Все работы проводились с использованием картографических, сравнительно-географических и математических методов.
Научная новизна. В исследовании впервые разработаны методологические основы интегральной оценки состояния крупных озер в меняющихся условиях антропогенной нагрузки, на примере Ладожского озера, а также подходы и методы к диагностике состояния и ответной реакции пресноводного водоема на воздействие в меняющихся условиях на многокритериальной основе. На основе обобщения репрезентативных критериев оценивания состояния водных экосистем, впервые разработаны обучающие классификации для интегральной оценки различных свойств. Впервые применена возможность интегральной оценки состояния крупного водоема в меняющихся условиях антропогенных воздействий. Получены интегральные оценки состояния крупного водоема со сложной котловиной по набору критериев оценивания, физическим, морфометрическим показателям, показателям токсического и нетоксического загрязнения; показателям трофического состояния. Разработана методика многокритериального параметрического оценивания состояния водных экосистем на основе данных натурных наблюдений и создания алфавитов классов для оценки состояния и устойчивости водоема.
Практическая значимость.
Разработка методических подходов и применение методов многокритериальных и интегральных оценок может быть использована как рабочий инструмент для оценки состояния водного объекта. Предлагаемые методы оценки состояния водного объекта не только позволяют учитывать большое количество критериев оценивания, но и придавать им различную степень значимости (вес), что делает метод применимым для решения различных прикладных задач. Система интегральных оценок позволяет эффективно и достоверно оценивать текущее состояние водного объекта и прогнозировать вектор его дальнейшего развития.
На защиту выносятся:
Методика построения интегральных показателей состояния и устойчивости озерных экосистем.
Методика создания оценочных шкал, алфавиты классов для интегральной оценки состояния и устойчивости водоема к изменению параметров естественных и антропогенных режимов.
Результаты количественной интегральной оценки состояния и устойчивости к воздействию геосистемы Ладожского озера в современный период.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях «Проблемы формирования региональных систем особо-охраняемых природных территорий» (Ярославль, 2001), «Экологическое и биологическое образование: методология, теория и методика обучения» (Санкт-Петербург, 2002), «История и развитие идей П.П. Семенова-Тян-Шанского в современной науке и практике школьного образования» (Липецк, 2002), на Международной научно-практической конференции «Туризм и региональное развитие» (Смоленск, 2002), на методологическом семинаре «Методологические основы исследований в области биологического и непрерывного экологического образования» (Санкт-Петербург, 2002), на IV Международном симпозиуме по Ладожскому озеру «Охрана и рациональное использование водных ресурсов Ладожского озера и других больших озер» (Великий Новгород, 2002), на VI Гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), на семинарах Института географии РАН, а также на гидрологической комиссии Московского центра Географического Общества. По теме работы опубликовано девять работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов по каждой из них , содержит 206 листов, 39 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 276 наименований.
Изучение геосистемы Ладожского озера
Географические параметры и формирование геосистемы Уникальность Ладожского озера состоит в том, что это самое северное из крупнейших озер мира, рассоложенное между 59 54 и 6147/ с.ш., а также в том, что оно является крупнейшим озером Европы, хотя в ряду крупнейших пресноводных систем мира Ладога занимает шестнадцатое место.
Расположение озера в столь высоких широтах обусловило многие особенности его функционирования, в том числе и термический режим. Морфометрические характеристики обусловили и пространственную неоднородность озерных процессов, аразмеры озера и особенности стока (сброс воды из озера происходит через единственную реку - Неву) сформировали несколько замедленный водообмен - порядка 12 лет.
Водосбор бассейна Ладожского озера (рис. 3, 4) включает Онежское озеро, озеро Сайма, озеро Ильмень, сама Ладога является заключительным звеном в этой озерной системе, сброс воды из которой происходит через реку Неву в Балтийское море. Размеры водосборного бассейна огромны (285 тыс. км2), что в 14,6 раза превышает площадь самого озера. Частный водосбор Ладожского озера составляет 28,4 тыс. км2, Онежско-свирский 83,2 тыс. км , Ильмень-Волховский 80,2 тыс. км2и Саймо-Вуоксинский 66,7 тыс. км2.
Весь водосборный бассейн распределен по территории трех государств: России (80%), Финляндии (19,9%) и Белоруссии (0,1%). На территории РФ водосбор озера охватывает семь субъектов Федерации: Ленинградская область (39%), Карелия (29%), Новгородская область (17%), Псковская (6%), Тверская (4%), Вологодская (3%), Архангельская (2%) (рис. 2). По данным Института озероведения РАН (г. Санкт-Петербург) (Ладожское озеро, 2000) удельный водосбор Великих Американских озер составляет лишь 1,6-3,4 от площади самих озер, в отличие от 14,6 раз для Ладожского озера. В результате, в пределах водосбора Ладоги оказались 50 000 озер (рис.3, 4), огромное количество болот и 3500 рек общей протяженностью 45 000 км. На этой территории проживает более 3,5 млн. чел, из которых 2,7 млн. являются городскими жителями. В российской части бассейна плотность населения составляет 12,4 чел/км2, 11% площади занято сельскохозяйственными угодьями, на притоках озера расположено 13 крупных гидроэлектростанций.
По последним данным Невско-Ладожского бассейнового водного управления на водосборе Ладоги в пределах России работает 418 предприятий-водопользователей: 226 в Ленинградской области, 76 - в Новгородской, 89 - в Карелии и 27 - во Псковской области. Преобладают такие отрасли народного хозяйства, как переработка и первичная обработка сырья, а именно они характеризуются высокой степенью отходности и оказывают значительное влияние на экологическую обстановку в регионе. В Республике Карелия основными отраслями являются лесная и деревообрабатывающая.
Среди наиболее характерных отличий необходимо отметить степень хозяйственной освоенности водосборов, в районе Великих Американских озер количество населения в несколько раз превышает этот показатель на водосборах крупных озер Европы. Если на берегах Великих Американских озер расположены мегаполисы (Милуоки, Чикаго, Детройт, Кливленд и др.), то, как уже было указано, крупнейшим городом на берегах крупных озер Европы является Петрозаводск (столица Республики Карелия) с населением менее 300 000 человек.
Европейские озера зимой полностью или частично покрываются льдом из-за чего замедляется водообмен и падают скорости всех озерных процессов, но несмотря на это процессы эвтрофикации и токсического загрязнения озер вполне сопоставимы.
Для успешного выполнения любых задач по установлению текущего состояния озера необходим точный расчет морфометрических характеристик. В Институте озероведения РАН впервые была создана батиметрическая модель Ладожского озера. В табл. 5 приводятся некоторые наиболее часто используемые характеристики.
Созданная батиметрическая модель и Карта рельефа дна (рис.5) подтвердила обособленность северной части Ладожского озера от южной Валаамским архипелагом и группой островов (Атлас, 2002). Там же указано на межгодовые изменения уровня, которые сопровождаются изменением как объема водной массы, так и площади озера. При понижении уровня озера на 50 см объем его уменьшается на 9 км3, площадь - на 1,2%, расход р.Невы - на 11,4%.
Геологические особенности строения ладожской котловины обусловлены ее расположением на юго-восточной границе геоструктурного сочленения - Балтийского кристаллического щита и Русской платформы. В геологическом отношении котловина
Современные проблемы оценки состояния водной геосистемы
Водоем - это скопление водных масс в понижениях рельефа, образующееся под действием естественных и искусственных (антропогенных) факторов. Принято различать стоячие водные массы (озеро, водохранилище, пруд и т.п.) и водотоки (река, ручей, канал и т.п.). К водным объектам относят также скопления снега, льда и подземных вод. Изучение водных объектов необходимо для контроля над водоемами, для изучения процессов и явлений, протекающих в них, для изучения закономерностей взаимоотношений между гидросферой, атмосферой, литосферой и биосферой. Упомянутые явления тесно связаны с распространением и распределением вод по поверхности планеты. По сложившейся в гидрологии традиции все исследования проводятся с антропоцентрических позиций, так как направлены на проведение определенных водохозяйственных мероприятий с целью рационального антропогенного пользования водными ресурсами. Под рациональным управлением и водопользованием водоемами понимается применение системы принятия научно-обоснованных управленческих решений по охране, использованию в различных целях и восстановлению водных ресурсов без ухудшения их состояния в настоящем и будущем (Природопользование, 1990).
Естественными обитателями водной среды являются гидробионты, в связи с чем целесообразно рассматривать и оценивать возникающие взаимоотношения в системе «гидробионты - среда обитания». Прерогативой в этом вопросе обладает гидробиология, так как именно она изучает процессы и взаимоотношения живых организмов между собой и с водной средой обитания.
В последние десятилетия возникло новое направление в экологии -гидроэкология. Целью ее исследований являются взаимоотношения в системе «водный объект - живые организмы» как с позиций антропоцентризма, так и с позиций биоцентризма. Биоцентризм, в данном случае, предполагает использование экологических и эколого-географических нормативов, а антропоцентризм - санитарно-гигиенических нормативов. В результате чего получают эколого-географические оценки.
Под эколого-географическими исследованиями понимают:1. разработку методов диагностирования состояния водоемов различных по трофическим характеристикам в естественных условиях и в условиях антропогенного воздействия на них, 2. разработку ГИСов и других экспертных систем для экспертизы состояния водоемов и выявления условий экологически безопасного их функционирования; 3. поиск и выявление скрытых структур и периодичностей для распознавания и характеристики географических и биолимнологических особенностей водных экосистем и антропогенных воздействий на них; 4. разработку подходов к оценке «нормы состояния» водных экосистем и методов распознавания экологических ситуаций, характеризующих критические состояния водоемов или их частей при ограниченном наборе параметров (критериев) распознавания и дефиците информации об их изменчивости; 5. разработку методов прогноза функционирования и развития водных экосистем при различном сочетании антропогенных воздействий на них и поиском количественных хараткеристик ответов на внешние воздействия - «нормы воздействия» на водоемы. Антропогенный прессинг на водные объекты проявляется в частности в изменении водных запасов, гидрологического режима водоемов и водотоков, качества их вод, в изменении структурно-функциональной организации экосистем, а также трофического статуса и качества вод. Возможно подразделение антропогенных факторов, влияющих на экологическое состояние водных объектов, на несколько групп (табл. 15). Пути поступления загрязняющих веществ в водный объект следующие: прямой или рассеянный сброс сточных вод промышленности, сельского хозяйства и коммунально-бытовых систем; из атмосферы; в результате работы судов; из донных отложений (автохтонное вещество). Загрязняющие вещества в водном объекте могут быть растворены или находиться в виде взвешенных веществ. Загрязнениями считаются и те химические вещества, которые обычно составляют природные воды, но в гораздо большей концентрации. Особую опасность представляют тяжелые металлы, органические загрязнения, нефтепродукты и СПАВ. Как указывал Ю. Одум еще в 1975 г. (Основы экологии, 1975) в результате увеличивающейся антропогенной нагрузки происходит злокачественное увеличение продуктивности (в основном из-за большого количества биогенных веществ), поэтому эвтрофирование водных объектов сейчас носит в основном антропогенный характер. Большинство объектов производственной сферы оказывают значительное влияние на водные объекты, влияя на термический, гидрохимический и гидробиологический режимы. Подходы и классификации в оценочных исследованиях водоемов. Разработка классификаций водных геосистем необходима для мониторинговых наблюдений и для последующей оценки и отнесения водного объекта к тому или иному классу состояний. Под классами состояний понимают классы трофности, сапробности, токсобности, качества вод, трофосапробности, засорения и истощения водных экосистем Наиболее распространены классификации для оценки трофического состояния и качества вод и обычно содержат от трех до девяти классов состояний, каждый из которых ограничен минимальными и максимальными значениями. В (Интегральная оценка, 1999) приводится пример с составлением системы критериев в начале 1980-х гг. для планируемого внедрения унифицированной оценочной программы в рамках стран-членов СЭВ для экологической статистики. Для оценки состояния, использования и охраны водных ресурсов разрабатывались три раздела: запасы воды и качество вод (24 показателя), водопотребление (23 показателя); объем сброшенных вод, их загрязнение и очистка (11 показателей). Предлагались и другие группировки признаков для оценки качественного состояния водной экосистемы. В идеале признаки, по которым может проводиться оценка экологического состояния водных объектов, можно объединить в несколько групп, учитывающих все особенности функционирования водных экосистем и антропогенное воздействие. Например, в (Дмитриев, 1997) предлагается следующее обобщение. 120 1. Физико-географические условия и морфометрические параметры водногообъекта характеризующиеся с помощью: оценки увлажнения, периода действия водотока, оценки развития поймы, размеру водоема и водотока, площади поверхности, объему (запасу) воды, средняя и максимальная глубины и другие. 2. Физические свойства и гидрологический режим среды обитания гидробионтов оцениваются с помощью: температуры воды, прозрачности, цветности, скорости и направления течений, колебания уровней, толщины льда и продолжительности ледостава, наличия сезонной стратификации вод, мутности, электропроводности, особенности маловодной фазы и др. 3. Химический состав природных вод характеризуется с помощью содержания в воде: главных ионов (НСОэ ", S04 2 , СГ, Са 2+, Mg 2+, Na +, К +); биогенов, лимитирующих развитие первичных продуцентов (фосфатный фосфор, аммонийный, нитритный, нитратный азот, кремний), органических веществ, растворенного кислорода, рН, основных загрязняющих веществ и др. 4. Гидробиологический (в том числе и микробиологический) режим характеризуется с помощью: видового состава (число видов, название таксонов и др.), численности, биомассы и продукции организмов, параметров сезонных сукцессии, характеристик трофических цепей, деструкции органических веществ, индексов видового разнообразия и др. 5. Трофический статус водного объекта, говорящий о степени кормности экосистемы в зависимости от уровня ее первичной продукции, оценивается по гидрологическим, гидрохимическим и гидробиологическим критериям, при условии главенства величины первичной продукции на 1 м за год (вегетационный период, сутки) или динамики фосфора. Наиболее современными являются комплексные (интегративные) показатели-индексы состояния: энергетический индекс, индекс продуктивности, индекс сопротивления и др. [Дмитриев, 2000). Такие показатели более информативны, так как , например, при определенных условиях (усиление проточности и т.п.) первичная продукция перестает быть информативным показателем трофического состояния. В настоящее время разработаны интересные и информативные методики по проведению многокритериальной оценки трофности. 6. Качество воды оценивается характеристиками из геофизических и геохимических (жесткость, агрессивность и т.д.); методами биоиндикации и биотестирования; систем сапробности для идентификации класса качества воды; использованием предельно допустимых концентраций и классов опасности загрязняющих
Планирование эксперимента. Подходы к выделению лимнических зон
Районирование акватории озера по воздействию вод притоков Ладожское озеро имеет три притока с площадью водосборного бассейна более 50 тыс км.2 (Вуокса, Свирь, Волхов) и 11 рек длиной более 200 км. Кроме того, большое количество более мелких рек несут загрязнения со своих водосборов в озеро. В летний период особенно серьезная ситуация с загрязненными водами рек Волхов, Сясь, Свирь -в южной части озера; рек Олонка, Тулокса, Видлица - в восточной части озера; рек Авлога и Бурная - в западной части; рек Вуокса и Тихая - в северной части.
Водосборный бассейн объединяет систему трех озер: озера Сайма, сток которого происходит по реке Вуокса, в нижнем течении основного русла это река Бурная; озера Онежского, из которого вытекает река Свирь; озеро Ильмень, из которого вытекает река Волхов. Реки Свирь, Вуокса и Волхов являются основными притоками, на их долю приходится около 80% поступления речных вод в Ладожское озеро (табл. 18). Эти реки зарегулированы гидротехническими сооружениями (Вуокса и Свирь), что обеспечивает равномерное поступление в озеро около 40 км3 воды при общем годовом притоке 70,7 км3, поэтому месячная доля суммарного притока, приходящаяся на эти две реки, составляет около 10%. Распределение стока по сезонам достаточно равномерно - на весну приходится 28%, на лето - 16, на осень - 26 и на зиму - 30% годовой величины. На реке Волхов находится ГЭС, но на сезонных изменениях расхода это существенного влияния не оказывает.
Боковой приток в озеро из бассейнов малых рек западного, северного и северовосточного побережий сравнительно равномерен по сезонам. На весну у этих рек приходится 44%, на лето - 12, на осень и зиму - по 22% годового стока. В общем поступлении воды в озеро в мае малые реки дают 16%. Качество их вод сильно влияет на качество вод в озере (рис. 3, 36).
Сток воды из озера происходит по единственной реке - Неве. В водоемах замедленного водообмена, каковым является Ладожское озеро, колебания величин притока и стока существенно не сказываются на объеме водной массы, условно сменяющейся один раз в 12 лет. Колебания уровня более существенно сказываются только на литоральной зоне до глубины 5 м, занимающей наибольшую площадь в южной и юго-восточной частях озера.восточному), в этом случае вероятность разноса загрязнений в центральный и восточный районы озера очень велика (рис. 36).
Деление акватории озера с учетом основных направлений течений (рис. 37) может представлять интерес для экологических организаций и предприятий, находящихся в районах водосборов рек-притоков. Актуальность этот метод приобретает в связи с нормированием загрязнителей в сточных водах предприятий.
Рис. 37. Районирование Ладожского озера по изобатам, с учетом направлений течений (Ладожское озеро, 1992). Сотрудниками Института озероведения РАН было предложено деление акватории озера на лимнические зоны по изобатам. При этом предполагается наличие четырех зон: прибрежной, деклинальной, профундальной и ультрапрофундальной.количество приходящей солнечной радиации и уровень первичной биологической продукции, и количество системных связей и многие другие процессы.
В результате синтеза различных подходов для выработки собственного представления о районировании акватории озера (рис. 38). В результате чего представляется целесообразным районирование по представленным в таблице 30 районам и морфометрические характеристики этих районов. (особенно в северном и южном прибрежных районах), учтены климатические различия, геологическое строение котловины озера, направления течений и гидрофизические различия. Котловина озера была разделена по 61 с.ш., на западном побережье граница районов прошла южнее г. Приозерск, на восточном - у поселка Ильинский, такое районирование дает возможность детальной оценки трофического состояния и качества вод для последующего выхода на оценку устойчивости вод озера к антропогенным воздействиям.
Применение метода многокритериальной оценки и построения сводного показателя по следующим критериям оценивания, разбитым на две группы: морфометрической и гидробиологической с гидрохимической - привело к следующим результатам - при таком делении акватории озера трофическое состояние Северного района оценивается как олиготрофное, Центрального - как переходного от олиго- к мезотрофному, Южного - как мезотрофное, что говорит о наивысшей его продуктивности.
Те же методы оценки качества вод по следующим критериям оценивания, разбитым на четыре группы: гидрофизика и гидрохимия, биогенные элементы, тяжелые металлы, детергенты и химические загрязнения - привели к следующим результатам: воды Северного и Южного районов находятся в переходном состоянии от чистых к загрязненным, а Центрального района - характеризуются как чистые, здесь, вероятно, сыграл роль большой объем водных масс и глубоководность. Эта оценка проводилась по данным натурных наблюдений Института озероведения РАН 1990 г. В 1997 году, ее результаты приведены в Приложении № 3, и в 1998 г. на тот момент более современных данных по всему объему параметров не было. Ее результаты приведены в Приложении № 4, а результаты были опубликованы в 2000 г. (Рязанова, 2000).
Для нынешней работы использовались данные натурных наблюдений съемки Ладожского озера в июле и октябре средствами Гидрометуниверситета (г. Санкт-Петербург). Расположение станций указано на технической схеме (рис. 39).
Антропогенное эвтрофирование водных геосистем характерно для всех экономически развитых районов. В последнее время из-за спада промышленного производства и уменьшением использования удобрений темпы эвтрофирования Ладожского озера несколько снизились и даже наметилась тенденция к улучшению трофического статуса вод. Но отслеживать этот процесс необходимо для своевременного определения изменений статуса вод и рационального управления водной геосистемой. Согласно ныне применяемому определению эвтрофированием называется повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под воздействием антропогенных или естественных (природных) факторов. Поэтому для отслеживания процесса эвтрофирования необходим мониторинг первичной биологической продукции геосистемы.
Трофический статус водного объекта, характеризующий степень кормности (трофности) геосистемы в зависимости от уровня ее первичной продукции, оценивается по многим критериям, ориентированным на различные показатели и их комплексы, индексы состояний (энергетический индекс, индекс продуктивности, индекс сопротивления и др.), позволяющие идентифицировать трофический статус водоема (проточного, непроточного, с различной цветностью и др.). при усилении проточности водных экосистем первичная продукция перестает быть основным критерием уровня трофии из-за деформации трофической структуры и высокой нагрузки аллохтонным веществом.
Интегральная первичная продукция в озерах разной трофности изменяется в следующих пределах: олиготрофные водоемы 60 - 200, мезотрофные 200 - 700, эвтрофные 700 - 2000 мгС/м2 х сут. Эти значения справедливы для водных геосистем, в которых оптические свойства воды и продукционные характеристики фитопланктона тесно взаимосвязаны (эффект самозатенения). Прозрачность воды в этих водоемах снижается от 20 до 0,7 м с увеличением С1 «а» от 0,1 до 100 мкг/л.
Оценка устойчивости геосистемы Ладожского озера на основе интегральных показателей
Создание алфавита классов и оценка устойчивости районов Ладожского озера Как известно, устойчивость экосистемы - это ее способность сохранять постоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений. Пределами же устойчивости являются те количества возмущающих факторов, которые приводят экосистему к необратимым изменениям. При этом необходимо вспомнить, что чувствительность - это свойство водной экосистемы изменять характеристики своего функционирования вследствие изменения собственных параметров или при внешних возмущениях. Чувствительность имеет обратную связь с устойчивостью: чем меньше чувствительность водной экосистемы, тем больше ее устойчивости. Поэтому прежде чем говорить об устойчивости экосистемы рассматриваемого озера, необходимо оценить состояние его вод на данный момент.
Первый уровень свертки информации был произведен внутри подгрупп и получен в виде сводных показателей. Отрофі, Отроф.2, QNI, QN2, QTI, Ото- Второй уровень свертки информации был произведен между подгруппами в результате чего были получены:Отроф.интегр, Окач.интегр. ДЛЯ ОЦЄНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ВОД ОЗера НЄОбхОДИМО ПрОИЗВЄСТИ Третийсвертки информации и получить QycT.
Данные по алфавитам классов и по данным натурных наблюдений районов озера приведены в табл. 25. Устойчивость геосистемы в этой шкале возрастает от 0 до 1, т.е., чем больше значение, тем более устойчива система к внешним воздействиям.
Как видно из таблицы, были рассмотрены три сценария для оценки устойчивости вод к антропогенным воздействиям. І. В первом случае трофическому состоянию был придан больший вес, чем качеству вод. Приоритеты внутри группы распределились следующим образом. При таком подходе были получены следующие границы алфавита классов состояний (QT K): данные натурных наблюдений по выделенным районам показали следующие классы устойчивости. При таком подходе слабую устойчивость (2 класс) к антропогенным воздействиям демонстрируют наиболее глубоководные и холодноводные районы, там малое количество обратных связей, поэтому любое привнесение в их частные экосистемы чревато серьезным изменением как качества вод, так и трофического статуса. Значит эти районы нуждаются в наибольшей степени защиты от воздействий. Устойчивыми (3 класс) оказались южные районы - это легко объяснимо, в них большое количество обратных связей, которые успевают реагировать на внешние воздействия сохранением параметров частных экосистем районов. Несколько неожиданно в этой группе оказался северный деклинальный район, возможно его устойчивость можно объяснить тем, что течения в Ладожском озере направлены от западного побережья к восточному, северо-западный район Приладожья более развит экономически и загрязнения вполне могут разноситься в пределах северного деклинального района, в то время как теми же течениями их быстро относит от берега. Вот и оказалось, что при данном условии северный прибрежный район оказался «чище», северного деклинального. II. Во втором случае качеству вод был придан больший вес, чем трофическому состояния. Приоритеты внутри группы распределились следующим образом. При таком подходе были получены следующие границы алфавита классов состояний
Поскольку во II и III случаях (К Т и К=Т) полученные результаты практически идентичны, то можно дать общий комментарий к такой ситуации. Ладожское озеро в целом показывает слабую устойчивость к внешним воздействиям, т.к. озерные массы холодны, стратифицированы, значительное перемешивание наблюдается лишь в приповерхностных глубинах. За последнее десятилетие (сравнение с результатами Приложения № 4) озерная геосистема улучшила показатели по трофическому статусу и качеству вод, что вселяет надежду на дальнейшее восстановление чистоты, хотя процесс этот может оказаться под большим вопросом, если на водосборе с новой силой заработают предприятия не лишенные старых проблем.
Но главное, что водные массы озера уже не соответствуют I классу устойчивости, т.к. уже не являются очень чистыми. Поэтому любые, даже незначительные, воздействия способны вывести озерную геосистему из состояния существующего равновесия, значить необходимо быть очень осторожными при разработке нормативов допустимых воздействий.
Результаты свертки информации и построения интегрального показателя устойчивости на основе использования идеи трофосапробности, впервые озвученной на конференции в Пущино (1992), показали, оценка индексов устойчивости по группе УЗ во многом совпадает с оценкой устойчивости в группе У1. Оценка устойчивости по группе У4 не противоречит оценке устойчивости по группе У2. Таким образом мы приходим к выводу о возможности оценки устойчивости к нагрузкам на основе подходов У1 и У2.
Оценка устойчивости вод к антропогенному воздействию остро встает в связи с увеличивающимися нагрузками на водоемы. Такая оценка может учитывать: - биологические стоки с полей и животноводческих ферм; - токсичные стоки, содержащие тяжелые металлы и их соединения, а также фенолы, сбрасываемые со сточными водами промышленных предприятий; - детергенты и СПАВ, вносимые коммунально-бытовыми хозяйствами; - нефтепродукты, поступающие с отработанным топливом водного транспорта. Все поллютанты, о которых идет речь, в первом приближении можно разделить на: - имеющие близкие и поправимые последствия; - имеющие отдаленные, очень серьезные и трудно прогнозируемые последствия. Как было сказано выше, о тяжелых металлах и их соединениях давно известно, что они могут накапливаться в тканях и скелетах гидробионтов различного ранга (макро- и микро-). Такого рода накопление приводит к видимым последствиям уже при жизни первого поколения, напрямую подвергшегося воздействию токсикантов. Но проблема значительно шире и серьезнее, так как при определенном уровне передозировки это приводит к хромосомным аберрациям и нарушениям наследственности, к увеличению числа появления мутантов. Спрогнозировать этот процесс действительно сложно, так как редко можно с точностью сказать какого порядка превышение ПДК было допущено и какое число особей подверглось воздействию. Если при этом большая часть гидробионтов находилась в продуктивном возрасте, то это резко увеличивает опасность появления потомства с нарушенной наследственностью (изменениями в хромосомном аппарате) В этой связи справедливо отметить, что:во-первых, воздействие антропогенных нагрузок на экосистемы проявляется на самых различных уровнях организации - клеточном, тканевом, организменном, популяционном, биоценотическом, поэтому необходимы методики количественной оценки реакции экосистем на антропогенную нагрузку как на отдельных уровнях, так и для системы в целом.
Во-вторых, все антропогенные воздействия протекают на фоне природных изменений под влиянием вариаций во времени, климатических и сезонных условий, естественных сукцессионных процессов, периодически изменяя таким образом существующую устойчивость экосистем к антропогенным воздействиям.
В-третьих, часто случается, что исходная (фоновая) природная обстановка уже была в значительной степени затронута климатическим, техногенных или антропогенным влиянием или периодически подвержена таковым и не может быть принята за «эталон чистоты» в мониторинговых исследованиях (Айвазян, Бухштабер, 1989).
