Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические положения экологической устойчиво сти природных систем к гидромелиоративному воздействию . 10
1.1 .Актуальность исследований экологической устойчивости природных систем при обосновании мелиорации 10
1.2. Факторы формирования и развития природных систем в естественных условиях 19
1.2.1. Единство природы и биосфера как сфера жизни . 19
1.2.2. Концептуальная обобщенная модель взаимодействия гелиокосмических и биогеофизических факторов формирования и функционирования природных систем 25
1.2.3. Циклы и ритмы как форма устойчивого функционирования природных систем. 48
1.3. Мелиоративное и водохозяйственное строительство как техногенные факторы динамики природных систем 58
Глава 2. Геосистемы как объекты воздействия гидроме лиорации 67
2.1. Понятие о геосистеме 67
2.1.1. Биосфера и ландшафтная сфера 6S
2.1.2. Географический ландшафт и геосистема 73
2.2. Иерархия геосистем 86
2.3. Основные закономерности функционирования геосистем в разных природных условиях 94
Глава 3. Методологические положения оценки экологической устойчивости геосистем к воздействию гидромелиорации 115
3.1. Понятие об устойчивости 115
3.2. Показатели устойчивости геосистем 137
3.3. Экологическая инерционность геосистем и ее показатели 144
3.4. Экологическая безопасность 146
3.5. Виды рисков, возникающих при техногенном воздействии 154
3.5.1. О понятии "риск" 154
3.5.2. Оценка экологического риска 157
Глава 4. Эколого-экономическое моделирование для принятия решений по обоснованию мелиорации земель 164
4.1. Структурно-функциональные модели геосистем 164
4.2. Вероятностно-детерминированные прогнозные модели . 171
4.3. Оптимизационные эколого-экономические модели 180
Глава 5. Обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель Волжского бассейна с учетом экологической устойчивости геосистем 188
5.1. Ландшафтно-климатические условия геосистемы Волжского бассейна 188
5.2. История и геолого-структурные особенности формирования геосистемы Волжского бассейна 193
5.3. Структурно-функциональные модели геосистем бассейна Волги 230
5.3.1. Верхне-Волжская.геосистема- 234
5.3.2. Волго-Камская геосистема 243
5.3.3. Прикаспийская геосистема 251
5.4.Оценка опасности развития экологически неблагоприят ных процессов при гидромелиоративном воздействии на гео системы Волжского бассейна 254
5.5. Оценка устойчивости и экологического риска при развитии подпора от Саратовского водохранилища 258
5.6. Оценка устойчивости геосистем локального уровня к воздействию орошения 266
5.7.Оценка эффективности развития орошения в Поволжье 277
Выводы 287
Литература 292
- Факторы формирования и развития природных систем в естественных условиях
- Основные закономерности функционирования геосистем в разных природных условиях
- Экологическая инерционность геосистем и ее показатели
- Вероятностно-детерминированные прогнозные модели .
Введение к работе
Актуальность. Потребность в развитии комплексных мелиорации сельскохозяйственных земель в России обусловлена природными факторами: для основных сельскохозяйственных регионов юга страны характерно недостаточное и неустойчивое увлажнение, предрасположенность почвенного покрова к эрозии, засолению и осолонцеванию; на остальной территории- - переувлажнение, повышенная кислотность, заболачивание. Комплексные мелиорации - мощный фактор интенсификации сельскохозяйственного производства, обеспечения продовольственной независимости государства.
Вместе с тем, как показывает многолетний опыт, при осуществлении мелиоративных мероприятий, прежде всего, гидротехнических, возможны негативные последствия. Недостаточность знаний о закономерностях взаимодействия и взаимного влияния природных и антропогенных факторов, о причинах, процессов, развивающихся в природной среде при осуществлении мелиоративных мероприятий, является одним из главных препятствий на пути к созданию экологически чистых и экономически эффективных мелиоративных систем и технологий. Актуальность выполненных исследований по совершенствованию научной методологии обоснования мелиорации с учетом экологической устойчивости геосистем к техногенному воздействию обусловлена потребностями практики мелиорации и развитием научных представлений в этой области.
Трудами отечественных и зарубежных ученых доказана необходимость дальнейшего развития научной методологии обоснования комплексных мелиорации, в которой системный анализ важнейших факторов адаптации техногенных мероприятий к природным условиям включает учет влияния гелиокосмических и глубинных геофизических процессов на экологическую устойчивость мелиорируемого агроландшафта. Расширение предметной области исследований обеспечивает повышение надежности
научного обоснования мелиорации и снижение риска развития таких негативных процессов, как вторичное засоление орошаемых земель, снижение продуктивности агроландшафта, подтопление земель и др.
Реализованный в данной работе геосистемный подход к обоснованию комплексных мелиорации является логическим развитием методологии адаптивно-ландшафтного подхода к созданию высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов.
Цель исследований заключается в совершенствовании методологии обоснования мелиорации, повышении ее эффективности при обеспечении экологической устойчивости природной среды.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
обосновать научное положение о выделении геосистем в качестве объекта воздействия гидромелиорации, выявить закономерности строения и функционирования геосистем разных иерархических уровней;
разработать теоретические положения экологической устойчивости геосистем к гидромелиоративному воздействию;
3) создать обобщенную концептуальную модель взаимодействия
гелиокосмических и глубинных геофизических факторов формирования и
развития геосистем;
4) разработать методологические подходы и сформировать комплекс
моделей для оценки экологической устойчивости геосистем, опасности и
риска развития негативных процессов;
5) разработать структуру информационной технологии оценки
устойчивости геосистем к гидромелиоративному воздействию для поддержки
принятия планово-проектных решений по обоснованию мелиорации с
использованием эколого-экономического моделирования и оптимизации;
6) выявить особенности строения и функционирования геосистем
Волжского бассейна, оценить опасность развития экологически
неблагоприятных процессов и разработать практические рекомендации по
развитию мелиорации земель в Поволжье.
Гипотеза. Рабочая гипотеза состояла в том, что для повышения эффективности мелиорации необходим учет экологической устойчивости геосистем, базирующийся на анализе их структурно-функциональных особенностей и оценке экологического риска при гидромелиоративном
^ воздействии.
Методика исследований. Методической основой выполненных исследований являются принципы системного анализа с использованием методов исследования операций, математического моделирования и теории вероятности.
ф В основу научных исследований положены труды Р. Беллмана, В.В.
Белоусова, JI.G. Берга, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, Б.А. Зимовца, Д.М. Каца, В.А. Ковды, П.А. Костычева, А.Н. Костякова, В.Л. Личкова, А.И. Перельмана, Б.Б. Полынова, Н.М. Решеткиной, А.В. Шнитникова, Б.Б. Шумакова, У.Р. Эшби, а также И.П. Айдарова, Г.К. Бондарика, С.Я. Бездниной, И.К. Гавич, М.А. Глазовской, А.А.Григорьева, Е.С. Дзекцера,
ж Ю.П. Добрачева, В.В. Добровольского, Ф.Р. Зайдельмана, Л.В. Кирейчевой,
Д.А. Манукьяна, Б.С. Маслова, Н.И. Парфеновой, Н.Ф. Реймерса, АЛ. Рагозина, В.Е. Райнина, Л.М. Рекса, В.Н.Сукачева, В.Т. Трофимова, А.И. Шеко, В.М. Шестакова, И.Ф. Юрченко.
Личный вклад автора состоит в постановке научной проблемы и формировании путей ее решения, включая теоретические исследования
* устойчивости сложных систем, адаптацию результатов к анализу
устойчивости геосистем при воздействии природных и техногенных факторов, оценку опасности и рисков, возникающих при реализации мелиорации. На основе обобщения литературных и фондовых материалов выявлены закономерности влияния гелиокосмических и геофизических факторов на формирование и развитие геосистем. Проведены численные
ж эксперименты с использованием современных методологических положений
и методов для условий геосистем Волжского бассейна, выполнено их районирование по степени опасности развития экологически
неблагоприятных процессов при гидромелиоративном воздействии, оценена эколого-экономическая эффективность мелиорации в Поволжье.
Достоверность научных результатов. Разработанные принципы, методы и модели базируются на фундаментальных положениях мелиоративной науки, системного анализа, геологии, гидрогеологии, теории исследований операций. Полученные результаты подтверждаются данными многолетней практики орошения земель в Поволжье и других регионах страны,- результатами- численных экспериментов- по оценки- устойчивости геосистем к гидромелиоративному воздействию.
Научная новизна.
1. Разработаны теоретические положения экологической устойчивости
геосистем, включающие концептуальную модель формирования и развития
геосистем, их структурно-функциональные особенности, принципы и
критерии оценки экологического состояния геосистем под влиянием
гидромелиоративной деятельности.
2. Создана обобщенная концептуальная модель взаимодействия
гелиокосмических и геофизических факторов формирования и развития
геосистем.
3. Разработана методология обоснования мелиорации с учетом оценки
экологической устойчивости геосистем к гидромелиоративному воздействию
Предложен комплекс моделей для реализации геосистемного подхода к обоснованию мелиорации, включающий: структурно-функциональные модели, раскрывающие закономерности строения и функционирования геосистем; модели поведения геосистемы в процессе техногенных воздействий для оценки экологической устойчивости и риска; оптимизационные модели для выбора эффективных вариантов комплексных мелиоративных проектов.
Разработана структура информационной технологии оценки устойчивости геосистем, включающая прогнозирование их динамического состояния, проведение сценарных исследований, оценку риска и эколого-экономической эффективности гидромелиорации.
Впервые выполнено районирование геосистем бассейна Волги по степени опасности развития экологически неблагоприятных процессов.
Обоснована стратегия развития орошения в Поволжье на основе геосистемного подхода, оценки устойчивости и эколого-экономического моделирования с использованием сценарных исследований.
Практическая' значимость результатов работы. Для; практического использования8 рекомендованы методические подходы и разработанная информационно-технологическая^ схема оценки экологической устойчивости геосистем с учетом возможной опасности и риска при гидромелиоративном воздействии, показатели: состояния геосистем: разных иерархических уровней,, предложенная статическая (текущего состояния) и динамическая (на перспективу) оценка устойчивости геосистем; методика районирования территорий геосистем по степени- опасности развития экологически неблагоприятных процессов. Результаты исследований могут быть использованы научными и проектными институтами для обоснования строительства и реконструкции гидромелиоративных систем, а также при организации экологического мониторинга на глобальном и региональном уровнях, для обоснования принятия решений по оптимизации комплексных мелиоративных мероприятий, оросительных норм и режимов орошения. Разработанная методология апробирована на примере обоснования мелиорации сельскохозяйственных земель Волжского бассейна. На защиту выносятся.
Факторы формирования и развития природных систем в естественных условиях
Для обоснования условий устойчивого функционирования агроланд- шафтов при мелиоративном воздействии необходимо оценить характер взаимодействия и взаимного влияния природных и антропогенных факторов, определить причины процессов, развивающихся в природной среде при реализации мелиорации, водохозяйственной: деятельности на основе выяв- ления особенностей строения природных систем, основных факторов и процессов их формирования и развития. В связи с этим, необходимо расширить общепринятые при обосновании мелиоративных мероприятий границы области исследований и включить в предметную область рассмотрения закономерности жизни Земли как космического тела и общенаучные аспекты проблемы устойчивости биосферы. При проведении исследований исходным положением является пред- ставление природной среды как целостной динамической саморазвивающейся системы. Природные системы любого ранга являются компонентами планетарной системы Земли. В свою очередь, закономерности как внешней, так и внутренней жизни нашей планеты определяются ее положением как компонента Солнечной системы, а также космической метасистемы. Функционирование Земли как целостной динамической системы регу- лируется космическими законами, действующими в пределах Солнечной системы. Особенностью Земли, резко отличающей ее от всего, что существует в космическом пространстве, является наличие биосферы. Биосфера явление и планетарное и космическое одновременно. И принадлежит биосфера и космическому пространству и непосредственно Земле. Соответственно, устойчивое состояние биосферы зависит от космических воздействий, процессов и явлений, происходящих в Галактике и Солнечной системе, от особенностей функционирования нашей планеты в рамках Солнечной системы, включая воздействия на биосферу глубинных процессов, зарождающихся в ее недрах. Зависит устойчивость и от антропогенной деятельности, с каждым годом становящейся все более мощным возмущающим фактором.
Определяющую роль для поддержания явлений жизни в биосфере играют космические процессы. Каждый атом в пределах биосферы, также как и в глубинных недрах нашей планеты связан с Космосом, космическими процессами и энергией. Биосфера представляет собой материально-энергетическое образование (пространство). По В.И. Вернадско- му общая мощность биосферы составляет от 12 до 16 км и включает нижнюю часть стратосферы, тропосферу, геохоры (ландшафты) с наземной жизнью и область подземной жизни до глубины 1-3 км, гидросферу (со средней мощностью 3-8 км) с подземной тропосферой, стратисферу (земную кору), занятую жизнью. Эта ее часть в среднем превышает глубину 3 Остальная часть земной коры, включая гранитную оболочку и метаморфизованные осадочные породы, начиная с криптозоя, когда воз- никла жизнь на Земле (более 3,5 млрд. лет назад), представляет собой область - "былых биосфер" (В.И. Вернадский, 1987). Поэтому литогенез на нашей планете по настоящее время определяется в основном деятельностью живого вещества, главным образом морского и океанического. Характерной особенностью живого вещества является его способность концентрировать элементы из весьма разбавленных растворов. Живые организмы разлагают минералы: каолин, серпентин, нефелин, мусковит, биотит, альбит и др. и извлекают из них кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, фосфаты, йод, фтор и др.Все осадочные породы земли за последние 3,4 млн. лет ее развития сформировались в биосфере. Земная атмосфера и тропосфера созданы сложными химическими процессами при огромной роли живого вещества. Биогенные в атмосфере не только кислород, углекислый газ, вода, но и углеводороды, Н2, N2, Н2С. Влияние биосферы активно сказывается в газовой оболочке Земли, в гидро- и литосфере. Живые организмы являются функцией биосферы (В.И.Вернадский, 1987) и теснейшим образом - материально и энергетически - с ней связаны, формируют биосферу. Несмотря на ничтожность суммарной массы живых организмов Земли по сравнению с массой земной коры (по В.И.Вернадскому, эта масса равна п 10" %), они обладают огромной способностью захватывать территорию и удерживать ее в сфере своего воздействия. Для биосферы характерно, и это важно отметить, что под разными ландшафтно-климатическими зонами химический состав ее различен, поскольку теснейшим образом связан с геологическим строением территории. Живые организмы находятся в беспрерывном избирательном обмене со средой, производят огромную космическую работу. Под их влиянием происходит изменение первичных минералов магматических пород, развиваются процессы почвообразования, миграции и перераспределения атомов химических элементов в земной коре от недр до поверхности. Более 60% известных химических элементов, составляющих 99,6% веса земной коры, подвержены биологической миграции и перераспределению (В.И.Вернадский, I960;. В.Г.Зольников, 1970). К таким элементам в первую очередь относятся: Н, С, N, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Fe. Все живое вещество планеты, поскольку биогенная миграция атомов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению, "...является действенной свободной энергией, может производить работу" (В.И. Вернадский, 1987). Рассматривая влияние Космоса на условия жизни на Земле, надо отметить его многогранность.
На земные процессы оказывает влияние периодическое прохождение Солнечной системой определенных участков ее галактической орбиты, неоднородность космического гравитационного поля и многое другое. В совокупности эти факторы вызывают возмущение земной орбиты, изменения ее наклона и эксцентриситета, как следствие - изменения электромагнитного поля Земли. Соответственно с этими условиями циклически изменяются климат и метеофакторы и другие условия обитания живых организмов на планете. Происходит постоянный обмен веществом и энергией между Космосом и биосферой, поддерживается устойчивость планеты. В процессе обмена Земля получает менее одной двухмиллиардной доли солнечной энергии, остальная часть рассеивается в солнечном пространстве. При этом на поверхность Земли попадает лучистой энергии 1,3 1024 кал/год, что соответствует мощности 1,7 1014 кВт (С.В.Калесник, 1970; В.Г.Горшков, 1990). Поступающая солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества. Биосфера — источник макромолекул: автотрофные организмы, поглощая солнечную энергию, превращают мелкомолекулярные бедные энергией неорганические вещества в крупномолекулярные богатые энергией органические соединения и снабжают ими все живое. Передаваясь от одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. После окончательного разложения органического вещества энергия частично накапливается в земной коре в виде алюмосиликатов, которые называют «геохимическими аккумуляторами». Живые организмы можно рассматривать как трансформаторы, переводящие солнечное излучение в тот или иной вид земной энергии: механическую, тепловую, электрическую и др. (С.В.Калесник,1970). Эффект деятельности живого вещества проявляется в литосфере, причем не только в течение геологического времени, но и явно выражен в пределах исторического времени. Интересны приведенные ниже факты и цифры, показывающие насколько активно, хотя и в разных временных масштабах, протекают жизненные процессы Земли. Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в среднем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется в 33 дня, а фитомасса океана - ежедневно. Процесс полной смены вод в гидросфере происходит за 2800 лет. В атмосфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа за 6,3 года (А.В. Лаппо, 1979). Но в то же время общепланетарный цикл углерода, азота, фосфора протекает за многие миллионы лет, фотосинтетическое разложение массы воды Мирового океана происходит за 5-6 млн. лет.
Основные закономерности функционирования геосистем в разных природных условиях
Функционирование геосистем разных иерархических уровней в естественных условиях и при техногенном воздействии означает поглощение поступающих извне потоков энергии, вещества и информации и их преобразование, излучение, в результате чего происходит изменение состояния и развитие геосистем. Подходя к обоснованию мелиорации важно учитывать, что закономерности функционирования геосистем определяются особенностями энергетического режима и их структурно-тектоническим строением.
Поступающие потоки энергии, вещества и информации объединяют все природные системы в единое целое, формируют процессы функционирования геосистем. Энергетические факторы, как было показано в разделе 1.2.2, определяют взаимообусловленность и неразрывность экзогенных и эндогенных процессов, определяют условия функционирования геосистем. Ритмичное поступление энергии определяет закономерности геологического и малого биологического круговорота веществ. В процессах, связанных с круговоротом веществ, как отмечалось, взаимоувязаны все биогенные и абиогенные процессы функционирования геосистем.
При обосновании мелиорации учитывается, что с поступлением солнечной энергии связаны зонально-климатические условия развития и особенности функционирования ландшафтов, а также их компонентов. Так, например, в соответствии с распределением солнечной энергии для лесостепной зоны характерен коэффициент увлажнения Ку=0,77-1,33 показатель гидротермического режима R— 0,4-0,8. Почвенный покров представлен оподзоленными и выщелоченными черноземами с содержанием гумуса 2,5-4% и емкостью поглощения, ППК 42-45 мг-экв. Преобладающая минерализация грунтовых вод и поровых растворов - менее 1 г/л, воды гидро-карбонатно-кальциевые.
Для степной зоны Ку= 0,45-0,77; R= 0,8 — 1,0. Развиты черноземы обыкновенные (гумус 6,5-5,5%) и южные (5,8-3,5%). Емкость поглощения 45-35 мг-экв. Минерализация грунтовых гидрокарбонатно-кальциевых и гидрокарбонатно-натриевых вод от 1 до 10 г/л. Для сухостепной зоны Ку= 0,30-0,45; R= 1,0 -1,8. Характерны почвы темно-каштановые содержацие гумус в количестве 3,5-3,0%, ППК 35-16 мг-экв. Минерализация подземных вод и поровых растворов 10-30 г/л, химический состав - сульфатно-натриевый, сульфатно-хлоридно-натриевый.
Для полупустынной зоны Ку=0,25-0,30 и R = 1,8-2,5, Почвы светло-каштановые (содержание гумуса 3,0-2,0%), емкость поглощения 25-18 мг-экв. Минерализация подземных вод 30-50 г/л, химический состав - сульфатно-хлоридно-натриевый, хлоридно-сульфатный натриево-магниевый. Для пустынной зоны Ку=0,11; R= 2,5-3,1. Почвы сероземы, светло-бурые; солончаки (гумус 2,0-1,5%). Емкость поглощения почв 18-6 мг-экв. Минерализация подземных вод более 50 г/л, преобладающий химический состав -хлоридно-натриево-магниевьтй (Н.И.Парфенова, Н.М.Решеткина, 1995). Солнечная энергия, наиболее ярким показателем которой является показатель гидротермического режима, является очень важным фактором формирования гидрогеохимических потоков в естественных условиях и при гидромелиоративном воздействии. При обосновании гидромелиорации важно помнить, что потоки зарождаются и разгружаются в ландшафтах, пройдя сложный и не всегда очевидный путь формирования. В ряде случаев потоки могут быть активно связанны с глубинными высокоминерализованными водами. При этом минерализация и химический состав глубинных артезианских вод, не подчиняющихся климатической зональности, определяются составом водовмещающих отложений и протекающими химическими реакциями на контакте воды и горной породы. Химический состав и минерализация грунтовых вод, как отмечалось, определяется преимущественно зонально-климатическими факторами, за исключением зон геохимических аномалий, часто связанных с тектоническими нарушениями, и интенсивного техногенного воздействия.
Важное значений в процессах функционирования геосистем, в процессах формирования гидрогеохимических потоков имеет растворимость солей, присутствующих в почвах и горных породах. Растворимость изменяется в широком диапазоне в зависимости от их химического состава и температуры. В основе всех химических преобразований лежит энергетический обмен. Физическая сущность растворимости солей отражает способность к диссоциации и ионизации атомов веществ под влиянием дипольных моментов молекул воды. При этом скорости ионизации способствует не только дипольные моменты молекул воды, но и величина заряда ядра атома, о которой можно судить по электронной плотности. Этот показатель характеризуется отношением удерживаемых электронов к ионно-атомному радиусу (Н.И.Парфенова,1991,19 97). Количество удерживаемых электронов зависит от заряда протона. Чем выше электронная плотность, тем ниже растворимость. Так, электронная плотность у атомов углерода - 40,0, кальция — 20,2, магния - 18,4, что объясняет низкую растворимость солей СаСОэ и МдСОз. В то же время только электронной плотностью нельзя объяснить повышенную растворимость Ыа2СОз и хлоридов (Н.И.Парфенова, 1997)
Для обоснования мелиоративных мероприятий помимо показателя гидротермического режима, важной характеристикой энергетического режима геосистемы является показатель химической трансформации растворов Qxr Показатель отражает распределение зарядов ядер атомов по орбита-лям электронов и равен отношению молекулярной массы соли ММ к электронной плотности Эл.п. (Н.И.Парфенова, 1997)
Экологическая инерционность геосистем и ее показатели
На основе проведенных аналитических исследований установлено, что основными факторами формирования устойчивости геосистем: к гидромелиоративному воздействию являются, во-первых, влияние геосистем более высокого иерархического уровня, а во-вторых - и инерционность функционирования геосистем. Экологическая инерционность - это способность геосистем отдалять во времени проявление негативных последствий гидромелиоративного воздействия. Инерционность определяется пространственно-временными особенностями геосистем: геолого-структурными и геоморфологическими условиями территории и циклическим характером развития геосистемных процессов (климатических, гидрологических, гидрогеологических, почвенных и др.).
Показатели экологической инерционности геосистем при гидромелиоративной деятельности и их количественные градации, определяющие степень инерционности приведены в таблице 3.5. Показателями высокого уровня инерционности на региональном уровне являются площади естественно дренированных земель более 50-70% от территории геосистемы, сохранение природных ландшафтов на 70% и более, отсутствие напорного питания; на локальном уровне - значительная мощность зоны аэрации (более 30 м), интенсивная естественная дрениро-ванность земель (подземный отток от 300 до 500 мм/год), мощный гумусовый горизонт и др. В соответствии с количественными критериями выделены три степени экологической инерционности - высокая, средняя инизкая. Наличие благоприятных с точки зрения инерционности геосистем природных уел о-вий говорит о исходной устойчивости территории к планируемому гидромелиоративному воздействию еще до его начала (С.Д.Исаева, 1997, 2001). Слабая экологическая инерционность, напротив, определяет техногенную уязвимость геосистемы или ее компонентов, территориальных образований. Под уязвимостью понимается неспособность геосистемы противостоять воздействию гидромелиоративных систем и сохранять исходные закономерности функционирования, обеспечивающие благоприятную экологическую ситуацию.
Наличие зон уязвимости и действие природных факторов, снижающих экологическую устойчивость геосистем, а также возникающие неопределенности в процессе принятия и реализации решений по управлению воздействиями на геосистемы, способствуют возникновению опасности развития экологически неблагоприятных явлений. Развитие неблагоприятных экологических процессов и явлений может быть обусловлено как природными, так и техногенными причинами. Эколо- гически опасные явления напрямую могут быть связаны с угрозой жизни и человеческими жертвами. Среди опасных природных явлений наибольшую опасность для жизни людей представляют засухи (более 50% погибших и пострадавших), наводнения (36%), циклоны, ураганы, тайфуны и штормы (8%), а также землетрясения (2-3%). За 30 лет (1965-1995) в мире от стихийных бедствий погибло около 4 миллионов, а пострадало более 3,3 млрд. человек (А.Л. Рагозин, 1995).В нашей стране за тот же период по тем же причинам (наводнения, оползни и обвалы, ураганы, переработка берегов водохранилищ и морей) погибло более 3 тыс.человек и пострадало около 540 тыс. При водохозяйственном воздействии возникают дополнительные виды негативных экологических явлений и процессов - подтопление, переработка берегов водохранилищ, деградация почв и др. Если оценивать экономический ущерб от экологически опасных природных и техноприродных процессов, то последовательность следующая (А.Л. Рагозин, 1995): плоскому стная и овражная эрозия (около 24% всех потерь), подтопление территорий (14%), наводнения и переработка берегов (по 13%), оползни и обвалы (11%), землетрясения (8%). Все процессы, протекающие в геосистемах, в том числе и экологически неблагоприятные, являются результатом функционирования всей систе- мы в целом, а иногда обусловлены и функционированием геосистем более высокого иерархического уровня.. В развитии геосистемных процессов г принимают участие постоянно действующие факторы, определяющие генетические особенности процессов. К таким факторам относится геолого-структурное строение территории, наличие тектонически ослабленных зон, геоморфологические особенности территории и др.
Вероятностно-детерминированные прогнозные модели .
Одним из основных инструментов исследования экологической устойчи вости геосистем, относящихся к классу сложных систем, является математиче ское моделирование. Моделирование геофильтрации в существующих и наи более используемых программных системах (Modflow, SIMGRO, MikeShi и др.) основано на решении систем дифференциальных уравнений массопереноса в насыщенной и ненасыщенной зонах. В работе для выполнения- моделирования использована программная система Processing Modflow 5 (РМ 5) (Chiang W. Н. and W. Kinzelbach). Пакет PM5 разработан на основе программного ядра MODFLOW 88 и MODFLOW 96 ( McDonald, M С and A. W. Harbaugh) - модулярной трехмерной конечно-разностной модели Геологической Службы США (USGS), созданной для описания и прогноза закономерностей режима грунтовых и артезианских вод. В исходных пакетах программ (MODFLOW 88 и MODFLOW 96) заложены возможности схематизации и имитации инфильтра-ционного питания и эвапотранспирации и flp.(Chiang, Kinzelbach, 1992). За прошедшее с момента разработки время, в пакет РМ 5 дополнительно включены программы, разработанные независимо от MODFLOW: модель конвективного массопереноса РМРАТН (Chiang and Kinzelbach, 1994, 1998), модели многопластового массопереноса MT3D (Zheng, 1990), MT3DMS (Zheng and Wang, 1998) и др. Все пакеты используют MODFLOW как функцию для вычисления полей гидродинамических напоров. Для решения задач используется метод конечных разностей, который сводит постановку задачи к системе линейных, квазилинейных или нелинейных конечно-разностных уравнений.
Для решения систем алгебраических уравнений в моделях применяются различные численные методы; В общем случае уравнение неразрывности планового потока может быть представлено в виде (В.М. ШестаковД 995, И.К. Гавич, 1988); где ft - коэффициент недостатка насыщениями) - инфильтрационное питание грунтовых вод Для планово-плоского потока выполняется предпосылка Дюпюи о постоянстве в каждом вертикальном сечении горизонтальных градиентов напора, определяемых через уклоны свободной поверхности їх и iy, причем где Н - напоры на свободной поверхности, равные ее ординатам относительно плоскости сравнения напоров. Выражения для удельных расходов qx и ЦУ при одинаковых величинах коэффициента фильтрации по х и у в однородно-изотропных пластах имеют вид: где ТГ— водопроводимость потока в данном сечении, к - коэффициент фильтрации и h - мощность потока. Закономерности фильтрации однородного по фильтрационным свойствам двумерного в плане безнапорного потока описываются уравнением (Л.Лукнер, В.М. Шестаков,1976) ; Дифференциальное уравнение нестационарного напорного планового потока в предпосылках упругого режима фильтрации имеет такую же форму, как и уравнение (4), только вместо /Гвводится.коэффициент упругой емкости пласта // , а величина аз заменяется на величину упругого питания т у которая проявляется при изменении внешнего давления на кровлю пласта. Если считать пласт кусочно-однородным и изменение параметров пласта происходит на границах отдельных областей потока, то линеаризованное дифференциальное уравнение напорной фильтрации примет вид г где а - коэффициент пьезопроводности. При прогнозах фильтрации в слоистых водоносных системах обычно используются общие предпосылки перетекания. В этом случае дифференциальное уравнение упругого режима в напорном пласте где V ZH v"2- вертикальные скорости фильтрации в разделяющих слоях на кровле и подошве водоносного пласта. При жестком режиме фильтрации скорости v z v z и определяются выражениями
