Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздействие антропогенной деятельности на компоненты природной среды. повышение экологической безопасности функционирования мелиоративных систем: проблемы и пути их решения 14
1.1 Особенности антропогенных воздействий на экологическое состояние природной среды 14
1.2 Оценка влияния мелиоративного воздействия на природную среду в современных условиях 32
1.3 Постановка проблемы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и пути ее решения 42
Выводы по главе 1. 48
Глава 2. Теоретические основы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем 50
2.1 Подходы к анализу функционирования мелиоративных систем на основе вещественно-энергетических оценок 51
2.2 Теоретическое обоснование термодинамического метода анализа эффективности мелиоративных воздействий 57
2.3 Изучение вещественно-энергетических балансов при антропогенном воздействии 77
2.3.1 Изменение энергетических показателей геосистем 77
2.3.2 Динамика гумуса почв при антропогенных воздействиях 93
2.3.3 Оценка динамики формирования продуктивности агроценозов 100
2.3.4 Система показателей экологически безопасного функционирования агрогеосистем 112
2.4 Концептуальная модель функционирования мелиоративных систем 115
Выводы по главе 2. 124
Глава 3. Оценка экологической безопасности функционирования мелиоративных систем на основе выполнения ансамблевых прогнозов 126
3.1 Методология ансамблевого прогнозирования процессов при антропогенном воздействии 129
3.2 Система эколого-математических моделей прогнозирования 138
3.2.1 Исследования по изучению моделей среды и результаты экспериментального изучения структуры порового пространства 140
3.2.2 Эколого-математические модели прогнозов природно-мелиоративных процессов 161
3.3 Реализация многокомпонентной модели равновесной химической термодинамики 184
Выводы по главе 3. 197
Глава 4. Сценарные исследования и оценка обобщенных геоэкологических рисков 199
4.1 Методика проведения сценарных исследований 199
4.2 Результаты сценарных исследований по водосборному бассейну р. Медвенки 205
4.3 Методология и количественная оценка обобщенных геоэкологических рисков 217
4.3.1 Методика вычисления геоэкологических рисков и ущербов 218
4.3.2 Результаты количественной оценки суммарных экологических ущербов на конкретном объекте 227
Выводы по главе 4. 231
Глава 5. Эколого-мелиоративный мониторинг -информационная основа для управления экологической безопасностью функционирования мелиоративных систем 233
5.1 Основные положения формирования эколого-мелиоративного мониторинга 234
5.2 Система геоэкологических показателей и их ограничения при мелиоративном воздействии 244
5.3 Особенности проведения регионального эколого- мелиоративного мониторинга агроландшафтов Смоленской области 251
Выводы по главе 5. 257
Глава 6. Технология повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и ее реализация на конкретном объекте 259
6.1 Обобщенная функционально-технологическая схема повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем 259
6.2 Реализация технологии на примере Аштского массива орошения 266
Выводы по главе 6. 278
Заключение 280
Литература 286
- Оценка влияния мелиоративного воздействия на природную среду в современных условиях
- Теоретическое обоснование термодинамического метода анализа эффективности мелиоративных воздействий
- Система эколого-математических моделей прогнозирования
- Результаты количественной оценки суммарных экологических ущербов на конкретном объекте
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время развитие многих отраслей народного хозяйства, в том числе и сельскохозяйственного производства, характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Из большого числа различных видов антропогенной деятельности сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство по своему масштабу и интенсивности оказывает наиболее глубокое воздействие на природную среду.
Функционирование объектов природообустройства наряду с достижением определенного народнохозяйственного эффекта сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий таких как подтопление и заболачивание, засоление и осолонцевание, эрозия почв и т.д. Это приводит к деградации, загрязнению почв, к ухудшению качества поверхностных и подземных вод, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и, соответственно, осложнению экологической ситуации.
В материалах третьего Всероссийского съезда по охране природы (Москва, 2003) при оценке состояния природной среды подчеркнуто, что «несмотря
на некоторую стабилизацию экологического состояния окружающей среды (за
і период 1987-1999 гг.) в 2000 году появилась устойчивая тенденция к увеличению объема негативных экологических последствий, прежде всего из-за ослабления деятельности всей природоохранной системы и невысокого уровня природоохранных технологий». Ухудшение экологических условий и масштабность их проявления обостряют потребность в нахождении путей решения проблемы по снижению негативных последствий и интенсификации фундаментальных и прикладных исследований по решению этой проблемы.
К настоящему времени на территории России эксплуатируется большое количество техно-природных систем (ТПС) различного назначения - промышленных, транспортных, мелиоративных, сельскохозяйственных, водохозяйст-
5 венных, гидротехнических и т.п., построенных в 60-80 годы. Использование морально устаревших технических средств, отсутствие современных технологий и применение технологий, не адекватно учитывающих природные условия и экологические ограничения, высокая изношенность основных фондов большинства сооружений, составившая в последние годы 70-90%, - все это усиливает возможность возникновения аварий и экологических кризисов по причинам техногенного и природно-техногенного характера в самые ближайшие годы.
Так, в 2002 году количество природно-техногенных аварий было превышено на 18%, а по причинам техногенного характера - на 30% по сравнению с
годом, и в дальнейшем, начиная с 2004 года, следует ожидать их катастрофическое увеличение (В.И.Осипов, 2003). Более того, риск таких аварий существенно возрастает на фоне участившихся природных катастроф, вызванных прежде всего гидрометеорологическими причинами. Удельный вес таких процессов составляет более 80%, они приводят к потере управления ТПС и вызывают серьезные экологические последствия и даже человеческие жертвы. В
году произошли крупные природно-техногенные аварии на гидротехнических сооружениях из-за крупнейших наводнений на юге России (Краснодарский и Ставропольский края), отказ которых произошел на фоне технического износа гидротехнических сооружений.
Политические и социально-экономические перемены периода перестройки, имевшие место в России в конце 80-х и начала 90-х годов, оказались неблагоприятными и для развития мелиорации, которая в настоящее время столкнулась с рядом острейших проблем, связанных: с прогрессирующим сокращением орошаемых и осушаемых площадей; ухудшением их мелиоративного состояния из-за развития процессов деградации (подтопления, заболачивания, засоления, осолонцевания, закустаривания); падением продуктивности мелиорированного гектара; заметным снижением технического уровня мелиоративных систем (МС) и высокой степенью изношенности мелиоративных сооружений. Все это происходит на фоне низкого финансирования отрасли.
В России к 2001 году произошло сокращение площади орошаемых земель на 1,5 млн. гектар (26%) по сравнению с 1991 годом и составило 4547, 5 тыс. гектар, из них почти 30% составляют орошаемые земли регионов Северного Кавказа и Поволжья. Из-за засушливых погодных условий, недостатка поливной воды, неисправности мелиоративной сети и дождевальной техники неполивная площадь увеличилась на 44% и составила 2014, 1 тыс. гектар, что привело к спаду валовых сборов сельскохозяйственной продукции почти в два раза. Кроме того за последние 15 лет более чем в два раза произошло снижение парка дождевальных машин.
Результаты обследований эколого-мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель на территории России на 01.01.2005 год свидетельствуют о том, что почти 20% осушенных и ЗОУо орошаемых земель находится в неудовлетворительном состоянии, и тенденция ухудшения будет сохраняться, если не будут приняты соответствующие меры по ее предотвращению и упреждению.
На современном этапе вопросы экологии и охраны природы и экологии стоят особенно остро, в решении которых, как отмечал А.Н.Костяков, именно мелиорации, как составной части общего комплекса мероприятий по преобразованию природы, принадлежит решающее значение. Мелиорация была и остается основным стабилизирующим фактором и действенным средством повышения плодородия и устойчивости почв, регулирования природных процессов, управления круговоротом воды и зольных веществ, интенсификации сельскохозяйственного производства, а также определяющим средством компенсировании многих негативных последствий.
Поэтому исследования по повышению экологической безопасности функционирования объектов природообустройства являются в настоящее время актуальными, позволяют снизить риск развития негативных процессов и улучшить экологическую ситуацию.
Цель и задачи исследований. Основной целью настоящей работы является теоретическое и методологическое обоснование экологической безопасности функционирования объектов природообустройства (мелиорированных земель).
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие научные задачи:
Дать оценку современного состояния природной среды, сформировавшегося под влиянием различных видов антропогенной деятельности, выявить региональные и локальные закономерности влияния мелиоративной деятельности на различные компоненты природной среды.
Разработать теоретические положения повышения экологической безопасности функционирования объектов природообустройства (мелиоративных систем), включающие новые подходы и систему критериев для оценки их функционирования.
Обосновать возможность использования ансамблевого прогнозирования природных процессов при антропогенных воздействиях и предложить систему наиболее совершенных математических (одномерных, профильных и пространственных многокомпонентных) моделей сопряжения -гидродинамических и гидрохимических для выполнения прогнозирования природных процессов.
Провести экспериментальное обоснование структуры порового пространства для различных почв пород зоны аэрации и установить наиболее характерную модель среды.
Разработать основные принципы формирования регионального эколого-мелиоративного мониторинга и провести их реализацию на конкретных объектах.
Разработать методы оценки обобщенных геоэкологических рисков возникновения негативных последствий антропогенной деятельности и сум-
8 марных экологических ущербов и применить их на объектах природообустрой-ства.
7. Предложить структурную схему технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и провести ее реализацию.
Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются основные положения системного анализа с использованием методов математического моделирования, теории неравновесной термодинамики, теории управления сложными системами и теории вероятности. В основе научных исследований и решении поставленной проблемы лежат труды Л.С.Берга, В.И.Вернадского, В.В.Докучаева, А.Н.Костякова, А.В.Ковды, Б.Б.Полынова, И.Р.Пригожина, а также И.П.Айдарова, Г.К.Бондарика, А.И.Голованова, Б.С.Маслова, Н.М.Решеткиной, Л.В.Кирейчевой, Д.А.Манукьяна, Н.И.Парфеновой, Л.М.Рекса, Н.Ф.Реймерса и др.
Методика исследований заключалась в исследовании природных и при-
родно-антропогенных процессов и их закономерностей; изучении энергетиче
ских подходов в оценке состояния природных систем и количественных расче
тов энтропийных потоков; прогнозировании и оценке функционирования при-
родно-мелиоративных процессов и процессов гидролого-почвенно-
гидрогеологического цикла; проведении сценарных исследований; качественных и количественных оценок геоэкологических рисков и ущербов.
Объект и предмет исследований. В качестве объекта исследований рассматривались различные объекты природообустройства: мелиоративные системы, агрогеосистемы, водосборные бассейны. Предметом исследований явились научные знания о природных и природно-антропогенных процессах, происходящих при функционировании объектов природообустройства.
Научная гипотеза. Для оценки функционирования объектов мелиоративных систем может быть применен термодинамический подход, позволяющий оценить эффективность мелиоративных воздействий, более полно охарак-
9 теризовать состояние природного объекта, а также выявить общие закономерности трансформации вещественных и энергетических потоков под влиянием антропогенных воздействий. Выбор варианта функционирования может быть обоснован прогнозными расчетами, сценарными исследованиями и оценкой геоэкологических рисков.
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании и практической реализации методов совершенствования функционирования мелиоративных систем, включающем: проведение полевых и лабораторных экспериментов по оценке параметров природного объекта; разработку теоретических подходов изучения энергетического состояния природной системы, концептуальной модели повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем; выбор и разработку эколого-математических моделей прогнозирования, а также их реализация на различных объектах; выполнение сценарных исследований и оценку обобщенных геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов при антропогенной деятельности на конкретном объекте; проверку адекватности предложенных алгоритмов, процедур и моделей.
На основе мониторинга экологического состояния окружающей среды и функционирования мелиоративных систем выявлены диссипативно-флуктуационные закономерности развития природно-мелиоративных процессов, а также установлены негативные последствия, приводящие к потере экологической устойчивости функционирования объектов природообустройства.
Под руководством или при участии автора выполнено прогнозирование экологического и эколого-мелиоративного состояния отдельных инженерных и техно-природных систем (пойма р.Пахры, водосбор р.Медвенка, агроландшаф-ты Смоленской области, Джизакский массив, Аштский массив орошения и др.), подсчитаны суммарные значения геоэкологических рисков от воздействия строительства Усть-Среднеканской ГЭС.
Проведена оценка эколого-экономической эффективности предложенных природоохранных мероприятий для Аштского массива орошения в республике Таджикистан.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Термодинамический подход в теории функционирования мелиоративных систем, позволяющий на основе методов теории открытых систем и закономерностей энергетических превращений в геосистемах оценить эффективность мелиоративных воздействий. Особенность подхода заключается в учете тепломассообмена почвенного покрова с внешней средой и в представлении почв как открытых систем, в которых особенности протекания неравновесных процессов связаны с флуктуациями и точками бифуркации. Установлено, при антропогенных воздействиях происходит существенное изменение структуры термодинамического балансового уравнения, динамика составляющих которого позволяет выявить точки бифуркации в развитии геосистем.
Обобщенная концептуальная модель функционирования мелиоративных систем, отражающая взаимосвязь природной, технической, технологической подсистем и блока управления и позволяющая обосновать комплекс мероприятий по снижению негативных последствий антропогенной деятельности.
Методология, схема, структурная иерархия и порядок выполнения ансамблевых прогнозов сложных нелинейных природных процессов. В общей системе моделей прогнозирования выделена подсистема моделей процессов, носящих детерминированный характер, и подсистема моделей среды, особенностями которых являются факторы случайности и неопределенности. Основу методологии составляет интегрированная система эколого-математических моделей сопряжения, описывающих разнородные природно-мелиоративные процессы, связанные между собой эмпирическими соотношениями и объединенные общей управляющей программой.
Методика проведения экспериментальных исследований по обоснованию структуры порового пространства почв, пород зоны аэрации и зоны
и насыщения, основанная на использовании трассерных индикаторов и алюмоси-ликатных гелеобразующих растворов. Обобщение экспериментальных исследований автора и других исследователей позволило выделить модель порового пространства изотропного характера, гетерогенно-блоковую модель и модель макронеоднородности.
Комплексный подход к оценке обобщенных геоэкологических рисков возникновения негативных последствий при мелиоративной и водохозяйственной деятельности. Структура геоэкологического риска учитывает степень риска развития нежелательных природно-антропогенных процессов и суммарных экологических ущербов, покомпонентное количественное определение которых проведено на конкретном объекте гидротехнического строительства.
Структурная схема технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем, включающая процедуры проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований, оценку геоэкологических рисков и эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий.
Практическая значимость работы. Использование термодинамического метода оценки функционирования мелиоративных систем, позволяющего количественно определить антропогенную (энергетическую) нагрузку на природные объекты и прогнозную оценку развития мелиоративных систем (эволюция или деградация), позволит обеспечить своевременное проведение упреждающих природоохранных и агротехнологических мероприятий и, как следствие, эффективность эксплуатации и проектирования мелиоративных систем.
Разработанные научно-методические рекомендации по оценке экологической безопасности функционирования объектов природообустройства были использованы при разработке природоохранных мероприятий для конкретных объектов (Северо-Чагринская оросительная система, Аштский массив орошения Таджикистана, Джизакский массив Узбекистана, объект ТБО «Щербинка»,
водосбор р.Медвенки Московской области, бассейн р.Колымы, агроландшафты Смоленской области) и могут быть использованы при экологической экспертизе.
Выполнение предложенных прогнозных оценок природно-мелиоративных процессов по разработанным методикам позволит повысить уровень научного обоснования природоохранных технологий.
Предложенная методология проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований и количественных методов в оценке обобщенных геоэкологических рисков позволят оценить эффективность функционирования мелиоративных систем и обоснованно принять решение о целесообразности их реконструкции.
Ряд разработок автора были отмечены медалями ВВЦ (1999, 2001).
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных конгрессах, совещаниях и конференциях. Важнейшими из них являются: 1-й Всесоюзный съезд инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Международный семинар по проблеме комплексного использование поверхностных и подземных вод в рамках советско-индийского сотрудничества (Индия, г.Рурки, 1990); II и IV и VI Международные Конгрессы «ЭКВАТЭК» (Москва, 1996, 2000, 2004); 2-й Всероссийский съезд по охране природы (Саратов, 1999); 7, 8, 9 и 13-я Международные конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ, 1999, 2000, 2001, 2005); Ш-й съезд Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000); Юбилейная конференция «Современные проблемы мелиорации и пути их решения», (Москва, ВНИИГиМ, 1999); Международные научно-технические конференции МГУП (Москва, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003. 2006); Международная научная конференция «Костяковские чтения» (Москва, ВНИИГиМ, 2002. 2004. 2006); Европейская международная региональная конференция «Проблемы предотвращения опустынивания земель» (Словения, 2002); 3-я Международная российско-иранская конференция «Сельское хозяй-
13 ство и природные ресурсы», (Москва, МСХА, 2002); 19-й Международный Конгресс по ирригации и дренажу (Москва, 2004).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 62 печатных работах общим объемом 23 авторских листа, из них лично автору принадлежит 19,5 авторских листа; 9 статей опубликовано в центральных реферируемых журналах.
Диссертационная работа выполнена под руководством доктора технических работ, профессора Д.А. Манукьяна, которому автор приносит огромную благодарность. Большую методическую помощь при написании работы оказали консультации доктора технических наук, профессора А.И. Голованова и консультации доктора технических наук, профессора Л.В. Кирейчевой, которым автор выражает глубокую признательность. Ряд ценных пожеланий и советов получено автором от доктора технических наук И.Ф. Юрченко, которому автор также искренне признателен.
Оценка влияния мелиоративного воздействия на природную среду в современных условиях
Мелиоративное и водохозяйственное строительство, сельскохозяйственная деятельность по своему масштабу и интенсивности оказывают наиболее глубокое воздействие на все компоненты природной среды, а их негативные последствия проявляются на всех уровнях.
Проблеме влияния мелиорации и водного хозяйства на природную среду посвящены исследования С.Ф.Аверьянова, И.П.Айдарова, И.А.Антипова-Каратаева, А.Г.Бабаева, В.А.Барона, Г.В.Воропаева, А.И.Голованова, Б.М.Зимовца, Д.М.Каца, Л.В.Кирейчевой, А.Н.Костякова, В.А.Ковды, Д.А.Манукьяна, Н.Г.Минашиной, Н.И.Парфеновой, Н.М.Решеткиной, Н.В.Роговской, Б.Б.Шумакова и т.д.
Следует отметить, что негативная мелиоративная и водохозяйственная деятельность проявляется как на глобальном (в пределах региональных речных бассейнов), так и на локальном (в пределах орошаемого поля или мелиоративной системы). Примерами глобальных негативных последствий являются высыхание Аральского моря, подтопленные территории в Поволжье, Северном Кавказе, региона Каспийского и Азовского морей. Неизбежным последствием крупномасштабных водохозяйственных и мелиоративных мероприятий - оросительных мелиорации является изменение структуры водного баланса и как следствие подъем уровней грунтовых вод, вызывающих комплекс природно-мелиоративных процессов - почвенных, гидрогеологических, инженерно-геологических и др.
Проведенный анализ влияния мелиоративной и водохозяйственной деятельности показывает, что орошаемое земледелие приводит к коренному изменению практически всех компонентов природной среды (почв, поверхностных вод, подземных вод), а, следовательно, к изменению условий среды обитания целых сообществ. В литературе имеется ряд работ, в которых проводится анализ влияния орошения на среду обитания живых организмов и, как правило, орошение благоприятно влияет на микроорганизмы, активность которых начинает заметно возрастать (Миноранский В. А., 1997).
Объективная необходимость проведения мелиоративных и, прежде всего оросительных мелиорации, связана с тем, что большая часть пашни в России находится в зоне рискованного земледелия, а положительные результаты развития мелиорации не вызывают сомнений и заключаются в повышении биологической продуктивности - более 30% продукции земледелия производится с орошаемых и осушаемых земель. Осушительные мелиорации вызывают определенные изменения природной обстановки заболоченных земель, и в первую очередь, гидрологических и гидрогеологических условий.
Так, происходит интенсивное понижение уровня водоносного горизонта, прекращается процесс торфонакопления, наблюдаются изменения в растительном покрове болот. Однако, в целом, осушительные мелиорации не вызывают существенных негативных изменений на прилегающих территориях.
В настоящее время в сложившихся кризисных экологических условиях функционирование мелиоративных систем происходит на фоне тенденции дальнейшего снижения продуктивности сельскохозяйственных культур, сокращения площади орошаемых земель, ухудшения их мелиоративного состояния, снижения плодородия почв, физического и морального старения основных фондов (табл. 1.3). Недостаточный учет влияниям мелиоративных воздействий на экологическую ситуацию, связанного с несовершенством мелиоративных технологий, технических средств, а также ошибками проектирования, неточностью прогнозов, отсутствием должного уровня эксплуатации дорого обходятся обществу.
Так, по данным национальных докладов РФ по состоянию на 2001 год неудовлетворительная мелиоративная ситуация наблюдается на площади более 636,7 тыс.га, в том числе из-за подъема ровней грунтовых вод - 205,2 тыс.га, засоления - 344,2 тыс.га, подтопления - 87,3 тыс.га [ 304,306 ].
Большинство земель сельскохозяйственных районов России пришли в экологически неудовлетворительное состояние из-за превышения экологических пределов использования земель. Это усугубляется еще и тем, что в процессе сельскохозяйственной деятельности в почву поступает большой поток загрязняющих веществ и, прежде всего, тяжелых металлов: с минеральными удобрениями - до 3% от суммарного объема, с осадками сточных вод - до 80% и до 35% с органическими удобрениями.
Например, валовые сборы в 1997 году по основным культурам составили 40% на орошаемых землях и 35% - на осушаемых. Абсолютная доля потерь органического вещества за последние 10 лет в неподверженных эрозии черноземах составила 0,4-0,8% [ 4 ]. Результаты статистических исследований развития агропромышленного комплекса России показывают непрерывное сокращение использование земельных ресурсов и площадей орошаемых земель. В 2001 году доля потерь их в основных регионах (Поволжье и Ростовская область) составила более 30% по сравнению с 1991 годом, осушаемые площади сократились на 25% (табл. 1.4). Наблюдается значительное сокращение производство и применение минеральных удобрений и химических средств защиты растений - в 2-3 раза (табл. 1.5-1.6).
Теоретическое обоснование термодинамического метода анализа эффективности мелиоративных воздействий
В качестве основного теоретического подхода анализа и оценки мелиоративных воздействий на природные ландшафты предлагается использовать термодинамический подход, позволяющий рассматривать техно-природные системы в виде открытых многокомпонентных систем, в которых развитие природных процессов подчиняется закономерностям неравновесной термодинамики.
При антропогенном, в том числе и мелиоративном воздействии, природчная составляющая техно-природных систем подчиняется соотношению взаим-ностей Онсагера и принципу Ле Шателье - Брауна, который может рассматриваться как обратная отрицательная связь, а по мере роста нагрузок система может удаляться от равновесия.
Неравновесная термодинамика рассматривает развитие сложных нелинейных систем вдали от равновесия и использует такое понятие как «точки бифуркации» [259, 260, 261, 262]. На динамику развития такого рода систем существенное влияние оказывают влияние естественные флуктуации и флуктуации, вызванные антропогенным воздействием.
При антропогенном воздействии (в области появления неустойчивого развития и вблизи точек бифуркации) в системе нарушается действие соотношения взаимностей Онсагера и принципа Ле Шателье - Брауна, и обратная отрицательная связь может замениться на положительную обратную. В этом случае незначительные воздействия флуктуации на систему может привести к существенным изменениям в ее развитии, которые могут явиться определяю щими и стать деструктивным фактором дальнейшей траектории развития системы, способного вызвать негативные экологические последствия. В связи с этим возникает проблема как недопустить замены отрицательных обратных связей на положительные.
При мелиоративном воздействии в качестве основных мероприятий, позволяющих оказывать стабилизирующее действие развития природной системы, являются комплексные мелиорации земель, имеющие природоохранное и природовосстанавливающее действие, позволяющее улучшить состояние сельскохозяйственных угодий путем сохранения обратных отрицательных связей и повышения экологической устойчивости агроландшафтов.
Мелиоративная деятельность является одной из основных отраслей народного хозяйства, которая способствует интенсификации сельскохозяйственного производства. Основным технологическим фактором получения высоких урожаев сельскохозяйственной продукции являются комплексные мелиорации, с помощью которых формируется техно-природная система с новой структурой и новыми функциональными свойствами. При разработке системы комплексных мелиорации природный ландшафт следует рассматривать как единую техно-природную систему, в которой функциональные связи между компонентами реализуются путем передачи вещественно-энергетических потоков.
При функционировании геосистем происходит непрерывный обмен энергией живых организмов и процессов выветривания, различными веществами и информацией между компонентами агрогеосистемы с окружающей средой, а, как известно, энергетические процессы описываются основными законами термодинамики.
Согласно термодинамическим представлениям физико-химические процессы, происходящие в природных объектах, стремятся привести систему к равновесному состоянию, и это сопровождаются ростом энтропии системы (процессы в зоне выветривания, выравнивания температур, влажности, эрозия и т.д.). Приток энергии в открытую термодинамическую систему, в которой присутствует биотическая составляющая, позволяет ей уменьшать свою энтропию (почва, получая энергию от Солнца, тратит ее часть на почвообразование, уменьшая общую энтропии и увеличивая упорядоченность и организованность системы).
Основным предметом исследования термодинамики являются: термодинамические свойства систем - паров, жидкостей и твердых тел и фазовые равновесия и превращения. Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, а также о процессах перехода между этими состояниями, и использует основные принципы физики - закон сохранения и закон деградации энергии ко всем процессам, имеющим молекулярно-статистическую основу и приводящим к состоянию равновесия.
В соответствии с первым законом термодинамики (закон сохранения энергии) энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую, при этом часть энергии рассеивается в виде тепла. Согласно второму закону термодинамики (закон возрастания энтропии) мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (S), которая характеризует упорядоченность системы и степень энергетического равновесия.
Все живые организмы характеризуются высокой степенью упорядоченности составляющих элементов, т.е. минимальным значением энтропии и сохра-няют определенный уровень энергии и степень энтропии (AS" = 0). При антропогенном воздействии и нарушении экологического равновесия в агрогеоси-стемах степень упорядоченности уменьшается и увеличивается степень беспорядка, а, следовательно, энтропия увеличивается (AS 0), достигая своего максимального значения при отмирании и становясь частью окружающей природной среды.
Система эколого-математических моделей прогнозирования
Система эколого-математических моделей, описывающих функционирование природно-антропогенных объектов с позиций ландшафтно-геосистемного подхода на различных иерархических уровнях, является теоретической и методологической основой прогнозирования состояния литосфер-ной, гидросферной и биосферной составляющих природной среды в условиях интенсивной антропогенной деятельности.
Анализ существующих моделей природных и природно-антропогенных процессов и оценка их адекватности указывает на необходимость дальнейшего совершенствования системы эколого-математических моделей на каждом иерархическом уровне.
Проведенные исследования детального уровня позволяют сделать вывод, что в широко используемых моделях влагопереноса особую значимость приобретают представления о структуре порового пространства почв и пород зоны аэрации.
В частности, модель макронеоднородности порового пространства существенным образом определяет не только транзитную составляющую инфильт-рационного питания грунтовых вод на орошаемых землях, но и выбор расчетной модели солепереноса и ее структуру.
Кроме того, введение в уравнение влагопереноса, описывающего динамику влагоотбора корнями растений в терминах стоков (динамические модели роста и развития растений), позволяет расширить экологические возможности модели детального уровня в плане минимизации потока на нижней границе расчетной области.
Решение проблемы совершенствования моделей этого уровня с нашей точки зрения должно быть направлено на изучение структуры порового пространства. Для этого автором были проведены полевые экспериментальные опыты изучению структуры порового пространства и количественной оценке макронеоднородности для различных литолого-генетических разностей.
На региональном уровне существенное значение приобретают вопросы изучения и прогноза нестационарного подпора грунтовых вод, который возникает при устройстве различных гидротехнических и мелиоративных сооружений (водохранилища, каналы, и т.д.), а также задачи, связанные с оценкой качества подземных вод, используемых для орошения, и многие вопросы загрязнения. Следует отметить, что в этом аспекте наибольшую нагрузку на природные геосистемы и ландшафты дают фильтрационные потери из каналов и водохранилищ. В общей системе эколого-математических локального уровня необходимо рассматривать блок моделей прогнозирования и количественной оценки миграционных процессов и процессов загрязнения. Следует отметить, что часто используемые неравновесные гидрохимические модели не позволяют учесть все аспекты миграции загрязняющих веществ.
В последние годы широкое развитие стали получать модели равновесной химической термодинамики, которые наиболее адекватно описывают движение растворов в породах и их физико-химическое взаимодействие. В таких моделях расчеты равновесных составов химических систем проводятся с использованием метода минимизации свободной энергии и определяются возможные качественные и количественные характеристики форм существования и миграции различных химических элементов, в том числе и тяжелых металлов в водных растворах.
Однако основная трудность использования таких моделей в конкретных условиях связана с отсутствием или неполной исходной информации о наборе учитываемых параметров по независимым компонентам рассматриваемой системы, их валовым концентрациям и т.д. Решение проблемы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем невозможно без знания их экологического состояния, а также без достоверных оперативных и долгосрочных прогнозов их развития при различных сценариях реализации конкретных проектов хозяйственной деятельности.
Разработке и обоснованию расчетных моделей, количественных методов прогноза процессов солепереноса и миграции посвящено большое количество работ, однако постановка гидрохимических прогнозов часто остается неопределенной, как с точки зрения обоснования моделей среды и порового пространства, так и с точки зрения оценки объемов и концентрации поступающих в водоносный горизонт инфильтрационных вод.
Кроме того, экспериментальные полевые исследования изучения пористых сред, оценка гидрохимических параметров моделей и методы их полевых исследований из-за больших трудностей их проведения носят, как правило, единичный и частный характер.
Представляется целесообразным рассмотреть важнейшие аспекты изучения пористых сред с точки зрения экспериментального обоснования моделей среды и структуры порового пространства, которые являются основой для разработки не только расчетных моделей процессов, но и методов оценки качества инфильтрационных и миграционных потоков, поступающих в зону аэрации.
Очевидным оказывается принципиальное отставание научных исследований в проведении натурных экспериментов, физического описания и реальных доказательств моделей структур пористых сред. Структура порового пространства является одной из важнейших характеристик почв и почвенного покрова. Выбор той или иной модели структуры порового пространства определяется, прежде всего, литологическим строением и геометрией порового пространства.
Несмотря на то, что имеется значительное количество работ по разработке и обоснованию расчетных моделей процессов, практически отсутствуют работы о проведении экспериментальных полевых и лабораторных исследований по построению моделей, отражающих физическую картину среды.
Результаты количественной оценки суммарных экологических ущербов на конкретном объекте
Предложенный подход и количественная оценка геоэкологических рисков при функционировании объектов природообустройства были реализованы в рамках экологической экспертизы по проекту строительства Усть-Среднеканской ГЭС на р. Колыме. Река Колыма является одной из наиболее крупных и многоводных рек северо-восточной части России: длина реки составляет 2172 км, а площадь водосбора достигает 647 тыс. км2. Гидроэнергетический потенциал р.Колымы от слияния рек Аянт-Юрях и Кулу с перепадом 532 м до устья составляет 37,5 млрд. кВт.ч, из которых Усть Среднеканская ГЭС использует 7% гидроэнергетического потенциала реки или 2,55 млрд. кВт.ч при перепаде в 55 м. : Особенностью природных условий рассматриваемой территории является резко континентальный климат, широкое распространение многолетней мерзлоты и принадлежность ее к Колымскому геокриологическому региону. Характерными особенностями исследуемой территории является сильная трещиноватость коренных горных пород и слоистая структура с наличием повторно-жильных льдов четвертичных аллювиальных отложений.
Гидрогеологические и инженерно-геологические условия имеют свои специфические черты в связи с практически повсеместным распространением многолетнемерзлых пород с широким распространением надмерзлотных пресных подземных вод. Основными проявлениями инженерно-геологических и мерзлотных процессов являются криогенные процессы: солифлюкция, термокарст, трещинооб-разование, наледи и т.д. К весьма важным природным особенностям данного региона, которые обусловили неустойчивость и хрупкость экосистем, можно отнести небольшое видовое их разнообразии, низкую биологическую продуктивность, короткие цепи питания, очень слабую адаптацию к антропогенным воздействиям и т.п. Бассейн р. Колымы относится к зоне северной светлохвойной тайги и лиственных редколесий. В районе водохранилища Усть-Среднеканской ГЭС и на ближайшем к гидроузлу нижнего бьефа лесная растительность представлена весьма ценными лиственничными и тополево-чозениевыми лесами. В пойме реки Колымы, где вечная мерзлота отсутствует, широко распространен луговой тип растительности. В сельском хозяйстве эти злаковые луга используются под сенокосы и пастбища. Почвенный покров в долине р. Колыма представлен мерзлотно-таежными глеевыми, аллювиально-дерновыми, дер-ново-глеевыми и дерново-луговыми почвами. При создании водохранилища на Усть-СреднеканскЪй ГЭС масштабы его влияния будут определяться степенью разрушения и изменения состояния гео логического субстрата, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, разрушением и трансформацией ландшафтов и экосистем.
При оценке воздействия Усть-Среднеканской ГЭС на окружающую природную среду наиболее существенной представляется проблема оценки и развития определенных негативных воздействий на ландшафты и биоту: строительство плотины, дорог, поселков и связанные с этим последствия для природных экосистем (полная трансформация, отчуждение, фактор беспокойства, возрастание пожароопасности и т.д.); формирование водохранилища и последующие за ним потеря водоохранных пойменных и долинных лесов, лесов на склонах и берегах; формирование значительной береговой и мелководной полосы с неустойчивым режимом, где будет происходить берегоразрушающие процессы, термоэрозия, солифлюкция и другие криогенные процессы; уничтожение местообитаний (безвозвратно), в первую очередь пойменных видов растений и животных, путей и мест сезонных и суточных миграций животных, нарушений межэкосистемных связей пойма - водораздел; создание новых местообитаний (водохранилище, срабатываемая полоса мелководий и т.д.); изменение режима местообитания животных ниже по течение, в первую очередь, паводкового, гидротермического и т.п.); Кроме того, изменение микроклимата практически на 300-400 км ниже по течению повлечет за собой серьезные перестройки ландшафтов, экосистем и биоты, функционирования и продуктивности. Масштабы влияния создаваемого водохранилища будут определяться степенью изменения состояния геологического субстрата, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также разрушением и трансформацией ландшафтов и экосистем. Количественная оценка суммарного экологического ущерба была получена на основании приведенной выше зависимости (4.2). Негативное экологическое воздействие ГЭС на окружающую природную среду будет связано с затоплением земель в чаше водохранилища и подтоплением прибрежных биотопов на площади более 17000 га. Расчеты показали, что величина экологического ущерба составит 135,3 млн. руб. для верхнего бьефа и 46,0 млн. руб. - для нижнего бьефа (табл. 4.3). Суммарный экологический ущерб от строительства Усть-Среднеканской ГЭС на р. Колыме составит более 180 млн. рублей (в ценах 1999 года). Говоря о полученной величине суммарного экологического ущерба, следует отметить, что положительный эффект от строительства такого важного в этом регионе объекта природообустройства как Усть-Среднеканской ГЭС, имеет большое народнохозяйственное значение и обеспечит регион электроэнергией в объеме 2,55 млрд. кВт.ч. Приведенные оценки общего экологического ущерба являются основой для проведения комплекса дополнительных природоохранных и компенсационных мероприятий по повышению экологической безопасности природной среды в зоне строящегося гидротехнического сооружения.
Проведенные исследования позволили разработать методику проведения сценарных исследований антропогенных нагрузок на природную среду по двухуровневой иерархии. Реализация методики выполнена для водосборного бассейна р. Медвенки при следующих сценариях антропогенных воздействий: естественные условия, распашка, залесение всего водосбора. 2. Моделирование антропогенных нагрузок с использованием модели «MIKE SHE» показало существенное изменение структуры водного баланса водосборной территории при различных сценариях землепользования. Результаты исследований показали, что вариант полного залесения водосбора снизил величину поверхностного стока на 33%, речного стока на 8%; сценарий полного сведения леса и распашка земель, наоборот, увеличили поверхностный сток на 40% и величину речного стока - на 7,5%. В целом, общее изменение естественного баланса не превышало 12% и негативные процессы не наблюдались. Для данного региона величина откло нения от естественного водного баланса в 15% может быть принята в качестве экологически допустимой. і Сопоставление результатов выполненных сценарных исследований с результатами проведенного И.С.Пашковским по модели «BAZIN» показали хорошее совпадение и не превысило 5%. 3. Проведена количественная оценка обобщенного геоэкологического риска возникновения негативных последствий; предложена его структура, включающая в себя вероятность возникновения негативных последствий и ве личину суммарных экологических ущербов. Проанализированы факторы, ко торые влияют на геоэкологический риск и экологический ущерб. Исходя из экспертных оценок и многолетних наблюдений, предложен подход к ранжиро ванию вероятности появления негативных последствий.
