Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды - файл n1.doc

Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды
скачать (4489 kb.)
Доступные файлы (40):
n1.doc562kb.06.12.2005 09:06скачать
n2.doc46kb.06.12.2005 09:06скачать
n3.doc121kb.06.12.2005 09:06скачать
n4.doc352kb.06.12.2005 09:06скачать
n5.doc829kb.06.12.2005 09:06скачать
n6.doc362kb.06.12.2005 09:06скачать
n7.doc45kb.06.12.2005 09:06скачать
n8.doc151kb.06.12.2005 09:06скачать
n9.doc449kb.06.12.2005 09:06скачать
n10.doc626kb.06.12.2005 09:06скачать
n11.doc178kb.06.12.2005 09:06скачать
n12.doc54kb.06.12.2005 09:06скачать
n13.doc323kb.06.12.2005 09:06скачать
n14.doc40kb.06.12.2005 09:06скачать
n15.doc77kb.06.12.2005 09:06скачать
n16.doc229kb.06.12.2005 09:06скачать
n17.doc54kb.06.12.2005 09:06скачать
n18.doc64kb.06.12.2005 09:06скачать
n19.doc818kb.06.12.2005 09:06скачать
n20.doc42kb.06.12.2005 09:06скачать
n21.doc66kb.06.12.2005 09:06скачать
n22.doc108kb.06.12.2005 09:06скачать
n23.doc516kb.06.12.2005 09:06скачать
n24.doc169kb.06.12.2005 09:06скачать
n25.doc152kb.06.12.2005 09:06скачать
n26.doc61kb.06.12.2005 09:06скачать
n27.doc40kb.06.12.2005 09:06скачать
n28.doc114kb.06.12.2005 09:06скачать
n29.doc242kb.06.12.2005 09:06скачать
n30.doc24kb.06.12.2005 09:06скачать
n31.doc27kb.06.12.2005 09:06скачать
n32.doc78kb.06.12.2005 09:06скачать
n33.doc37kb.06.12.2005 09:06скачать
n34.doc30kb.06.12.2005 09:06скачать
n35.doc43kb.06.12.2005 09:06скачать
n36.doc28kb.06.12.2005 09:06скачать
n37.doc49kb.06.12.2005 09:06скачать
n38.doc26kb.06.12.2005 09:06скачать
n39.doc58kb.06.12.2005 09:06скачать
n40.doc56kb.06.12.2005 09:06скачать

n1.doc

1.2. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
В РЕГИОНАЛЬНОМ МАСШТАБЕ

Данный раздел посвящен проблемам комплексного, всестороннего анализа окружающей среды в региональном масштабе в целях определения подходов к выработке допустимой экологической нагрузки на экосистемы в крупных масштабах. Подходящим инструментом для этих целей может явиться системный анализ и имитационное математическое моделирование относительно замкнутых территориально-экономических систем. Существенным упрощением методологии имитационного моделирования является применение балансового подхода, включение метода "межотраслевого" баланса в методологию имитационного моделирования.

Так как загрязнение природной среды и другие антропогенные воздействия относительно "замкнуты" в пределах территориально-экономических районов, то важное значение приобретает их региональное нормирование. При этом необходим дифференцированный подход к различным природным объектам и элементам биосферы (например, экосистемам). Природные объекты можно разделить на различные категории по масштабу возможного вмешательства, воздействия на эти объекты (от уникальных, заповедных объектов, где вмешательство сведено к минимуму, а иногда должно быть сведено к нулю, до объектов, где возможна

44

существенная антропогенная перестройка экосистемы и необходимо интенсивное приспособление сообществ к потребностям человека).

Указанные подходы к выработке допустимой экологической нагрузки на крупный природный объект, регион в целом разрабатываются, в частности, на примере региона оз. Байкал [1, 10] - региона с развивающейся промышленностью и сельским хозяйством, с существенной интенсивностью использования природных ресурсов. Особенностью этого региона является уникальность оз. Байкал, его экономическая и эстетическая ценность.

Байкал содержит около 23,6 тыс. км3 исключительно чистой пресной воды, в которой почти отсутствуют растворенные вещества - минерализация воды составляет всего около 100 мг/л. Вода очень богата кислородом, и даже на больших глубинах его содержание не падает ниже 9 мг/л. Химический состав воды весьма постоянен - его сезонные изменения незначительны.

Растительный и животный мир Байкала разнообразен; около трети растительных организмов и двух третей животных эндемичны, т.е. встречаются только в оз. Байкал.

Является очевидным, с одной стороны, необходимость дальнейшего экономического развития региона оз. Байкал, использование его богатств, а с другой - необходимость сохранения озера в его неизменном виде, сохранения его уникальной экосистемы, функционирование которой и обеспечивает в значительной степени специфические, особые качества этого озера и в первую очередь высокую чистоту и прозрачность его вод.

Единственное промышленное предприятие, расположенное на берегу оз. Байкал,- Байкальский целлюлозный комбинат, построенный в 1966 г., находится под постоянным контролем [6]. Для того чтобы обезопасить озеро от загрязнения, на заводе построены мощные очистные сооружения, состоящие из трех ступеней - биологической, химической и механической.

45

Очистка сточных вод непрерывно улучшается. Зона влияния сбрасываемых в озеро после очистки сточных вод (сплошная зона, где содержание веществ отличается от фонового) составляет 20-30 км2, зона частичного загрязнения дна в виде отдельных пятен - около 2 км2 [6].

После 1973 г. размеры этих зон претерпели лишь незначительные изменения.

Безусловно, весь регион оз. Байкал является сложной системой, со сложными физико-географическими и экономическими особенностями.

Особенностью сложной системы является то, что такая система характеризуется большим числом переменных с наличием в системе между величинами обратных связей; система характеризуется временными задержками, нелинейными зависимостями и даже разрывами. Уравнения, описывающие такую систему, как правило, не имеют аналитического решения; здесь с успехом может быть использовано математическое моделирование (как это, например, показал Форрестер[16]).

Именно системный анализ и имитационное математическое моделирование дают возможность прогнозировать возможные состояния и изменения таких систем и делает управление ими эффективным.

Данный подход можно описать следующим образом [1]:

46

Последовательное возвращение (подгонка) шаг за шагом приводит к модели, отражающей реальную систему.

Рассматривая подходы к выработке допустимых экологических нагрузок, необходимо остановиться в первую очередь на вопросе допустимых загрязнений для региона в целом (как с точки зрения допустимой экологической нагрузки за счет загрязнений, так и с точки зрения "продукции" загрязнений).

Для конкретного решения задачи по выработке допустимой экологической нагрузки на данный регион необходимо выделить (оконтурить) этот регион по некоторому признаку, соответствующему поставленной задаче. Следует отметить "открытость" системы региона при выборе многих признаков (например, экономического). Для оконтуривания региона оз. Байкал был выбран гидрологический признак - за территорию региона взят бассейн оз. Байкал (рис. 1.4). В этом регионе четко выделяются определенные типы ландшафтов и определенные системы биогеоценозов.

Многочисленные исследования, проводимые в этом регионе, дают возможность синтезировать эколого-экономическую модель района в целом. Уже сейчас эта модель позволяет уточнить программу исследований в этой зоне.

Очень важен принятый в работе [10] модульный принцип построения модели, так как каждый модуль имеет самостоятельное значение, что позволяет производить перестройку внутри любого из модулей, не производя изменений модели в целом.

Прогнозирование изменений в экологических системах региона, а главное, выявление источников антропогенного воздействия и причин возникающих изменений, возможного воздействия различных частей региона на соседние требует анализа по отдельным территориальным подсистемам, относительно однородным по физико-географическим условиям (и сходности экосистем), построения моделей хозяйственной деятельности, анализа последствий этой деятельности и оценки последствий по каждой из территориальных

47

подсистем. Для этого необходимо разбить регион на территориальные подсистемы с учетом высказанных соображений. Выделение подсистем необходимо также


Рис. 1.4. Регион оз. Байкал. Пунктир - граница региона. Цифры 2-21 означают номер территориальной подсистемы, 0 - само оз. Байкал, 1 - внешние области.

для того, чтобы определить функции влияния ("передаточной" функции) одной части региона на любую другую.

Например, очень важно знать, как при различных путях экономического развития отдельные части региона оз. Байкал могут влиять на попадание любых дополнительных (к природным потокам) веществ - минеральных частиц в результате размыва почвы и

48

горных пород, различных загрязнений, каков будет относительный вклад (а следовательно, и влияние на экосистемы) каждой части региона в общий поток веществ в озеро. '

Так, доля (?ij) вносимого загрязнения любой части (i) региона в другую часть (j) региона составит (осредненная за некоторый интервал времени)



где ? il - среднее загрязнение в среде l i-и части региона; fijlm - вероятность переноса загрязнения из среды l i-й части региона в среду т /-и части региона (за принятый временной интервал осреднения); fxjlm - то же, но извне региона; ?xl- среднее загрязнение в среде l на границе региона, поступающее извне региона.

Если расчет переноса осуществляется только для одной среды l, то выражение (1.1) существенно упрощается:



Выражение может быть записано и для общего баланса перемещающихся веществ, потенциально опасных для загрязнения. При этом имеется в виду доступная для попадания в окружающую среду часть этих веществ, например: для эрозированных участков почв может быть выделена часть почвы, доступная смыву; для сельскохозяйственных удобрений - часть, доступная смыву и последующей миграции; для металлолома - небольшая часть, доступная растворению кислыми осадками, и т.д.

Пути поступления возможных загрязнений (различных веществ) целесообразно разделить на три основные категории - поступление путем переноса и миграции в природных средах (через атмосферу,

49

водотоки), поступление путем промышленных и других перевозок различных материалов, поступление путем перемещения (перевозки) пищевых продуктов. Последняя категория выделяется специально, так как это


Рис. 1.5. Территориальные подсистемы региона оз. Байкал с указанием направленности переноса загрязнений.

путь прямого возможного поступления загрязнений в организм человека.

Итак, очевидно, что задача предстоит сложная. Поясним подходы к ее решению последовательно, поэтапно для региона оз. Байкал.

На рис. 1.4 показан контур региона оз. Байкал и разделение его на территориальные подсистемы (принцип разделения - относительная однородность с точки зрения возможного влияния на экосистему

50

оз. Байкал на основании имеющегося описания региона). Всего выделено 22 территориальные подсистемы, включая само озеро и внешнюю по отношению к региону в целом подсистему (обозначенную на рис. 1.5 цифрой 1).

Взаимосвязь территориальных подсистем показана на рис. 1.5. Краткая характеристика подсистем приводится ниже [1]:

0.

Озеро Байкал, в модели является объектом антропогенных воздействий.

1.

Внешние области (по отношению к региону в целом), по существу, определяют поток различных веществ извне в регион оз. Байкал, включая поступление загрязнений из верховий р. Селенги, с территории МНР.

2-9.

Участки р. Селенги, выделенные по своему вкладу в загрязнение.

10-12.

Наиболее крупные антропогенные источники загрязнений, связанные с городами и промышленными предприятиями (г. Улан-Удэ, Байкальский целлюлозный комбинат, Селенгинский целлюлозно-картонный комбинат).

13-20.

Части региона оз. Байкал, соответствующие бассейнам наиболее крупных рек, впадающих в озеро, а также характеризующиеся относительной однородностью вида землепользования.

21.

Река Ангара, вытекающая из оз. Байкал.

Кроме территориальных подсистем, выделялись также важнейшие функциональные подсистемы, такие, как человеческие поселения, промышленность, транспорт; использование природных ресурсов (экосистемы оз. Байкал, лесных, земельных, водных ресурсов); рекреация. Рассматривались гидрологические, экологические и экономические аспекты состояния и развития региона.

При построении модели и описании функциональных связей между отдельными модулями использовались методы "системной" динамики. Вначале исследовались точечные модели, определялись размеры

51

областей, в которых систему можно считать однородной, далее исследовалось взаимодействие между однородными областями (разбиение региона на отдельные территории является первым, грубым приближением для решения задачи с помощью этого подхода).

Основой модели служили инвентаризационный и функциональный модули. Ниже приводится описание отдельных модулей.

Инвентаризационный модуль включает перепись всевозможных источников загрязнения различных сред и их интенсивности (мощности).

Данные для включения в эту перепись берутся либо из материалов наблюдений - выявленные источники и мощности их выброса (количество выбрасываемого загрязняющего вещества в единицу времени) , либо из технической документации предприятий, либо мощности выброса рассчитываются ориентировочна по количеству выпускаемой продукции, исходя из технологического уровня предприятий промышленности и структуры хозяйственной деятельности. Осуществлялось приведение инвентаризации к некоторому стандартному формату, включающему разбивку источников загрязнения по различным категориям:

52

ингредиенты в группы (тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды и т.д.);

- уровням токсичности.

Модуль распространения загрязнений (функциональный модуль). По существу, основная задача этого раздела - определение функций fijlm(t)[см. формулу (1.1)] или, если говорить о переходах только между средами, сокращенно flm, где fijlm - вероятность перехода загрязнений за время ? t из области iв область j, из среды i в среду m. Распространению загрязнений в атмосфере (индекс 1), оседанию на поверхность почвы (индекс 2), водную поверхность (индекс 3) и прямому попаданию в биоту (индекс 4) (в результате сухих выпадений и вымывания с осадками) соответствуют значения f11, f12, f13, f14.

По данным об источниках загрязнений и метеорологическим данным производится расчет распространения примесей в атмосфере, осаждения (сухого и "мокрого" - с осадками) на подстилающую поверхность и распределения загрязняющих веществ на подстилающей поверхности.

Расчету распространения загрязнений из различных источников в атмосфере и осаждению их на подстилающую поверхность посвящена обширная литература. В работах приводится расчет для распространения от мгновенных и непрерывных источников различной высоты на малые и большие расстояния примесей с различными скоростями осаждения на идеальную поверхность и поверхность со сложным рельефом.

Если обозначить через qi (tk) интегральную концентрацию загрязнений (проинтегрированную по высоте: qi (tk) =

?

?

0

  Ci (tk, h)dh где Ci- объемная концентрация, h - высота) над областью i, то имеет место соотношение (для l=m)



53

где ?t = tk+1 tk; Qj(tk) - интенсивность источников загрязнения в области j в момент tk; Т- время "жизни" загрязнителя в атмосфере.

Концентрация ? i - на подстилающей поверхности вычисляется по формуле

? i (t) = qi (t)/T, (1.4)

вероятность fij - по информации о повторяемости ветров F в направлении ? ij :

fij = F (? ij, r ij/ ?t) (1.5)

где rij- расстояние между областями iи j.

Формула (1.4) записана упрощенно; строго говоря, необходимо учесть и убывание загрязнения из области j за время ?t.

При данных расчетах необходимо учитывать возможности существенного переноса загрязнений в атмосфере из соседних регионов, в том числе с больших расстояний.

Некоторые загрязнители попадают в атмосферу (индекс 1) с поверхности суши (индекс 3) - пыль, пестициды; ртуть может испаряться и переходить в атмосферу с поверхности суши (индекс 3) и водной поверхности (индекс 2). В последних двух случаях необходимо определение функции f31, f21.

Выведение загрязнений с поверхности суши возможно в водотоки (смыв с поверхности), возможно попадание в биоту (корневое поступление). Различные формы переходов загрязнений между средами представлены в табл. 1.1.

Динамика процесса перехода (смыва) загрязнений с подстилающей поверхности в водотоки описывается следующим образом:

.

?

=

q




T

  S - ? в,

.

?

=

?




Tп

 

где S - площадь данной области (региона), к которой

54

ТАБЛИЦА 1.1. Возможные формы переходов (миграций) загрязнений между природными средами

Вероятность flm перехода загрязнений из среды l в среду m

Природные среды

Возможная форма перехода
(миграции) загрязнений

f11

Атмосфера - атмосфера

Перенос в атмосфере, характерный для большинства загрязнителей

f12

Атмосфера - гидросфера

Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на водную поверхность

f13

Атмосфера -поверхность суши

Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на земную поверхность (на сушу)

f14

Атмосфера - биота

Осаждение загрязнений на поверхность насаждений с последующей ассимиляцией (внекорневое поступление загрязнений в биоту)

f21

Гидросфера -атмосфера

Испарение из воды в атмосферу (например, нефтепродуктов, соединений ртути)

f22

Гидросфера -гидросфера

Перенос (распространение) загрязнений в водных системах

f23

Гидросфера - поверхность суши (дно рек, озер)

Переход из воды в почву (фильтрация, "самоочищение", осаждение на дно водоемов)

f24

Гидросфера - биота

Переход из поверхностных вод в биоту (наземные и водные экосистемы, поступление в организм животных и человека с питьевой водой)

f31

Поверхность суши - атмосфера

Переход с поверхности суши, почвы в атмосферу (выветривание, испарение, перенос пыли)

f32

оверхность суши - гидросфера

Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния с осадками временными водотоками

f33

Поверхность суши - поверхность суши

Миграция в почве, ледниках, снежном покрове (проникновение загрязнений на разные глубины)

f34

Поверхность суши - биота

Корневые поступления загрязнений в растительность

f41

Биота - атмосфера

Испарения из биоты (малозначимы).

f42

Биота - гидросфера

Попадание загрязнений из биоты а почву, главным образом после гибели организма.

f43

Биота - поверхность суши

Попадание загрязнений из биоты в воду посте гибели организмов

f44

Биота - биота

Миграция по пищевым цепочкам

относится интегрирование (осреднение) концентраций загрязнения; ? - загрязнение подстилающей поверхности; ?в - количество загрязнений, смываемых

55

в водоток; Тп - время нахождения (время жизни) загрязнителя на подстилающей поверхности; q/T - интенсивность осаждения загрязнений из атмосферы на подстилающую поверхность (предполагая f31 ? 0).

При расчете переноса загрязнений водотоками необходимо учесть интенсивность поступления загрязнений со сточными водами, процессы самоочищения в водотоках (время жизни загрязнителя в воде водотока).

В указанных модулях, устанавливающих связь между загрязнениями в различных средах (в связи с переходом и миграцией загрязнений), необходимо учесть все возможные переходы, указанные в табл. 1.1 (пожалуй, лишь одна форма, характеризуемая функцией f41 является при расчете переходов загрязнений малозначимой).

В качестве отдельного модуля был выделен модуль оценки зон влияния крупных источников, таких, как Байкальский целлюлозный комбинат, Селенгинский целлюлозно-картонный комбинат.

Результаты специальных трассерных экспериментов (с короткоживущими радиоактивными изотопами) использовались для получения соответствующих данных о разбавлении, рассеянии и распространении веществ в акватории оз. Байкал, прилегающей к заводу, выбрасываемых с глубоководного места выпуска очищенных сточных вод в озеро.

Следующим модулем является модуль, связанный с прогнозированием состояния природных экосистем. По рассчитанным полям загрязнений определялись влияние загрязнений на экосистему озера и последствия воздействия загрязнений.

В основу метода прогнозирования был положен принцип оптимальности особи. При этом в экосистеме были выделены "основные ниши", а системы видов, занимающие эти ниши, рассматривались как некоторый "обобщенный вид". Из принципа оптимальности путем использования биологического принципа взаимосвязанности характеристик сообществ была получена система соотношений, решение которой дает

56

параметры экологической системы в зависимости от антропогенных воздействий. Для исследования экосистемы самого оз. Байкал была разработана имитационная математическая субмодель пелагиали озера, где обитает основная часть эндемиков и где производится основная часть продукции, в значительной степени определяющая круговорот веществ и энергии в озере [10]. Данная субмодель достаточно устойчива (это исследовалось путем варьирования параметров в широких пределах), она описывает динамику основных трофических уровней экосистемы и представляет собой систему из десяти обыкновенных дифференциальных уравнений. Основные параметры описываемой субмодели экосистемы пелагиали оз. Байкал приведены в работе [10].

Интересно отметить, что в расчетах в широких пределах менялась интенсивность антропогенного поступления в озеро органических веществ и биогенных элементов, хотя в настоящее время такой проблемы для озера (в широком масштабе) не существует. Однако это может быть важно для предотвращения эвтрофикации озера в будущем.

Последним модулем модели является модуль оценки ущерба от загрязнений и оптимизации использования ресурсов экосистем региона. Рассматриваются различные виды ущерба:

Вообще говоря, необходимо рассматривать еще и психологический ущерб, связанный с воздействием на оз. Байкал, однако пока еще не разработаны какие-либо количественные подходы для учета этого вида ущерба. Имеются значительные трудности и при определении эстетического и экологического видов ущерба, особенно ущерба, связанного с обеднением генофонда.

57

Что касается других видов ущерба, то имеются определенные разработки в этом направлении, например, соотношение полезности региона с точки зрения промысла и ущерба, наносимого антропогенным воздействием промыслу.

Остановимся на оценке ущерба от загрязнения воды и рекреационного ущерба.

Оценка ущерба от загрязнения воды, рассматриваемой как промышленный ресурс, может быть произведена при рассмотрении функционала, связанного с полезностью воды озера:

Cв = g(t, S)V(t, S) + q, (1.7)

где g(t, S)-региональная цена воды как функция качества, которое является также функцией хозяйственной политики S и времени t; V(t, S) - промышленное потребление воды; q - полезность в ходе эксплуатации.

Рекреационный ущерб может быть найден при рассмотрении уменьшения, потери рекреационнной полезности региона Ср. Величина Ср определяется выражением:

Ср =аr1,(t) T (t, S)+ar2 (t, S), (1.8)

где T(t, S)-рекреационное использование озера в человеко-днях (с учетом времени на подъезд); r1 - средняя заработная плата туриста (в день); r2 (t, S) - расходы туристов; а - полезность использования времени и средств, характерная для государства.

При определении полезности и ущерба антропогенного воздействия интересным является пример применения инсектицидов для борьбы с массовыми хвоелистогрызущими вредителями лесов окрестностей оз. Байкал. Для расчетов в связи с хорошей изученностью был принят ДДТ, хотя в настоящее время ДДТ в СССР запрещен к использованию.

Для расчетов применялась модель, изложенная в работе [14]. При оценке нежелательных побочных эффектов учитывались: вероятность неудачной борьбы,

58

нарушение стабильности лесного биогеоценоза, убыток животноводству и пчеловодству, рекреационный ущерб. В результате расчетов для типичных условий был получен ответ о нецелесообразности химической борьбы с вредителями лесов региона оз. Байкал.

Описанная модель в целом, несмотря на то что она еще не полностью завершена, может уже с успехом использоваться для различных оценок и принятия определенных решений.

Применение модулей, связанных с распределением загрязнений и миграцией в природных средах, позволяет определить, каковы относительная значимость различных источников для загрязнения оз. Байкал и их воздействие на экосистему озера (источников различного удаления, с выбросами в различные среды).

Предварительные расчеты по модели указывают, что р. Селенга (площадь водосбора которой составляет 60 % площади бассейна озера) играет основную роль в нежелательном поступлении и накоплении в озере органических веществ аллохтонного происхождения (эти данные согласуются с результатами наблюдений) .

С другой стороны, эффекты самоочищения р. Селенги на участке Улан-Удэ - Байкал составляют для различных ингредиентов величину порядка 102-104 (т.е. единичный источник загрязнения на р. Селенге в районе г. Улан-Удэ загрязняет озеро в 102-104раз меньше, чем такой же источник, расположенный на берегу озера). Расчеты указывают на значительный вклад в загрязнение озера атмосферного загрязнения, в том числе переносимого на большие расстояния.

Серьезным требованием в данной модели является необходимость сбалансированности модулей (точность и детальность выдаваемых ими результатов должны быть примерно одинаковыми) -это важное общесистемное требование.

В заключение необходимо сказать, что описанная имитационно-балансовая модель региона оз. Байкал является не только примером применения, но и практическим инструментом всестороннего анализа

59

окружающей среды для оценки современного состояния и долгосрочного прогнозирования, определения допустимых антропогенных нагрузок на регион в целом и непосредственно на биом оз. Байкал, на его уникальную экологическую систему в условиях развивающейся экономики этого региона. Использование этой модели позволит организовать оптимальное планирование и управление народным хозяйством в этом регионе.

В ряде зарубежных стран, в том числе в США, экологическое моделирование в целях расчета антропогенных последствий и определения допустимых антропогенных нагрузок на природный объект также получило соответствующее развитие [19, 20].

Так, для интерпретации и описания ответных реакций биоты на антропогенные воздействия, оценки интенсивности таких воздействий на природную среду (например, избытка питательных веществ антропогенного происхождения в озерах) в работе [12] применен многофакторный аналитический подход, для лучшего понимания характера сложных природных взаимосвязей и прогноза последствий антропогенных воздействий используется метод имитационного моделирования.

В работе [12] изложено использование этих методов для изучения антропогенных воздействий на экосистему оз. Джордж (штат Нью-Йорк, США).

Это узкое, умеренно глубокое озеро (длина 50 км, наибольшая ширина 5 км, средняя глубина 18 м), площадь озера 114 км2, площадь водосбора 492 км2, озеро олиготрофное. На качество воды, особенно в южной части, оказывают влияние поселения и большое количество туристов.

Для определения воздействия туризма на озеро был проведен многофакторный анализ скопления мертвых диатомовых водорослей (их скопления могут быть чувствительным индикатором качества воды) по всему озеру. Изучение проб выявило градиенты качества воды, состояние окружающей среды и позволило интерпретировать взаимосвязи между группами водорослей,

60

особенно являющихся индикаторами олиготрофных и эвтрофных условий; была определена тенденция насыщения озера питательными веществами и распределение воздействия питательных веществ в озере. Было получено, что области озера, пересыщенные питательными веществами, прилегают к населенным местам, а области с бедным содержанием - к слабоосвоенным территориям (как это и следовало ожидать) .

Имитационное моделирование было реализовано в разработке двух моделей - для водной экосистемы озера и наземной экосистемы территории, прилегающей к озеру, для последующего совместного использования при определении нагрузки на окружающую среду в масштабах всего водосбора озера.

В модель водной экосистемы включены все значимые экологические и физиологические процессы (учитывалось 20 переменных).

Кривые изменения во времени биомассы различных популяций водной экосистемы озера, полученные по модели, близки к результатам наблюдений.

С помощью модели оценено влияние различных нагрузок на все компоненты экосистемы (путем изменения основных параметров). На рис. 1.6 и 1.7 показаны результаты реакции экосистемы озера на изменение некоторых параметров. В первом случае было уменьшено содержание фосфатов в воде озера на 20 % (по сравнению с нормой). Как видно из рис. 1.6, эта система реагирует на изменение медленно, биомасса сине-зеленых водорослей и рыб в течение нескольких лет уменьшается. На рис. 1.7 показана реакция этой системы на постоянное увеличение средней температуры воды озера на 5°С - такое изменение приводит к увеличению биомассы сине-зеленых водорослей и некоторому уменьшению биомассы форели.

Проводилась адаптация описанной модели к другим озерам, в частности для европейских озер (в том числе для водохранилища Слапи в Чехословакии).

В модели для наземной экосистемы реализовывалась имитация изменений процессов землепользования

61


Рис. 1.6. Моделирование на оз. Джордж с уменьшением содержания фосфатов. 1 - нанофитопланктон, 2 - сетнофитопланктон, 3 - сине-зеленые водоросли, 4 - нехищные рыбы, 5 - хищные рыбы.


Рис. 1.7. Эксперимент с повышением температуры. а - сетнофитопланктон (1), нанофитопланктон (2) и сине зеленые водоросли (3); б -хищные (1) и нехищные (2) рыбы.

62

и растительной сукцессии. Изучаемая территория разбивалась на участки площадью 1 км2,учитывались характер почвы (землепользование) на этих участках, наклон поверхности, растительный покров, рекреационные характеристики.

Интересно отметить, что было распространено около семи тысяч опросников, с помощью которых предполагается оценить культурные и экологические аспекты антропогенного влияния на оз. Джордж.

Методы экологического моделирования используются и для рек, в частности при всестороннем анализе верхнего эстуария р. Потомак, где основной проблемой в настоящее время является эвтрофикация (так же как, например, в оз. Эри и в других более чем 800 озерах и водохранилищах США [18]).

В зоне верхнего эстуария р. Потомак проживает около 3 млн. человек, эта зона включает и столичный округ Вашингтон. Эстетический и рекреационный потенциалы верхнего эстуария существенно ухудшены из-за обширных полей водорослей, которые вызывают неприятный запах, покрывают пляжи и берега, запутывают лодки. Возможное использование эстуария в качестве источника водоснабжения может затормозиться из-за наличия токсичных веществ, выделяемых сине-зелеными водорослями.

На основании данных, полученных с помощью математической модели, а также из результатов полевых работ сделан вывод, что урожай сине-зеленых водорослей можно прогнозировать на основе азотного цикла, что именно наличие азота главным образом контролирует урожай. Аналогичные методы показали, что для реализации предельного уровня хлорофилла 25 мг/л (необходимого для борьбы с эвтрофикацией) общее содержание фосфора в воде не должно превышать 0,03 - 0,1 мг/л, а неорганического азота 0,3 - 0,5 мг/л. В настоящее время содержание фосфора в воде верхней части эстуария достигает 1,2 мг/л [18].

Моделирование качества воды осуществлялось путем использования динамической (ДМЭ) и универсальной (УМЭ) моделей эстуария. Динамическая

63

модель использовалась для моделирования качества воды с высоким временным разрешением. Модель состоит из гидравлической части, описывающей приливные движения, и блока качества воды. Модель учитывает основные механизмы переноса - адвекцию и рассеяние, а также источники и стоки основных ингредиентов.

Универсальная модель использовалась для изучения сезонных изменений в распределении азота и фосфора в верхней части эстуария; модель основана на осредненном решении основных уравнений баланса масс, зависящих от приливных эффектов.

С помощью модели были определены интегральные допустимые нагрузки азота и фосфора в различных зонах верхнего эстуария (табл. 1.2).

ТАБЛИЦА 1.2. Максимальные нагрузки фосфора и азота в различных зонах верхнего эстуария р. Потомак (кг/день)

Зона

Фосфор

Азот

Ia. Эстуарий ниже Чейн Бридж на 12,1 км

90

450

Iб. р. Анакостия до слияния с р. Потомак

40

140

Iв. Эстуарий от 12,1 до 24 км (до Борд-Крик)

400

1580

II. Эстуарий до Индиан Хед (до 48,3 км от Чейн Бридж)

680

2600

III. Эстуарий ниже Чейн Бридж на 72,4км

900

4100

Отметим, что в настоящее время сбросы питательных веществ в эстуарии составляют: фосфора - 10900 кг/день, азота - 27200 кг/день, а поток питательных веществ в эстуарии при условиях высокого стока может достичь для азота 212 тыс. кг/день [18] (модель дает возможность рассчитать предельные нагрузки для различных гидрологических условий).

Были разработаны сезонные требования для допустимой нагрузки и сбросов питательных веществ. При этом особое внимание уделялось поддержанию сбалансированной структуры экологического сообщества в верхней, или пресноводной, части эстуария.

Было подсчитано, что расходы для обеспечения соответствующего качества воды в верхней части

64

эстуария р. Потомак должны составить за 50 лет 1,34 млрд. долларов (64,8 млн. долларов в год, или 13 - 24 доллара в год на человека).

Подход, выработанный для определения допустимой нагрузки на эстуарий р. Потомак, в общем виде может быть применен и к другим озерам и рекам. Однако особенности морфологических и лимнологических характеристик других водных объектов могут потребовать специального анализа и интерпретации данных.

65

44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: Содержание

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации