Подход В.В. Дмитриева к регламентированию нагрузки и экологическому нормированию

Подход автора носит оригинальный характер и основан на многокритериальном параметрическом представлении портретов экосистем, норм состояния и норм воздействия на экосистемы на основе мониторинговых данных или результатов имитационного моделирования.

Методологические аспекты эколого-географической оценки природного объекта. В разделе 1 пособия даны авторские определения понятий, связанных с проблемами экологической оценки, оценки качества среды и экологического нормирования.

Понятие нормы сопряжено с философской категорией меры. Мера — есть оценка, выявление значимости. Мера — не просто качественно оцененное количество, но предел, за которым изменение количества влечет за собой изменение качества объекта и наоборот. Мера дает возможность оценить всякое единство количественных и качественных показателей природного объекта, нормой оценивается лишь определенное их единство. Для этого субъектом задаются критические уровни объекта (свойства), переход через которые вызывает качественную перестройку природной системы и потерю (утрату) ею некоторых важных с точки зрения субъекта оценивания свойств. Поскольку и мера, и норма предполагают наличие субъекта оценивания, то именно субъект формирует классификации систем (свойств), для выявления их ценности. Оценка состояния природной системы с этих позиций есть соотнесение ее свойств с нормой (нормами) по величинам обобщенных (интегральных) показателей состояния. Автор вводит принцип множественности норм, который записывается в виде триады: 1) формирование классификации субъектом для оценки исследуемого свойства → 2) для каждого класса состояния системы субъектом задаются границы (критические уровни) → 3) внутри каждого класса определяется норма данного класса. Отказ от принципа множественности норм может повлечь за собой снижение разнообразия природных систем и биоразнообразия в угоду антропоцентристской позиции субъекта оценивания (человека).

Экологическая регламентация есть определение нормы состояния экосистемы на основе анализа параметров состояния, интервалов их естественного колебания, выявления пороговых и критических величин параметров, при которых сохраняется портрет экосистемы. Экологическое нормирование, основано не на оценке природопользователями качества наземных и водных природных объектов, а на оценке внутренних свойств и возможностей экосистем сохранять свое состояние или утрачивать его при внешнем воздействии на них (Дмитриев, 1993; 1994; 1995). При оценке воздействия определяются экологические нормативы допустимой антропогенной нагрузки на биогеоценозы на основе экологических регламентов. Под оценкой воздействия автором понимается количественная (многокритериальная) оценка ответной реакции экосистемы в целом на антропогенное воздействие на основе получения антропогенно трансформированного портрета экосистемы.

Методологические аспекты эколого-географической оценки водного объекта. Антропоцентризм исследователя предопределяет использование санитарно-гигиенических регламентов и норм для выполнения оценки. Биоцентристская позиция неразрывно связана с экологической регламентацией и экологическим нормированием. Автором определены два ключевых термина: норма состояния водной экосистемы и норма воздействия на нее (Дмитриев, 1993; 1994). В любом подходе необходимо вычленить наиболее информативные характеристики состояния экосистем или их свойств, учесть их естественную динамику и определить пороговые уровни техногенного воздействия, при которых водная система способна сохранять в пределах каждого класса квазипостоянными свою структуру, функциональные особенности и гомеостатические механизмы, а также свойства водной среды, в которой она развивается. Проблема оценки состояния в этом случае сводится к обоснованному отбору информативных признаков, нахождения градаций или шкал (трофности, качества воды и др.) для этих признаков и определения алфавитов классов, однозначно отражающих состояние и тенденцию развития экосистемы при различных антропогенных нагрузках. В итоге разрабатывается объективная многокритериальная система оценки и выявления типов водных экосистем (Дмитриев, 1994). Эта система является основой для проведения свертки информации, получения интегральной количественной оценки состояния экосистемы и ответа на вопрос, изменится ли это состояние по совокупности всех параметров оценивания после внутреннего или внешнего воздействия на нее.

 

Автором предложены универсальные «формулы» экологической и эколого-географической оценки водного объекта (рис. 12). Универсальность «формулы», представленной на рис. 12, в том, что при использовании биоцентристской позиции на проблему оценки природной системы, она пригодна для любого типа наземных и водных геосистем. Использование терминов экологическая оценка и эколого-географическая оценка зависит от того, каким исходным термином оперирует исследователь: водная (наземная) экосистема или водная (наземная) геосистема (водный объект, водный геокомплекс).

 

Рис. 12. Формализация понятий экологическая и эколого-географическая оценка водного объекта с биоцентристских позиций

Отличие по вертикали в правых частях рисунка обусловлено использованием системы экологических или системы эколого-географи-ческих природных компонентов субъектом, выполняющим оценку. Сложение в правых частях рис. 12 не является формальным, поскольку экологическое нормирование реализуется на основе экологических регламентов, а эколого-географическое нормирование — на основе эколого-географических регламентов. При этом исследователь рассматривает все классы состояния водных экосистем с позиций индикаторных (показательных) организмов, характеризующих каждый класс (системы сапробности, токсобности, сапротоксобности и др.) Экологические нормативы получаются с учетом принципа слабого звена для каждого класса экосистем.

Антропоцентристская позиция на проблему оценки природной системы (рис. 13) предполагает использование санитарно-гигиенических регламентов для получения нормы состояния экосистемы. При этом для субъекта представляет интерес, как правило, один класс геосистем, понимаемый им как «оптимальный» для человека. В другом случае субъектом вводятся, например, рыбохозяйственные регламенты и состояние водной экосистемы рассматривается с позиций ресурсного для человека звена. Принцип слабого звена для получения нормативов заменяется принципом ресурсного звена водной экосистемы.

Рис. 13. Формализация понятий экологическая и эколого-географическая оценка водного объекта с антропоцентристских позиций

Автором введено понятие водной геосистемы, под которой понимается фундаментальная структурная единица географического ландшафта, объединяющая в себе геоморфологические, климатические, гидрологические природные геокомпоненты и живые организмы на определенном участке водной поверхности Земли. В состав водной геосистемы входят водные экосистемы, абиотическая среда которых характеризуется определенным сочетанием элементов гидрологического режима и химического состава вод, особой морфометрией (батиметрией) и климатическими параметрами. В состав водной геосистемы, кроме того, входят граничные экотоны: приводный, придонный, прибрежный, пойменный, отличающиеся специфичным составом биоты и абиотической среды. Особое место в водной геосистеме может занимать человек, как пользователь ее водных и биологических ресурсов. В то же время человек не является компонентом водной экосистемы, поскольку вода не является для него средой жизни. В подходе конкретизируются транзитный, каскадный и циклический типы водных геосистем. Рассмотрены основные стадии системного анализа применительно к исследованию данных типов водной геосистемы. На основе концептуальной модели развития водной геосистемы, разработанной автором, выявлены основные различия молодых (развивающихся) и зрелых (финитных) стадий водной геосистемы с точки зрения основных параметров ее режимов и состояния ее экосистем (29 параметров, разбитых на 7 групп). Условия функционирования водных геосистем характеризуются «нормой состояния» на основе системы критериев, позволяющих выделить границы различных состояний водных экосистем, и «нормой воздействия»— отклонением условий среды от нормы, не вызывающим развития необратимых изменений и не выводящим экосистемы за пределы их норм. Следуя В.В. Дмитриеву субъект формирует не класс, а классификацию или классификации систем для оценки различных свойств системы: качества, устойчивости, благополучия, продуктивности и т. д. водных объектов (с учетом принципа вариантности). При этом исследователь не ограничивается рассмотрением только одного, наиболее предпочтительного именно для него класса (самых чистых вод, самых продуктивных сообществ, самых устойчивых систем, самых благополучных экосистем, самых ценных акваторий), а рассматривает весь спектр изменения признаков, всю область состояний, ограниченную извне критическими точками, т. е. меру системы. В каждой классификации для каждого класса вводятся границы количественных изменений параметров — меры классов по каждому параметру. Эти меры — есть «нормы состояния» каждого класса, по каждому параметру. На основе многокритериальной оценки находится обобщенная функция желательности — вектор состояния системы для левой и правой границ каждого класса. Значение вектора (интегрального показателя состояния) — есть мера, определяемая по всем параметрам одновременно, эта мера, ограниченная критическими значениями интегрального показателя, и есть норма класса по совокупности параметров оценивания. Выход системы за пределы данного класса оценивается по величине сводного (интегрального, обобщенного) показателя состояния. В этом случае, по-видимому, возможна оценка нормы как «среднее мера варьирования» внутри каждого класса по величине обобщенного показателя состояния. Диагностический анализ (диагностика) водного объекта в этом случае должна начинаться с выявления параметров и классов состояния и заканчиваться получением норм состояния. Таким образом, выполненная на многокритериальной основе диагностика состояния водной геосистемы составляет основу эколого-географической регламентации водного объекта в целом. Разница между эколого-географической диагностикой и эколого-географической оценкой водного объекта заключается в том, что в оценку включен этап эколого-географического нормирования водной геосистемы. Автором сформулирован принцип слабого звена для водной геосистемы. Нагрузка, допустимая для наиболее уязвимой водной экосистемы, допустима для водной геосистемы (водного объекта) в целом. В данной трактовке соблюдается принцип эмерджентности сложных природных систем, а свойства системы в целом не сводятся к свойствам одного какого-либо ее элемента (уязвимого, слабого, и т. п.) В данном определении соблюден также системологический принцип иерархичности (интегративных уровней) сложных систем. И, наконец, данная формулировка увязана с законом разновременности развития (изменения) подсистем в больших системах. Значение обсуждаемого принципа для рационального водопользования состоит в том, что он «запрещает» абсолютное однообразие нормативов для водных экосистем водоемов, зачастую создаваемое человеком на значительной по площади водной акватории, а в области управления водным объектом «требует» неравномерного внимания к его различным водным экосистемам.

Поэтому действие эколого-географического норматива имеет географические (региональные) и биогеоценотические ограничения, он применим лишь для некоторой области региональной или экологической типизации водных экосистем. Так, для водной геосистемы, находящейся в пределах одного региона или водосборного бассейна, но имеющей разную трофность (олиго-, мезо-, эвтрофность) входящих в нее водных экосистем, экологический норматив антропогенного поступления в среду, например, фосфора будет различным для разных экосистем. Норматив для водоема в целом определяется нормативом для наиболее уязвимой его экосистемы. При многокомпонентном воздействии получение эколого-географических нормативов основывается на многокритериальной оценке результата воздействия с учетом весомости отдельных критериев. При изменении приоритетов водопользования необходим пересмотр нормативов.

Экологический мониторинг как информационная база исследования водоемов. Приводится авторская блок-схема (см. рис. 11) экологического мониторинга, под которым понимается система наблюдений, оценки и прогноза состояния водных экосистем (портретов водных экосистем). Диагностический мониторинг водных экосистем включает в себя систему слежения и систему оценки. Система оценки — составная часть (второй этап) экологического мониторинга, предназначенная для получения количественной оценки состояния, неаддитивных свойств и степени антропогенной трансформации водной экосистемы.

Прогностический мониторинг водных экосистем обеспечивает оценку:

нормы воздействия на водную экосистему; изменения ее портрета после воздействия; прогноз функционирования системы; изменения ее неаддитивных свойств на близкую или отдаленную перспективу без учета или с учетом внешнего воздействия. Таким образом, прогностический мониторинг также связан с системой слежения и системой оценки. Автором сформулированы предложения по совершенствованию системы слежения и системы оценки, нацеленные на экосистемный уровень исследования и на выявление антропогенных трансформаций на этом уровне с позиций многокритериального оценивания. На первом этапе выполнения диагностического мониторинга необходимо получить многокритериальные оценки исследуемого свойства, выявить важнейшие связи и взаимоотношения между компонентами экосистемы для получения зависимостей трофности, качества вод и др. от эколого-географических условий, факторов и характеристик водоема. Такая работа выполняется с использованием информационных баз данных с учетом определения длительности и полноты временных рядов, составленных для станций рассматриваемого водоема, дискретности наблюдений и распределения данных как внутри года, так и на всем периоде (интервале) наблюдений. Затем на многокритериальной основе вводятся регламенты, норма состояния, определяются портреты состояния водной экосистемы. Оценка состояния водной экосистемы получается при сопоставлении портретов состояний с нормами по величинам сводных показателей. Системой оценки предусматривается осуществление всех форм оценок: статистический анализ, оценка функциональных связей на основе моделей отдельных процессов, расчет индексов состояния водной экосистемы в целом, регламентов, норм, получение портретов экосистем и т. д.

На втором этапе, при оценке воздействия определяется экологически допустимая антропогенная нагрузка на водные экосистемы и геосистемы на основе экологической регламентации и получения портрета антропогенно трансформированной водной экосистемы. При этом возможны, по крайней мере, три подхода к получению оценки воздействия. Первый подход распространяется на функциональные особенности, формирующие портрет водной экосистемы. При этом сравниваются между собой скорости транслокации и трансформации вещества в экосистеме до (чистый эксперимент) и после воздействия (эксперимент с нагрузками). Для реализации этого подхода, в одном случае, необходимы многофакторные эксперименты по изменению скоростей обменных процессов в условиях внешнего воздействия на систему или на ее слабые звенья. В другом случае натурные эксперименты заменяются модельными экспериментами, имитирующими различные сочетания внешних воздействий. Второй подход состоит в сравнении двух портретов водных экосистем, полученных на основе экологических моделей («чистый» портрет сравнивается с антропогенно трансформированным портретом). Третий подход состоит в сравнении изменения гомеостатических свойств водной экосистемы (устойчивости) до и после воздействия. Во всех подходах реализуется многокритериальная оценка для скоростей процессов, портретов экосистем и исследуемых свойств экосистемы.

Автором рассмотрены примеры математических моделей водных экосистем для целей экологического нормирования. На моделях воспроизводится перспективная экологическая ситуация, строятся антропогенно трансформированные портреты экосистемы, оценивается воздействие на экосистему в целом по величинам обобщенных индексов и определяется оптимальное состояние водной экосистемы. На основе мониторинга в целом реализуется управление функционированием водной экосистемы.

Методические основы эколого-географической диагностики водоемов. Диагностированию подлежат следующие свойства водной экосистемы: продуктивность (трофность), качество воды, токсическое загрязнение воды, устойчивость (уязвимость) к воздействию, экологическое благополучие, экологическая ценность и др. Принцип вариантности норм обусловливает необходимость обоснования набора параметров, отражающих исследуемое свойство водной экосистемы в соответствии с целью и задачами исследования. При этом названные выше свойства водной экосистемы могут диагностироваться по одиночке или в полном наборе в зависимости от цели и задач исследования. Принцип множественности норм предполагает введение классификаций для получения норм состояния каждого класса исследуемого свойства на многокритериальной основе. Общая стратегия создания методик для эколого-географической диагностики водоемов представлена на рис. 14. Левая половина схемы отражает последовательность действий при создании методики и отвечает на вопрос «что делать», правая половина рисунка раскрывает содержание каждого этапа и отвечает на вопрос «как делать». До 9-го этапа исследователь не работает с натурной информацией, но как следует из схемы, ее сбор проводится в соответствии с этапами 1–4. С 5-го этапа в работу «включается» система оценки (математическая модель). Оценка состояния экосистемы проводится на основе метода сводных показателей. Норма состояния для классов оценивания (этап 8) и для исследуемой экосистемы (этап 10) определяется на основе одного из двух подходов. В первом подходе исследователь не учитывает приоритетности исходных параметров, характеризующих выбранное свойство. Во втором подходе для задания весов используются экспертные оценки или применяется байесовская модель рандомизации неопределенности (Хованов, 1996).

Предлагаемый подход к многокритериальной оценке трофности, качества и загрязнения воды, устойчивости к воздействию, благополучия и других свойств водных экосистем рассматривается как решение задачи многомерной статистической классификации параметров или признаков, их характеризующих, при наличии обучающих выборок в виде существующих классификаций данных свойств. Основу обучающих классификаций составляют нумерические и квалиметрические шкалы, отражающие изменение признаков (критериев оценивания) по классам состояний.

В соответствии со схемой рис. 14 в работе подробно рассмотрены этапы диагностики трофности, качества воды, токсического загрязнения воды, устойчивости (уязвимости) к воздействию, экологического благополучия. Во всех случаях приведены полученные автором квалиметрические шкалы интегральных (сводных) показателей для всех описанных классификаций. Предложен подход и система критериев для определения экологической ценности водоема (водного ресурса).

Оценка скоростей обменных процессов в водных экосистемах. Получение изменения портрета экосистемы при внешнем воздействии на нее требует оценки скоростей массообмена в экосистеме. Автором разработаны модели оценки скоростей массообмена для основных звеньев трофических цепей водных экосистем: фитопланктон, зоопланктон, ассоциированные с детритом бактерии, мальки и молодь рыб, бентос, а также модели трансформации вещества в абиотической среде. Предложены методы использования моделей для эколого-географической диагностики водоемов (оценка факторов, влияющих на скорости обменных процессов; оценка самоочищения водоемов по времени осветления воды зоопланктоном и по анализу внутригодовой динамики деструкционно-продукционного отношения).

Эколого-географическая оценка водоемов с использованием математического моделирования. Прогностический мониторинг водных экосистем позволяет оценить норму воздействия на экосистему, изменение ее портрета после воздействия и дать прогноз функционирования системы, изменения ее неаддитивных свойств на близкую или отдаленную перспективу без учета или с учетом внешнего воздействия.

Целесообразность использования математических моделей для

эколого-географической оценки водоемов обусловлена стремлением исследователей к получению экологических нормативов для водной геосистемы в целом или входящих в ее состав наиболее уязвимых экосистем. При этом доза-эффектные эксперименты для экосистемы проводятся не на природном объекте, а на его «заменителе» — математической экологической модели, адекватной по структуре, функциональным связям и географическим особенностям реальному природному прототипу. Адекватность модели реальной экосистеме должна быть доказана до того, как исследователь проводит на модели эксперименты по увеличению внешней нагрузки на водоем.

 

Рис. 14. Унификация подходов к методическому обеспечению эколого-географической диагностики водоемов

 

Рис. 15. Этапы оценки воздействия на водную экосистему на основе экологической модели

Ответная реакция на внешнее воздействие оценивается как на покомпонентном уровне, так и на многокритериальной основе. Портрет экосистемы до воздействия сравнивается с портретом экосистемы после воздействия. При этом делается вывод о допустимости воздействия на водоем на основании того, сохранен ли инвариант водной геосистемы. В качестве инварианта предлагается рассматривать принадлежность к определенному классу состояния системы (трофности, качества воды, устойчивости, благополучия и др.) по величине интегрального показателя. Если ни один компонент системы не утрачен и по величине интегрального показателя, полученного на многокритериальной основе, система не вышла за пределы имевшегося (до воздействия) класса, то делается вывод о допустимости воздействия на водную геосистему. Этапы реализации описанной процедуры приводятся на рис. 15.

Указанная на рисунке последовательность выполнения этапов обусловливает включение в систему оценки экологического мониторинга блока оценки воздействия.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: