Ландшафтно-динамический подход – оценка экологической устойчивости

 

Данный подход реализован при оценке устойчивости акватории Баренцева моря к химическому загрязнению. На современном этапе развития человечество активно вовлекает в сферу своих хозяйственных интересов континентальный шельф. Основным направлением его освоения становится разработка углеводородного сырья, что сопряжено с экологическими рисками, в том числе химического загрязнения. Оценка устойчивости акваторий к химическому загрязнению позволяет дифференцировать нагрузки в зависимости от ассимиляционной емкости и устойчивости и снизить экологический риск. Решение этого вопроса имеет принципиальное значение при обеспечении экологически безопасного освоения ресурсов Западно-Арктической нефтегазоносной провинции. При оценке устойчивости использована концепция ассимиляционной емкости, а в качестве ее меры использован термодинамический (энтропийный) подход (см. раздел 4.1.4).

Первый шаг в оценке устойчивости морской среды к химическому загрязнению – установление основных признаков, определяющих ассимиляционную емкость и баланс энтропии. Один из вариантов решения этой задачи – анализ эффективности ведущих типов дифференциации осадочного материала на основе дерева признаков:

- механическая дифференциация (признаки: сглаженность форм рельефа дна, активность гидро- и литодинамических процессов, мощность голоценовых отложений);

- физико-химическая и химическая (признаки: интенсивность перемешивания вод, сорбционная емкость осадков, выраженность геохимических барьеров, глубина моря, устойчивость к вторичному загрязнению);

- биогеохимическая дифференциация вещества (признаки: микробиологическая активность, видовое разнообразие и биопродуктивность бентоса и макрофитов).

Кратко проведем сопряженный анализ перечисленных признаков и устойчивости акватории к химическому загрязнению.

Контрастность рельефа осложняет латеральный характер распределения осадочного материала, нарушая процессы дифференциации материала и увеличивая энтропию системы. Высокая энергия рельефа может привести к локализации загрязняющих веществ в понижениях, впадинах и т.д., прерывая потоки вещества Контрастность рельефа снижает устойчивость среды к химическому загрязнению; одновременно – это фактор риска развития экзогенных геологических процессов на дне.

Активность гидро- и литодинамических процессов влияет на транзит вещества и вынос его за пределы системы, что может служить снижению энтропии.

мощность голоценовых отложений является функцией скорости осадконакопления и характеризует устойчивость процессов дифференциации и аккумуляции осадочного материала, а также потенциальную степень разбавления загрязняющих веществ в общем объеме осадочном материале. Стабильность процессов дифференциации вещества – показатель самоорганизации системы и один из механизмов снижения производства энтропии.

Интенсивность перемешивания вод приводит к насыщению придонного слоя воды кислородом и определяет активность окисления поллютантов и их деструкцию, способствует интенсификации микробиологических процессов. Активность перемешивания обусловлена динамикой течений и волнения, глубиной, наличием зон конвергенции и дивергенции. Она снижается в условиях стратификации водной толщи.

С орбционные свойства осадков зависят от их дисперсности, состава глинистых минералов, присутствия гелей гидроксидов Fe, Mn, содержания и состава органического вещества (ОВ). Сорбция поллютантов донными осадками ведет к их захоронению (хемосорбция), консервации (физическая сорбция), деструкции микроорганизмами, а также выносу в составе взвеси. В целом адсорбция – фазовый переход вещества, уменьшающий энтропию системы.

Геохимические барьеры снижают активность миграции вещества посредством фазовых переходов, захоранивая поллютанты и уменьшая энтропию системы. В этом отношении наиболее эффективными являются восстановительный сероводородный, сорбционный и щелочной барьеры.

Глубина моря определяет длительность периода геохимической активности вещества в ходе его осаждения сквозь толщу воды, что повышает вероятность деструкции или консервации поллютантов в результате преобразований или фазовых переходов.

Вторичное загрязнение возникает при воздействииволн и течений на дно или активизации (в том числе спровоцированной человеком) экзогенных геологических процессов (оползней, криппов, газовых эманаций и т.д.). Это приводит к размыву осадков, десорбции, окислению ОВ с мобилизацией тяжелых металлов в воду, что сопровождается загрязнением, снижением ассимиляционной емкости среды и ростом энтропии системы.

Устойчивость биоценозов в геосистеме оценивается по видовому разнообразию, биомассе, активности процессов метаболизма. Рассматриваются три группы организмов: бентос, макрофиты и бактерии. Оптимальные условия обитания этих групп разные, но все они играют важную роль в ассимиляции загрязняющих химических веществ, снижая энтропию системы. Высокие показатели видового разнообразия говорят об устойчивости любой природной системы.

Ландшафтно-динамический подход определяет принцип районирования акватории, в основе которого рассматривается связь морфологии дна, литодинамических и геохимических процессов, состава современных донных осадков. Ведущими морфодинамическими элементами принимаются: днища замкнутых форм с устойчивой аккумуляцией (ловушки I-го рода); незамкнутые впадины и желоба с преобладающей аккумуляцией (ловушки II-го рода); склоновые поверхности с транзитом осадочного материала; верхние предельные поверхности с размывом и абразией. Все поверхности контролируют два вида вещественно-энергетических потоков – нисходящих и циркуляционных. Верхние поверхности – источники выноса; нижние замкнутые – конечные пункты сноса; склоны и площадки на склонах, нижние незамкнутые поверхности – зоны транзита. Крутые поверхности ускоряют поток, пологие его замедляют. Субгоризонтальные поверхности на склонах играют роль промежуточных депоцентров, где движение потока прерывается или замедляется (Зинченко, 2002). Морфодинамические элементы привязаны к батиметрическому уровню, от которого зависит интенсивность потока вещества. Морфологическое разнообразие поверхностей включает: субгоризонтальные выровненные и мелкорасчлененные, склоновые – крутые и средние, а также пологие. Поверхности сложены определенными типами осадков, которые контролируются глубиной, расчлененностью рельефа и литодинамикой. Устойчивость оценивается по отношению к морфолитодинамическим зонам (ландшафтам), как элементарным единицам, выделенным по единству рельефа, литологии, процессов дифференциации вещества. В основе оценки лежит баланс энтропии и направленность вещественно-энергетических потоков.

В основе метода оценки устойчивости лежит широко распространенный в настоящее время экспертный анализ. Работа экспертов заключается в оценке важности и выраженности признаков. Окончательная обработка результатов проведена по программе «Признак», разработанной в лаборатории экологического моделирования СПбГУ (Щербаков и др., 1994). Ее назначение – формализация решения задач методом аналогий и сведение их к интерполяционным алгоритмам, а также выполнение расчетов интегральных показателей с задаваемой структуризацией дерева признаков (табл. 55). Согласованность работы экспертов оценивается по критерию Шеффе.

 

Таблица 55. Расчетный вес признаков устойчивости Баренцева моря к химическому загрязнению (по программе «Признак»)

Типы	Признаки	Вес признаков
дифференциа-ции		индиви-дуальный	интег-ральный	сред-ний
	1) активность литодинамических процессов	0,0786
Механическая	2) сглаженность форм рельефа	0,0461	0,1896	0,0632
	3) мощность голоценовых отложений	0,0649
	4) интенсивность перемешивания вод	0,0786
Физико-хими-	5) устойчивость к вторичному загрязнению	0,1646
ческая и	6) сорбционная емкость осадков	0,0537	0,6341	0,1268
химическая	7) выраженность геохимических барьеров	0,2130
	8) глубина моря	0,1242
Биогеохими-	9) видовое разнообразие и биопродук-тивность бентоса	0,0411
ческая	10) микробиологическая активность	0,0819	0,1437	0,0479
	11) видовое разнообразие и биопродуктив-ность макрофитов	0,0207

 

Весовые значения факторов (см. табл. 55) свидетельствуют о ведущей роли в устойчивости к химическому загрязнению физико-химического и химического типов дифференциации осадочного материала (ФХД), которые имеют максимальные значения по интегральному и среднему показателям. Вклад механической (МД) и биогеохимической (БД) дифференциации в устойчивость к химическому загрязнению одинаков и менее значим (см. табл.), т.е. обобщенный ряд весовых значений факторов представлен следующим выражением: ФХД>МД=БД. В нашем случае наиболее распространены структуры вида: ФХД>МД>БД и МД>ФХД>БД, т. е. наиболее устойчивыми к химическому загрязнению являются акватории, где преобладают физико-механические процессы дифференциации осадочного материала.

Результаты программной обработки результатов экспертной оценки позволили по условному коэффициенту устойчивости разбить все выделенные морфолитодинамические зоны Баренцева моря на шесть групп: высоко устойчивые (относительный коэффициент устойчивости 0,060); устойчивые (0,051-0,055); средне устойчивые (0,045-0,046); низко устойчивые (0,039-0,043); неустойчивые (0,031-0,035); крайне неустойчивые (0,028-0,029).

Основные результаты проведенной оценки можно сформулировать следующим образом. Наиболее устойчивыми к химическому загрязнению являются геосистемы, в которых развиты химические и физико-химические процессы деструкции и захоронения загрязняющих веществ. Вклад в устойчивость динамических процессов, отвечающих за вынос и консервацию (временное захоронение) поллютантов, менее значим. По этой причине традиционное восприятие участков акваторий, где доминируют процессы размыва и выноса вещества, как наиболее устойчивых к химическому загрязнению, с точки зрения предложенных подходов, оказалось неверным. Во-первых, техногенное воздействие может изменить ландшафтно-динамический статус акватории, но тогда отсутствие природных механизмов ассимиляции загрязняющих веществ при низкой активности геохимических процессов станет причиной прогрессивного загрязнения и заиления акватории. Во-вторых, размыв определяет термодинамическую несбалансированность системы и рост энтропии. В-третьих, в соответствие с принципом эмерджентности относительная устойчивость таких поверхностей за счет выноса поллютантов приводит к уязвимости геосистемы в целом. Являясь элементами этой системы, они сами становятся неустойчивыми.

Наименее уязвимы к химическому воздействию геосистемы, расположенные на нижних батиметрических уровнях, куда направлен основной вещественно-энергетический поток. Это объясняется сбалансированностью главных механизмов устойчивости и развитым комплексом ассимиляционных процессов. При регулируемых нагрузках, не превышающих критические, эти геосистемы будут устойчивы, ассимилируя поступающий объем поллютантов. К этой группе относятся выровненные днища замкнутых впадин на глубине более 200 м. В Баренцевом море – это Центральная впадина с глубинами до 400 и более метров.

К неустойчивым и крайне неустойчивым геосистемам отнесены склоновые и верхние предельные поверхности глубже 110 м с мелкорасчлененным рельефом и склонами разной крутизны. Их особенностью является относительно глубоководное залегание и высокая уязвимость биогенных компонентов. Неустойчивые к химическому загрязнению акватории повсеместно распространены в Западно-Баренцевской и в Центральной низменной областях. Вторая группа – это склоны и выровненные участки дна верхних предельных поверхностей в юго-западной области и в Печорском море. Группа крайне неустойчивых акваторий объединяет транзитную зону средних и крутых склонов и предельных верхних поверхностей с мелкорасчлененным рельефом на глубинах 110-200 м. Такие ландшафты известны в Центральной, Северо-Баренцево-Карской и Новоземельской областях Баренцева моря.

Интересно, что лицензионные участки месторождений Печорского и центральной части Баренцева моря (Штокмановское, Лудловское и Ледовое) расположены в акваториях, где сочетаются устойчивые и низко устойчивые к химическому загрязнению показатели с ведущем значением физико-химических (Баренцево море) и биогеохимических (Печорское море) процессов дифференциации. Максимальный экологический риск присущ лицензионным участкам прикольского шельфа (Баренц-3), расположенным в зоне неустойчивых к химическому загрязнению акваторий.

Одним из условий сохранения фонового состояния морской среды является поддержание механизмов устойчивости, особенно тех, которые в структуре факторов имеют ведущее значение:

- в геосистемах, где преобладают размыв и абразия, необходимо минимизировать вероятность появления зон аккумуляции и накопления поллютантов;

- в глубоководных районах в пределах днищ замкнутых форм основное внимание следует сосредоточить на поддержании механизмов, обеспечивающих физико-химическую (сорбционную емкость осадков и взвешенного материала, структуру и функциональность природных физико-химических барьеров, устойчивость к вторичному загрязнению и т.д.) и биогеохимическую (поддержание биомассы планктона, макрофитов и активности микробиоценоза в осадках) дифференциацию осадочного материала.

Таким образом, выполненное на ландшафтно-динамической основе районирование акватории может служить основой для установления дифференцированных нормативов предельно допустимых антропогенных нагрузок. Это касается, в первую очередь, норматива допустимых сбросов, объема и состава твердых отходов, допустимых к захоронению в подводных отвалах.

Кроме того, для снижения экологических рисков результаты оценки устойчивости целесообразно использовать при:

- обосновании альтернативных вариантов размещения объектов нефтегазодобычи (в ходе процедуры ОВОС на прединвестиционной и предпроектной стадиях);

- проектировании подводных отвалов и трасс трубопроводов;

- проведении дноуглубительных работ.

Полученные результаты необходимы при составлении Программы производственного мониторинга и расчете регулярных платежей за пользование недрами или в целях, не связанных с добычей полезных ископаемых.

 

4.2.3. Предельно допустимые воздействия на водные объекты (бассейновый подход)

Бассейновый подход в экосистемном нормировании ориентирован на установление нормативов допустимого воздействия (НДВ) на водные объекты. Они предназначены для обеспечения безопасных уровней содержания загрязняющих веществ, а также других показателей, характеризующих техногенное воздействие на аквальные геосистемы, с учетом природно-климатических условий водных объектов и сложившейся в результате хозяйственной деятельности природно-техногенной обстановки. Такой подход называется бассейновым. Он регламентируется «Методическими указаниями по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты»(Утв. Приказом МПР РФ от 12 декабря 2007 г. № 328. Зарегистрировано в Минюсте РФ 23 января 2008 г. Регистрационный № 10974)

В соответствии с этим документом нормативы качества воды для поверхностных водных объектов устанавливаются исходя из следующих принципов:

1) отнесение водных объектов к определенным группам: природным водным объектам, воздействие антропогенной нагрузки на которые не привели к изменению их основных гидрологических и морфологических характеристик; природным водным объектам, которые в результате техногенеза подверглись антропогенному воздействию, существенно изменившему их основные характеристики (гидрологические, морфометрические, гидрохимические, и др.); искусственным водным объектам;

2) происхождения загрязняющего вещества;

3) условий целевого использования водных объектов и их приоритетности при комплексном использовании.

В контексте такого подхода загрязняющие вещества рассматриваются как искусственного происхождения (ксенобиотики) и двойного генезиса, т.е. содержащиеся в воде за счет естественных факторов формирования ее химического состава и в результате антропогенного воздействия. Для ксенобиотиков, а также высокоопасных веществ нормативы качества воды принимаются в зависимости от целевого использования водных объектов (рыбохозяйственное и хозяйственно-питьевого). Для веществ двойного генезиса в зависимости от конкретных условий и вида использования нормативы качества воды принимаются равными нормативам допустимых концентраций химических веществ, которые определяются с учетом регионального естественного (условно-естественного) гидрохимического фона.

Нормативы допустимого воздействия на водные объекты устанавливаются для критических условий водности, при которых нормируемый вид воздействия наиболее сильно влияет на водный объект. Расчет нормативов допустимого воздействия (загрязнения) на водные объекты состоит из следующих этапов.

1. На основе гидрографического и водохозяйственного районирования производится выделение водохозяйственных расчетных участков, отличающихся приоритетными видами использования, в том числе определенных законодательством (особо охраняемые природные территории, источники питьевого водоснабжения, водные объекты рыбохозяйственного значения, рыбоохранные и рыбохозяйственные заповедные зоны).

2. Осуществляется сбор данных о водном объекте и его водосборной площади в пределах расчетного участка, хозяйственной деятельности, оказывающей влияние на водный объект, определяются виды воздействия, подлежащие нормированию.

3. Проводится ретроспективный анализ результатов мониторинга по гидробиологическим и абиотическим (гидрохимическим и др.) показателям. Определяются региональные абиотические фоновые показатели. При отсутствии мониторинга гидробионтов указанные фоновые показатели состояния принимаются по участкам с наименьшей антропогенной нагрузкой или проводятся специальные натурные исследования для уточнения показателей качества воды и состояния экологических систем.

4. По результатам мониторинговых исследований обосновывается перечень веществ, подлежащих учету в составе нормативов допустимого воздействия на водные объекты, путем сравнения с ПДК химических веществ для приоритетных видов использования водных объектов (для высокоопасных веществ и веществ искусственного происхождения) и/или региональных фоновых показателей (для веществ двойного генезиса).

5. Оценивается фактическое экологическое состояние водного объекта на расчетных участках относительно региональных фоновых показателей и ПДК химических веществ для приоритетных целей использования, на основе чего он причисляется к определенной группе.

6. Устанавливаются лимитирующие гидрологические характеристики для различных условий водности и экологический расход (гидрограф).

7. Определяются нормативы допустимых концентраций химических веществ с учетом природных особенностей территорий и акваторий, их фоновых характеристик.

8. На основе анализа приоритетных видов использования водных ресурсов, фактического состояния водного объекта устанавливается региональный фон, обеспечивающий сохранение экосистем и удовлетворение социально-экономических и санитарно-эпидемиологических потребностей населения, в том числе целевое использование водного объекта.

9. Рассчитываются нормативы допустимого воздействия на водный объект в соответствии с принятыми нормативами качества воды за характерные временные периоды (год, отдельные сезоны и т. д.).

Общая масса привноса в водный объект загрязняющих химических веществ (норматив допустимого воздействия по привносу химических веществ) определяется на основании баланса поллютантов с учетом всех источников воздействия, особенностей миграции и трансформации веществ, ассимилирующей способности водного объекта и его водосборной площади, а также транзитного поступления загрязняющих веществ. Под источниками воздействия понимаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты веществ, ухудшающих качество поверхностных и подземных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и берегов водного объекта. Среди источников загрязнения выделяются:

1) диффузные источники – это источники, вносящие загрязняющие вещества неорганизованным путем в поверхностные или подземные воды с части водосборной площади, измененной хозяйственной деятельностью;

2) точечные источники загрязнения – это объекты антропогенной деятельности, сточные воды которых содержат поллютанты и отводятся в водный объект сосредоточенным потоком с применением специальных сооружений или устройств.

При превышении фактического содержания химических веществ в водном объекте над нормативом качества воды норматив допустимого воздействия на водные объекты корректируется в сторону снижения.

В общей массе привнесенных в водный объект загрязняющих химических веществ выделяются три составляющие, зависящие от источников загрязнения:

1) природная, которая не подлежит регулированию и учитывается при установлении допустимого воздействия по видам водопользования без изъятия водных ресурсов из водных объектов;

2) неуправляемая или слабоуправляемая – неорганизованные площадные диффузные источники загрязнения, управление которыми на современном этапе технически неосуществимо или малоэффективно;

3) управляемое или потенциально управляемое поступление поллютантов – организованные и диффузные источники загрязнения, чьи количественные и качественные характеристики могут регулироваться посредством технических средств.

При установлении НДС на основе НДВ для водохозяйственного участка учитывается его принадлежность к указанным составляющим. Суммарная величина НДС для всех водопользователей по участку не может превышать составляющую НДВ по управляемому или потенциально управляемому привносу загрязняющих веществ.

Допустимое воздействие на водные объекты в результате строительства на их акваториях, ведущего к сокращению водных ресурсов, должно исходить из следующих критериев:

1) сохранение оптимальной доли площади мелководий (глубины до 2,5 м) для ведения рыбного хозяйства и активизации процессов самоочищения: для малых водохранилищ на уровне 10-15% акватории, для крупных водохранилищ – 5-10%;

2) сокращение среднего многолетнего объема водоема должно быть не более 10% при соблюдении условий первого критерия;

3) поддержание средней глубины водного объекта, гарантирующей сохранение условий прогревания и степени эвтрофикации водного объекта;

4) неухудшение процессов водообмена водного объекта и его обособленных акваторий;

5) использование в первую очередь участков с загрязненными донными отложениями.

Норматив допустимого воздействия по привносу химических веществ (НДВхим) является суммарной массой поллютантов, которая максимально допустима на расчетном участке водного объекта в пределах установленного периода времени, когда концентрации загрязняющих веществ в замыкающем створе и в среднем по участку не превышают норматив качества воды, установленный для водного объекта или его участка (Сн).

За нормативы качества воды в зависимости от сочетания условий, фактического состояния и использования водного объекта могут приниматься ПДК в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, ПДК в водных объектах рыбохозяйственного значения, ОДУ, ОБУВ или нормативы допустимых концентраций химических веществ, установленные в соответствии с показателями предельно допустимого содержания химических веществ в окружающей среде, несоблюдение которых может привести к загрязнению и деградации экологических систем. Последние устанавливаются на основе параметров естественного регионального фона и рекомендуются для веществ двойного генезиса.

Под региональным фоном понимаются показатели качества воды, сформировавшиеся под влиянием природных факторов, характерных для конкретного региона. Существенно, что экологическое благополучие в водном объекте определяется на основе гидробиологических показателей. Для расчета регионального фона используются гидрохимические данные только по створам, расположенным на участках с подтвержденным экологическим благополучием.

Норматив допустимой концентрации с учетом региональных особенностей определяется по формуле, используемой для расчета фоновых концентраций в соответствии с действующими методическими документами по проведению расчетов фоновых концентраций химических веществ в водотоках (РД 52.24.622-2001):

где С с_ф - средняя концентрация вещества; S _сф - среднее квадратическое отклонение концентрации; t_st - коэффициент Стьюдента при Р=0,95; n - число данных по ингредиенту.

В общем виде расчет НДВхим на расчетном участке водного объекта за любой период времени выполняется по балансовой формуле, учитывающей приходную часть:

где W yч – общий объем стока на водохозяйственном участке к замыкающему створу за определенный расчетный период, млн м³, определяемый по формуле:

W _yч = W _ecт + W _супр + W _вx + W _oбпр = W _бпр + W _ндиф + W _супр + W _вx + W _обпр,

где W ecт - объем местного стока в пределах расчетного участка, м³:

W _ест = W _бпр + W _ндиф (4)

W _бпр – объем боковой приточности с участков, не подверженных антропогенному воздействию (за вычетом участков водосборной площади с имеющимися диффузными источниками загрязнения антропогенного происхождения как управляемыми, так и неуправляемыми), м³;

W _ндиф – объем боковой приточности на участках с неуправляемыми диффузными источниками загрязнения, м³;

W _супр – объем водоотведения, включая точечные и потенциально управляемые диффузные источники загрязнения, м³;

W _вx – объем стока, поступающий с вышерасположенного водохозяйственного участка, м³;

W _обпр – объем стока, поступающий с притоками первого порядка, обособленными в самостоятельные расчетные участки со своими нормативами качества воды, м³;

С _нр, С _нвх, С _нобпр – нормативы качества воды водного объекта для соответствующих водохозяйственных участков, мг/л.

Таким образом, для водохозяйственного участка НДВхим выделяются три составные части допустимого приращения: управляемые и потенциально управляемые источники загрязнения (W _супр), неуправляемые источники загрязнения, включая латентные (W _ндиф), и природная составляющая (W _бпр, W _вх, W _обпр).

Для веществ двойного генезиса расчетная формула частично изменена:

(5)

где С_сф – концентрация нормируемого вещества, соответствующая среднему или модальному значению диапазона абиотических факторов, при которых сохраняется экологическое благополучие водного объекта по гидробиологическим показателям, мг/л. Здесь расчет проводится исходя из фонового содержания или расчетной допустимой концентрации вещества, которая отражает региональные природные закономерности формирования химического состава вод.

Установление НДВхим рекомендуется вести дифференцировано по основным гидрологическим сезонам: зимняя и летне-осенняя межени, весеннее или весенне-летнее половодье. По результатам расчетов, сравнивая фактическую массу выноса вещества с НДВхим., определяют баланс загрязняющего вещества, показывающий либо возможность поступления дополнительного количества поллютанта на данном участке водного объекта, либо необходимость сокращения его сброса за счет управляемых источников.