Статья: Методологические основы оценки функционирования природно-технической системы (агроэкосистемы) в бассейнах рек

УДК 631.671:631.43:556.01

ТарГУ им. М.Х. Дулати

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (АГРОЭКОСИСТЕМЫ) В БАССЕЙНАХ РЕК

Мустафаев Ж.С.

Козыкеева А.Т.

В последнее время становится все очевиднее, что свидетельством изменения окружающей среды является строительство водохозяйственных систем и промышленной про-изводственной инфраструктуры, которые приводят к повышению влияния техногенных факторов на природную систему и увеличивает риск нарушения экологического равновесия в речных бассейнах, являющихся средообразующими географическими объектами.

При этом изменение экологического равновесия в речных бассейнах приводит к значительным диспропорциям в единичных или общих природных явлениях, где состояние и свойства биогеоценоза требует точного и достоверного прогноза возможных последствий нарушений в природе, возникающих при техногенных или антропогенных воздействиях.

В связи с этим, одним из главных задач системы природопользования и природообустройства в бассейнах рек является оптимизация структуры производственной деятельности, которая обеспечила бы минимальные потери неживой и живой природы.

Природная и природно-техническая системы в речных бассейнах в своем совместном функционировании базируются на процессах энерго- и массо- обмена. В процессе деятельности природно-технической системы возникает поток разнохарактерных техногенных возмущений, которому противодействует реактивный поток со стороны биосферы или природной системы, а взаимодействие этих потоков обеспечивает уровень антропогенного изменения свойств природных объектов по всей совокупности параметров речных бассейнов.

Процесс формирования и развития конкретной экосистемы в результате антропогенной деятельности характеризуется закономерным изменением начальных показателей природной системы, то есть каждый вид промышленного техногенеза обладает свойственной ему спецификой воздействия на объекты природы. Следовательно, в процессе формирования и развития природно-технической системы в речных бассейнах сопровождается закономерным накоплением антропогенных изменений свойств экосистемы во времени и пространственных масштабах.

Соответственно законам природы, любое антропогенное воздействие на природную систему характеризуется ответной реакцией со стороны окружающей среды, которая может проявляться в трех формах - адаптационной, восстановительной и невосстановительной.

Адаптационная реакция природной системы предусматривает локальное, статистическое смещение равновесия, в рамках которого окружающая среда продолжает функционировать в новых условиях, сохраняя определенное равновесное состояние.

Восстановительная реакция природной системы в процессе атропогенной деятельности отвечает полному или частичному восстановлению свойств экосистемы, сохраняя определенную устойчивость техногенному воздействию.

Невосстановительная реакция природной системы соответствует критическому состоянию окружающей среды, которая полностью изменяет свою структуру и свойства, это происходит при переходе системы к экологически экстремальной ситуации, что возможно при превышении допуска хотя бы одного показателя возмущения.

Поэтому в системе природопользования и природообустройства речных бассейнов возникает необходимость прогнозирования и оценки характера влияния техногенных факторов, возникающих в процессе антропогенной деятельности, которые допускают определенное антропогенное воздействие, приводящее к изменению ряда природных факторов. экологический речной бассейн производственный

Условие экологического равновесия природной системы в природопользовании и природообустройстве требует, чтобы в процессе антропогенного воздействия состояние природной среды было бы невозрастающей функцией во времени, то есть какая-либо характеристика носит неуправляемый характер, монотонное возрастание может привести в процессе деятельности к достижению предельного антропогенного уровня, представляющего экологическую опасность и нарушающих экологическую устойчивость природной системы речных бассейнов.

Таким образом, принцип оптимального функционирования природно-технической системы при управлении и регулировании природными процессами и антропогенной деятельностью может быть сформулирован следующим образом: если природно-техническая система испытывает влияние комплекса факторов техногенного и антропогенного воздействия, то для стабильного функционирования водохозяйственной системы в речных бассейнах необходимо, чтобы сумма этих воздействий оставляла без изменения все структурные соотношения в данной системе.

Для разработки оптимального экологического режима функционирования водохозяйственных систем необходимо знать факторы технического воздействия, критерии оценки состояния экосистемы и иметь управляющие параметры, оказывающие воздействие на природную экосистему.

При этом факторы техногенного воздействия определяют: по номенклатурному (качественному) составу техногенного воздействия и по интенсивности их воздействия (оценивается коэффициентом весомости) на природную среду. А, критерием состояния экосистемы в речных бассейнах служат объективной мерой оценки эффективности разрабатываемых инженерно-экологических методов охраны окружающей природной среды для различных технологических процессов.

Выбор критериев зависит от специфики экосистемы и требований, которые к ней предъявляют в условиях антропогенной деятельности, то есть для оценки влияния природно-техногенных нагрузок на экологическое равновесие природной системы используют следующие интегральные критерии:

- абсолютные потери окружающей среды, выраженные в конкретном изменении данных биогеоценоза флоры и фауны;

- компенсационные возможности экосистемы, характеризующие ее восстанавливаемость в естественном и принудительном режимах;

- опасность нарушения природного баланса, которая определяет вероятность возникновения необратимых потерь и экологических сдвигов;

- уровень экологических потерь, которые характеризуют масштабы воздействия природно- техногенных нагрузок на окружающую среду.

В настоящее время методы эквивалентного сопоставления разнородных показателей применяются для оценки технического уровня проектных решений в мелиоративной науке [1-2]. Поэтому, для оценки уровня техногенного нарушения природной системы речных бассейнов, можно использовать показатели, характеризующие отношения использования природных ресурсов и изменения их компонентов в системе природопользования [3-4]:

- при агротехническом освоении территории:

,

где - площадь освоенной территории, га; - площадь природных или полуприродных экосистем, га;

- при мелиорации сельскохозяйственных земель:

,

где - фактическая оросительная норма или удельный водозабор, м3/га; - почвенно-экологическая допустимая норма орошения, обеспечивающая оптимальное соотношение тепла и влаги в конкретных природно-климатических зонах, м3/га;

- при использовании водных ресурсов:

,

где - располагаемые водные ресурсы бассейна рек, км3 или м3/с; - санитарный попуск, обеспечивающий экологическую устойчивость в низовьях бассейнов рек, км3 или м3/с; - объем водозабора для нужды промышленных предприятий и сельскохозяйственных организаций, км3 или м3/с;

- при оценке изменений гидрохимического режима воды:

,

где - естественная минерализация воды рек до антропогенной деятельности человека, г/л; - минерализация воды рек, в процессе антропогенной деятельности человека, г/л.

- при сбросе в водоисточник возвратных вод:

,

где - коллекторно-дренажные и сточные воды, км3 или м3/с.

- при оценке гидрохимического режима орошаемых земель:

,

где - площадь малопродуктивных засоленных земель, га.

Для демонстративного расчета показателей уровня техногенного нарушения агроландшафтов, выполнен анализ использования природных ресурсов в низовьях бассейна реки Сырдарьи (таблица 1).

Таблица 1. Динамика использования природных ресурсов и их влияние на компоненты природной системы в низовьях реки Сырдарьи

Как видно из таблицы 1, в ХХ веке игнорирование законов природы и природного процесса привело к несоответствию характера развития производительных сил характеру природоохранных отношений в низовьях реки Сырдарьи.

В начале ХХ века в низовьях реки Сырдарьи орошаемые земли были приурочены в основном к Присырдарьинским предгорным и бугористогрядовым равнинам, речным долинам и сухим дельтам рек и предгорным равнинам южного Казахстана на незасоленных автоморфных почвах, где имелись благоприятные климатические условия для возделывания сельскохозяйственных культур. В период 1900-1950 годов поливная норма составила 4-8 тыс. м3/га, что соответствовало почвенно-экологическим допустимым нормам орошения земель и обеспечивало энергетическую сбалансированность тепла, влаги и питательных веществ природных арголандшафтов. По мере расширения масштабов орошения, особенно связанные с освоением засоленных земель и рисовых систем, оросительная норма или удельная водопадача на один гектар непрерывно возрастала и достигла 44,6 тыс. м3. Согласно этим данным, годовые непродуктивные потери оросительной воды для уровня «водовыдел на поле - корнеобитаемая зона сельскохозяйственных культур» составляют 346 % или в 3,46 раза больше чем потенциальное испарение воды с поверхности почвы. Все это привело к тому, что в несколько десятков раз увеличилась интенсивность геологического круговорота воды и химических веществ в низовьях реки Сырдарьи, что привело к ухудшению качества воды, особенно в дельтах рек, где минерализация возросла до 2,5 г/л и существенно превысила ПДК по многим показателям вследствие сбросов в реки коллекторно-дренажных вод (12,0-14,0 км3 в год ) [5].

Таким образом, показатель характеризующий темпы использования природных ресурсов в определенной степени дает возможность определить степень изменения природной системы, тогда приближенное значение коэффициента, характеризующего уровень техногенного нарушения агроландшафтов, можно определить по формуле:

,

где - количество компонентов природной системы, принятых для определения уровня техногенных нарушений природных систем.

Для оценки уровня техногенного нарушения природной системы, можно использовать обобщенный показатель , который определяется по формуле [4-7]:

,

где - относительные значения уровня техногенных нарушений природного объекта [8].

Для анализа оценки техногенного нарушения компонентов локальных экосистем в низовьях реки Сырдарьи использованы данные о почвенно-экологическом и почвенно-мелиоративном состоянии агроландшафтов и на основе их выполнен прогнозный расчет, характеризующий степень техногенного нарушения (таблица 2).