Статья: Влияние элементов ландшафтов на их устойчивость к техногенным воздействиям

Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины

Влияние элементов ландшафтов на их устойчивость к техногенным воздействиям

УДК 504.54

Я.Я. Сердюк, О.К. Тяпкин

Днепропетровск

Аннотации

Розглянуто основні підходи до визначення базових і інтегрального показників стійкості ландшафту до різних видів техногенного впливу. Розроблено оригінальну методику й отримано набір базових показників стійкості для середньо- і дрібномасштабної типізації території за ступенем стійкості (масштаб 1:2000000 і дрібніше).

Рассмотрены основные подходы к определению базовых и интегрального показателей устойчивости ландшафта к различным видам техногенного воздействия. Разработана оригинальная методика и получен набор базовых показателей устойчивости для средне- и мелкомасштабной типизации территории по степени устойчивости (масштаб 1:2000000 и мельче).

Поступила в редколлегию 22 октября 2007 г.

Представлено Организационным комитетом конференции

Ya.Ya. Serduk, O.K. Tyapkin THE INFLUENCE OF LANDSCAPE ELEMENTS ON THEIR TO TECHNOGENOUS LOADING

Institute of Problems on Nature Management & Ecology, National Academy of Sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk

The basic approaches to definition base and integrated parameters of stability of landscape to various kinds of technogeneous influence are considered. The original technique is developed and the set of base parameters of stability for average-scale and small-scale typification of territory on the degree of stability (scale 1:2000000 and more finely) is received.

Введение

Разные территории, в силу различия своих климатических условий, геоморфологического облика, геологического строения и степени залесенности, в различной степени воспринимают идентичное техногенное воздействие. В процессе антропогенного природообразования взаимодействуют две основные антогонистические системы (силы):

антропогенное и техногенное воздействия, присущие жизнедеятельности человека и оказывающие негативные изменения качества компонентов природной окружающей среды;

система компонентов природной среды (ландшафты), воспринимающих техногенную нагрузку и стремящихся нейтрализовать ее негативное воздействие и сохранить природные характеристики качества.

Каждая из систем может характеризоваться только ей присущими базовыми показателями влияния (воздействия) и базовыми показателями устойчивости (по степени изменения качества природной среды). Однако, множественность и разнозначность базовых показателей этих систем не позволяют напрямую адекватно сравнивать между собой силы воздействия (техногенную нагрузку) и силы самовосстановления среды (устойчивость геосистем). Поэтому, при определении различий в степени устойчивости к химическому загрязнению двух (и более) регионов с разными ландшафтно-климатическими условиями необходимо соблюдение следующего основного положения: перечень загрязняющих химических веществ, попадающих на территории сравниваемых регионов должен быть не менее чем на 60-70 % аналогичным, поскольку воздействие на окружающую природную среду различных химических веществ весьма различно.

1. Оценка техногенной нагрузки на территорию

Величина прямой техногенной нагрузки на геосистему для определенной территории ориентировочно может быть оценена следующими соотношениями:

1. При химическом загрязнении почвенного покрова и растительности от осаждения газопылевых выбросов (используя данные статистической отчетности)

I_T = Уm_i / F = (m₁ + m₂ + …+ m_n) / F, кг/м²/год;

где m₁, m₂ … m_n - массы загрязняющих веществ, попадающих на поверхность земли на определенной территории ореола загрязнения

F изучаемого региона за год; I_т - масса газопылевых выбросов в атмосферу за год, кг.

Этот метод не показывает уровень загрязнения природных сред, но позволяет провести сравнительный анализ техногенной нагрузки разных регионов и показать удельный вес различных загрязнителей в общей массе техногенного загрязнения.

2. По интенсивности развития эрозионных процессов (оврагообразование, поверхностный смыв почвенного покрова, оползневые процессы и другие) на площади изучаемого региона

I_EP = Уf_i / F = (f₁ + f₂ + f₃ +…+f_n ) / F , в % или долях единицы,

где F - общая площадь региона, км²; f₁ - площадь развития оврагов; f₂ - площадь интенсивного поверхностного смыва почвы; f₃ - площадь, подверженная оползневым процессам.

3. При оценке общей нагрузки по техногенному загрязнению речных потоков могут быть использованы следующие соотношения

I_p = Уm_i / W = (m₁ + m₂ + …+ m_n) / W, кг/м³/год;

I_p = Уm_i / Q = (m₁ + m₂ +…+ m_n) /Q, мг/дм³/год;

где I_р - общая техногенная нагрузка на речной поток; m₁, m₂ … m_n - количество разных загрязняющих веществ, попадающих в реку за единицу времени (кг м²); W - годовой сток реки, м³; Q - расход реки, м³/с.

Применяя группировку загрязняющих веществ по классам опасности, этим методом можно оценить также удельные вклады разных классов загрязнителей в суммарное загрязнение реки

ДI_р (l) = Уm_i (l) / Уm_i, в долях единицы

где ДIр (l) - удельный вклад загрязняющих веществ первого класса опасности; Уmi (l) - количество загрязнителей первого класса опасности, поступающее в реку; Уmi - общее количество загрязняющих веществ, поступающих в речной поток).

2. Оценка устойчивости ландшафтов к техногенной нагрузке

Ландшафт может быть определен как природный географический комплекс, в котором все основные компоненты: рельеф, климат, почвы, воды, растительность и животный мир - находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям развития единую неразрывную систему. Качественные и количественные различия этих компонентов создают разнообразие ландшафтов, обладающих различной устойчивостью к воздействию техногенеза.

В общем случае устойчивость системы - это свойство системы противостоять возмущающим факторам без деградации отдельных компонентов и возвращаться к состоянию равновесия после прекращения возмущающих воздействий. Физическим признаком устойчивости или неустойчивости форм равновесия служит поведение нагруженной системы при ее отклонении от положения равновесия на некоторую величину. Если система, отклоненная от положения равновесия, возвращается в первоначальное положение после устранения причины, вызвавшей отклонения, то равновесие устойчиво. Если отклонение не исчезает, а продолжает расти, то равновесие системы неустойчиво.

Применительно к сознательно сконструированным антропогенным системам «природа - общество», являющихся продуктом целенаправленной человеческой деятельности, термин «устойчивость» предполагает способность системы в целом и ее компонентов, испытывая внешние воздействия, сохранять свою структуру и хорошо выполнять свою социально-экономическую функцию. Это определение устойчивости предполагает, что имеет смысл говорить пока лишь об устойчивости к конкретным воздействиям, а не об устойчивости вообще, без детализации. В зависимости от характера воздействия одна и та же система может быть устойчива, менее устойчива или неустойчива.

Однако, антропогенная геосистема, выполняя свои социально-экономические функции, не обладает свойствами противоположного направления, т.е. свойствами полного «возврата». Геосистема, после некоторого уменьшения внешних нагрузок, может приобрести лишь новое состояние равновесия, но никогда полностью не возвратиться к прежнему состоянию. Основную роль в этом процессе играют сила и масштабы воздействия и время, необходимое для процессов естественной частичной регенерации.

Активность протекания процессов естественной регенерации в различных компонентах абиотических составляющих ландшафта (геосистемы), после прекращения внешних возмущений, авторы отчета предлагают характеризовать использованием коэффициента относительной скорости полной регенерации K_V, представляющего собой отношение продолжительности периода полной регенерации любого компонента геосистемы к аналогичному показателю наиболее динамичного компонента геосистемы - атмосферного воздуха

K_V, = Т_n / т_а

где Т_а - период полного самовосстановления атмосферного воздуха, год; Т_n - период полного самовосстановления любого компонента этой же геосистемы, год.

Результаты расчетов значений K_V показаны на графике (рисунок 1). Для геологической среды (ГС) и его компонентов формы устойчивости имеют сложную структуру. Зависимость устойчивости ГС от интенсивности воздействующего фактора определяет дифференцированное обоснование гранично допустимых уровней (ГДУ) техногенной нагрузки. Устойчивость систем в случае незначительной техногенной нагрузки обеспечена инертностью системы; в случае усиления влияния на нее - обновлением, а дальше - пластичностью системы. Если же ГДУ превышен, то система разрушается, т.е. переходит в качественно другое состояние.

Рисунок 1 - Продолжительность времени полной естественной регенерации абиотических компонентов геосистемы после снятия внешних воздействий: 1 - атмосферный воздух, 2 - поверхностные воды, 3 - грунтовые воды, 4 - подземные воды зоны активного вообмена, 5 - артезианские бассейны с затруднительным водообменом, 6 - почвы гумусированные, 7 - горные породы (кристаллические, осадочные)

Относительно употребления понятия устойчивости можно выделить три возможных случая, которые различаются по принципу конкретизации объекта [1]. В первом случае устойчивость системы трактуют лишь относительно уверенного вида влияния на эту систему: например, механическая устойчивость массива относительно механического воздействия чего-нибудь. Поскольку видов техногенного влияния достаточно много, то соответственно есть много видов устойчивости. Во втором случае допускают, что характерная устойчивость ГС является начальною и не зависит от внешнего влияния. Например, тип геологического строения территории, особенности взаимосвязи водоносных горизонтов, наличие водоупоров и термодинамических геохимических барьеров определяют устойчивость конкретного типа территории к химическому загрязнению. В третьем случае устойчивость геологической среды определяют на компонентной основе, т.е. выясняют подчиняются ли отдельные компоненты ГС техногенным изменениям.

ГДУ можно определить по разным критериям. Для отдельных видов влияния устойчивость объектов ГС к заданному техногенному влиянию зависит от критических значений этих влияний, злоупотребление которыми приводит к разрушению системы или перехода ее в новое состояние. Для количественной оценки устойчивости компонентов ГС к тому или другому влиянию можно использовать коэффициент устойчивости Ку, предложенный С.И. Пахомовым и А.М. Монюшко (1988). Значение Ку изменяется в пределах от 0 до 1.

В тех случаях, когда ухудшение эколого-геологического качества системы сопровождается уменьшением какого-либо показателя, Ку определяют как отношение значения признака, что сформировался вследствие действия заданного техногенного фактора к его начальному значению

Ку = N_t / N_o,

где N_t - показатель какого-нибудь признака грунта или другого компонента ГС, который ощутил техногенное влияние; N_o - тот же показатель до влияния.

В тех случаях, когда уменьшение качества системы характеризуется увеличением какого-нибудь показателя (например, значение набухания, загрязнение и т.д.) коэффициент устойчивости вычисляют как отношение начального значения к конечному Ку = N_o / N_t .

Относительно этого коэффициента можно разработать шкалу устойчивости элемента к заданному техногенному влиянию. Пример такой пятиступенчатой градации приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Категории устойчивости геологической среды к техногенному влиянию [2]

Тенденция изменений устойчивости природных сред под влиянием техногенных (в основном, механических) воздействий приведена на рисунке 2. Однако, авторы указанной классификации устойчивости ГС отмечают, что предлагаемая шкала вряд ли может быть универсальной для всех видов техногенных воздействий.

Рисунок 2 - Кривая тенденций изменений устойчивости природных сред к техногенному воздействию: 1 - по степени ухудшения параметра системы; 2 - по степени развития эрозионных процессов

Прогнозирование развития процессов и явлений с количественной оценкой проявления, изменяющейся всегда в каких-то пределах, может выражаться в определении площадей и границ распространения проявления процесса или явления и т.д.