Возможности управления водосборами малых рек с помощью ГИС-технологий на примере различных стран

ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОСБОРАМИ МАЛЫХ РЕК С ПОМОЩЬЮ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРИМЕРЕ РАЗЛИЧНЫХ СТРАН

Михаил Романов1, Франтишек Свитала2

1Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»,

, г. Санкт-Петербург, Россия, 195251

2Католический университет Люблина имени Иоанна Павла II,

ul. Konstantynów 1 H; 20-708 Lublin

ABSTRACT

The new approach for ecological normation of the main kinds of anthropogenic load is presented in the paper. This approach has been realized as an expert-modeling geoinformation system (EM GIS). The elaborated EM GIS is capable: a) implementing express-evaluation of ecological conditions of minor-river watersheds; b) determining causes for unsatisfactory ecological conditions of territories; c) substantiating environmental measures required for improving ecological situation; d) adjusting certain parameters of man-caused units designed and spatially controlling economic activity. Moreover, the results of the determination of the ecological situation of a number of watersheds of small rivers of Russia and Poland, as well as recommendations for further development of the investigated territories is presented in the paper.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Водосбор малой реки, нормирование антропогенной нагрузки, термодинамический подход, эксергия, экспертно-моделирующая геоинформационная система.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения качества воды является разноплановой и не исчерпывается вопросами водоочистки и водоподготовки [4, 6]. Если мы забираем для питьевого водоснабжения изначально сильно загрязненную воду, то очистить ее до требуемых нормативов становится все сложнее и дороже. Каким же образом мы можем обеспечить качество воды в реках и водоемах?

Для решения этого вопроса необходим комплексный подход, включающий [2, 3, 7, 11, 12]:

- развитие сети мониторинга;

- строгий контроль за соблюдением режима природопользования в водоохранных и санитарных зонах;

- модернизацию очистных сооружений и пр.

Важным моментом здесь является и проблема управления водосборами рек в целом, так как хозяйственная деятельность на прилегающей территории оказывает значительное влияние на качество воды в реке [1, 3, 8, 10].

Таким образом, в качестве объектов исследований выбраны водосборы малых рек. В отличие от более крупных водотоков, малая река очень тесно связана с окружающим ландшафтом. Каждое изменение в ландшафте сразу же отражается на ее режиме. Сведение леса и распашка почвы даже на 20 % площади водосбора (для условий средней тайги) могут заметно повлиять на водный и химический режим малой реки [3, 9].

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Для эффективного управления природно-хозяйственными системами на водосборах малых рек и обеспечения устойчивого развития территорий авторами предлагается методика экологического нормирования антропогенной нагрузки [6, 7].

В большинстве случаев наиболее существенными на территории водосборов рек являются следующие виды нагрузки: а) химическая; б) тепловая; в) стациально-деструктивная.

При строительстве любого инженерного объекта, в первую очередь происходит отчуждение и преобразование земель, занимаемых естественными экосистемами и, как следствие, изменение разнообразия биотопов на водосборе. В отдельных случаях, при превышении допустимого уровня техногенной насыщенности территории, это может привести к нарушению устойчивости экосистемы бассейна малой реки. Поэтому сохранение разнообразия естественных экосистем может выступать в качестве приоритетной экологической цели (особенно для объектов, обладающих большой землеемкостью: гидроэлектростанции, ветровые и солнечные энергетические установки и др.).

Для нормирования стациально-деструктивной нагрузки предложены два критерия рационального землепользования. Первый - критерий не уменьшения общего разнообразия экосистем бассейна малой реки:

, (1)

где Н - показатель общего разнообразия экосистем водосбора, определяемый по формуле:

, (2)

где - мера разнообразия экосистем i-го типа в пределах исследуемого водосбора; Si - площадь экосистем i-го типа; S - общая площадь водосбора.

Однако этот критерий не является достаточным, т. к. допускает возможность полного уничтожения естественных экосистем при развитии техногенной инфраструктуры.

Следовательно, необходим второй критерий, позволяющий нормировать величину компоненты разнообразия антропогенно-модифицированных экосистем:

, (3)

где - компонента разнообразия естественных экосистем; - компонента разнообразия антропогенно-модифицированных экосистем ( + = ); - показатель допустимого соотношения компонент разнообразия естественных и антропогенно-модифицированных экосистем на исследуемом водосборе.

С помощью данного критерия можно нормировать насыщенность бассейна малой реки техногенными объектами.

Как было отмечено ранее, помимо стациально-деструктивного загрязнения, другими наиболее распространенными видами антропогенного воздействия на окружающую среду являются химическое и тепловое загрязнения. Их воздействие на природные экосистемы проявляется комплексно, однако методы оценки их совместного воздействия практически не разработаны.

Для решения данной задачи авторами был предложен новый метод, основанный на понятии «эксергия». Согласно современной трактовке, эксергией термодинамической системы называется максимальная работа, которую система производит при обратимом переходе из своего начального состояния в состояние полного равновесия с окружающей средой [5, 13, 15].

С точки зрения термодинамики, экосистемы (и природно-технические системы) характеризуются как открытые, самоорганизующиеся системы, а основные виды антропогенных воздействий (химическое и тепловое загрязнения) можно привести к единым энергетическим единицам [6, 13, 14, 15].

Снижая до минимума выбросы эксергии в виде загрязняющих веществ и отходов, мы тем самым снижаем и воздействие на окружающую среду.

Общая эксергия представляет собой сочетание химической и физической составляющих:

е = еPh + ech (4)

В результате расчетов, проведенных для водосборов разных стран (Россия, Польша) доказано, химическая эксергия может характеризовать влияние на экосистему различных загрязняющих веществ, а физическая – влияние рассеянной тепловой энергии.

Приближенно величина физической эксергии для любого вида ископаемого топлива может быть определена по формуле:

еPh = mf * Qf , (5)

где mf – масса потребляемого вида энергоресурсов (т. у.т.); Qf – теплоемкость данного вида топлива (кДж/т. у.т.).

Говоря о химической эксергии все вещества следует подразделять на: так называемые «чистые» соединения, которые присутствуют в окружающей среде (например, углерод, кислород, азот и др.); и на вещества, которые не существуют в начальный момент времени в окружающей среде.

Для первых из них химическая эксергия определяется по формуле:

(6)

где n – количество молей вещества; R – универсальная газовая постоянная; Pi и PiO – парциальные давления газов в выбросе и среде, соответственно.

Что же касается веществ, не существующих в начальный момент времени в окружающей среде, то они должны пройти ряд реакций для того чтобы достичь равновесия с окружающей средой и, в этом случае, химическая эксергия определяется по формуле:

(7)

где - мольная доля j-ого элемента; - стандартная химическая эксергия j-го элемента, входящего в состав вещества i; - стандартная свободная энергия образования вещества i (энергия Гиббса).

Таким образом, критерий нормирования совместного действия химического и теплового загрязнения имеет следующий вид:

, (8)

где - показатель относительной опасности i-го вещества для ОС; ech. i-величина химической эксергии i-го вещества (Дж/моль); ech.0 - величина химической эксергии некоторого условного вещества (для неорганических соединений, например, сернистого ангидрида (SO2)); ni-количество i-го вещества (моль); f - поправочный коэффициент, учитывающий различную скорость самоочищения в разных физико-географических зонах; - площадь водосбора малой реки (км2); k*max - максимально допустимая химическая нагрузка (Дж/км2*год).

Для предварительной оценки предельно допустимой нагрузки на начальном этапе проектирования (т. е. для определения показателей и k*max) было предложено использовать запас древостоев, который интегрально отражает влияние внешних воздействий. В качестве тест-объектов выступают популяции основных лесообразующих пород. Для Ленинградской области (Россия) такой породой является сосна.

Установлено, что допустимым является снижение запаса сосновых древостоев не более чем на 15 - 20 % [6, 7]. Анализируя осредненные таксационные показатели древостоев исследуемого и контрольного водосборов и сравнивая полученную разницу с предельно допустимыми величинами, можно определить экологическое состояние экосистемы водосбора малой реки, установить квоты на природопользование.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Практическая реализация разработанной методики осуществлена с помощью геоинформационных технологий. Наиболее существенным блоком структурной схемы экспертно-моделирующей геоинформационной системы (ЭМ ГИС) является блок проблемно-ориентированных моделей. В разработанную ЭМ ГИС включены следующие модели:

· программа автоматизированного выделения водосборов;

· программа расчета стациально-деструктивной нагрузки на водосборах;

· программа расчета химической нагрузки на водосборах;

· программа расчета тепловой нагрузки на водосборах;

· программа расчета общей (суммарной) эксергии;

· программа для расчета осредненного запаса сосновых древостоев на водосборе.

Интерфейс ЭМ ГИС был разработан в среде геоинформационной системы ArcView GIS 3.2a (в настоящее время применяется более новая версия ArcView GIS 9.3) с использованием внутреннего языка программирования Avenue.

Инструментальная панель (рис. 1) состоит как из базовых функций ArcView (левая часть), так и из специально разработанных инструментов ЭМ ГИС (правая часть).

Рис. 1. Инструментальная панель ЭМ ГИС.

В результате расчетов, проведенных с помощью разработанной ЭМ ГИС, водосбор может быть отнесен к одной из трех категорий:

1) если < и e < k*max, то водосбор является условно ненарушенным;

2) если ≈ или e ≈ k*max или обе этих величины близки к предельно-допустимым значениям, то экологическое состояние водосбора является критическим;

3) если ≥ или e ≥ k*max или обе этих величины превышают предельно-допустимые значения, то водосбор является нагруженным.

В зависимости от того, к какой категории относится водосбор, могут быть даны различные рекомендации по его дальнейшему развитию.

В качестве объектов исследования были выбраны 4 водосбора малых рек Ленинградской области (Россия). Эти реки Лустовка, Ушачка, Саблинка и Винокурка. Для их водосборов были рассчитаны [6, 7]: соотношение компонент разнообразия антропогенно-модифицированных и естественных экосистем (характеризующее стациально-деструктивную нагрузку); химическая, физическая и суммарная эксергия (характеризующая совместное влияние химического и теплового загрязнения), а также осредненный по водосбору запас сосновых древостоев (для соответствующих типов леса и классов возраста).

Предельно-допустимые показатели соотношения компонент разнообразия антропогенно-модифицированных и естественных экосистем, а также суммарной эксергии были определены на основании наших предыдущих исследований. Для зоны средней и южной тайги (в которой расположена Ленинградская область) эти показатели равны: = 0,65 и k*max = 1,09*109 кДж/км2*год.

Очевидно, что текущие значения и e для рассматриваемых водосборов не превышают предельно-допустимых. Следовательно, все рассмотренные водосборы относятся к категории условно ненарушенных, а ПТС на данных водосборах являются устойчиво функционирующими, что отражено в ЭМ ГИС (рис. 2). Масштабы увеличения нагрузки следует определять в соответствии с формулами 3 и 8.

Рис. 2. Результаты оценки экологического состояние 4-х водосборов малых рек Тосненского района Ленинградской области (Россия).

В принципе использование данной ЭМ ГИС возможно для управления любыми водосборами малых рек, находящимися в разных природно-климатических условиях. Это подтверждается расчетами, проведенными для водосбора р. Санна (Польша). Определено, что основным фактором, влияющим на устойчивость экосистемы водосбора, является стациально-деструктивная нагрузка, которая связана со значительным сельскохозяйственным использованием территории.

Экспликация земель на водосборе р. Санна (рис. 3) показывает, что 66,9% его территории - сельскохозяйственные угодья, а 1,3% общей площади водосбора занимают луга и пастбища вдоль реки. Несомненно, что наиболее важной естественной экосистемой, выполняющей многие функции, в том числе и регулирующей водный режим, является экосистема леса. Однако, на территории водосбора р. Санна, доля леса относительно невелика и составляет около 25,2%.

Рис. 3. Экспликация земель на водосборе р. Санна (Польша).

Проведенные расчеты показали, что на 2013 г. соотношение компонент разнообразия на водосборе р. Санна составляло ≈ 1,07 и превышало предельно-допустимую величину, которая по экспертным оценкам для территории южной части Польши равна 0,8 – 0,85. Это позволяет нам сделать вывод о том, что территория водосбора подвергается чрезмерным антропогенным воздействиям и естественные механизмы поддержания устойчивости не способны компенсировать эту нагрузку.

Улучшения экологического состояния водосбора р. Санна можно достигнуть путем увеличения доли площадей, занимаемых естественными экосистемами и, в первую очередь, лесом. Этому способствуют директивы Евросоюза, которые предусматривают финансирование мероприятий по увеличению площади лесных насаждений в странах новых членах ЕС (в том числе и в Польше).

В прогнозной модели (рис. 4) было принято предположение об ежегодном увеличении доли лесных насаждений на водосборе р. Санна на величину 1,25% (от общей площади водосбора) в течение 5 лет. В итоге общее увеличение площади леса составит 6,25%, а доля лесных насаждений на водосборе достигнет 31,45%.

Рис. 4. Результаты оценки стациально-деструктивной нагрузки на водосборе р. Санна (Польша).

Как следует из полученных результатов моделирования, соотношение компонент разнообразия уменьшается и к 2017 г. выходит на критическую величину kmax = 0,81. Это, со временем, приведет к улучшению экологической ситуации на водосборе р. Санна в целом.

Таким образом, разработанная ЭМ ГИС позволяет на стадии проектирования различных техногенных объектов:

- производить экспресс-оценку экологического состояния водосборов малых рек;

- определять причины неудовлетворительного экологического состояния территорий;

- обосновывать природоохранные мероприятия, необходимые для улучшения экологической ситуации;

- корректировать некоторые параметры проектируемых техногенных объектов (например, предельно-допустимую площадь, мощность и пр.) и, таким образом, пространственно регулировать хозяйственную деятельность.

ВЫВОДЫ

По мнению авторов, было бы интересным и даже целесообразным апробировать предложенную методику экологического нормирования антропогенной нагрузки и для территории других стран. Безусловно, что важнейшими вопросами в этом случае будут:

а) выбор тест-объектов (индикаторов) для определения предельно допустимых значений стациально-деструктивной, химической и тепловой нагрузки;

б) получение информации о выбросах и сбросах загрязняющих веществ и крупномасштабных электронных карт.

ЛИТЕРАТУРА

1. , , Чусов нормирования антропогенного воздействия на основе геоинформационной моделирующей системы // Журнал «Строительство уникальных зданий и сооружений», № 3(18), 2014 г., стр. 25-37.

2. , , Волкова -энергетические принципы управления энерговодохозяйственными системами // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 11 (151), 2014, стр. 131-138.

3. , , Щеголькова и самоочищение малых рек: процессы, мониторинг, охрана // Материалы лекций II-й Всероссийской школы-конференции «Экосистемы малых рек: биоразнообразие, экология, охрана», 18 – 22 ноября 2014 г, г. Борок, Том I, стр. 23-41.

4. «На старых приемах можно продержаться не более пяти лет» // Журнал «Вода Magazine», № 3(7), март 2008 г., М., стр. 20-27.

5. овременная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. – М.: Мир, 2002 г., 461 стр.

6. Романов подход для обеспечения устойчивого развития природно-хозяйственных систем (Монография). СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003г., 119 с.

7. Романов водосборами малых рек с помощью ГИС-технологий // Журнал «Вода Magazine», № 3(7), март 2008 г., М., стр. 42-45.

8. Романов использование водосбора река Санна и обеспечение экологического равновесия // Труды СПбГТУ. № 000. Строительство. СПб., 2007 г., стр. 322-327.

9. , Булатов реки: современное состояние и экологические проблемы // Аналит. обзор / ГПНТБ СО РАН - Новосибирск, 2002, 114 с.

10. , , Ватин очистки воды из р. Вуокса в летний период // Инженерно-строительный журнал, № 2, 2010, стр. 23-26.

11. , Яковлев безопасностью природно-технических систем. Учебное пособие. – СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2011 г., 227 стр.

12. Fedorov, M. P., Bogolyubov, A. G., Maslikov, V. I. Ecological safety of electric power plants with renewable energy sources. Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo. Issue 6, June 1995, pp. 32-36.

13. Jorgensen S. E., Nielsen S. N. Thermodynamic orientors: Exergy as a goal function in ecological modeling and as an ecological indicator for the description of ecosystem development // In: Muller F., Leupelt M. (Eds.) «Eco Targets, Goal Functions, and Orientors», Springer, Berlin, 1998, pp. 63–86.

14. Rosen M. A., Dincer I. Exergy analysis of waste emissions // Int. J. of Energy Research, vol. 23, 1999, pp. 1153–1163.

15. Wall G., Gong M. «On Exergy and Sustainable Development, Part I: Conditions and Concepts» // In Exergy, an International Journal, Vol. 1, No. 3, 2001, pp. 128-145.