Интегральная оценка устойчивости районов Ладожского озера к изменению параметров естественного и антропогенного режимов

УДК [502.131.1:574.5]

Е. А. Примак

интегральная оценка устойчивости районов ладожского озера к изменению параметров естественного и антропогенного режимов

В настоящее время в изучении экологических систем выделяют единичные, косвенные, комплексные, многокритериальные и интегральные оценки. Единичные и косвенные оценки являются традиционными в практике оценки экологического состояния и качества природной среды [1-3].

Единичные оценки (прямые и косвенные) представляют собой оценки по отдельным исходным характеристикам путем сопоставления с некоторыми уровнями и нормами. Как правило, это покомпонентные (попарные оценки), определяющие положительную или отрицательную значимость объекта или его свойств. Косвенные оценки сводятся к установлению значимости объекта по показателям, отражающим функциональные и корреляционные взаимосвязи между оцениваемыми свойствами. Косвенные оценки отражают достоинства и недостатки объекта не непосредственно (напрямую), а через сопряженные показатели. При исследовании водных объектов таковыми являются — степень метаморфи-зации органического вещества, степень лабильности (стойкости) органического вещества к окислению, установление сапробности по индикаторным организмам и др.

Появление комплексных оценок определено необходимостью иметь четкое представление о характере и степени воздействия на природные объект в связи с усилением антропогенной нагрузки. Комплексные оценки являются наиболее перспективными, но наименее разработанными и унифицированными.

Многокритериальная оценка предполагает необходимость проведения процедуры свертывания информации, что позволяет преодолеть «проклятие размерности». Как правило, свертывание информации, представляет собой целенаправленный процесс, базирующийся на четко сформулированных принципах выбора или конструирования наиболее информативных переменных — индексов состояния (воздействия). Введенный в географо-экологическую литературу термин «многокритериальная оценка» отражает методологическую основу оценки состояния и воздействия на природные экосистемы, с помощью построения сводных показателей по совокупности небольшого числа репрезентативных критериев оценивания.

Однако, зачастую многокритериальность порождает проблему несравнимости полученных критериальных оценок. Например, по одному индексу качество воды относится к II классу, а по другому — к III классу качества.

Интегральная оценка предполагает наличие этапа, связанного с объединением в одно целое ранее разнородных (многокритериальных) оценок с учетом их вклада в общую оценку. Интегральная оценка может основываться на результате многоуровневых сверток информации о состоянии системы. В интегральных оценках значимость отдельных

© Е. А. Примак, 2009

критериев традиционно оценивается при помощи сравнительных суждений типа «данный критерий более важен для общей оценки, чем другой критерий» или «данные критерии имеют одинаковую значимость для интегральной оценки». В других случаях исследователь задает интервалы возможного варьирования весовых коэффициентов.

Под устойчивостью системы к воздействию нами понимается способность системы сохранять постоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений; под чувствительностью — способность экосистемы реагировать на незначительные по величине воздействия.

Впервые научный интерес к оценке устойчивости и изменчивости природных экосистем, их стабильности и чувствительности к внешним воздействиям сформировался в период с конца 1960-х — начала 1970-х годов. С одной стороны, это объясняется успехами, достигнутыми классической экологией и бурным развитием математических методов в экологии, с другой — необходимостью получения количественных оценок нагрузок на экосистемы, превышение которых приведет к «экологической катастрофе», т. е. к разрушению экосистемы. С решением этой проблемы неразрывно связана и проблема экологического нормирования, основным содержанием которой является поиск «нормы состояния природной экосистемы», «нормы воздействия на нее» и ответной реакции экосистемы на внешнее воздействие [4].

По-видимому, первый опыт балльно-индексной оценки устойчивости наземных геосистем и водных объектов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов был опубликован ВНИИ Природы (Москва) в сборнике «Оценка состояния и устойчивости экосистем» [5]. Оценка устойчивости водоемов к изменению параметров режимов долгое время разрабатывалась на основе балльно-индексного метода, в основу которого были положены различные классификации [3-6].

Эти способы оценки устойчивости водных объектов являются первым, рекогносцировочным этапом, необходимым для построения оценочных шкал, но зачастую недостаточным для объективной оценки устойчивости изучаемого водного объекта. Лишь в начале 2000-х годов появились новые идеи, основанные на многокритериальных оценках устойчивости и на основе построения интегральных показателей устойчивости [3].

Чаще всего в экологической литературе термин устойчивость используется в следующих значениях: инертность системы — способность экосистемы сохранять при внешнем воздействии исходное состояние в течение некоторого времени; пластичность системы — способность экосистемы переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи; восстанавливаемость системы — способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия. Первые два понятия трактуются как адаптационная устойчивость, третье — как регенерационная. Адаптационная устойчивость преимущественно используется для водных экосистем циклического типа (озера, слабопроточные водоемы, пруды), а регенерационная — для экосистем транзитного типа (реки, сильно проточные водоемы).

Можно добавить, что абиотические и биотические составляющие экосистемы по механизмам устойчивости также различаются между собой. Устойчивость первых достигается физико-механическими и химическими процессами переноса, разбавления, сорбции, миграции вещества; устойчивость вторых обусловлена способностью адаптации организмов к воздействию, как в результате внутренней резистентности биохимической

организации, так и за счет способности к биохимическому разложению токсичных соединений и изменению удельных скоростей обменных процессов в экосистеме под влиянием воздействия.

Для условно-равновесных природных систем, в том числе и экологических, справедлив принцип Ле-Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Следствием из этого принципа является положение, при котором при прочих неизменных условиях более продуктивная экосистема будет более устойчива к эвтрофированию, а более сапробная (токсобная) экосистема с низким качеством воды будет более устойчива к снижению качества воды. Поэтому устойчивая экосистема не должна ассоциироваться с экологически благополучной, необходим анализ факторов, определяющих причину ее высокой устойчивости.

Оценка устойчивости выполняется на основе метода сводных показателей [7], который дает возможность на основе существующих классификаций и типизаций разработать модели интегральной оценки устойчивости, чувствительности и экологического благополучия для достаточно большого и разнообразного перечня критериев. Устойчивость водных объектов к изменению параметров естественного режима определяется морфометрическими особенностями водного объекта, физико-географическими и климатическими условиями, гидрологическим режимом. Анализ изменения параметров антропогенного режима способствует выявлению устойчивости к антропогенному эвтрофированию или устойчивости к изменению качества воды.

В работе оценивалась устойчивость к изменению параметров естественного и антропогенного режимов на примере водной экосистемы Ладожского озера. Оценки устойчивости Ладожского озера рассматриваются по районам (рис. 1), выделенные Институтом озероведения РАН (Санкт-Петербург) [8], с учетом дополнительно выделенных Институтом географии РАН северного деклинального и северного прибрежного районов, так как

СПб — северный прибрежный СД — северный деклинальный УП — ультрапрофундальный Пф — профундальный ЮД — южный деклинальный ЮПб — южный прибрежный

Рис. 1. Районирование Ладожского озера для интегральной оценки устойчивости

в их пределах гидрологические условия существенно отличаются от южных деклинального и прибрежного районов [9].

В табл. 1 представлены основные характеристики выделенных районов Ладожского

озера.

Таблица 1

Характеристики выделенных районов Ладожского озера [8, 9]

Районы озера Площадь, км2 Объем, км3 Глубина максимальная, м Температура воды за безледный период, °С

Южный прибрежный (ЮП) 3300 27 15 15

Южный деклинальный (ЮД) 4770 142 52 10

Профундальный (Пф) 5800 382 89 5

Ультрапрофундальный (Уп) 3000 338 230 5

Северный прибрежный (СП) 370 3 88 9

Северный деклинальный (СД) 530 16 118 7

Озеро в целом 17800 908 230 9

В табл. 2-4 представлены исходные классификации для оценки устойчивости водоемов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов.

Таблица 2

Исходная классификация для оценки устойчивости водоемов к изменению параметров естественного режима

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

Площадь поверхности Б, км2 20000-15000 15000-10000 10000-5000 5000-1000 1000-10

Объем V, км3 400-300 300-200 200-100 100-10 10-0,2

Максимальная глубина Атах, м 200-150 150-100 100-50 50-10 10-1

Температура воды за период открытой воды 1, °С 23-20 20-18 18-15 15-10 10-8

Таблица 3

исходная классификация для оценки устойчивости водоемов к изменению параметров качества воды

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

Взвешенные вещества, мг/л > 50 50-20 20-10 10-3 3-0

Аммонийный азот №ЫН4, мг/дм3 > 1 1-0,4 0,4-0,2 0,2-0,05 0,05-0

Цветность, °Р^Со > 160 160-120 120-80 80-40 < 40

Биохимическое потребление кислорода БПК5, мг О2/дм3 > 4 4-3 3-2 2-1 1-0,5

Исходная классификация для оценки устойчивости водоемов озера к изменению трофического состояния

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

Прозрачность Hsd, м > 7 7-5 5-2 2-0,5 0,5-0,1

Концентрация Cl «а», мг/м3 < 8 8-15 15-30 30-60 > 60

Затем были введены левые и правые границы для всех исходных характеристик, хотя стоит заметить, что данная процедура не является строго обязательной. Критерии, приведенные в табл. 2 — 4 можно разделить на два типа. К первому типу отнесены характеристики, увеличение значений которых приводит к снижению устойчивости водоема. Ко второму типу отнесены критерии, увеличение значений которых свидетельствует об увеличении устойчивости водного объекта.

Далее была проведена процедура нормирования исходных значений с помощью нормирующих функций (1) и (2), при этом максимальной устойчивости по каждому оценочному критерию соответствовало значение равное 1, а минимальной устойчивости — 0 (можно наоборот). Такое преобразование выполнялось следующим образом. Для критериев первого типа вводится правило перевода в виде:

q , = q,(xi) = <

1,

mах,. — X,. max — min 0,

при xt < min, при min, < xt < max, при xt > max,.

Для критериев второго типа вводится правило перевода в виде:

q і = q,(xi) = <

max — min

при x < min при min, < xt < max, при xt > max,.

В (1) и (2): q — нормированное значение параметра; х, — текущее значение критерия; max,- (min,) — максимальное (минимальное) значение критерия. Параметр X на данном этапе построения интегральных показателей принимался равным 1. Диапазон изменения q i всегда находится в пределах от 0 до 1. Таким образом, исходные параметры в различных шкалах измерения (абсолютные и средние величины в конкретных единицах измерения, относительные или бальные оценки и т. п.) приводятся к единой безразмерной шкале, после

чего над их значениями можно производить математические действия с целью получения интегрального показателя.

Для оцениваемых водоемов были выбраны минимальные (min) и максимальные (max) значения параметров. Для этого использовались минимальное и максимальное значения из каждой шкалы исходных характеристик.

Б табл. 5-7 представлены нормированные значения критериев оценивания устойчивости водоемов.

Таблица 5

Нормированные значения критериев оценивания устойчивости водоемов изменению параметров естественного режима

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

S 1-0,750 0,750-0,500 0,500-0,250 0,250-0,050 0,050-0

V 1-0,750 0,750-0,500 0,500-0,250 0,250-0,025 0,025-0

h "max 1-0,749 0,749-0,497 0,497-0,246 0,246-0,045 0,045-0

t 1-0,800 0,769-0,615 0,667-0,467 0,467-0,133 0,133-0

Q1 1-0,762 0,762-0,541 0,541-0,303 0,303-0,63 0,063-0

Таблица 6

Нормированные значения критериев оценивания устойчивости водоемов к изменению параметров качества воды

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

Взвешенные вещества 1-0,714 0,714-0,286 0,286-0,143 0,143-0,043 0,043-0

n-nh4 1-0,500 0,500-0,200 0,200-0,100 0,100-0,025 0,025-0

Цветность 1-0,789 0,789-0,579 0,579-0,368 0,368-0,158 0,158-0

бпк5 1-0,778 0,778-0,556 0,556-0,333 0,333-0,111 0,111-0

Q2 1-0,695 0,695-0,405 0,405-0,236 0,236-0,084 0,084-0

Таблица 7

Нормированные значения критериев оценивания устойчивости водоемов к изменению трофического состояния

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

Hsd 1-0,960 0,960-0,808 0,808-0,505 0,505-0,303 0,303-0

Cl «а» 1-0,792 0,792-0,375 0,375-0,167 0,167-0,069 0,069-0

Q3 1-0,876 0,876-0,592 0,592-0,336 0,336-0,186 0,186-0

На следующем этапе был выбран вид интегрального показателя Q ^, р). Комплексный показатель строился таким образом, что зависел не только от показателей q,, но и от их значимости, определяемой весовыми коэффициентами р,, сумма которых должна равняться 1 (0 < рі < 1). В качестве выражения для интегрального показателя использовалась линейная свертка показателей вида:

п

Оі = Е qiр*і = 1 ...,n,

т І = 1

где п — число критериев оценивания; qi— нормированное значение параметров; рі — вес параметра.

Далее были введены оценки весовых коэффициентов р. Как правило, уже само составление программы оценочных исследований является первичным «взвешиванием» параметров, компонентов и их свойств. Однако такое взвешивание оказывается недостаточным, так как влияние отобранных главных факторов также неравнозначно, что вызывает необходимость придавать при оценке различным параметрам (свойствам, компонентам) разные приоритеты, веса или коэффициенты значимости. нередко при этом вес вводится без какого-либо четкого обоснования. Чаще всего применяются следующие способы учета «веса» отдельных критериев экологического состояния и качества природной среды: вес каждого из отобранных параметров принимается равным; вес наиболее важных параметров увеличивается или вес второстепенных показателей уменьшается в условное число раз; вес определяется с помощью мнений экспертов; весомость каждого критерия определяется с помощью дополнительных расчетов. В самом простом случае, при равенстве весов исходных параметров, вес определяется простой формулой

Рі = l^n,

где п — число критериев оценивания.

В табл. 5-7 также представлены значения интегральных индексов первого уровня свертки информации. Далее таким же образом были рассчитаны интегральные показатели второго уровня свертки информации (табл. 8). Для них исходными значениями являлись результаты первого уровня свертки. Свертка информации выполнена в предположении равенства приоритетов оценивания между уровнями.

Таблица 8

Устойчивость к изменению параметров естественного и антропогенного режимов

Признаки Класс устойчивости

I макс. уст. II уст. выше средней III средне уст. IV уст. ниже средней V мин. уст.

а 1-0,762 0,762-0,541 0,541-0,303 0,303-0,063 0,063-0

02 1-0,695 0,695-0,405 0,405-0,236 0,236-0,084 0,084-0

бэ 1-0,876 0,876-0,592 0,592-0,336 0,336-0,186 0,186-0

Ообщ 1-0,778 0,778-0,513 0,513-0,292 0,292-0,111 0,111-0

Д0 между классами 0,222 0,265 0,221 0,180 0,111

для оценки устойчивости районов Ладожского озера к изменению параметров естественного и антропогенного режимов были использованы данные мониторинга 1999 г.

результаты рассчитанных значений сводных показателей второго уровня сверки и классы устойчивости района Ладожского озера к изменению параметров естественного и антропогенного режимов, рассмотренных через снижение качества воды и изменение трофического состояния, представлены в табл. 9.

Таблица 9

значения сводного показателя и классы устойчивости к изменению параметров естественного и антропогенного режимов

район озера а класс 02 класс 03 класс 0общ. класс

ЮПб 0,192 IV 0,119 IV 0,532 III 0,821 IV

юд 0,246 IV 0,114 IV 0,432 III 0,264 IV

Пф 0,422 III 0,082 V 0,317 IV 0,274 IV

УП 0,499 III 0,064 V 0,266 IV 0,276 IV

СПб 0,132 IV 0,065 V 0,337 III 0,178 IV

сд 0,163 IV 0,092 IV 0,303 IV 0,186 IV

в целом 0,738 II 0,089 IV 0,364 III 0,397 III

заключение. По величине сводного показателя ни один район, ни озеро в целом не обладает максимальной устойчивостью к изменению параметров естественного и антропогенного режимов.

Анализ полученных результатов, а также графическое отображение этих данных (рис. 2) показали, что самым уязвимым к изменению параметров естественного

1,000

0,800

0,600

0,400

0,200

0,000

1.000

0,778

0,513

0,292

£

А4 С"

------- I класс

------II класс

- -  III класс

— - - IV класс

— - - V класс

111

/

Рис. 2. динамика изменения интегральных показателей устойчивости районов Ладожского озера к изменению параметров естественного и антропогенного режимов

и антропогенного режимов из рассмотренных районов оказался северный прибрежный район Ладожского озера, Q = 0,178.

Самым устойчивым является южный прибрежный район озера, Q = 0,281. Данный район достаточно хорошо освоен человеком, сказывается близость населенных пунктов, сельского хозяйства.

В целом, в соответствии с разработанными классификациями Ладожское озеро оценивается, как «средне устойчивое» (III класс) к изменению параметров режимов.

Литература

1. Комплексные оценки качества поверхностных вод / под ред. А. М. Никонорова. Л., 1984. 139 с.

2. Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения: в 2 кн. М., 2005. Кн. 1. 281 с.

3. Дмитриев В. В., Фрумин Г. Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем: учебное пособие. СПб., 2004. 294 с.

4. Дмитриев В. В. Эколого-географическая оценка состояния внутренних водоемов: дис. ... д-ра геогр. наук. СПб., 2000. 419 с.

5. Снакин В. В., Мельченко В. Е., Бутовский Р. О. и др. Оценка состояния и устойчивости геосистем. М., 1992. 127 с.

6. Владимиров А. М., Ляхин Ю. И., Матвеев Л. Т., Орлов В. Г. Охрана окружающей среды. Л., 1991. 423 с.

7. Хованов Н. В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците. СПб., 1996.

8. Ладожское озеро — критерии состояния экосистемы. СПб., 1992. 328 с.

9. Рязанова Н. Е. Оценка состояния геосистемы Ладожского озера // Проблемы региональной экологии. 2000. № 3. С. 32-42.