ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ 1 страница

5.1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В ПОЙМАХ РЕК

Поймы рек – особый природный объект. Это - «часть дна речной долины, затопляемая в период высокой водности; формируется в результате отложений переносимых потоком наносов в ходе деформации речного русла» [1]. Они образуются под влиянием водного режима весенних половодий, который формирует литогенную основу пойм, рельеф, биотические компоненты и определяет режим природопользования. В связи с тем, что поймы находятся на границе двух сред – водной и поверхности земли их биотические компоненты отличаются разнообразием, а продуктивность в условиях таежной природной зоны в 7-9 раз выше, чем на соседних водораздельных (плакорных) территориях.

Поймы рек являются активной частью биосферных процессов. Половодье тесно связано с бассейном реки, так как именно на его поверхности воды в течение полугода в зимнее время накапливаются в снеге, и затем весной в форме поверхностного и грунтового стока поступают в русло реки. Вместе с ними привносится масса взвешенных и растворенных веществ, формируя гидрохимические свойства вод. Таким образом, гидрологический режим поймы регулируется не только стоком реки, ее половодьем, но и воздействием климатических факторов того региона, где расположен бассейн реки и территорией самого бассейна.

Благодаря ежегодному затоплению поймы часть взвешенных веществ поступает на поверхность пойм рек, где осаждается в форме наилка и стимулирует развитие растительности. Большая часть стока рек проходит весной в условиях затопления поймы поэтому, они вместе с руслом рек активно участвуют в активной геохимической связи суши с Мировым океаном [2].

Поймы рек активно осваиваются человеком. На территории пойм появляются новые техногенных объекты, не созданных природой и естественные природные системы частично дополняются антропогенными, Этот процесс приводит к уменьшению числа естественных компонентов природных систем, изменению структуры систем и их свойств.

К основным видам антропогенной деятельности, которые коренным образом изменяют водный режим в поймах рек, следует отнести сооружение крупных водохранилищ. За плотиной в нижнем бьефе создается зона, где уменьшается затопление поймы из-за отъема части стока реки на заполнение водохранилища. Проведение сельскохозяйственной и рыбной мелиораций, добыча нефти и сопутствующая ей обвалование и отчуждение территории, сооружение мостов, линий электропередач, трубопроводов имеют локальное влияние. Рыболовство, выпас скота, сенокошение, охота, рекреация, заповедование территории, как правило, распространены по всей территории пойм.

Особенности организации природопользования в поймах рек заключается в том, что деятельность человека зависит от водного режима реки. Это определяется различной продуктивностью отдельных участков поймы, различными условиями ее доступности. Поэтому, организация природопользования и охраны природы в поймах рек должна опираться на информацию не только о пространственном распределении ресурсов, их использовании, но и обязательно включать динамическую составляющую, отражающую динамику изменения ресурсов в зависимости от действия половодий.

Cоздание оптимального режима природопользования в поймах рек является важной эколого-экономической проблемой. Для организации научно-обоснованного, регионально-адаптированного и экологически регламентированного природопользования необходимо разработать концепцию адаптированного к поймам рек гидроэкологического мониторинга. На наш взгляд она должна включать условия выделения системы, правила описания ее функционирования и ряд теоретических положений, которые характеризуют динамику развития пойм.

В связи с тем, что в системе «река – пойма» главным фактором является абиотический фактор – водный режим, который объединяет множество компонентов в единое целое, то рациональнее проводить анализ динамики этой системы с позиции понятия геосистема. Термин геосистема был предложен В. Б. Сочавой в 1963 [3] году и затем многократно уточнялся при проведении различного рода системных исследований – ландшафтных, экономико-географических, природоохранительных и многих других. Достаточно подробно это понятие представлено в работах А.Г. Исаченко (1980), где он отмечает, что «геосистема есть особого рода материальная система, состоящая из взаимообусловленных географических компонентов, взаимосвязанных в своем размещении и развивающихся во времени как часть целого» [4] .

Задачи мониторинга в общем виде сводятся к сравнению наблюдений с критическими точками состояния системы, включают в себя наблюдения, прогноз и определяются целью прикладных или научных исследований. В зависимости от цели исследования в большей или меньшей степени уделяется внимание абиотической, биотической или антропогенной составляющей геосистем. За методическую основу мониторинга для геосистем пойм рек предлагается использовать подход, когда переменные анализируются по схеме «воздействие-отклик». В качестве абиотической внешней переменной, рассматривается часть половодья, которая заливает пойму, а в качестве отклика – продуктивность компонентов пойменных экосистем и характеристики перестройки структуры её сложных компонентов.

Пойму следует рассматривать как сложную, открытую пространственную геосистему транзитно-аккумулятивного типа, с протекающими через нее потоками вещества и энергии. Так для поймы р. Оби возмущения, возникающие в суперсистеме «Западная Сибирь» имеющие вещественное, энергетическое и информационное содержание, вызывают реакцию в абиотической части геосистемы (водах), которое затем передаётся на биоценоз поймы. В основе устойчивости биоценоза лежат устойчивость и изменчивость организмов, его составляющих. Открытость границ не противоречит тому, что в геосистемах сохраняется доминирование внутренних связей над - внешними.

Особое преимущество системного подхода в географии обусловлено тем, что результаты анализа природных объектов в системном исполнении одинаковы. Различные по физической природе компоненты природы – воды, растительность, животные, ландшафты и др., изучаемые как система выражаются с помощью одних и тех логически согласованных категорий, таких как структура, элемент, связи. Они могут иметь одинаковые количественные характеристики, характеризующие их состояние, которые можно сравнивать между собой. Исследованию новейших подходов способствовало развитие науки о системах, так называемой системологии Арманд, (1988) и синэргетики Хакен, (1980), дисциплины, изучающей самоорганизующиеся системы [5,6].

Самоорганизация – это новая парадигма исследования в общей теории систем, которая связана с целостными аспектами систем. Самоорганизующиеся системы поддерживают неизменность своей внутренней организации, допуская временные и пространственные изменения структуры, которые придают им новые качества. Изучение основ самоорганизации и саморегулирования географических систем позволяет вскрыть механизм структурных и функциональных изменений, происходящих в них. К настоящему времени известны основные геоморфологические закономерности формирования пойм рек. Получены обширные данные о биологии и популяционной динамике видов, образующих пойменные сообщества. Накопление количественных характеристик по отдельным компонентам пойменных экосистем географами, биологами дает возможность перейти к качественно новым исследованиям, которые позволяют проводить количественный анализ состояния системы в целом [6,8].

Использование теории самоорганизации позволяет по новому рассматривать динамику пойменных геосистем рек в эволюционно-функциональном и геоэкологическом аспектах и выйти на междисциплинарные обобщения для различных наук, изучающих географические системы. При этом большое внимание необходимо уделять работе с реальными коэффициентами устойчивости к воздействию половодий, надежности, гомеостаза, чувствительности, для растительности, птиц, индикационных видов животных и методике их расчета. Необходимо также подробно анализировать состояние бифуркации компонентов геосистем, возникающее за порогом устойчивости. Выявление наиболее слабого компонента пойменных геосистем, механизма его реакций на воздействие половодий позволит создать основы фундаментальной теории нормирования изменений водного режима половодий человеком и создания особого режима природопользования в поймах рек.

Опираясь на успешный опыт использования основных положений общего системного анализа для описания различного рода систем, выполненный В.Г. Афанасьевым (1980) для социосистем [9], А.М. Трофимовым, Н.М. Солодухо (1986) - для географических систем [10], Н.Ф. Реймерсом (1994), Г.С. Розенбергом (1994, 2000) - для экологических систем [10,11, 12], можно рассмотреть, как они действуют в геосистеме «река-пойма». Причем за основу взяты положения, представленные в обобщающей методической работе А.М. Трофимовым, Н.М. Солодухо «Вопросы методологии современной географии» [8]. Эти положения достаточно специфичны, так как в первую очередь отражают географическую сущность объекта. Они дополнены и использованы для анализа пойменных систем. Анализ проведен на примере поймы Средней Оби.

Река Обь занимает центральное место в Западной Сибири. Ее бассейн интегрирует все пространственные и динамические изменения экосистемы Западная Сибирь. По длине бассейна выделяются участки – Верхняя Обь, Средняя Обь, Нижняя Обь. Каждый участок характеризуется своим специфическим водным режимом.

Участок Средней Оби имеет хорошо сформированную пойму, которая активно осваивается человеком. Продуктивность биологических компонентов пойменной экосистемы за счет разнообразия условий в несколько раз выше, чем окружающей территории. Для данного участка поймы характерно наличие участка нижнего бьефа плотины Новосибирского водохранилища с измененным водным режимом. На участке Средней Оби проводятся наблюдения за водным режимом на водомерных постах. Однако данные наблюдения за уровнями воды, расходами воды, качеством вод, собираемые Гидрометслужбой, не могут напрямую использоваться в наблюдениях за экологическим состоянием пойменных экосистем. Часто, для описания воздействия половодий просто используется максимальный уровень или расход воды. Этого недостаточно для того, чтобы охарактеризовать взаимодействие половодий и живых организмов, обитающих в пойме и получить определенные корреляционные связи.

За методическую основу мониторинга для экосистемы поймы Средней Оби использовался подход, когда переменные анализировались по схеме «воздействие-отклик». В качестве абиотической внешней переменной, рассматривалась часть стока реки, которая заливает пойму, а в качестве отклика – продуктивность компонентов пойменных экосистем.

Для этого проведено гидроэкологическое районирование территории поймы, выделены наиболее репрезентативные посты водомерных наблюдений для каждого участка поймы, составлена схема затопления поймы. На основании более чем 50-летних наблюдений построены гидрографы половодий и рассчитана та часть стока реки, которая формирует воздействие половодий. Рассчитаны связи гидрологических параметров, характеризующих воздействие водного режима и состояние продуктивности основных показателей состояния экосистемы. В качестве основных продуцентов рассмотрено состояние продуктивности лугов, в качестве консументов I уровня – водяная полевка и ондатра, отдельно изучено состояние сообщества рыб и населения птиц. Население птиц рассматривается как наиболее чувствительный элемент экосистемы.

При оценке состояния биологических компонентов применен ресурсный подход, когда используются показатели хозяйственной продуктивности. Именно подобные данные употребляются при проектировании гидротехнических мероприятий, при планировании природоохранной деятельности. Это делает данный подход отличным от биологического мониторинга, когда проводятся детальные наблюдения за отдельными видами животных и растений. Как правило, такие наблюдения из-за трудоемкости проводятся на недостаточном количестве площадок, не полностью покрывающих территорию поймы, и не длительные периоды времени (не больше 5 лет). Поэтому подобные наблюдения могут служить хорошим дополнением к длительным рядам наблюдений для объяснения несоответствий при анализе динамики связей половодье – биотический компонент. Сложность анализа связана также с тем, что весеннее половодье является хоть и значительной, но только частью годичного или многолетнего цикла развития биотический компонентов. Оно определяет в главном их развитие, но со временем внутри года или в течение нескольких лет, при многолетнем цикле развития накладывается действие других факторов, которое затушевывает воздействие половодий. Поэтому ставить задачу о получении 100 % связей между этими факторами нереально. По-видимому, их можно использовать с определенными допущениями в первом приближении [13,14,15].

Обобщение свойств и принципов, которые необходимо использовать при анализе пойменных геосистем представлено в табл. 1., ниже приводится их краткий комментарий.

Таблица 1. Свойства и организационные принципы геосистем

Наиболее характерная черта любой системы – ее целостность, единство по отношению к внешней среде. Обмен веществом, энергией, и информацией между компонентами целостной системы, каковой является геоситема, объединяет части в единое целое, обеспечивая существование и развитие системы. В то же время необходимым условием развития целостной геосистемы является ее неоднородность и всякая реальная система состоит из разнородных по каким–либо параметрам элементов. Именно неоднородности и дифференцированности компонентов обязана структура своим существованием.

Развитие системы связано с ростом локализованных неоднородностей, которые становятся центрами качественной перестройки старой структуры и образования новых. Условием сохранения и развития целостности является тесно связанная с неоднородностью противоречивость систем. Противоречивыми сторонами и отношениями всякой системы выступают компонент и система, часть и целое, прерывное и непрерывное, структура и функция, внутреннее и внешнее, организация и дезорганизация, разнообразие и однообразие и др. [7]. В соответствии с основным законом диалектики - единство и борьба противоположностей являются источником развития целостной системы.

Свойство целостности раскрывается целым ряд других тесно взаимосвязанных относительно самостоятельных характеристик систем. К ним относятся: 1) интегративность качеств системы (эмерджентность); 2) компонентность; 3) структурность и функционирование; 4) историко-генетическое свойства целостной системы ограниченность; 5) взаимодействие целостной системы и внешней среды(саморегулирование); 6) самоорганизация.

Все исследователи выделяют на первое место свойство интегративность качеств целостной системы. Она подчеркивает наличие новых интегративных качеств, не свойственных образующим ее частям. Для пойменных геосистем это свойство проявляется в том, взаимодействие реки и пойменных лугов повышает их продуктивность в несколько раз, по сравнению с продуктивностью лугов рядом, но на водораздельной части бассейна реки.

Тесно связан с этим свойством принцип эмержентности (в след А. М. Трофимовым предлагается использовать для характеристики свойств геосистем термин – принцип), который отмечает, что каждая система обладает единственным в своем роде сочетанием элементов с их особыми связями, поэтому и представляет собой нечто большее, чем просто сумму частей. Для геосистемы «река-пойма» это означает, что при освоении поймы необходимо учитывать не только общие свойства всей системы, но и отдельных ее компонентов.

Второе свойство геосистем – компонентность целостной системы, которое характеризует целостные качества как результат взаимодействующих между собой компонентов, составляющих систему. При этом, целое обусловлено наличием частей, а часть есть результат целого. В качестве компонентов обычно выступает часть системы, которая является в свою очередь сама системой. Элемент – это предел делимости системы в рамках данного качества. Уровень делимости пойменной геосистемы на части определяется уровнем задачи исследования – когда отслеживается влияние изменений величины половодий и возможностями сбора статистической информации о состоянии компонентов геосистемы. В качестве компонентов выступают геоморфологические элементы системы – русло реки, прирусловая, центральная, притеррасная участки пойм, почвы, растительность, животный мир – птицы, рыбы, ондатра, водяная полевка и др. В качестве элементарных единиц можно принять на уровне ландшафтных единиц – фацию, на флористическом уровне – биоценоз, на организменном – сообщество (для рыб, птиц и др.), популяцию (для ондатры, водяной полевки).

Условию компонентности геосистем соответствует принцип делимости на части, который означает, что в тех случаях, когда геосистема настолько сложна, что не поддается общему изучению как единое целое, ее можно разделить на различные по масштабу подсистемы по отраслевому и территориальному признаку. В отношении пойменных геосистем важным является выделение антропогенных подсистем – мелиорированных участков поймы, обладающих особыми свойствами и особым режимом регулируемого развития.

С выделением компонентов тесно связан принцип зональности и азональности, который определяет зоны влияния различных факторов на компоненты геосистем. Традиционным является изучение влияния широтной зональности и вертикальной поясности ландшафтной оболочки Земли. Для геосистемы «река – пойма» характерно, то, что пойменный природный комплекс, как правило, обладает свойством интерзональности, то есть внутренней зональности по отношению к бассейновым пространствам в целом. Вертикальная поясность здесь также действует по другому, чем на водоразделе. Совершенно небольшие масштабы колебания рельефа, привязанные к изменениям водного режима, могут приводить к значительным ландшафтным различиям по территории. К азональным факторам относится отепляющее действие рек в весенне-летний период, которое повышает температуру воздуха в пойме Средней Оби на 2 – 3 градуса и часто усложняет общую картину дифференциации пространства.

С делением геосистемы на части связан принцип необходимого разнообразия: никакая система не может формироваться из абсолютно идентичных элементов, причем система тем более устойчива к изменениям, чем разнообразнее состав ее компонентов.

Третье свойство геосистем – структурность и функционирование целостной системы заключается в том, что части геосистемы находятся в определенном отношении друг к другу и особая упорядоченность и соподчиненность этих отношений определяет структуру системы. Упорядоченность компонентов системы выражается в их координации, а соподчиненность - в субординации. Структура как универсальная черта всякой материальной системы характеризуется определенной пространственно-временной динамической устойчивостью. Структура и функционирование геосистем положены в основу анализа самоорганизации пойменных геосистем.

Со свойством структурности и функционирования систем тесно связан ряд теоретических положений-принципов. Первый из них это – принцип структурной неоднородности и однородности, который показывает, что наличие структуры связано с дифференцированностью и неоднородностью частей целого. Реальная система, которая рассматривается исследователем как однородная, всегда содержит в себе неоднородность. При изучении динамики развивающихся систем необходимо обращать внимание на неоднородности, которые служат центрами формирования новых качественных состояний. В пойменном комплексе такую функцию выполняют русловые образования – старицы, которые из проточного режима функционирования переходят к озерному, в результате, так называемого «замывания» соединения с центральным руслом.

Второй принцип – принцип иерархичности, который демонстрирует свойство делимости на относительно обособленные, но соподчиненные между собой, подсистемы различного ранга. Простым примером может служить ландшафтное деление в пределах поймы: фация, урочище, местность.

С принципом иерархичности тесно связан принцип организованности географических систем, который показывает что процесс развития геосистем, с одной стороны, ведет к увеличению неоднородности компонентов, усложнению иерархии, повышению организованности в системе, уменьшению энтропии. С другой стороны, естественный процесс неизбежно сопровождается выравниванием различий между компонентами, понижением уровня организации, что соответствует увеличению уровня энтропии геосистем. Подобные процессы в пойме рек можно наблюдать при сглаживании различий в видовом разнообразии растительных сообществ центральных участков поймы и притеррасных и прирусловых, особенно в случае когда несколько лет подряд не наблюдается большое половодье. В результате происходит замена влаголюбивых видов растительности на луговые виды сухих лугов – злаки.

Другое правило – принцип территориальности предполагает учет зависимости функционирования и развития геосистем от размещения ееэлементов на территории (в пространстве). Ярким примером влияния этого фактора является луга центральной поймы в верхнем, среднем и нижнем течении Оби выполняют одну ту же функцию, но имеют разное соотношение площадей озерной поверхности, заболоченности, и территорий покрытых кустарниками.

Следующим правилом, связанным с структурностью и функционированием целостной системы является принцип пространственного сбалансирования компонентов, который отмечает, что все компоненты системы увязаны в единое целое потоками вещества и энергии. Однако каждая система имеем свою группировку составных частей. В каждой из группировок любой из компонентов системы может играть стимулирующую, нейтральную или негативную роль в процессе функционирования и развития. Поэтому важной задачей изучения пойменных геосистем является анализ распределения свойств систем в пространстве, и выявление адекватных им процессов. Так, например, в поймах рек выделяются притеррасная часть поймы, центральная и прирусловая. Они формируются в зависимости от условий увлажнения и дренажа территории.

Важное место занимает принцип концентрации и комплексообразования компонентов, выражающий объективную тенденцию к скоплению элементов в ограниченном пространстве. В результате формируются территориальные группы и сочетания географических элементов в пространстве. Концентрация элементов в геосистеме пойм наблюдается около озерных систем, где наблюдается большее разнообразие ландшафтных условий. Как правило, они окружены кустарниками, здесь широко представлена группа водоплавающих птиц, околоводных животных, рыб, большее разнообразие и продуктивность луговой растительности.

Тесно связан с объяснением механизма функционирования геосистем принцип кратчайших путей и наименьшего сопротивления, который показывает, что движение потоков вещества, энергии, информации осуществляется от наименьшего к наибольшему скоплению, причем поток выбирает наименьший путь. В геосистеме наблюдаются медленно изменяемые образования, которые образуют поля и быстро изменяемые, образующие потоки. Одни и те же образования иногда могут выступать в роли потоков, а иногда в роли полей. Формирование потоков в пойме рек легко иллюстрируется схемой затопления пойменных участков, когда вода выходит на открытые пространства во время больших половодий, а затем скатывается в протоки и русло. В то же время она может застаивается в низких местах и там уже выполняет функцию поля.

Свойство ограниченности геосистем тесно связано с взаимодействием целостной системы и внешней среды. Целостность системы предполагает ее обособленность, ограниченность от внешней среды и соответственно выделение системы имеет объективное обоснование. Однако определение этих границ часто является сложным процессом, так как система находится во взаимодействии с соседними системами, и здесь также действует ряд правил-принципов.

Первый – это принцип пространственного членения (выделение границ), который отмечает, что каким бы образом не выделялась геосистема, нет полной уверенности в том, что не найдется один или более признаков по которым изучаемые компоненты связываются с другими компонентами. Можно считать, что для каждой системы существует граница, но в реальности это чаще всего переходная зона. Так границы, выделенные по растительным ассоциациям между прирусловой, центральной, притеррасной поймы могут сильно меняться от года к году в зависимости от изменений уровня половодья. Для пойменной геосистемы определение границ имеет большое значение, так как существует несколько способов ее выделения. Один из них – геоморфологический, по типовым формам в долине реки, другой – геоботанический, когда растительность рассматривается как индикатор различий между этими формами и третий – гидрологический, который рассматривается как основной в данной работе. По этой схеме под поймой понимается часть дна долины реки, которая затапливается половодьем 1 % обеспеченности. Таким образом, частота затопления территории поймы составляет 1 раз в сто лет. При гидротехническом строительстве и при проведении крупных проектов расчеты проводятся для типовых высот затопления 5%,10%, 25%,50%, 75% обеспеченности. Этот способ выделения границ эффективен при наличии карт долины рек крупного масштаба и поперечных профилей долины реки и все равно остается достаточно условным.

Тесно связан с свойством взаимодействия целостной системы и внешней среды принцип географичности, который предполагает учет зависимости функционирования и развития геосистемы от свойств окружающей среды. Для пойменных геосистем такими свойствами являются – литологический состав долины реки, климатические условия, общий рельеф бассейна, и хотя пойменные геосистемы развиваются по своим правилам, связанным с водным режимом реки, они имеют особенности, обусловленные географическими условиями.

Другое теоретическое положение, характеризующее взаимодействие целостной системы и внешней среды – это принцип окружающего соседства, который показывает, что реакции геосистемы на воздействия неоднозначны и определяются внутренними и внешними связями. В роли «соседа» для пойменных территорий может выступить, например водохранилище, из которого осуществляются периодические попуски, влияющие на водный режим поймы.

Для геосистем действует также позиционный принцип и давление места (Родоман,1979), который отмечает, что географические объекты в пространстве должны иметь локальный территориальный оптимум, где они могли бы функционировать наиболее эффективно и если он не находится в этой точке, то на него действует сила – давление места, побуждающая к движению к оптимуму. Под влиянием позиционного давления легкоподвижные объекты изменяют свое местоположение, менее подвижные изменяют свои физические свойства или функции. Они могут даже формировать новое пространственное положение, путем активного воздействия на среду. При неспособности к таким изменениям они деградируют, либо совсем перестают существовать. Для пойменных геосистем в целом ярким примером поиска оптимального положения является процесс меандрирования реки, сопровождающийся образованием проток, стариц, озер. В результате формируются центры равновесия от которых отходят вееры стариц и проток. Внутри пойменных геосистем также формируются центры притяжения жизненных форм – прирусловые озера. Как правило, здесь наряду с луговой растительностью встречается древесная и кустарниковая растительность, отмечается большее видовое разнообразие рыб, обитают околоводные виды животных и птиц. Примером объектов, которые испытывают постепенное перерождение внутри пойменной геосистемы, являются неглубокие зарастающие озера, потерявшие связь с руслом.