Та критерії оптимальності геосистем

Оптимізація геосистем – це дії, спрямовані на переведення геосистем у стани, в яких вони здатні максимально ефективно виконувати задані функції, не зазнаючи при цьому небажаних змін протягом невизначено довгого часу.

Геосистему можна оптимізувати в різних напрямах – до максимально ефективного виконання нею деякої виробничої функції (наприклад, аграрної), максимізації її пейзажної привабливості, максимального збереження та відтворення первісного природного стану тощо. Нерідко ці напрями (цільові функції оптимізації) перебувають у протиріччі між собою або ж повністю несумісні (як, наприклад, виробнича гірничо видобувна та заповідна). Тому першим етапом оптимізації геосистем є визначення ландшафтно-екологічних пріоритетів розвитку регіону. Воно полягає у ранжуванні видів функцій у порядку їх значущості для даного регіону з урахуванням сучасної екологічної ситуації в ньому, специфіки його ролі в масштабі держави (спеціалізація у виробничому комплексі) та вищих одиниць ландшафтно-екологічного районування (унікальність природних умов, ступінь збереженості природних ландшафтів), загальних тенденцій та потреб соціально-економічного розвитку.

За ступенем значущості окремих функцій регіони можуть суттєво розрізнятися, проте в сучасних умовах для їх усіх найвищий пріоритет мають антропоекологічні функції (забезпечення та відтворення умов середовища, за яких немає загрози для здоров’я та самопочуття людини) та природоохоронні (збереження „живої” природи, стійкість антропізованих геосистем до процесів деградації – ерозії, засолення, де гуміфікації тощо). При оптимізації геосистем будь-якого регіону саме ці функції мають бути цільовими, тобто заходи, що плануються, повинні бути орієнтовані насамперед на забезпечення здорового середовища існування людини та виключення екологічних ризиків і конфліктних ситуацій між господарською функцією геосистеми та її природними особливостями.

За додержання цих умов пріоритет другого порядку слід визнати за функцією, відповідно якій геосистема має найвищий природний потенціал. При однаково сприятливих природних умовах для виконання декількох функцій пріоритет слід віддати тій з них, яка пов’язана з меншим екологічним ризиком або надто важлива з економічної точки зору. Наприклад, для геосистеми, яка має високий агро потенціал та багаті ресурси горючих копалин, пріоритетною буде гірничовидобувна функція.

Ефективна реалізація пріоритетної функції здебільшого можлива при виконанні геосистемою деяких інших функцій, пов’язаних з нею. Так, рекреаційна функція виконується більш ефективно, якщо геосистема несе також естетичну, інформаційно-пізнавальну функції та деякі інші. Загалом кожна функція має характерний „кортеж” інших функцій, реалізація яких сприяє її ефективному виконанню.

Визначення пріоритетності функцій є основою розробки регіональної екологічної політики, зокрема обґрунтування схем функціонального зонування регіону.

Крім встановлення ландшафтно-екологічних пріоритетів, оптимізація геосистем має ґрунтуватись на визначенні тих станів геосистем, які є для них оптимальними в природному та соціофункціональному відношеннях.

Із соціофункціональної точки зору оптимальними є стани, перебуваючи в яких геосистема здатна виконувати задану функцію максимально ефективно. Для визначення таких станів для кожної функції необхідно встановити деяку її характеристику, за величиною якої можна судити про ефективність функціонування геосистеми. Для більшості функцій таких характеристик є декілька. Так, для агро функції ними можуть бути: врожайність, показники якості продукції (вміст клейковини в зерні, цукру у винограді тощо), собівартість продукції та ін. Завдання полягає у визначенні параметрів геосистеми, за яких значення показників ефективності її функціонування досягають максимуму або деякого запланованого рівня.

Для цього для кожної змінної геосистеми знаходять залежність між її значеннями та показником ефективності (наприклад, між запасами гумусу в грунті та врожайністю, вмістом солей у ньому та цукристістю винограду). Якщо ці залежності встановлені, то за ними можна визначити діапазони оптимальних значень характеристик геосистеми. Методи вирішення подібних завдань розроблені в лінійному програмуванні. На основі такого підходу виявлено оптимальні значення багатьох змінних геосистеми. Так, для агро функції геосистем степової зони України оптимальна вологість грунту знаходиться в діапазоні 60-80% найменшої вологоємності, оптимальні температури коливаються від 12-14⁰ (для фази сходів та кущення) до 18-22⁰ (фази колосіння та визрівання), глибина промочування геосистеми дощами та поливними водами 60-80 см, рН грунту 6,1-7,2, запаси гумусу – більше 600-650 т/га, потужність гумусових горизонтів 150-160 см, щільність грунту 1,10-1,35 г/см³, вміст водорозчинних солей – не більше 0,10%, рівень прісних ґрунтових вод 120-160, мінералізованих - глибше 5-10 см, стрімкість поверхні 1⁰ – 1⁰30^/.

Області станів геосистеми, визначені за зв’язком її змінних з показником ефективності, є оптимальними з функціональної точки зору. Проте при визначенні цих областей не враховується виконання геосистемою ресурсозберігаючих та середовищевідновлювальних функцій. Оптимально ці функції виконуються, якщо геосистема знаходиться в області нормальних природно зумовлених станах. Тому з природно ландшафтної точки зору критерієм оптимальності геосистем є нормальність її стану.

Нормальні стани геосистеми формуються за відсутності збурюючи факторів в умовах статистичного “шуму” – фонового коливання інтенсивності багатьох факторів її динаміки. Такий характер розвитку геосистеми зумовлює те, що статистичний розподіл змінних геосистеми має описуватись нормальним законом. Виходячи з цього, значення x_opt геосистеми, що обмежують область її оптимальних значень, можна визначити статистично за допомогою рівняння

де Ф – функція нормованого нормального розподілу;

σ_х – середнє квадратичне відхилення змінної х;

Р_(ε) – заданий рівень ймовірності відповідності геосистеми нормальному стану, який може бути прийнятий Р=0,95, або Р=0,99 – для змінних геосистеми, збереження яких у нормі особливо необхідне.

Важливим критерієм оптимальності геосистем є їх стійкість до антропогенних впливів – оптимальними є лише ті області станів, знаходячись у яких геосистема характеризується низькою (наприклад, на рівні q = 0,05) ймовірністю відмов та високою ймовірністю відновлення. Тобто оптимальними слід вважати локально стійкі стани геосистеми. Цей критерій вимагає визначення оцінок стійкості геосистем у станах, які є оптимальними в природному та функціональному відношеннях. Якщо ці стани нестійкі, а відтак пов’язані з екологічними ризиками та конфліктними ситуаціями, за оптимальні з ландшафтно-екологічної точки зору їх вважати не можна. У цьому разі як оптимальні визначаються стани геосистеми, знаходячись у яких вона виконує господарську функцію з дещо меншою ефективністю, ніж максимально можлива, проте її стійкість при цьому забезпечується на бажаному рівні.