Ландшафтно-динамический подход – оценка экологической устойчивости

Данный подход реализован при оценке устойчивости акватории Баренцева моря к химическому загрязнению. На современном этапе развития человечество активно вовлекает в сферу своих хозяйственных интересов континентальный шельф. Основным направлением его освоения становится разработка углеводородного сырья, что сопряжено с экологическими рисками, в том числе химического загрязнения. Оценка устойчивости акваторий к химическому загрязнению позволяет дифференцировать нагрузки в зависимости от ассимиляционной емкости и устойчивости и снизить экологический риск. Решение этого вопроса имеет принципиальное значение при обеспечении экологически безопасного освоения ресурсов Западно-Арктической нефтегазоносной провинции. При оценке устойчивости использована концепция ассимиляционной емкости, а в качестве ее меры использован термодинамический (энтропийный) подход (см. раздел 4.1.4).

Первый шаг в оценке устойчивости морской среды к химическому загрязнению – установление основных признаков, определяющих ассимиляционную емкость и баланс энтропии. Один из вариантов решения этой задачи – анализ эффективности ведущих типов дифференциации осадочного материала на основе дерева признаков:

- механическая дифференциация (признаки: сглаженность форм рельефа дна, активность гидро- и литодинамических процессов, мощность голоценовых отложений);

- физико-химическая и химическая (признаки: интенсивность перемешивания вод, сорбционная емкость осадков, выраженность геохимических барьеров, глубина моря, устойчивость к вторичному загрязнению);

- биогеохимическая дифференциация вещества (признаки: микробиологическая активность, видовое разнообразие и биопродуктивность бентоса и макрофитов).

Кратко проведем сопряженный анализ перечисленных признаков и устойчивости акватории к химическому загрязнению.

Контрастность рельефа осложняет латеральный характер распределения осадочного материала, нарушая процессы дифференциации материала и увеличивая энтропию системы. Высокая энергия рельефа может привести к локализации загрязняющих веществ в понижениях, впадинах и т.д., прерывая потоки вещества Контрастность рельефа снижает устойчивость среды к химическому загрязнению; одновременно – это фактор риска развития экзогенных геологических процессов на дне.

Активность гидро- и литодинамических процессов влияет на транзит вещества и вынос его за пределы системы, что может служить снижению энтропии.

мощность голоценовых отложений является функцией скорости осадконакопления и характеризует устойчивость процессов дифференциации и аккумуляции осадочного материала, а также потенциальную степень разбавления загрязняющих веществ в общем объеме осадочном материале. Стабильность процессов дифференциации вещества – показатель самоорганизации системы и один из механизмов снижения производства энтропии.

Интенсивность перемешивания вод приводит к насыщению придонного слоя воды кислородом и определяет активность окисления поллютантов и их деструкцию, способствует интенсификации микробиологических процессов. Активность перемешивания обусловлена динамикой течений и волнения, глубиной, наличием зон конвергенции и дивергенции. Она снижается в условиях стратификации водной толщи.

Сорбционные свойства осадков зависят от их дисперсности, состава глинистых минералов, присутствия гелей гидроксидов Fe, Mn, содержания и состава органического вещества (ОВ). Сорбция поллютантов донными осадками ведет к их захоронению (хемосорбция), консервации (физическая сорбция), деструкции микроорганизмами, а также выносу в составе взвеси. В целом адсорбция – фазовый переход вещества, уменьшающий энтропию системы.

Геохимические барьеры снижают активность миграции вещества посредством фазовых переходов, захоранивая поллютанты и уменьшая энтропию системы. В этом отношении наиболее эффективными являются восстановительный сероводородный, сорбционный и щелочной барьеры.

Глубина моря определяет длительность периода геохимической активности вещества в ходе его осаждения сквозь толщу воды, что повышает вероятность деструкции или консервации поллютантов в результате преобразований или фазовых переходов.

Вторичное загрязнение возникает при воздействииволн и течений на дно или активизации (в том числе спровоцированной человеком) экзогенных геологических процессов (оползней, криппов, газовых эманаций и т.д.). Это приводит к размыву осадков, десорбции, окислению ОВ с мобилизацией тяжелых металлов в воду, что сопровождается загрязнением, снижением ассимиляционной емкости среды и ростом энтропии системы.

Устойчивость биоценозов в геосистеме оценивается по видовому разнообразию, биомассе, активности процессов метаболизма. Рассматриваются три группы организмов: бентос, макрофиты и бактерии. Оптимальные условия обитания этих групп разные, но все они играют важную роль в ассимиляции загрязняющих химических веществ, снижая энтропию системы. Высокие показатели видового разнообразия говорят об устойчивости любой природной системы.

Ландшафтно-динамический подход определяет принцип районирования акватории, в основе которого рассматривается связь морфологии дна, литодинамических и геохимических процессов, состава современных донных осадков. Ведущими морфодинамическими элементами принимаются: днища замкнутых форм с устойчивой аккумуляцией (ловушки I-го рода); незамкнутые впадины и желоба с преобладающей аккумуляцией (ловушки II-го рода); склоновые поверхности с транзитом осадочного материала; верхние предельные поверхности с размывом и абразией. Все поверхности контролируют два вида вещественно-энергетических потоков – нисходящих и циркуляционных. Верхние поверхности – источники выноса; нижние замкнутые – конечные пункты сноса; склоны и площадки на склонах, нижние незамкнутые поверхности – зоны транзита. Крутые поверхности ускоряют поток, пологие его замедляют. Субгоризонтальные поверхности на склонах играют роль промежуточных депоцентров, где движение потока прерывается или замедляется (Зинченко, 2002). Морфодинамические элементы привязаны к батиметрическому уровню, от которого зависит интенсивность потока вещества. Морфологическое разнообразие поверхностей включает: субгоризонтальные выровненные и мелкорасчлененные, склоновые – крутые и средние, а также пологие. Поверхности сложены определенными типами осадков, которые контролируются глубиной, расчлененностью рельефа и литодинамикой. Устойчивость оценивается по отношению к морфолитодинамическим зонам (ландшафтам), как элементарным единицам, выделенным по единству рельефа, литологии, процессов дифференциации вещества. В основе оценки лежит баланс энтропии и направленность вещественно-энергетических потоков.

В основе метода оценки устойчивости лежит широко распространенный в настоящее время экспертный анализ. Работа экспертов заключается в оценке важности и выраженности признаков. Окончательная обработка результатов проведена по программе «Признак», разработанной в лаборатории экологического моделирования СПбГУ (Щербаков и др., 1994). Ее назначение – формализация решения задач методом аналогий и сведение их к интерполяционным алгоритмам, а также выполнение расчетов интегральных показателей с задаваемой структуризацией дерева признаков (табл. 55). Согласованность работы экспертов оценивается по критерию Шеффе.

Таблица 55. Расчетный вес признаков устойчивости Баренцева моря к химическому загрязнению (по программе «Признак»)

Весовые значения факторов (см. табл. 55) свидетельствуют о ведущей роли в устойчивости к химическому загрязнению физико-химического и химического типов дифференциации осадочного материала (ФХД), которые имеют максимальные значения по интегральному и среднему показателям. Вклад механической (МД) и биогеохимической (БД) дифференциации в устойчивость к химическому загрязнению одинаков и менее значим (см. табл.), т.е. обобщенный ряд весовых значений факторов представлен следующим выражением: ФХД>МД=БД. В нашем случае наиболее распространены структуры вида: ФХД>МД>БД и МД>ФХД>БД, т. е. наиболее устойчивыми к химическому загрязнению являются акватории, где преобладают физико-механические процессы дифференциации осадочного материала.

Результаты программной обработки результатов экспертной оценки позволили по условному коэффициенту устойчивости разбить все выделенные морфолитодинамические зоны Баренцева моря на шесть групп: высоко устойчивые (относительный коэффициент устойчивости 0,060); устойчивые (0,051-0,055); средне устойчивые (0,045-0,046); низко устойчивые (0,039-0,043); неустойчивые (0,031-0,035); крайне неустойчивые (0,028-0,029).

Основные результаты проведенной оценки можно сформулировать следующим образом. Наиболее устойчивыми к химическому загрязнению являются геосистемы, в которых развиты химические и физико-химические процессы деструкции и захоронения загрязняющих веществ. Вклад в устойчивость динамических процессов, отвечающих за вынос и консервацию (временное захоронение) поллютантов, менее значим. По этой причине традиционное восприятие участков акваторий, где доминируют процессы размыва и выноса вещества, как наиболее устойчивых к химическому загрязнению, с точки зрения предложенных подходов, оказалось неверным. Во-первых, техногенное воздействие может изменить ландшафтно-динамический статус акватории, но тогда отсутствие природных механизмов ассимиляции загрязняющих веществ при низкой активности геохимических процессов станет причиной прогрессивного загрязнения и заиления акватории. Во-вторых, размыв определяет термодинамическую несбалансированность системы и рост энтропии. В-третьих, в соответствие с принципом эмерджентности относительная устойчивость таких поверхностей за счет выноса поллютантов приводит к уязвимости геосистемы в целом. Являясь элементами этой системы, они сами становятся неустойчивыми.

Наименее уязвимы к химическому воздействию геосистемы, расположенные на нижних батиметрических уровнях, куда направлен основной вещественно-энергетический поток. Это объясняется сбалансированностью главных механизмов устойчивости и развитым комплексом ассимиляционных процессов. При регулируемых нагрузках, не превышающих критические, эти геосистемы будут устойчивы, ассимилируя поступающий объем поллютантов. К этой группе относятся выровненные днища замкнутых впадин на глубине более 200 м. В Баренцевом море – это Центральная впадина с глубинами до 400 и более метров.

К неустойчивым и крайне неустойчивым геосистемам отнесены склоновые и верхние предельные поверхности глубже 110 м с мелкорасчлененным рельефом и склонами разной крутизны. Их особенностью является относительно глубоководное залегание и высокая уязвимость биогенных компонентов. Неустойчивые к химическому загрязнению акватории повсеместно распространены в Западно-Баренцевской и в Центральной низменной областях. Вторая группа – это склоны и выровненные участки дна верхних предельных поверхностей в юго-западной области и в Печорском море. Группа крайне неустойчивых акваторий объединяет транзитную зону средних и крутых склонов и предельных верхних поверхностей с мелкорасчлененным рельефом на глубинах 110-200 м. Такие ландшафты известны в Центральной, Северо-Баренцево-Карской и Новоземельской областях Баренцева моря.

Интересно, что лицензионные участки месторождений Печорского и центральной части Баренцева моря (Штокмановское, Лудловское и Ледовое) расположены в акваториях, где сочетаются устойчивые и низко устойчивые к химическому загрязнению показатели с ведущем значением физико-химических (Баренцево море) и биогеохимических (Печорское море) процессов дифференциации. Максимальный экологический риск присущ лицензионным участкам прикольского шельфа (Баренц-3), расположенным в зоне неустойчивых к химическому загрязнению акваторий.

Одним из условий сохранения фонового состояния морской среды является поддержание механизмов устойчивости, особенно тех, которые в структуре факторов имеют ведущее значение:

- в геосистемах, где преобладают размыв и абразия, необходимо минимизировать вероятность появления зон аккумуляции и накопления поллютантов;

- в глубоководных районах в пределах днищ замкнутых форм основное внимание следует сосредоточить на поддержании механизмов, обеспечивающих физико-химическую (сорбционную емкость осадков и взвешенного материала, структуру и функциональность природных физико-химических барьеров, устойчивость к вторичному загрязнению и т.д.) и биогеохимическую (поддержание биомассы планктона, макрофитов и активности микробиоценоза в осадках) дифференциацию осадочного материала.

Таким образом, выполненное на ландшафтно-динамической основе районирование акватории может служить основой для установления дифференцированных нормативов предельно допустимых антропогенных нагрузок. Это касается, в первую очередь, норматива допустимых сбросов, объема и состава твердых отходов, допустимых к захоронению в подводных отвалах.

Кроме того, для снижения экологических рисков результаты оценки устойчивости целесообразно использовать при:

- обосновании альтернативных вариантов размещения объектов нефтегазодобычи (в ходе процедуры ОВОС на прединвестиционной и предпроектной стадиях);

- проектировании подводных отвалов и трасс трубопроводов;

- проведении дноуглубительных работ.

Полученные результаты необходимы при составлении Программы производственного мониторинга и расчете регулярных платежей за пользование недрами или в целях, не связанных с добычей полезных ископаемых.