XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение. Развитие мониторинга водных объектов и оценки состояния водных экосистем в наши дни сопровождается разработкой и совершенствованием методов: 1 – сбора, хранения, обработки и разноаспектной визуализации натурной информации о состоянии гидрологических систем и их свойств; 2 - оценки интегративных (эмерджентных) свойств и функций водных объектов; 3 - оценки системного статуса водных объектов (гидрологического, гидрохимического, экологического); 4 – моделирования процессов, водных экосистем, их ответной реакции на естественные и антропогенные воздействия; 5 - системного нормирования нагрузок на водные объекты. В паспорте научной специальности 1.6.16 (бывш. 25.00.27) «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия» закреплена «разработка теории и методологии гидроэкологии, изучения водных экосистем» [1, п.9; 2]. В п.10 паспорта также отмечена необходимость развития «научных основ обеспечения гидроэкологической безопасности территорий», «оптимальных условий существования водных и наземных экосистем» [1, п.10]. Использование антропоцентризма, био- и экоцентризма, совмещения подходов в развитии гидроэкологии, изучения водных экосистем рассмотрено нами в [3]. Общие особенности подходов раскрыты на рис.1. Отметим, что совмещение подходов на геосистемной основе дает преимущество в исследовании природных систем за счет междисциплинарности, учета антропо-, био- и экоцентризма в становлении рационального природопользования, исследования интегративных свойств и экосистемных функций.

Рис.1. Антропо-, био-, экоцентризм и совмещение подходов в современных гидроэкологических исследованиях

В современных российских исследованиях используется гидрологическая, экологическая, гидро- и геоэкологическая терминология, развиваются методология и методы гидрологических, гидро- и геоэкологических, водно-экологических исследований водоемов; анализируются результаты изучения гидрологических, гидрофизических процессов и экосистем озер России, прежде всего, таких как Байкал, Ладожское, Онежское, Каспийское море, а также прогностические оценки трансформации их экосистем в зависимости от изменений климата и антропогенных воздействий [4].

Зарубежные исследования ЕС главным образом нацелены на выполнение Рамочной Директивы по водным ресурсам (РДВ, WFD) для того, чтобы гарантировать доступность населению воды высокого качества. На основе данных Европейского агентства по окружающей среде до 2010 года только 38% рек были отнесены к классам «хорошего» или «высокого» экологического статуса. Современными мониторинговыми исследованиями установлено, что 56% рек и 44% озер в ЕС в наши дни имеют «менее чем хороший» экологический статус. Мониторинг показал, что в последние годы ситуация в значительной степени не изменилась. Для решения этих проблем ЕС запланировал пересмотр РДВ с учетом потенциальных последствий изменения климата и отложил крайний срок достижения целевых показателей по экологическому статусу водных объектов в ЕС на 2027 год [5,6,7].

Целью исследования является интегральная оценка экологического статуса водоема на основе моделей-классификаций интегративных свойств (трофность, качество воды, потенциальная устойчивость); моделирование экологических функций водной экосистемы и факторов, их определяющих на примере малого озера в северо-восточном районе Карельского перешейка.

Задачами и акцентами работы являются также: 1 – исследование, анализ и оценка состояния водных объектов, их ретроспективного, современного и будущего статуса; 2 – развитие методов анализа и оценки системных эффектов - эмерджентных (интегративных) свойств водных объектов (продуктивность, качество воды, устойчивость, экологический статус); 3 – анализ и оценка системных функций водных объектов; 4 – экологическое (системное) нормирование нагрузок на водные объекты и их экосистемы, оценка их ответной реакции на внешнее воздействие.

Теоретико-методологические основы исследования. Создание и развитие теории, методологии, методов, моделей интегральной оценки экологического статуса, экологического благополучия и факторов, обусловливающих изменение экологических функций водных объектов, развивается в Институте наук о Земле и на кафедре Гидрологии суши СПбГУ в рамках научного направления «Исследование сложных систем в природе и обществе, их эмерджентных свойств и функций», при поддержке РАЕ - свидетельство №0303 (26.01.2021). Основные определения, используемые подходы и методы обобщены в ряде публикаций последних лет [3,8,9]. Методология исследований основана на оригинальном подходе, совмещающим все этапы мониторинга водных объектов и их экосистем (наблюдения, оценка, прогноз). Этапы исследования подробно рассмотрены в указанных публикациях и других работах. Ключевым моментом является изучение интегративных (эмерджентных) свойств и функций эко- и геосистем на основе построения интегральных показателей (продуктивности, качества, устойчивости, благополучия, экологического статуса и др.) системных свойств. Использование разных моделей-классификаций и разных методов: метод сводных показателей (МСП), метод рандомизированных сводных показателей (МРСП), АСПИД-методология (анализ и синтез показателей с учетом дефицита информации о критериях и приоритетах оценивания) [10], методов экологического моделирования водных экосистем [9], дает возможность оценить достоверность полученных результатов и точность полученных оценок интегральных показателей. Студенты кафедр участвуют в проведении исследований и выполнении работ по грантам [3,8,9].

Материалы и методы. Сбор натурных данных о состоянии ключевых водных объектов проводится в связи с выполнение работ по научным проектам, грантам и при реализации полевых практик для студентов кафедр. Пример результатов исследования авторами ключевого водоема на учебно-научной базе СПбГУ «Приладожская» в районе п. Кузнечное в 2021 г. приведен на рис.2.

Рисунок 2. Примеры результатов полевых исследований ключевого водоема в 2021 г. (оз. Суури в северо-западном Приладожье Ленинградской области): а) – температура воды на поверхности озера; б) – прозрачность воды по диску Секи; в) – содержание минерального фосфора на поверхности озера; г) – электропроводность воды на поверхности озера; д) – рН воды на поверхности озера; е) – содержание кислорода на поверхности озера (мг/л); ж) - содержание кислорода на поверхности озера (% насыщения); з) – содержание N-NH₄ на поверхности озера; и) – зарастание озера в 2021 г.

Студентами кафедры Гидрологии суши выполнен обширный комплекс водно-экологических наблюдений за химическим и биологическим составом и физическими свойствами среды в оз. Большое Волковское (Суури) в период летней полевой практики. В ходе работ результаты выполненных исследований сопоставляются с ретроспективными данными и обобщаются в базах данных натурных наблюдений за разные годы. Для разноаспектной визуализации собранной информации используются ГИС, статистические методы. В процессе работы выполняются метеорологические, гидрологические, гидрохимические, гидробиологические наблюдения; съемки озера, суточные станции, исследуются продукция и деструкция органического вещества; факторы, влияющие на продуцирование и деструкцию органического вещества в водоеме, оценивается количество образовавшегося органического вещества, самоочищение водоема, зарастание озера. На основе покомпонентного анализа и МСП оцениваются: трофность, качество воды, различные виды устойчивости (потенциальная, устойчивость к эвтрофированию, к изменению качества воды). Эти результаты используются в дальнейшем для оценки экологического статуса и экологического благополучия водоемов; моделирования внутригодового цикла развития водной экосистемы.

Результаты исследования и их обсуждение. Заявленнаяв цели работыинтегральная оценка экологического статуса водоема на основе разработки многокритериальных и многоуровневых моделей-классификаций интегративных свойств реализуется на основе сравнения результатов двух моделей-классификаций «М1» и «М2» (рис.3), разработанных в 2020 г. [8] и в 2021 г. - авторами статьи. Для работы использовались результаты полевых исследований на оз. Суури, выполненные в 2016-2021 гг. В процессе работы были проверены три основные гипотезы, приведенные в табл.1.

Таблица 1.

Гипотезы, подлежащие проверке при выполнении исследования.

Рис 3. Сравнение двух моделей-классификаций (М1 и М2) и результатов моделирования интегральной оценки экологического статуса (ЭС) водоема (пояснения в тексте) по [8] - а), в), д); по результатам данной статьи - б), г), е). На рисунке: а) – этапы интегральной оценки экологического статуса по [8] и б) - в данной статье; в) – классы ЭС и оценочные шкалы интегрального показателя экологического статуса (ИПЭС) для двух вариантов учета потенциальной устойчивости (I типа – адаптационная и II типа – регенерационная); г) - классы ЭС и оценочные шкалы ИПТ, ИПК, ИППУ и ИПЭС в данной статье; д) – результаты интегральной оценки ЭС на основе построения композитных индексов ИПТ, ИПК, ИППУ и ИПЭС по [8] и е) – по данной статье.

Выбор метода оценки экосистемных услуг для ключевой эко/геосистемы зависит от наличия исходной информации, конкретного объекта изучения и экосистемной услуги (ЭУ) или экологической функции (ЭФ), масштаба исследования и желаемых результатов (качественная или количественная оценка). В Национальной Стратегии сохранения биоразнообразия России ЭУ/ЭФ определены как средообразующие, продукционные, информационные и духовно-эстетические [11]. Оценка ЭУ/ЭФ в отечественных публикациях чаще всего выполняется в «количественных естественнонаучных показателях» или в баллах. Наиболее распространенным методом является экономическая оценка, которая наилучшим образом подходит для сравнения перспективы людей получить пользу от той или иной экосистемной услуги. В то же время она является весьма сложной с точки зрения выражения в монетарном виде различных функций экосистем и отсутствия спроса-предложения на определенный ресурс (услугу) в обществе.

Нами на основе натурных данных, полученных в 2021 г. выполнено сравнение факторов, определяющих биопродукционную услугу для первичного звена трофической цепи – продукции фитопланктона оз.Суури. Моделирование влияния факторов показало, что недостаток света (эффект самозатенения) уменьшал максимальную удельную скорость роста диатомового фитопланктона, определяемую температурой воды, в июле в слое прозрачности воды в 1,7-1,8 раза, а зеленых водорослей в 1,5 раза. Оценка лимитации первичной продукции биогенными элементами в июле показала, что в связи с сильным прогревом водной толщи и активизацией образования первичной продукции значительно увеличилась лимитация новообразования органического веществафосфором. Недостаток фосфора снижал в это время максимальную удельную скорость роста фитопланктона в 6-7,5 раз (в 2019 г – в 1,4 раза); недостаток азота – в 1,5-1,8 раза (в 2019 г. – в 1,2 раза).

Выполнение цели и задач исследований по созданию интегральных оценочных классификаций экологического статуса озера и исследованию биопродукционной функции ключевого водоема и факторов на них влияющих позволило получить следующие выводы:

Подтвердился, полученный впервые в [8], вывод о том, что при равновесомом учете параметров (33) для оценки ЭС по М1 и М2 изменение типа устойчивости не повлияло на итоговый класс ЭС озера (рис. 3в и 3г). В М1 использовались два типа учета потенциальной устойчивости (слева «1», рис.3в). В М2 использовался первый тип потенциальной устойчивости (слева «0», рис.3г). Дополнительная проверка задания «0» или «1» при формирования оценочных шкал с учетом нормирующих функций, использованных в [8,9], (рис. 3в и 3г) также подтвердила, что во всех случаях озеро имеет ЭС III категории (IIIл). Среднее значение ИПЭС за 5 лет по М2 составило 0,292, что соответствует IIIл классу по шкале ИПЭС (3г). Изменение по годам ИПЭС за этот период по М2 не превышает 12%. Выявленные ранее различия за 3 года по М1 не превышали 10%. Тенденция на незначительный рост ИПЭС за 2016-2018, полученная в [8], далее не отмечены. Эти выводы обусловили подтверждение гипотез 1 и 2 (табл.1).

Модель-классификация М1 оценки ЭС [8] была построена в предположении, что наиболее высокому статусу (I класс) должны соответствовать олиго-мезотрофные условия первичного продуцирования органического вещества в водоеме, наилучшее качество воды (I класс) и наибольшая потенциальная устойчивость (I класс – устойчивый). В основу классификации был положен принцип «высокий статус – высокая устойчивость». Модель-классификация М2 оценки ЭС была построена нами в предположении, что наиболее высокому статусу (ЭС I категории) должны соответствовать олиго-мезотрофные условия первичного продуцирования органического вещества в водоеме, наилучшее качество воды (I класс) и минимальная потенциальная устойчивость (наибольшая уязвимость) (I класс – минимально устойчивый). Эта специфика была заложена в М2 на том основании, что чистые и малопродуктивные водоемы в наибольшей степени уязвимы к загрязнению и антропогенному эвтрофированию. Сравнение рис.3д и 3е показало, что и по М1 и по М2 во все годы ИПЭС попадает в левую границу III класса по оценочным шкалам. Таким образом показано, что при разных подходах к формированию моделей-классификаций водная экосистема озера была способна в 2016-2021 гг. сохранять свой экологический статус в пределах левой границы III класса. Этот вывод обусловил подтверждение гипотезы 3 (табл.1).

Показано, что в оценочных исследованиях ЭФ/ЭУ часто наблюдается подмена оценки ЭФ/ЭУ монетарной (немонетарной) оценкой компонентного состава эко-/геосистемы в виде оценки количества самого ресурса (вещества), существующего в системе на единицу пространства (площади) в определенный момент времени. Часто эти данные необходимы для оценки ЭФ/ЭУ, но они не должны представляться как итоги оценочных исследований ЭФ/ЭУ. Осознание того, что ЭФ/ЭУ природной системы состоят из потоков вещества (энергии, информации) от естественных основных капиталов (имеющих свою временную динамику, определяемую большим количеством факторов), которые объединяются с услугами производственного и человеческого капиталов и определяют благополучие/неблагополучие общества (выгоды, потери, формируют спрос и предложение, способствуют научно-обоснованному формирования региональной политики), приводит к необходимости изменения акцентов в сторону оценки скоростей процессов (синтеза, новообразования, трансформации, деструкции и др.) и интегративных (эмерджентных) свойств эко- и геосистем, а также факторов, влияющих на их изменение во времени. Выполнена сравнительная оценка факторов, определяющих биопродукционную услугу первичного звена трофической цепи – продукции фитопланктона оз.Суури.

Заключение. Реализованы модели-классификации интегральной оценки экологического статуса водоема. В оценке учитывалось параметрическое многокритериальное и многоуровневое сочетание продукционного потенциала системы, качества среды и потенциальной устойчивости водоема, представленное соответствующими субиндексами ИПТ, ИПК, ИППУ. Построение интегральных показателей экологического статуса водоема (ИПЭС) выполнялось для равновесомых условий внутри уровней (блоков) и между ними. Выполнена серия экспериментов для отработки технологии построения ИПЭС. Сформулированы и рассмотрены в исследованиях три гипотезы, имеющие определяющее значение для построения интегральных показателей экологического статуса: 1 – гипотеза о необходимости построения разных моделей-классификаций для оценки ЭС объектов исследований; 2 – гипотеза о возможности учета разных моделей устойчивости систем при оценке ЭС; 3 – гипотеза о вариантности представления оценочных шкал для субиндексов при оценке ЭС. Рассмотрены результаты интегральной оценки ЭС ключевого водоема. Показано, что в течение 5 лет оз. Суури было способно сохранить свой ЭС (III класс, ближе к левой границе класса). Выполнена сравнительная оценка факторов, определяющих биопродукционную услугу первичного звена трофической цепи – продукции фитопланктона оз.Суури.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №19-05-00683 А «Теоретико-методологическое обоснование, математический аппарат и модели интегральной оценки экологического статуса и экологического благополучия водных объектов».

Литература

1. Паспорт специальности 25.00.27 Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. [Электронный ресурс]: Паспорта специальностей ВАК. URL: https://teacode.com › online › vak (дата обращения 13.03.2022).

2. Об утверждении номенклатуры научных специальностей, по которым присуждаются ученые степени и внесении изменения в Положения о совете по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, утвержденное приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 10 ноября 2017 г. №1093. Минобрнауки России. Приказ 24 февраля 2021 г. №118. Москва. 25 с. [Электронный ресурс]: Об утверждении номенклатуры научных специальностей…URL: https://vak.minobrnauki.gov.ru › uploader › loader (дата обращения 13.03.2022).

3. Дмитриев В.В., Федорова И.В., Огурцов А.Н., Седова С.А., Пленкина А. К. «Гидрология», «экология» и «геоэкология» в современных исследованиях водных объектов суши: акценты, проблемы, решения. Четвертые Виноградовские чтения. ГИДРОЛОГИЯ: ОТ ПОЗНАНИЯ К МИРОВОЗЗРЕНИЮ. Сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского гидролога Юрия Борисовича Виноградова. Санкт-Петербург, 2020 г. с.12-33.

4. Диагноз и прогноз термогидродинамики и экосистем великих озер России / Под редакцией Н. Н. Филатова // Коллективная монография. – Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2019. 251 с.

5. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy. Official Journal L 327, 22/12/2000, 73 p.

6. Hering, D., Carvalho, L., Argillier, C., Beklioglu, M., Borja, A., Cardoso, A.C., et al., 2015. Managing aquatic ecosystems and water resources under multiple stress — an introduction to the MARS project. Sci. Total Environ. 503–504, рр. 10–21.

7. Eugenio Molina-Navarro, Pedro Segurado, Paulo Branco, Carina Almeida, Hans E. Andersen Predicting the ecological status of rivers and streams under different climatic and socioeconomic scenarios using Bayesian Belief Networks. Limnologica 80 (2020) 125742 https://doi.org/10.1016/j.limno.2019.125742.

8. Седова С.А., Дмитриев В.В. Разработка методики интегральной оценки экологического статуса водоемов на примере малых озер северо – западного Приладожья. European Journal of Natural History. ОООИД «Академия Естествознания», 2020, №1, с.37-44.

9. Седова С.А., Дмитриев В.В., Третьяков В.Ю., Глушко А.А., Пленкина А.К. Оценка воздействия на водную экосистему и ее эмерджентные свойства на основе результатов имитационного моделирования и построения композитных индексов. Успехисовременногоестествознания. 2021. № 6. С. 132-142.

10. HovanovN.,HovanovK.,YudaevaM.Multicriteriaestimationofprobabilitiesonbasisofexpertnonnumeric,non-exactand non-complete knowledge. European Journal of OperationalResearch. 2009. 195(3), 857-863.

11. ЭкосистемныеуслугиРоссии: Прототипнациональногодоклада. Т. 1. Услуги наземных экосистем / Ред.-сост. Е.Н. Букварева, Д.Г. Замолодчиков. — М.: Изд-во Центра охраны дикой природы, 2016. — 148 с.