ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Горшкова А.Т.¹, Урбанова О.Н.²

¹Кандидат географических наук, ²Старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ В ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Аннотация

В статье представлены возможности выбора интегральных показателей для оценки экологических ситуаций в пределах различных операционно-территориальных единиц, в том числе и акваторий, и варианты оперирования сведениями базы данных «Автоматизированной Системы Оценки Водных Ресурсов» (АСОВР).

Ключевые слова: оценка экологической ситуации, база данных, интегральные показатели.

Gorshkova A.T.¹, Urbanova O.N.²

¹PhD in Geography, ²Senior researcher, Institute of Ecology and Natural Resources Academy of Sciences of the Tatarstan Republic

INDICATORS FOR THE ENVIRONMENTAL DIAGNOSTICS

Abstract

The article presents the choice of integrated indicators for the assessment of environmental situations within the various operational territorial units, including the waters, and variants of operating information database "Automated systems of information processing on Water" (ASOVR).

Keywords: estimate the environmental situation, databases, integrated indicators.

Нарастающий техногенный прессинг, обусловленный как темпами освоения территориального пространства, так и новаторским развитием технологий, значительно опережает не только скорости естественного восстановления нарушенных биогеосистем, но и скорости разработок мероприятий по их искусственной реконструкции. Совершенно очевидно, что для самой констатации угрозы возникновения и для предупреждения экологических катастроф необходимы достоверные экспресс-диагностика и комплекс конструктивных мер по устранению негативов, что определяет актуальность этих двух первостепенных для решения задач и направлений научного поиска. Сегодня, к сожалению, чаще объект «погибает», даже не дождавшись результата оценки сложившейся ситуации. Восстановить полностью деградировавший природный объект с нулевой стадии сукцессии чрезвычайно трудно, а, порой, и вовсе невозможно. Наиболее остро стоит вопрос восстановления водных объектов, замкнутых в городской черте, промышленных и агропромышленных зонах, местах разработки углеводородов. Для стимуляции возрождения нарушенных экосистем целесообразнее использовать знания об уже известных науке механизмах функционирования природных систем  и циклов саморегуляции. Важно уметь правильно оценить ситуацию и, используя уже имеющиеся знания, устранить негативные явления, появляющиеся в окружающей среде после провокаций антропогенным воздействием. При этом достовернее всего пользоваться интегральными диагностическими показателями, как это делается, например, в экономике, когда уровень комфортности проживания людей оценивается по цифровым значениям обеспеченного дохода отдельно рассматриваемой экономической системы на душу населения. Или такой показатель как “здоровье населения”, разложенный на отдельные категории диагностики заболеваний, объективно отражает характер метаболизма таких наиважнейших для жизнеобеспечения биосферных составляющих, как вдыхаемый воздух или употребляемые в пищу продукты питания и вода.

Проанализировав данные предшествующих наблюдений, мы рассчитали ряд интегральных величин для диагностики экологических ситуаций, и применили некоторые из известных ключевых механизмов природной саморегуляции для возобновления функционирования водных экосистем, утративших в результате антропогенного вмешательства естественный баланс биоценотического равновесия. В своих исследованиях мы пытаемся составлять различные наборы диагностических показателей для определения кризисных зон и территориальных образований, предрасположенных к природно-техногенным катастрофам, или выделять интегральные величины, достоверно отражающие состояние окружающей среды. Например, в целях усовершенствования мониторинга состояния почвенной, водной и воздушной сред по характеристикам снежного покрова введено использование нескольких информативных «меток» из состава тяжелых металлов (ТМ) [1. С.1; 2. С.1]. Метод позволяет получать картину распространения и накопления в различных средах и в различных пространственно-временных рамках токсичных веществ, что проявляет зоны с априори нарушенными механизмами обмена веществ и энергии. Также для пространственной оценки экологической ситуации по территории Республики Татарстан выведен интерпретированный показатель здоровья населения [3. С. 44-48]. В качестве эффективного средства экспресс-оценки состояния водной среды природных поверхностных водоёмов следует отметить и такую широко применяемую сегодня разработку, как способ контейнерного биотестирования [4. С. 1]. Все результаты обследований заносятся в специально разработанную и программно обеспеченную базу данных «Автоматизированную Систему Оценки Водных Ресурсов» (АСОВР) и в директорию ГИС, с помощью которых легко производится пространственный анализ любой заданной оперативно-территориальной единицы (ОТЕ). АСОВР содержит комплексный набор данных, поскольку состояние водных ресурсов само по себе является интегралом состояния окружающей среды (ОС). Показатели, касающиеся непосредственно водных ресурсов подразделены по ключевым характеристикам на два крупных блока - количественные и качественные. С помощью АСОВР осуществляется мониторинг динамики пространственно-временных трансформаций гидрологической сети территории Республики Татарстан (РТ). Например, выявлено, что за последние 60 лет прекратили своё существование 2446 рек разного порядка суммарной длиной 8045,2 км, в том числе затоплено водохранилищами 671 водотоков и по другим причинам 1775 [5. С. 504]. Для справедливости, надо отметить, что водотоки не только исчезают, но и появляются новые. Так, по исследованиям 2009-2015 гг., выявлено, что в бассейне Казанки – реки, в устье которой расположена столица Татарстана Казань, только за сорокалетний период суммарная величина гидрографической сети бассейна увеличилась более чем на 150 км. Изменилось число притоков 2, 3, 4 порядков и появились речки 5 порядка (по отношению к Казанке); в целом количество притоков возросло со 126 до 254 [6. С. 92]. Такое изменение в гидрографии обусловлено наблюдающимся усилением разгрузки подземных вод с Вятского Увала, что, в свою очередь, очевидно связано с фактором глобального потепления климата на планете или с периодом, так называемой, меридиональной эпохи атмосферной циркуляции. Увеличились при этом, соответственно, и значения расходов до 30%, и другие количественные параметры.

При необходимости развертывания задач до оценки состояния почвенного покрова, атмосферного воздуха, состояния ОС в целом, наборы параметров изменяются или сопровождаются вводом другой необходимой информации, также сохраняющейся в различных директориях основной базы данных.

Для оценки качественного состояния водных сред поверхностных водоёмов и водотоков, наряду с полным набором традиционно применяемых гидрохимических и гидробиологических методов, разрабатываются и новые, частности применимые для последующего пространственно-географического анализа, основным требованием которого является возможность пространственного сравнения числовых величин. Особенно актуальным представляется сегодня преобразование информации биологической направленности в целях картографирования. Наложение биологических параметров на географическую основу открывает возможность правильной расстановки акцентов при оценке экологической ситуации и грамотного планирования водохозяйственных нагрузок без ущерба биоразнообразию и угрозы деградации водных экосистем.

Традиционно, уже на протяжении полутора веков, определение биологической полноценности, или качества водной среды, проводится посредством гидробиологического анализа, который в своей основе преследует две цели: первая - это изучение систематики, морфологии, физиологии на фоне биоритмов, как базовые знания, и вторая - выявление отклонений от этих базовых норм, рассматриваемые как отклик живой составляющей на дискомфорт в окружающей среде. При этом оценка состояния качества исследуемой естественной должна основываться, в первую очередь, на следующих предпосылках: что среда - это пространство обитания живых существ, и чем лучше среда обитания, тем комфортнее существование. Структурно-видовая композиция смешенных планктонных сообществ в полной мере несет в себе отпечаток комфортности водной среды, а значит, структура сообщества животных есть суть производное ее функциональности. Она не определяет ситуацию, но является ее отражением [7. С. 24]. Однако если изменить структуру воздействием извне, то она начинает определять ситуацию. Основываясь на данном принципе и внеся ряд поправок в первоначальные представления о формировании структуры с учетом адаптационного фактора, мы рассчитали новый показатель комбинаторики видовой структуры смешенных сообществ гидробионтов в качестве оценочного критерия эколого-биоценотического равновесия в водной среде. Названный коэффициентом структурной организации смешенного сообщества гидробионтов (К_st), показатель отражает в единой числовой матрице как потенциальную устойчивость исследуемых водных экосистем, так и уровень свойственного им самоочищения [8. С. 63-64]. Эмпирически выявлено, что региональные эврибионты обладают повышенной адаптационной способностью и одинаково хорошо приспосабливаются к жизнеобитанию, как в чистых, так и в грязных водах. Учитывая то, что олиго - и альфа - полисапробы более консервативны и практически не меняют своих приоритетов, в основу расчёта заложено процентное соотношение одновременно присутствующих в водной толще каждого конкретного водоема, экосистемы или континуума экосистем организмов “чистых” (олиго-) и “грязных” (альфа - поли) сапробов. Количество идентифицированных эврибионтов (из числа бета - сапробов), названных фоновыми видами, делится пополам и увеличивает процент и в числителе и в знаменателе. Для определения скрытого потенциала «мертвых» водоёмов необходима более длительная процедура, осложнённая необходимостью выведения активных форм планктона из латентных стадий, находящихся в донном субстрате. Таким образом, при наличии фактического материала, производящегося посредством натурного отбора проб, и возможности его преобразования в отвлеченную безразмерную величину, сама собой отпадает необходимость допускающих серьезный процент ошибки экстраполяций и моделирования многофакторного взаимодействия. Если все прочие, особенно опирающиеся на количественные данные, показатели гидробиологии и гидрохимии осложнены свойственными динамичной водной среде колебаниями, то значения К_st остаются практически в единых цифровых рамках. Таким образом, если количество организмов и представительство видов в высоко динамичной среде постоянно меняется, то биологический потенциал ее, то есть возможность сопротивляться и восстанавливаться, выраженный через соотношение представительства видов с устойчивой сапробной валентностью, остается стабильным. Чем больше величина коэффициента, тем более устойчивая экосистема, тем больше у нее возможностей к саморегуляции, самовосстановлению, самоочищению за счет большего спектра функциональности составляющих ее сообщество видов. Если коэффициент больше единицы, то исследуемая водная среда обладает высоким потенциалом самоочищения, и экологическая ситуация устойчивая. Равенство коэффициента единице означает, что экосистема водоема подвержена умеренному загрязнению и нестабильна, экологическая ситуация расценивается как умеренно-напряженная. Если же коэффициент оказывается меньше единицы, то мы имеем дело с деградирующей средой, испытывающей нагрузку, превышающую пределы возможной терпимости экосистемы, экологическая ситуация приравнивается к напряженной. Расчеты качества вод таким способом удобны, поскольку оценка может производиться в оперативном режиме по результатам единовременного обследования, к тому же пригодны и для пространственного анализа экологической ситуации и прогнозирования экологической обстановки. Пересчёт данных гидробиологического мониторинга в соразмерную величину К_st позволил создать инновационную легенду карты качества поверхностных вод РТ [9. С. 76-89]. Конечно, для оценки ситуации по К_st необходимы для идентификации видового состава гидробионтов квалифицированные систематики. Но возможны варианты не менее достоверной оценки, полученные другими способами, как, например, способ контейнерного биотестирования. Тенденции изменения экологических ситуаций как регионального, так и глобального масштабов определяются на основе анализа динамики изменения структуры видового представительства обитающих видов и фиксируемых явлений их эволюционирования на видовом, популяционном и генетическом уровнях. Для выполнения достоверного анализа ситуации, проведения кратковременной или пролонгированной экологической экспертизы необходима база данных по встречаемости видов, их количественного представительства на определённых территориях (акваториях). На территории Республики Татарстан фиксируется присутствие порядка пятисот видов гидробионтов из числа совокупного количества представителей подклассов: веслоногих ракообразных Copepoda, ветвистоусых ракообразных Cladocera и коловраток Rotatoria. Пространственная распространённость видов неоднородна, что обусловлено качеством водной среды обитания, гидрологической и гидрохимической разностью условий обитания, изменениями воздействия природных и антропогенных факторов. Для проведения оценки экологической ситуации крайне необходима исходная  первичная информация о достоверных фактах обнаружения тех или иных видов в пределах определённых акваторий анализируемых операционно-территориальных единиц. Исходя из вышеизложенного, нами была создана «Интерактивная БД «Зоопланктон» (для экологической экспертизы) [БД «Zoo»]» (далее [БД «Zoo»]) , основное предназначение которой заключается в: 1) оперативной первичной идентификации видового состава организмов зоопланктона с использованием содержащихся в специальных директориях базы данных сведений из наиболее популярных и достоверных определителей пресноводной фауны, 2) получении информативного блока сведений о составе фауны, обнаруживаемой в разные периоды времени, включающих: видовой состав, размерные величины, отклонения от морфометрических параметров, характеристики численности и биомассы, расчётные индексы и коэффициенты качества среды, уровня самоочищения и степени устойчивости экосистемы; 3) возможности проведения сравнительного анализа состояния биоразнообразия; 4) определении скорости и тренда динамики происходящих преобразований с выделением причин возникновения неблагоприятных ситуаций; 5) возможности вывода информации на наглядные картографические основы и дальнейшей работы с ними в векторном и растровом режимах [10. С. 1] .

[БД «Zoo»] могут пользоваться специалисты широкого профиля - экологи, биологи, биогеографы, химики и математики. Директории БД могут пополняться в пределах любых заданных границ территориальных образований, как в пределах отдельных регионов (как Республики Татарстан), так и России в целом и любой другой территории земной поверхности, что придаёт разработке элемент универсальности. Планируется размещение БД в открытом доступе, поскольку пополнение и обновление [БД «Zoo»] доступно для любого пользователя. Для работы с базой данных была создана программа, позволяющая вводить и редактировать данные и графическую информацию, выполнять поиск по виду организма и/или местоположению [11. С. 1].

Программы написаны на языке C++ в среде QT (ведение справочников) и Python 2.7 (рабочий модуль для QGIS). В качестве картографической основы используются карты, подготовленные в среде QGIS, являющейся рабочей средой. Тип ЭВМ: х86 ОС:Windows XP. Семантика [БД «Zoo»] предусматривает несколько путей поиска в интерактивной базе данных – по виду зоопланктёров и по географическому объекту, последний путь подразумевает, соответственно, два варианта – по привязке к водотоку или любому участку его бассейна.

Наличие большой матрицы сведений о видовых признаках, рисунков и иллюстраций позволяет специалистам идентифицировать виды организмов непосредственно в БД с использованием введённой информации из общепризнанных достоверными определителей пресноводной фауны. Особенно облегчается процесс определения гидробионтов с присоединением к комплексу микроскопа или бинокуляра, снабженных веб-камерой. При использовании программного комплекса [БД «Zoo»] появляется возможность производить необходимые расчёты, например, коэффициента К_st для пространственного анализа, и выводить данные на картографическую основу (рисунок 1).

Рис. 1 - Уровень устойчивости водных экосистем в бассейновой структуре Казанки на основе расчёта К_st

Таким образом, количественные параметры (численность, биомасса, продукция), а также индексы и коэффициенты, на которых основаны методы определения уровня загрязнения водоёмов и водотоков либо изначально заносятся в информационные блоки [БД «Zoo»], либо могут быть рассчитаны при помощи обеспечивающей программы.

Надо отметить, что в целом экологическая ситуация определяется множеством взаимодействующих факторов её формирования, поэтому все площадные модели водных бассейнов территории республики, занесённые в БД АСОВР постепенно снабжались необходимым набором информации по структуре ландшафтов, по уровню антропогенной нагрузки, по экономическому и биогеоценотическому потенциалу территориальных комплексов и многим другим параметрам. В этапах выполнения научных исследований заложены работы по модификации методов многофакторного и покомпонентного анализов, разработки новых подходов к моделированию гидроэкологических ситуаций, методов оценивания антропогенной нагрузки на площадные элементы водосборов. Все составляющие наработки интегрируются и используются в нужных вариантах ситуационной оценки. Совокупность получаемой информации используется, для глобальной перспективной разработки многофункционального назначения - создания геоинформационной покомпонентной гетерогенной пространственно-скоординированной системы обработки информации.

Литература

1. Патент РФ на изобретение «Способ определения содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе» № 2285916 от 19.07.2005. Патентообладатель: Институт экологии природных систем АН РТ. Авторы: Валетдинов А.Р., Валетдинов Р.К., Горшкова А.Т., Фридланд С.В., Шлычков А.П. // Опубликовано Бюлл. № 29 - 20.10.2006 г. С 1
2. Патент РФ на изобретение №2310844 от 23.11.2005 «Способ оценки интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами». Патентообладатель: Институт экологии природных систем АН РТ. Авторы: Валетдинов А.Р., Валетдинов Ф.Р., Горшкова А.Т., Фридланд С.В., Шлычков А.П.//Опубликовано 20.11.2007 г. Бюлл. №32. С. 1
3. Шакирова Ю.А., Горшкова А.Т., Трофимов А.М. Методика исследования пространственного распределения заболеваемости населения как комплексного интегрального показателя качества окружающей среды (на примере Республики Татарстан)// Южно-российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. – 2007. - №9 (22).- С. 44-48.
4. Патент РФ на изобретение № 2326381 от 15.03.2007. «Способ определения загрязнённости водного объекта с использованием гидробионтов». Патентообладатель: Институт экологии природных систем АН РТ. Авторы: Шагимарданов Р.А., Горшкова А.Т., Николаев В.А., Низамова Л.С., Валетдинов Ф.Р. // Опубликовано 2008 г. С. 1
5. Горшкова А.Т., Гольмгрейн В.Е., Гольмгрейн Л.А., Исламова Л.В., Мавляутдинова Г.С., Мишина О.В. и др. Гидрографический справочник Водные объекты республики Татарстан – Казань: ОАО «ПИК «Идель-пресс», 2006. – 504 с.
6. Горшкова А.Т. , Урбанова О.Н., Минуллина А.А., Ионова Ю.С., Валетдинов А.Р. Методология гидрологических исследований/Региональный подход к усовершенствованию системы расчетов водных ресурсов бассейна малой реки (на примере реки Казанка). LAP LAMBERT Akademic Publishing – 2012 – С. 92
7. Горшкова А.Т. Пространственный анализ биологического потенциала устойчивости водных экосистем (на примере поверхностных вод РТ): автореф. дис. канд. географ. наук: 25.00.23: защищена 15.07.03 / А.Т. Горшкова; ЯГПУ. - Я., 2003.-24 с.
8. Горшкова А.Т. Использование показателя комбинаторики видовой структуры сообществ гидробионтов в качестве оценочного критерия Эколого-биоценотического равновесия водной среды./Биоразнообразие и роль животных в экосистемах.//Сборник трудов 4 международной научной конференции 9-12 октября 2007г. г. Днепропетровск. Изд-во ДНУ, 2007. стр. 63-64.
9. Атлас РТ. Водные ресурсы. Предс. ред. коллегии Р.Н. Минниханов. Гл. ред. Б.Г. Петров. Пр. картосоставительское объединение «Картография». Москва. 2005. С.-76-89.
10. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2016620446 «Интерактивная база данных «Зоопланктон» (для экологической экспертизы) [БД «Zoo»]». Правообладатель: Государственное научное бюджетное учреждение Академия наук Республики Татарстан (ГНБУ «Академия наук РТ») (RU). Авторы: Горшкова А.Т. (RU)., Семанов Д.А. (RU)., Валетдинов А.. Р(RU)., Бортникова Н.В. (RU). Зарегистрировано в Реестре баз данных 12.04 2016. С. 1
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016614722 Программное обеспечение Пр ЭВМ «Зоопланктон» (для целей экологической экспертизы) [для БД «ZOO»]. Правообладатель: Государственное научное бюджетное учреждение «Академия наук Республики Татарстан» (ГНБУ «Академия наук РТ») (RU). Авторы Горшкова А.Т. (RU)., Семанов Д.А. (RU)., Валетдинов А.Р. (RU)., Бортникова Н.В. (RU). Зарегистрировано в Реестре баз данных 28,04.2016. С. 1

References

1. RU patent for the invention "Method for determining the content of heavy metals in the air," number 2,285,916 on 19.07.2005. Patent holder: Institute of Natural Systems Ecology Tatarstan Academy of Sciences. Authors: Valetdinov AR Valetdinov RK, AT Gorshkova, S. Friedland, Shlychkov AP // Posted Bull. Number 29 - 20.10.2006
2. RU patent №2310844 from 23.11.2005 "Method for evaluating the intensity of soil contamination with heavy metals." Patent holder: Institute of Natural Systems Ecology Tatarstan Academy of Sciences. Authors: Valetdinov AR Valetdinov FR, AT Gorshkova, S. Friedland, Shlychkov AP .// Posted 20.11.2007 Bull. №32.
3. Shakirova Y.S, Gorshkova A.T, Trofimov A.M. Methods of study of the spatial distribution of morbidity as a complex integral index of quality of the environment (on the example of the Republic of Tatarstan) // South-Russian Gazette geology, geography and global energy. - 2007. - №9 (22) .- S. 44-48.
4. RU patent number 2,325,640 from 01.02.2007. "A method for evaluating the intensity of pollution of snow cover" Patentee: Institute of Natural Systems Ecology Tatarstan Academy of Sciences. Authors: Valetdinov AR Valetdinov RK, Valetdinov FR, AT Gorshkova, S. Friedland, Shlychkov AP .// Posted 27.05.2008. Bull. Number 15.
5. Gorshkova A.T., Golmgreyn.V.E., Golmgreyn L.A, Islamov L.V., Mavlyautdinova G.S., Mishina O.V., Moshkova L.V., Petrov B.G., Semanov D.A., Serebryakov A.V., Serebryakov D.A., Urbanova O.N., Khalilov S.D., Chetanova N.A. Water bodies of the Republic of Tatarstan // Hydrographic reference. Kazan, OAO "Peak" Idel-Press ", 2006, 504 p.
6. Gorshkova A.T., Urbanova O.N., Minnullina A.A., Ionova Y.S., Valetdinov A.R. The methodology of hydrological research / regional approach to improve the system of calculation of water resources of the river basin of the small (by the example of the river Kazanka). LAP LAMBERT Akademic Publishing - 2012 - S. 92. (ISBN: 978-3-8383-4684-7)
7. Gorshkova A.Т. Spatial analysis of the biological potential of the sustainability of aquatic ecosystems (for example, surface water PT) // abstract for the degree of PhD in Geography Yaroslav, 2003. 24 S.
8. Gorshkova A.T. Using combinatorial indicator species structure of aquatic communities as an evaluation criterion Ecological biocenotic balance of the aquatic environment / Biodiversity and role of animals in ecosystems .// 4 Proceedings of the International Conference October 9-12, 2007. Dnepropetrovsk. Publishing house of the DNU, 2007. pp. 63-64.
9. Atlas of the Republic of Tajikistan. Water resources. PreSed. Ed. board RN Minnikhanov. Ch. Ed. BG Petrov. Pr. Mapping Association "Cartography". Moscow. 2005, pp-76-89.
10. The certificate of state registration number 2016620446 database "Interactive Database «Zooplakton» (for environmental impact assessment." Copyright: State scientific budgetary institution Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan (GNBU "Academy of Sciences of RT») (RU). Authors: Gorshkova A.T., Semanov D.A., Valetdinov A.R., Bortnikova N.V. Registered in the Register database on April 12, 2016.
11. The certificate of state registration of the computer program № 2016614722 software database «Zooplakton» (for environmental impact assessment). Copyright: State scientific budgetary institution Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan (GNBU "Academy of Sciences of RT») (RU). Authors: Gorshkova A.T., Semanov D.A., Valetdinov A.R., Bortnikova N.V. Registered in the Register database on April 28, 2016.