A study of the interdisciplinary potential of ULEC on the examples of lakes in Russia, Abkhazia, and Turkey

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.122.85
Issue: № 8 (122), 2022
Suggested:
24.07.2022
Accepted:
04.08.2022
Published:
17.08.2022
2022
9
XML
PDF

Abstract

With the global shortage of fresh water, the problems of lake environmental management are of primary importance, where close attention is paid to theoretical and practical issues of sustainable use, protection and restoration of lake ecosystems. At present, in order to solve the problems of sustainable use of lakes - their classification becomes particularly important. Currently, there are numerous limnological classifications based on the identification of a single lake attribute. Such classifications, evaluating lake by one parameter, are one-parameter and do not allow evaluating lake water body as a whole taking into account socio-economic problems. Multi-parameter classifications are extremely rare and are essentially universal, capable of solving complex problems.

The present work is dedicated to the study of interdisciplinary potential of the Universal Limnicological and Ecological Classification (ULEC) on the example of lakes in Russia, Abkhazia and Turkey. ULEC takes into account all major components of the lake system, allows describing the type of lake in a single formula, is suitable for use on a global scale to solve problems of lake environmental management of different levels.

1. Введение

Вода - самый важный из вовлекаемых в человеческое хозяйство природных ресурсов, по объему ежегодного использования она намного превосходит массу всех вместе взятых других добываемых ресурсов [1]. Запасы воды на нашей Планете колоссальны, однако доля пресных вод из общих запасов воды на Земле составляет всего не более 2,4% [2]. Водные объекты являются особо значимыми с точки зрения устойчивого развития территорий [3]. Трудно переоценить влияние общеэкологического состояния водных объектов на нашу жизнь. В разрезе континентальной глубины в первую очередь выступают озера (из жидкой поверхностной пресной воды более 80% содержится в озерах [4]). Озерный фонд обладает важными ресурсами, имеющими особую экологическую и социально-экономическую значимость.

Водные ресурсы лимносистем используют для решения задач водопотребления и водопользования, озерные экосистемы демпфируют техногенное негативное воздействие на окружающую среду, служат рекреационной зоной и определяют устойчивость природного биоразнообразия. Вместе с тем они одними из первых подвергаются антропогенному воздействию и деградируют под действием негативных внешних факторов. В подобных условиях особенно важно проведение инвентаризации [5] и непрерывного мониторинга состояния лимностистем с автоматизированным мониторингом динамики состояния ключевых классификационных параметров и факторов внешнего воздействия. Успешное решение данной задачи напрямую определяется методикой классификации, спектром контролируемых признаков и их детализацией.

2. Методы и принципы исследования

Настоящая работа выполнена на кафедре Природообустройства и водопользования, в Лаборатории оптимизации водных экосистем Казанского (Приволжского) федерального университета в сотрудничестве с Институтом экологии АН Абхазии и факультетом рыбного хозяйства Университета Мугла (Турция).

Исследование в данной области ведутся с 1990-х гг., при помощи разработанной Н.М. Мингазовой Эколого-лимнологической классификации (ЭЛК) классифицировались озера Поволжья. За годы применения ЭЛК в регионе стало очевидно, что ее возможности шире региональной классификации. На основе ЭЛК была разработана универсальная лимно-кологическая классификация (УЛЭК), пригодная для использования в мировом масштабе и для решения различных задач озерного природопользования.

3. Основные результаты

В настоящее время существует большое количество классификаций, в основу которых положены отдельные признаки водоемов [6]. Среди них можно выделить географические, генетические (по происхождению), морфометрические, термические, гидрологические, гидрохимические, гидробиологические и др. Такие лимнологические классификации, оценивающие озеро по одному параметру, можно считать однопараметровыми. Многопараметровые же классификации крайне редки и являются по сути универсальными, способным решать комплексные задачи озерного природопользования разного уровня. Методики обработки данных должны учитывать интенсивное развитие первичных преобразователей, вычислительной техники и широкое применение нечеткой логики, машинного обучения и искусственного интеллекта. По этой причине была поставлена задача создания целевой универсальной лимно-экологической классификации (УЛЭК), пригодной для классифицирования озер мира [7].

Для создания универсальной лимно-экологической классификации (УЛЭК) классические лимнологические параметры и признаки подверглись существенной доработке. В результате структура классификации приняла следующий вид: 7 параметров, 15 признаков, 84 показателя, всего 8820 дифференцированных состояния. С прицелом дальнейшей машинной обработки проработана методика кодирования критериев: для обозначения признака используется первая буква его названия в английском варианте, а показатели обозначаются цифрами. Каждый признак включает в себя от 4 до 18 показателей. У каждого параметра имеется свое обоснование, являющееся приложением классификации с указанием литературного источника.

Структура УЛЭК в общем виде:

Географический параметр включает два признака: географическая зона (Geographical Zone) с показателями Z (Z1- тропические, Z2 - субтропические, Z3 - умеренные и Z4 –арктические) и высота над уровнем моря (Height above Sea Level) с показателями Sl (Sl1-очень низкий (0-200м); Sl2-низкий(200-500м); Sl3-средний (500-1000м); Sl4-высокий (1000-2000м); Sl5-очень высокий (выше 2000м)).

Генетический параметр включает один признак - генезис (происхождение) озер (Genesis of lake holes) с показателями G: Тектонические – G1; вулканические – G2; гляциогенные (ледниковые) – G3; пойменные (долинные, речные) – G4; старичные – G5; карстовые – G6; термокарстовые – G7; междюнные (дюнные) – G8; суффозионные – G9; реликтовые озера – G10; гравитационные – G11; эоловые – G12; флювиальные –G13; моренные – G14; гидрогенные – G15; лиманные – G16; метеоритовые – G17; искусственные – G18.

Морфометрический параметр включает два признака: площадь (Area)  с показателями A (А1 – очень большая, свыше 1000 км²; А2– большая, от 101 до 1000 км²; А3 – средняя, от 10 до 100 км²; А4 – малая, от 1 га до 10 км²; А5 – очень малая, озерки (до 1 га) и глубина (Depth) с показателями D (D1 – очень большая, свыше 100 м; D2 –большая, свыше 50 м; D3 – средняя, от 11 до 50 м; D4 – малая, от 5 до 10 м; D5 – очень малая, до 5 м).

Гидрологический параметр включает два признака: водный баланс (Water balance) с показателями W (W1 – проточное; W2 –приточное; W3 –сточное; W4 –бессточное); режим перемешивания воды (Mixing type of water) с показателями  Mix (Mix1 – димиктические; Mix2 – меромиктические; Mix3 – мономиктические; Mix4 – амиктические  и Mix5 – постоянно перемешивающиеся).

Гидрофизический параметр включает два признака: температурный режим (Temperature) с показателями Т (Т1 – холодные: tср<10°C; Т2 – умеренные: tср = 10-15°C; Т3 – тёплые: tср = 15-20°C;  Т4 – очень тёплые: tср = 20 -30°C; Т5 – горячие (термальные) озера с : tср > 30°C); прозрачность (TranSparence of water) с показателями S (S1 – очень высокая – более 12 м; S2 – высокая, от 6-12м; S3 – средняя, от 3-6 м; S4 –низкая, от 1,5 – 3 м; S5 – очень низкая, менее 1,5 м).

Гидрохимический параметр включает три признака: минерализация (Mineralization) с показателями M (M1 – очень малая, до 100 мг/л; M2 – малая, 100-200 мг/л; M3 – средняя, 200-500 мг/л; M4 – олигогалинные, 0,5-5 г/л; M5 – мезогалинные, 5-18 г/л; M6 – полигалинные – 18-30 г/л); ионный состав (Ion composition) с показателями I (I1 –гидрокарбонатной, I2 – сульфатной и I3 – хлоридной, каждая из которых в свою очередь подразделяется на 1-Ca, 2-Mg и 3-Na-K – эти обозначения указываются в скобках) и водородный показатель (Ph) с показателями Ph (Ph1 – нормальные (6,5-8,5); Ph2 – кисловатые(6,4-5); Ph3 – подщелоченные(8,6-9,5); Ph4 – кислые (ниже 5); Ph5 –щелочные (выше 9,5).

Гидробиологический параметр включает три признака: трофический статус (Trophic status) с показателями Tr (Tr1-ультраолиготрофный; Tr2 – олиготрофный; Tr3 – мезотрофный; Tr4 – эвтрофный; Tr5 – гипертрофный; Tr6 –дистрофный); флора (Flora) с показателями Fl (Fl1 – слабозарастающие озера; Fl2 –макрофитные озера, с богатым видовым составом; Fl3 – макрофитные озера с низким видовым разноо­бразием; Fl4 – планктонные озера) и фауна (Fauna) с показателями Fa (Fa1 – рыбные с редкими видами; Fa2 –рыбные с богатым видовым составом; Fa3 – рыбные с фоновыми видами; Fa4 – безрыбные озера).

Универсальная лимно-экологическая классификация (УЛЭК) учитывает все основные компоненты озер, описывает тип озера в виде единой формулы и может быть пригодна для использования в мировом масштабе. Основным отличием УЛЭК является мультикритериальность, высокая дискретность и объединение всех признаков классифицирования озер в виде единой формулы, что позволяет применять машинные методы обработки данных для типизации и инвентаризацию озерного фонда разного уровня, помогает выявлять отдельные типы озер в зависимости от поставленных задач озерного природопользования и решения конкретных практических задач по использованию озерных ресурсов (проведение мер охраны и восстановления озер, типизация объектов озерного фонда в зависимости от природоохранных и социально-экономических целей).

При помощи УЛЭК с использованием результатов широкомасштабной инвентаризации водных объектов и на основании экологических паспортов и Реестров водных объектов г. Казани была проведена типизация более 170 озер г. Казани [8].

4. Обсуждение

В качестве возможности использования УЛЭК приводятся формулы ключевого озера в г. Казань – Нижний Кабан и самого известного озера РФ – Байкал.

Индивидуальный профиль по УЛЭК озера Нижний Кабан (г. Казань, Среднее Поволжье, РФ) по УЛЭК выглядит следующим образом:

Z3 Sl2 G5-6 A4 D3 W4 T3 Mix1 S5 M4 I2(1) Ph3 Tr5 Fl3 Fa3 (зонально умеренное, старично-карстовое, малое, среднеглубинное, бессточное, тепловодное, димиктическое, с очень низкой прозрачностью вод, олигогалинное, сульфатно-кальциевое, с подщелачиваемыми водами, гипертрофное, макрофитное с низким видовым разнообразиемв, рыбное с фоновыми видами рыб).

Озеро Нижний Кабан (г. Казань, РФ)

Рисунок 1 - Озеро Нижний Кабан (г. Казань, РФ)

Индивидуальный профиль озера Байкал (РФ) [9]:

Z3 Sl3 G1 A1 D1 W1 T2 Mix1 Tw1 M2 I1(1) Ph1 Tr1 Fl2 Fa1 (зонально умеренное, тектоническое, очень большое, с очень большой глубиной, проточное, умеренное по температурному режиму, димиктическое, с очень высокой прозрачностью вод, маломинерализованное, гидрокарбонатно-кальциевое, с нормальными нейтральными по реакции среды водами, ультраолиготрофное, макрофитное с богатым видовым разнообразием, рыбное с редкими видами.

В результате сотрудничества с Институтом экологии АН Абхазии и на основе фондовых данных многолетних исследований озёр Абхазии лабораторией оптимизации водных экосистем КФУ была проведена апробация УЛЭК [10]. В данной работе приводятся формулы двух озер Абхазии: самого известного озёра Абхазии- Большая Рица и уникального озёра Скурча искусственно-лиманного происхождения.

Индивидуальный профиль озера Большая Рица (Абхазия):

Z2 Sl3 G1 A4 D2 W1 Mix1 S2 M1 I1(1) Ph1 Tr3 Fl2 Fa2 (зонально субтропическое, со средней высотой над уровнем моря, тектоническое, малое, с большой глубиной, проточное, димиктическое, с высокой прозрачностью вод, с очень малой минерализацией, гидрокарбонатно-кальциевое, с нормальными нейтральными по реакции среды водами, мезотрофное, макрофитное с богатым видовым разнообразием, рыбное с богатым видовым составом.

Озеро Большая Рица (Абхазия)

Рисунок 2 - Озеро Большая Рица (Абхазия)

Индивидуальный профиль озера Скурча (Абхазия):

Z2 Sl1 G15-17 A4 D3 W1 Mix1-2 S5 M5 I2 Ph3 Tr4 Fl2 Fa2 (зонально субтропическое, с низкой высотой над уровнем моря, искусственно-лиманное, малое, со средней глубиной, проточное, димиктическое (в прошлом меромиктическое), с очень низкой прозрачностью вод, полигалинное (по средней минерализации, в верхнем слое до 1 г/л, в нижнем – до 27г/л), сульфатно-хлоридное, с подщелачиваемыми водами, эвтрофное, макрофитное с богатым видовым разнообразием, рыбное с богатым видовым составом.

В рамках коллаборации с факультетом рыбного хозяйства Университета Мугла и профессором N. Özdemir была проведена апробация УЛЭК на озере Кёйджегиз (провинция Мугла, Турция)11. В результате получен индивидуальный профиль озера Кёйджегиз:

Z2 Sl1 G1-16 A3 D3 W2 T3 Mix2 S4 M4 I2 Ph3 Tr3-4 Fl2 Fa2 (субтропическое, с очень низкой высотой над уровнем моря, тектоничеcко-лиманное, среднее, средней глубиной, приточное, тёплое, меромиктическое, с низкой прозрачностью, олигогалинное, сульфатное, подщелоченное, мезо-эвтрофное, макрофитное с высоким видовым разнообразием, рыбное с богатым видовым разнообразием.

Озеро Кёйджегиз (провинция Мугла, Турция)

Рисунок 3 - Озеро Кёйджегиз (провинция Мугла, Турция)

На основе фондовых данных исследований лабораторией оптимизации водных экосистем КФУ была проведена апробация УЛЭК на озере Изник (провинция Бурса, Турция) [12]. Индивидуальный профиль озера Изник:

Z2 Sl1 G1 A2 D2 W1 T3 Mix1 S3 M3 I1(2) Ph3 Tr3-4 Fl2 Fa2 (субтропическое, с очень низкой высотой над уровнем моря, тектоническое, большое, с большой глубиной, проточное, тёплое, димиктическое, со средней прозрачностью, со средней минерализацией, гидрокарбонатно-магниевое, подщелоченное (pHср=8,5), мезо-эвтрофное, макрофитное с богатым видовым разнообразием, рыбное с богатым видовым разнообразием.

5. Заключение

В современном мире проблема «чистой воды» принимает глобальный масштаб. В первую очередь это относится к пресным водам и озерному фонду, где сосредоточено более 80% всех пресных вод. Методологическая база классификации озерных объектов является одним из наиболее сложных теоретических междисциплинарных вопросов. Наличие классификации и глубина её разработки – важное условие для реализации научных достижений и дальнейшего прикладного использования озерных ресурсов. В процессе классификационной деятельности в зависимости от прикладной задачи озерные объекты объединяется в некоторое число типологических групп и создаётся научная основа для разработки мероприятий по рациональному использованию, охране и восстановлению озерного фонда. Авторами предложена универсальная лимно-экологичсекая классификация (УЛЭК). Основным отличием УЛЭК является мультикритериальность, высокая дискретность и объединение всех признаков классифицирования озер в виде единой формулы, что позволяет применять машинные методы обработки данных для типизации и инвентаризацию озерного фонда разного уровня.

В ходе исследования и проведенной апробации на озерах России, Абхазии и Турции подтверждён потенциал применения УЛЭК в качестве практического инструмента при решении широкого круга междисциплинарных задач (лимнологических, экологических, биологических, географических, социально-экономических и др.).

Article metrics

Views:2022
Downloads:9
Views
Total:
Views:2022