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

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.

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.

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].

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).

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

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.85.1

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.

Рисунок 2 - Озеро Большая Рица (Абхазия)

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.85.2

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.

Рисунок 3 - Озеро Кёйджегиз (провинция Мугла, Турция)

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.85.3

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.

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.).