Техногенные воздействия на геосистемы. Природно-техногенные комплексы
Очень важной проблемой является сосуществование и взаимодействие естественных ландшафтов и встроенных в них человеком искусственных сооружений, устройств, насколько меняется ландшафт при изменении растительного покрова, при изменении режима течения рек, при строительстве водохранилищ, карьеров, шахт и т.д.
Встроенные в ландшафт или в геосистемы любого ранга искусственные сооружения или вносимые в него новые элементы (посевы новых культур, здания, сооружения) функционируют в нем, подчиняясь природным законам. Новые техногенные или антропогенные объекты физически входят в ландшафт, становятся его элементами, но ландшафт остается природной системой. В некотором смысле неважно, как появился в составе ландшафта тот или иной элемент: образовался водоем в результате естественной запруды на реке, или человек насыпал в русле плотину, образовался овраг естественным путем или в результате неправильной распашки склонов. Важно то, что эти элементы "работают" вместе с природными и именно их взаимодействие нужно изучать, чтобы уменьшить негативные последствия изменения ландшафта.
При оценке воздействий человека на природу, конкретно, на определенные геосистемы, в том числе и на ландшафты, надо иметь в виду фундаментальное обстоятельство, заключающееся в том, что как бы сильно не был изменен ландшафт человеком, в какой бы степени не был насыщен результатами человеческого труда, он остается частью природы, в нем продолжают действовать природные закономерности. Человек не в состоянии отменить объективные законы функционирования и развития геосистем, снивелировать качественные различия между ландшафтами тайги и степи, степи и пустыни.
Воздействие человека на ландшафт следует рассматривать как природный процесс, в котором человек выступает как внешний фактор. При этом надо иметь в виду, что новые элементы, внедряемые человеком в ландшафт (пашни, сооружения, техногенные выбросы) не вытекают из структуры ландшафта, не обусловлены им и поэтому оказываются чужеродными элементами, не свойственными конкретному ландшафту. Поэтому ландшафт стремится отторгнуть их или "переварить", модифицировать. В связи с этим, антропогенные элементы, внедряемые в ландшафт, являются неустойчивыми, неспособными само-
- 13 -
стоятельно существовать без постоянной поддержки человека. Так, культурные растения, если за ними не ухаживать, не возобновлять, будут вытеснены "дикими", пашня - зарастет, каналы в земляном русле – или заплывут или будут меандрировать, как реки, здания – разрушатся.
Следствием этого, во-первых, является необходимость постоянной затраты человеком труда и ресурсов на поддержание таких элементов, необходимость ухода, ремонта, реконструкции, а во-вторых, для повышения устойчивости внедряемых элементов человек должен максимально уменьшать их "чужеродность" для ландшафта (см. принцип природных аналогий).
Для оценки характера и глубины техногенного воздействия, определения допустимого предела воздействия или допустимой антропогенной нагрузки на геосистему, за которыми наступают необратимые и нежелательные ее изменения, необходимо в каждом конкретном случае определять устойчивость геосистемы к техногенным нагрузкам.
Всякая геосистема приспособлена к определенным условиям, в пределах которых она устойчива и нормально функционирует даже при возмущениях внешних природных факторов (динамичность геосистемы). Техногенные возмущения часто превосходят природные, они более разнообразны, некоторые вообще отсутствуют в природе, например загрязнение искусственными веществами. Все это вызывает необходимость в специальных исследованиях реагирования геосистемы на конкретные воздействия, которые должны быть положены в основу проектов по природопользованию и природообустройству. Отметим здесь важность долговременных количественных прогнозов поведения геосистем при разных вариантах техногенных воздействий.
Приведем общие критерии природной устойчивости геосистем. Прежде всего - это высокая организованность, интенсивное функционирование и сбалансированность функций геосистем, высокую биологическую продуктивность и возобновимость растительного покрова. Эти качества определяются оптимальным соотношением тепла и влаги, а находят свое выражение в степени развитости почвенного покрова, в конечном итоге, в плодородии почв.
Так, тундровые ландшафты с недостатком тепла имеют слаборазвитые почвы, они очень неустойчивы при техногенных нагрузках, сильно ранимы и очень медленно восстанавливаются. Дефицит тепла определяет низкую активность биохимических процессов, медленную самоочищаемость от промышленных выбросов. При разрушении растительного и почвенного покровов нарушается тепловое равновесие многолетнемерзлых пород, что вызывает про-
садки, разрушение фундаментов сооружений и т.п.
Таежные ландшафты в целом более устойчивы из-за лучшей обеспеченности теплом и благодаря мощному растительному покрову, здесь формируются естественно не очень плодородные подзолистые почвы, но отзывчивые на высокую культуру земледелия. Интенсивный влагооборот способствует
- 14 -
удалению подвижных форм загрязняющих веществ, но биохимический круговорот еще медленный. Устойчивость геосистем в этой зоне снижается также из-за заболоченности, а также при сведении лесного покрова.
Высокой устойчивостью обладают ландшафты степной зоны, где наблюдается наиболее благоприятное (для условий России) соотношение тепла и влаги. Здесь под пологом мощной степной травянистой растительности в естественных условиях образовались одни из самых плодородных почв мира - черноземы. Высокая биохимическая активность степных ландшафтов способствует их довольно интенсивному самоочищению. Но следует иметь в виду, что широкомасштабная распашка черноземных почв существенно понизила их устойчивость: происходит интенсивная сработка гумуса, а это фактор устойчивости, повсеместно развилась водная и ветровая эрозия, ухудшаются свойства почв при многократных обработках, особенно с применением тяжелой техники, происходит уплотнение почв. Неаккуратное орошение (большими нормами, с высокой интенсивностью искусственного дождя) также ухудшает свойства почвы, вымывает питательные вещества, приводит к подъему уровней грунтовых вод, заболачиванию и засолению.
В пустынных ландшафтах интенсивная солнечная радиация ускоряет биохимические процессы, в частности разложение отмерших растительных остатков и органических загрязнителей, но недостаток влаги уменьшает вынос продуктов разложения, в том числе и загрязняющих веществ. Растительность здесь бедная, биологическая продуктивность невелика, вследствие этого почвы маломощные и также как и в тундровой зоне - сильно ранимы. Поэтому пустынные ландшафты малоустойчивы. Повысить их устойчивость может орошение, что и широко используется человеком. Вместе с тем, орошение без соблюдения правильных норм, большие потери воды из каналов, связанное с этим дополнительное дренирование территории интенсифицируют гидрохимические потоки, что приводит к вторичному засолению земель, к загрязнению и истощению рек. Все это делает ландшафты неустойчивыми.
Водные мелиорации (орошение и осушение) повышают устойчивость геосистем, приводя к оптимуму соотношение тепла и влаги, но, являясь сильным возмущающим фактором, при их передозировке могут привести к противоположному результату. Восстановление нарушенных компонентов, очистка от загрязнения, т.е. рекультивация земель также способствует росту устойчивости.
Устойчивость геосистем зависит от внутренней неоднородности свойств компонентов, так разнообразный состав луговых трав делает луг более устойчивым при разных погодных условиях, чем искусственный сенокос с
меньшим видовым разнообразием. Выраженный микрорельеф и вариация водно-физических свойств почв также повышает устойчивость и почвенного и растительного покровов: в сухие периоды года продуцирование биомассы лучше в понижениях, а во влажные периоды лучшие условия создаются на микровозвышениях.
- 15 -
Устойчивость геосистемы растет с повышением ее ранга. В этом смысле наименее устойчивой является фация - наименьшая геосистема, характеризуемая однородными условиями местоположения и местообитания и одним биоценозом. Фации сильней всего откликаются как на изменение внешних природных условий, так и на деятельность человека. Фации наиболее радикально изменяются при природопользовании. Более крупные геосистемы в меньшей степени подвержены изменениям.
Степень изменения ландшафта зависит от того, какие компоненты подверглись модификации или даже разрушению. С этих позиций выделяют первичные и вторичные компоненты. Геологический фундамент и свойства воздушных масс, т.е. климат, являются базовыми, первичными, формирующими облик ландшафта, их, кстати, человеку трудней всего изменить, хотя примеры этого уже имеются: разработка месторождений открытым способом, когда карьеры достигают глубины 100...200 и более метров, а в плане измеряются десятками километров. Легче всего человек изменяет вторичные компоненты: растительный покров, почвы, сильно воздействует на поверхностные воды, но вторичные компоненты и легче восстанавливаются.
В настоящее время принято по степени изменения ландшафтов подразделять их на:
1) условно неизмененные, которые не подверглись непосредственному хозяйственному использованию и воздействию, в них можно обнаружить лишь слабые следы косвенного воздействия, например, осаждение техногенных выбросов из атмосферы в нетронутой тайге, в высокогорьях, в Арктике, Антарктике;
2) слабоизмененные, подвергающиеся преимущественно экстенсивному хозяйственному воздействию (охота, рыбная ловля, выборочная рубка леса), которое частично затронуло отдельные "вторичные" компоненты ландшафта (растительный покров, фауну), но основные природные связи не нарушены и изменения носят обратимый характер; это тундровые, таежные, пустынные, экваториальные ландшафты;
3) среднеизмененные ландшафты, в которых необратимая трансформация затронула некоторые компоненты, особенно растительный и почвенный покров, это - сводка леса, широкомасштабная распашка, в результате которых изменяется структура водного и частично теплового баланса, биогеохимический круговорот;
4) сильно измененные (нарушенные) ландшафты, которые подверглись интенсивному воздействию, затронувшему почти все компоненты (растительность, почвы, воды и даже массы твердой земной коры), что привело к существенному нарушению структуры, часто необратимому и неблагоприятному с точки зрения интересов общества и природы; это главным образом южнотаежные, лесостепные, степные, сухостепные ландшафты, в которых наблюдается обезлесивание, эрозия, засоление, подтопление, загрязнение атмосферы, вод и почв; широкомасштабная мелиорация (орошение, осушение) также сильно изменяет ландшафты, другое дело, в какую сторону происходят эти изменения
- 16 -
они могут быть и должны быть позитивными как для природной системы, так и для человека;
5) культурные ландшафты, в которых структура рационально изменена и оптимизирована на научной основе, с учетом вышеизложенных принципов, в интересах общества и природы; именно таким ландшафтам должно принадлежать будущее.
Измененную геосистему нужно рассматривать как особую техно-природную систему, в которую встроены техногенные инородные для природы блоки: посевы сельскохозяйственных культур, здания, сооружения, коммуникации и т.п. В такой системе техногенные и природные блоки функционируют, подчиняясь природным законам. Вместе с тем, надо рассматривать и взаимодействие техногенных блоков, их зависимость от социально-экономи- ческих условий, например, в свете собственности: земля принадлежит одному субъекту, а сооружения, построенные на ней - другому.
Устойчивость техно-природных систем вступает в противоречие с устойчивостью измененной природной системы. Если природная система старается возвратиться в "первобытное" состояние, о чем было сказано выше, то человек заинтересован в устойчивости техно-природных систем. Критерии устойчивости в обоих случаях имеют противоположный характер. Если зарастание пашни служит критерием устойчивости геосистемы как природного образования, то этот же процесс рассматривается как свидетельство неустойчивости уже техно-природной системы, в данном случае - агрогеосистемы, назначение которой - поддерживать заданные свойства пашни для получения требуемого урожая определенных культур. Еще пример: осушительная система без поддержки человека приходит в негодность (мелеют каналы, заиляются и зарастают корнями дрены и т.п.). Следовательно, природная геосистема восстанавливает свой естественный водный режим, который был до осушения, и это есть критерий ее устойчивости. С точки зрения техно-природной системы эта же ситуация является признаком неустойчивости.
Устойчивость преднамеренно модифицированной геосистемы (техно-природной системы) вместе с встроенным в нее техногенным блоком определяется как способность выполнять заданную социально-экономическую функцию.
Измененные человеком геосистемы, как правило, менее устойчивы, чем первичные, поскольку естественный механизм саморегулирования в них нарушен. Поэтому экстремальные отклонения параметров внешней среды, которые "гасятся" в естественной геосистеме, могут оказаться разрушитель-
ными для антропогенной модификации: один заморозок может погубить культурную растительность, пыльная буря за несколько дней может разрушить почвенный слой на распаханной территории.
Техногенный блок природно-технических систем менее устойчив и может существовать только при постоянной поддержке человеком.
- 17 -
Техно-природные системы или природно-техногенные комплексы. Природообустройство – это сложное дорогостоящее ресурсо- и энергоемкое мероприятие, проводимое длительное время, для его осуществления необходимо создание комплекса сложных инженерных сооружений и устройств, надежно функционирующих в разнообразных природных условиях, часто экстремальных, при переменных погодных условиях. Поэтому на больших площадях строятся инженерные системы природообустройства, т. е. комплекс сооружений, устройств, машин и оборудования, предназначенных вместе с мероприятиями для достижения той или иной цели. Инженерные системы природообустройства по своей сути являются техно-природными системами. При их создании необходимо руководствоваться изложенными выше принципами природообустройства.
К инженерным системам природообустройства относятся:
1) инженерные мелиоративные системы, предназначенные для реализации требуемого мелиоративного режима земель;
2) инженерно-экологические системы, предназначенные для восстановления естественной самоочищаемости загрязненных территорий, сокращения поступления на них загрязняющих веществ и их удаления, локализации очага загрязнения;
3) инженерные природоохранные системы;
4) инженерные противостихийные системы, предназначенные для борьбы с наводнениями, подтоплением, размывом берегов, с оползнями, селями и т.п.;
5) инженерные системы регулирования поверхностного стока, необходимые при комплексном использовании водных ресурсов;
6) инженерные системы водоснабжения, обводнения и водоотведения.
Состав мелиоративной системы зависит от вида мелиорируемых земель, совокупности регулируемых показателей мелиоративного режима. В общем, мелиоративная система включает регулирующие элементы, непосредственно осуществляющие мелиоративные воздействия, проводящие и ограждающие элементы, источники привлекаемых ресурсов, например, воды, приемники технологических сбросов с мелиорируемой территории (дренажные воды, вредные вещества, наносы и т. п.). Помимо этого, в состав системы входят объекты энергетического обеспечения, дороги, сооружения; средства контроля, связи и управления, обеспечивающие обратную связь между управляющими воздействиями и управляемым объектом и мониторинг состояния мелиорируемой и прилегающей территории, а также природоохранные сооружения, производственные базы, служебные и жилые помещения службы эксплуатации и консультативной службы, осуществляющей постоянное взаимо-
действие между землепользователями и мелиораторами.
Мелиоративные системы в зависимости от их крупности, важности могут принадлежать отдельным землепользователям: фермеру, предприятию; группе землепользователей; могут быть муниципальными; крупные системы, имеющими важное значение для экономики, могут быть в собственно-
- 18 -
сти субъектов Российской Федерации или даже федеральными.
Мелиорируемые земли обслуживаются мелиоративной системой, но не входят в ее состав в смысле собственности.
Надежность мелиорации и ее эффективность во многом зависят не только от технического совершенства мелиоративной системы, но и от правильного ее функционирования, соблюдения технологических режимов, искусства управления ею в неопределенных погодных условиях. Это обстоятельство, требующее принятия решений в условиях неопределенности и сопряженное со значительным риском не только экономического ущерба, но и аварий и разрушений, значительно усложняет управление мелиоративной системой по сравнению с другими предприятиями, менее зависящими от внешних условий. Ошибки в управлении гидромелиоративной системой (оросительной или осушительной) могут привести к переувлажнению или иссушению земель, прорыву дамб или плотин, подтоплению земель и др.
Поэтому очень важна правильная научно обоснованная эксплуатация мелиоративных систем, прежде всего грамотное управление ею, основанное на мониторинге состояния земель, долгосрочном и краткосрочном прогнозе погодных условий. Этому может способствовать моделирование процессов на мелиорируемых землях в режиме реального времени с помощью приведенных ниже моделей, разработка вариантов сценария действия системы в зависимости от прогнозов и минимизация риска от принимаемых решений.
Инженерно-экологические системы строятся на сильно загрязненных территориях, признанных зоной чрезвычайной экологической ситуации или зоной экологического бедствия: загрязненных нефтепродуктами, тяжелыми металлами, другими техногенными загрязняющими веществами. Состав этих систем зависит от вида и степени загрязнения, они содержат практически те же элементы, что и мелиоративные системы.
Инженерные природоохранные системы прежде всего создаются с целью восстановления и создания экологической инфраструктуры на водосборных площадях, предохраняющих земли от водной и ветровой эрозии, разрушения оврагами, восстановления малых рек и водоемов, восстановления почвозащитной и водозащитной древесной и кустарниковой растительности, создания биогеохимических барьеров на пути движения загрязняющих веществ.
Инженерные противостихийные системы должны защищать человека, населенные пункты, дороги, а также компоненты природы, особенно почвенный и растительный покров, животный мир от воздействия стихий: затопления при разливе рек, подтопления при подъеме уровня грунтовых вод, размыва берегов морей, рек, водохранилищ, от оползней, селей (разрушительных грязекаменных потоков в горной местности).
Для эффективного использования водных ресурсов необходимо регулирование поверхностного стока на водосборе, строительство комплексных (разного назначения) гидроузлов, водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования стока, осуществление мероприятий по охране водных объектов,
- 19 -
улучшения качества вод. В ряде регионов пополняют запасы подземных вод, защищают подземные воды от загрязнения.
Очень значимым является обводнение территорий, особенно в засушливых степях, строительство систем водоснабжения, очистка сбросных вод и рациональное использование сточных вод, что также является частью природообустройства и требует создания современных инженерных систем.