Экологические основы в природоохранном обустройстве территорий

Влияние хозяйственной деятельности на биосферу, здоровье и благосостояние населения

бассейновых геосистем, где размещаются локальные ПТС, возможно только при научном обосновании проводимых мероприятий по природоохранному обустройству территорий. Научное обоснование природоохранных мероприятий проводимых на водосборных территориях бассейновых геосистем, где ведется хозяйственная деятельность связанная с использованием водных ресурсов и защитой от негативных воздействий природных вод рассматривается в научном направлении — «Водохозяйственная геоэкология».

Вода играет огромную роль в жизнедеятельности и эволюционном развитии человеческого общества, биосферы и геологической истории Земли. Все процессы жизнедеятельности человеческого общества протекают и развиваются на поверхности коры земного шара, толщина которой в среднем составляет 33 км и подразделяется на три геосферы: литосферу, или твердую часть земной коры; гидросферы — прерывистую водную оболочку земной коры; атмосферу — газообразную самую внешнюю оболочку земной коры и земного шара в целом.

Все три геооболочки, различающиеся по физическому состоянию и химическому составу слагающих их веществ, являются продуктами эволюционного развития нашей планеты, который начался более 4 млрд лет назад.

Наличие жизни во всем многообразии ее форм и проявлений обуславливает специфические черты ее эволюции во времени и пространстве. Как отмечается в работах В.И. Вернадского, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным результатам, чем живые формы, связанные в целом.

Таким образом, в понятие об окружающей человека среде входит комплекс различных факторов, определяющихся особенностями взаимосвязи и взаимодействия трех геосфер — атмосферы (нижние слои), гидросферы, части литосферы (поверхностный слой), формирующие биосферу Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор в процессах системного взаимодействия живого и костного вещества. Изучение изменений, происходящих в каждой отдельной геосфере под воздействием природных и антропогенных факторов, позволяет и способствует развитию различных научно-прикладных направлений в общей экологии.

Современная всеобщая или «большая экология» определяет научное направление, рассматривающее совокупность природных и социально-экономических процессов жизнедеятельности с точки зрения интересов центрального компонента и населения. В качестве центрального компонента может быть принят природный объект (участок земной поверхности или леса, водохранилище или участок речной сети, популяция животного или растительного мира и т. п.), техногенный объект (промышленное предприятие, мелиоративная система, водохра- нилищный гидроузел и т. п.); урбанизированная территория и т. д. Широкий охват интересующих научных и практических вопросов экологического характера определил дифференциацию всеобщей экологии на ряд научных направлений и отдельных дисциплин, в отдельных случаях далеких от первоначального понимания науки экологии как части биологии, изучающей отношения организмов между собой и окружающей средой. Развитие экологии как междисциплинарной области знаний об устройстве и функционировании природных и природнотехнических систем различного иерархического уровня закономерно с точки зрения принципа устойчивого развития человеческого общества.

На современном этапе эволюционного развития экологических знаний одним из важных научных направлении является «водохозяйственная геоэкология» как одна из основных ветвей всеобщей экологии.

Первое понятие термина геоэкология было дано немецким ландшафтоведом К. Троллем в 1939 г., а более широкое распространение в научной литературе получило в 70-е годы под термином геоэкология в большей степени понималось экология географических (ландшафтных) систем или геологической среды (экогеология).

Понятие термина «водохозяйственная геоэкология» является новое, которое тесно взаимосвязано с понятием экология водных объектов. Новое направление во всеобщей экологии — «водохозяйственная геоэкология» — связано с объектной реальностью эволюционного развития человеческого общества на данном этапе. Общеизвестно, что в современном мире среди множества проблем, стоящих перед человечеством, наиболее актуальными являются — экологическая, энергетическая, продовольственная, социально-демографическая и водная. При этом первые четыре проблемы не могут быть решены без решения водных проблем.

Вода присутствует в составе всех сфер биосферы Земли — атмосфере (12,9 тыс. км3), литосфере (23717 тыс. км3) и техносфере, в которых она является основным носителем в процессах циклического круговорота веществ в природе под непрерывным воздействием потоков энергии. Гидросфера как третья из основных части биосферы Земли включает в себя несколько составных частей: мировой океан, подземные воды, ледники, почвенная влага, атмосферная вода, болота и речная сеть с водохранилищами, которые тесно взаимосвязаны между собой и другими составными элементами биосферы.

Площадь поверхности земного шара составляет 510 млн км2, на которой гидросфера занимает более 75 % этой поверхности (более 380 млн км2), а в зимний период при снежном покрове может достигать более 83 % (443 млн км2). Главную роль в гидросфере Земли играет Мировой океан, который занимает порядка 71 % (361 млн км2) поверхности земного шара, объем которого составляет 1338 млн км3 или 96,5 % от общего объема воды в гидросфере.

На материках земного шара размещаются остальные составные части гидросферы — подземные воды, ледники, почвенная влага, болота и речная сеть с водохранилищами, в которых сосредоточено около 51 млн км3 («3,42 % от объема гидросферы).

Части гидросферы, расположенные на суше, выполняют присущие им важные функции в процессах жизнедеятельности в экосистемах, заполняющих обширные пространства на материках. Несмотря на незначительный объем воды, заключенный в этих частях («51 млн км3), по сравнению с общим объемом гидросферы (1388,63 млн км3), подземные воды, ледники, почвенная влага, болота и речная сеть с водохранилищами играют ведущую роль во всех процессах жизнедеятельности растительного, животного мира и человека. Особую роль в процессах жизнедеятельности на суше выполняют речные системы, которые занимают своими водосборными территориями практически 90 % площади суши (134 млн км2), по которым ежегодно проходит порядка 39 млн км3 воды, с которыми переносится около 25 млрд тонн веществ (твердый и ионный сток). В планетарном масштабе круговорот воды в природе объединяет в единый механизм все водные ресурсы и процессы жизнедеятельности на Земле.

На водосборных территориях речных систем располагается все многообразие природных экосистем и природно-технических систем (ПТС)

суши, в которых в качестве техногенных компонентов выступают различные виды антропогенной деятельности человека (промышленные предприятия, сельское хозяйство, транспортные сети и т. п.). Исходя из экосистемного понятия, водосборные территории речных систем можно рассматривать как бассейновые геосистемы, в которых водный объект (река) является главным природным компонентом в процессах взаимодействия между собой биотических, абиотических и техногенных компонентов. Понятие бассейновая геосистема, как ранее уже отмечалось, включает в себя определенные принципиальные отличия от известного понятия ландшафтная геосистема. В системном понимании бассейновая геосистема представляет собой природную или ПТС, включающие в себя биотические, абиотические и техногенные компоненты, взаимодействующие между собой (рис. 1.24), природная система исключает в себе только техногенные компоненты.

Лавдшафт определяет геосистемы разного типа и любой размерности, но при этом необходимы три условия для обособления ландшафта: территория должна иметь одинаковый геологический фундамент; история развития ландшафта должна быть одинаковой на всей территории; климат на всем пространстве ландшафта должен оставаться однообразным. Исходя из условий обособленности ланд-шафта, ландшафтная геосистема может занимать определенную территорию в соответствии с выше отмеченными тремя условиями. Следовательно, ландшафтная геосистема не может охватить всю водосборную территорию бассейна, к примеру малой реки, так как географические особенности формирования речного водотока обычно затрагивают различные геологические среды подлине реки, а средние и тем более крупные реки протекают в различных географических и климатических зонах, например реки Волга, Дон и др.

Для целей комплексного использования водных ресурсов, формирующихся на суше, проводятся непрерывные исследования процессов формирования их количественных и качественных показателей, которые как принято определяются в рамках водосборных территорий природного водного объекта (реки, озера, прибрежной морской зоны). Водосборная территория даже малой реки охватывает значительные территории земной поверхности (до 100 км2), на которой проводится обустройство территорий, объекты которых прямым или косвенным образом взаимодействующих с водным объектом. В результате качественные показатели воды в водном объекте характеризуют экологическую обстановку на всей территории водосбора или пространственных пределах

Рис. 1.24. Модели бассейновой геосистемы (а) и 1ПХ2 (б);

1, 2, J — абиотические компоненты; 4 — биотические компоненты;

5, 6 — техногенные компоненты, 7 — водный объект.

бассейновой геосистемы. Поэтому при изучении процессов взаимодействия водного объекта с природными и техногенными компонентами используется понятие — «бассейновая геосистема» (упрощенное определение).

В системном понимании бассейновая геосистема представляет собой объемный элемент (часть) биосферы Земли, границы которого определяются образующей цилиндрической поверхности, проходящей по водораздельной линии водосборной территории водного объекта, верхняя крышка цилиндра расположена на высоте до 10 км приземные слои атмосферы. Нижняя часть (дно цилиндра) расположены на глубине до 300 м (верхние слои литосферы) (рис. 1.25).

Главным или центральным природным компонентом бассейновой геосистемы является водный объект рисунок 1.22 (б).

Сравнивая общепринятое понятие «ландшафтная геосистема» с новым понятием «бассейновая геосистема» можно сделать вывод, что для изучения экологических вопросов, связанных с природоохранным обустройством территорий и соответственно с комплексным использованием водных ресурсов в процессах природообустройства, формированием количественных и качественных показателей в процессах их взаимодействия с природными и техногенными компонентами (природоохранными объектами) в системном понимании бассейновая геосистема в более полной мере отвечает методологии научного поиска в решении практических задач, связанных с природоохранным обустройством территорий.

Всеобщая или «большая» экология определяет научное направление, рассматривающее некую значимую для центрального компонента (при

родного объекта, техногенного объекта, субъекта) совокупность природных и социально-экономических (для человека) явлений и предметов с точки зрения интересов это центрального компонента. Широкий охват интересующих научных и практических вопросов экологического характера определил дифференциацию всеобщей экологии на ряд научных направлений и отдельных дисциплин, в отдельных случаях далеких от первоначального понимания экологии как части биологии, изучающей отношения организмов между собой и окружающей средой.

Экологию по размерам объектов изучения делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию, или демэкологию (популяция и его среда), синэкологию (биотическое сообщество, экосистема и их среда), географическую или ландшафтную экологию (крупные гео системы, географические процессы с участием живого и их среда) и глобальную экологию (мегаэкология, учение о биосфере Земли).

По отношению к предметам изучения экология нодразделяется на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, сельскохозяйственную, промышленную (инженерную) и общую экологию (как теоретически обобщающую дисциплину).

По средам и компонентам различают экологию суши, водных объектов, морскую, высокогорий, предгорий, геохимическую, биохимическую, городских свалок, отвалов горных выработок, шламонакопителей, водоемов охладителей, мелиоративных систем, города, населенного пункта и т. п.

Эволюционное развитие экологии как междисциплинарной области знаний об устройстве и функционировании систем (биологических, географических, геотехнических) различного уровня вполне закономерно и оправдано с точки зрения принципа устойчивого развития человеческого общества. В основе современных направлений экологии лежат фундаментальные знания и идеи биоэкологии.

Схематическая взаимосвязь отдельных научных направлений и дисциплин в всеобщей экологии представлена на рисунке 1.26.

Водохозяйственная геоэкология является одной из основных ветвей всеобщей (глобальной) или «большой» экологии и определяет научное направление, рассматривающее в рамках бассейновых геосистем динамику закономерностей, методы (способы) и технологии управления процессами взаимодействия природных (абиотических, биотических) и техногенных компонентов, центральным из которых является водный объект (река, озеро, прибрежная зона морских эстуариев, водохранилище), взаимно связанный с водосборной территорией поверхностного и подземного стоков.

Геоэкологию вполне можно рассматривать как междисциплинарную науку, синтезирующую законы экологии, закономерности техногенного воздействия на окружающую природную среду. Как самостоятельное научное направление в большой экологии, в настоящее время имеет три толкования своего названия, которые в какой-то мере и определяют внутренние ее ответвления: геоботаническое, ориентированное в первую очередь на изучение растительных сообществ (Петров, 1993, 1999); ландшафтное (Троль, 1972, Виноградов, 1998); геономическое или геологическое, направленное на исследование роли геологической среды в развитии биосферы (Осипов, 1993).

Большинство авторов научных, учебных и популярных публикаций термин «геоэкология» трактуют в узком понимании внутреннего содержания этого термина, затрагивая, например, географическую или геологическую экологию. Если исходить из экосистемного понимания процессов жизнедеятельности на обширных территориях земной поверхности, где в качестве главного природного компонента выступает водный объект, то в геологическом направлении появляется важное самостоятельное научное направление, связанное с вопросами водной экологии или водохозяйственная геоэкология. Обоснованность научного направления «водохозяйственная геоэкология» вытекает из основных законов большой экологии.

Бассейновая геосистема, на водосборной территории которой формируются качественные и количественные характеристики водных ресурсов, включает в себя все возможное разнообразие природных и техногенных компонентов, которые в той или иной мере взаимодействуют с центральным природным компонентом — водный объект.

В рамках бассейновой геосистемы водные объекты имеют свою иерархическую структуру, которая определяется гидрографической сетью, и размещаемые на ней естественные и искусственные водоемы. Основным объектом, относящимся к первому иерархическому уровню, является река, впадающая в море или крупное озеро.

Природоохранное обустройство территорий тесным образом связано с экологической безопасностью, которая определяется научным направлением «водохозяйственная геоэкология».

Водохозяйственная геоэкология — научное направление в составе общей геоэкологии, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов в гидросфере Земли и ее взаимосвязи с атмосферой и литосферой Земли, важной частью которой являются водные ресурсы суши, формирующиеся на водосборных территориях речных бассейновых геосистем.

Основной задачей «водохозяйственной геоэкологии» можно считать изучение количественных и качественных показателей в гидросфере и их влияние на процессы эволюционного развития общества и природной среды, а также научное обоснование мероприятий, направленных на защиту от загрязнениям и негативного влияния природных вод на процессы жизнедеятельности, воспроизводство и рациональное использование водных ресурсов в пространственных пределах бассейновой геосистемы суши.

«Водохозяйственная геоэкология» в геоэкологическом направлении рассматривает совместно биотические и абиотические компоненты природной среды и все элементы хозяйственной деятельности на определенной территории земной поверхности. Границы этой территории определяются водораздельной линией, ограничивающей водосборную

Рис. 1.26.Система экологических наук по Н. Ф. Реймереу с добавлениями в научном направлении геоэкология.

родными компонентами. Экологическая приемлемость такого взаимодействия может бьггь достигнута тогда, когда функционирование объекта деятельности, т. е. водохозяйственного объекта, оптимально отражает действия природной среды — объективного мира. Если отражение действий природной среды минимально, то объект деятельности деградирует окружающую его среду. Следовательно, экологическая приемлемость хозяйственной деятельности, связанной с использованием водных ресурсов, и защита населения от негативного воздействия природных вод зависит от взаимодействия субъективного в лице Человека и объективного, т. е. Природы, на основе самоуправления и восприятия механизмов преобразования природной среды. История эволюции цикла преобразования во Вселенной как Суперсистемы на протяжении более 20 млрд лет ее существования позволяет говорить об основных тенденциях, которые могут лечь в основу отражения действительности в хозяйственной деятельности человека.

Фундаментальные науки к настоящему периоду развития человечества создали достаточно много современных концепций естествознания в этих направлениях. Успешно используются объективные законы сохранения (законы сохранения энергии, мощности и др.), законы термодинамики (первый и второй), а также химйче-ские и биологические законы, которые применяются при совершенствовании и создании новых технологий по использованию водных ресурсов и защите от негативного воздействия природных вод. Но, к сожалению, в хозяйственной деятельности, в экономике и политике преобладают субъективные тенденции, сохраняющие уровень понимания прошедших времен, далеких от тенденций действий естественного объективного мира и поэтому не отражающие в достаточной и необходимой мере объективную реальность окружающей среды в принимаемых решениях. Эти обстоятельства обусловливают проблемы взаимодействия субъективного с объективным.

В истории использования водных ресурсов в различных технологических процессах хозяйственной деятельности человека (в орошении, водоснабжении, промышленном производстве и пр.) и, соответственно, развития человечества, неоднократно отмечались тенденции формирования и усложнения систем управления и готовности к целенаправленным взаимодействиям с окружающей природной средой в пространственных пределах биосферы и локальных бассейновых геосис-

консументы первого порядка (травоядные животные) и второго порядка (хищники), гереротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами; редуцепты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет разложения тканей умерших организмов.

Ежегодно на Земле продуцентами создается порядка 100 млрд тонн органического вещества, что составляет глобальную продукцию биосферы. Ежегодно примерно такое же количество живого вещества, окисляясь, превращается в С02 и Н?0 в результате дыхания организмов или иначе его называют глобальным распадом.

Функциональная структура бассейновой геосистемы определяется исходя из процессов формирования количественных и качественных показателей водных ресурсов (поверхностных и подземных), которые формируются в пространственных пределах бассейновой геосистемы. Процессы формирования количественных и качественных показателей водных ресурсов отражают в себе совокупность процессов движения вещества (изменения химического состава воды), энергии и информации. По формам движения материи в реальном мире природные процессы подразделяются на три основные группы: физическую, химическую и биологическую, или геофизику, геохимию, биотику бассейновой геосистемы.

Движение вещества или миграция химических элементов в гидросфере бассейновой геосистемы, вызываемое хозяйственной деятельностью, связанной с обустройством территорий по своим формам, определяется видом техногенной деятельности (водоснабжение промышленных и сельскохозяйственных предприятий, городов, населенных пунктов, строительство водохранилищных гидроузлов, межбассейнового перераспределения стока, развития транспорта и др.)

Пространственная структура определяется расположением природных и техногенных компонентов на водосборной территории. Различают «горизонтальную» (литеральную), «вертикальную» структуры и «временную структуру».

«Горизонтальная структура» характеризуется пространственным расположением бассейновой геосистемы (равнинные, степные), которая охватывает водосборные территории, включающие в себя лесные, озерные, водохранилищные, луговые, сельскохозяйственные и др. геосистемы более низких рангов.

«Вертикальная структура» бассейновой геосистемы выражается в ярусном расположении компонентов в горной части водосбора, верхнего слоя коры выветривания под воздействием водных потоков, атмосферный воздух, почва, растительность.

«Временная структура» бассейновой геосистемы выражается расположением объектов обустройства или состояний геосистемы во времени. Как природные (снежный покров, ледовый покров на водном объекте, леса, луга, болота и др.), так и техногенные (промышленные и сельскохозяйственные предприятия, водохозяйственные и энергетические объекты, сеть дорог и др.) компоненты изменяются в течение года и нескольких лет. Наличие или отсутствие природных и техногенных компонентов на водосборной территории бассейновой геосистемы оказывает влияние на процессы формирования количественных и качественных показателей водных ресурсов.

В бассейновой геосистеме все природные компоненты (1, 2, 3, 4) и техногенные компоненты считаются равными (рис. 1.22а). В экосистеме центральное место и ведущая роль отводится биоте (4) рисунок 1.226. В бассейновой геосистеме центральное место занимает водный объект (река, озеро, прибрежная зона), все остальные природные, техногенные компоненты и биотические компоненты находятся во взаимосвязи с водным объектом и между собой (рис. 1.226).

Геосистема — (географическая система в общем понимании охватывает оболочки до ее самых мелких (элементарных) структурных подразделений. Природные компоненты находятся в системной связи между собой и представляют определенную целостность, взаимодействующую с космической сферой и человеческим обществом.

Одним из структурных подразделений географических систем является «бассейновая геосистема», где главным природным компонентом является водный объект, находящийся во взаимосвязи со всеми природными и техногенными компонентами, расположенными на территории данного бассейна.

Экосистема — это безразмерная устойчивая система живых (биотических) и неживых (абиотических) компонентов, в которой совершается внешнее и внутреннее движение вещества, энергии и информации.

Применительно к рассматриваемым водным объектам в составе бассейновых геосистем под экосистемой следует понимать совокупность биотических и абиотических компонентов при наличии техногенных компонентов как источников вещества и энергии, функциональная связь которых в пределах данной экосистемы определяется устойчивостью, способностью саморегулироваться и открытостью с точки зрения термодинамики. В сложившиеся экосистеме должно обеспечиваться превышение внутренних естественных или установленных закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом в сопредельных экосистемах. Показатель, характеризующий перемещение или движение вещества, энергии и информации в конкретной экосистеме может быть использован для установления границ данной экосистемы. К примеру, территория достаточно большой мелиоративной системы, где наблюдается значительный приток энергии вещества при проведении различных видов мелиорации, что в конечном итоге выделяет данный участок территории из общей территории бассейновой геосистемы, на котором формируется своя экосистема, присущая данной мелиоративной системе.

Природно-техническая система охватывает собой определенную часть бассейновой геосистемы, на которой размещены природные компоненты и техногенные компоненты, которые находятся во взаимосвязи между собой и объединяются единством выполняемых социально-экономических и социально-экологических функциональных задач.

В бассейновых геосистемах, в которых главным природным компонентом является водный объект, экосистемы входят в качестве внутренних составных элементов той или иной ПТС. Например, экосистема пруда, водохранилища, поймы русла реки, урбанизированной территории, расположенной на водосборе, и т. п.

Бассейновые геосистемы и ПТС обладают определенным набором свойств, которые выражают их системную сущность. К таким свойствам относятся связи между компонентами, целостность, открытость, функционирование, динамика, емкость, экологический потенциал, сбалансированность воздействий между компонентами, устойчивость, продуктивность и др.

Ландшафт определяет геосистемы или геотехсистемы разного типа и любой размерности. Обычно используют термин «ландшафт» для обозначения геосистемы или геотехсистемы определенного ранга. Для обособления самостоятельного ландшафта необходимы три условия: 1) территория, на которой формируется ландшафт, должна иметь одинаковый геологический фундамент; 2) история развития ландшафта должна быть одинаковой на всей территории; 3) климат на всем пространстве ландшафта должен оставаться однообразным.

Современное развитие человеческого общества характеризуется широким привлечением в общественное производство огромного количества природных ресурсов. В промышленно— и сельскохозяйственно-развитых регионах Земли созданная человеком техносфера, характеризующаяся концентрацией техногенных объектов, и практически заменяет собой биосферу. В промышленно развитых регионах техносфера занимает до 75 % биосферы (Европейская часть России). Под антропогенным воздействием аналогичные процессы наблюдаются в геосистемах, когда геотехсистемы занимают все новые территории земного шара. Развитие процессов замены геосистемы на геотехсистемы вызывает острую необходимость в комплексном их изучении в рамках экологической безопасности.