CC BY
624
УДК 504.54
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 3
В. В. Дмитриев, А. Н. Огурцов
ПОДХОДЫ К ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ И ГИС-КАРТОГРАФИРОВАНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО БЛАГОПОЛУЧИЯ ГЕОСИСТЕМ. II. МЕТОДЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ НАЗЕМНЫХ И ВОДНЫХ ГЕОСИСТЕМ*
Как было показано нами в первой статье [1], в современных геоисследованиях необходимо ставить вопрос об интегральной оценке состояния сложных систем в природе и обществе. Для этого необходимо использовать кроме аддитивных характеристик и неаддитивные (автономность, устойчивость, уязвимость, живучесть, целостность, надежность, благополучие и др.). Было выявлено многообразие взглядов и подходов к оценке устойчивости наземных и водных геосистем и их свойств (иногда пишут «качеств»). Большинство подходов не позволяют на интегральной основе количественно оценивать неаддитивные (эмерджентные) свойства геосистем с учетом влияния физико-географических условий, факторов естественного и антропогенного режимов на их развитие. В основном, разработка различных подходов базируется на индикаторном подходе и индексах состояния, устойчивости, а также моделях-классификациях, подавляющее большинство которых построено на балльном или балльно-индексном подходе. В основе наших работ лежит интегральная количественная оценка неаддитивных свойств сложных систем в природе и обществе с учетом влияния факторов среды, естественного и антропогенного изменения режимов их функционирования, в том числе с учетом дефицита информации о критериях и приоритетах исследования [2-12].
1. Метод балльно-индексной оценки уязвимости и устойчивости водоемов к изменению параметров естественного режима (физико-географические особенности, морфометрия, гидрологический режим), антропогенному эвтрофиро-ванию и изменению качества воды.
Балльно-индексные системы оценки, с одной стороны, содержат, как правило, хорошую базу оценочных (нумерических, квалиметрических) шкал, которые целесообразно использовать при многокритериальном и интегральном оценивании,
Дмитриев Василий Васильевич — д-р геогр. наук, заведующий лабораторией, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: vasiliy-dmitriev@rambler.ru
Огурцов Александр Николаевич — научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: aogurcov@yandex.ru
* Настоящая публикация является второй публикацией в серии из трех статей с данным названием. Сотрудниками НИЛ «Моделирования и диагностики геосистем» факультета географии и геоэкологии СПбГУ в 1995-1998 гг. в Вестнике СПбГУ была также опубликована серия из пяти работ под общим названием «Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей» [1, 19, 20]. В этой серии как раз отсутствовали публикации по оценке устойчивости геосистем. В связи с тем, что методы оценки устойчивости, разработанные авторами, за прошедшие годы внедрены в многочисленные НИР, диссертационные работы, учебные пособия и учебные курсы, читаемые проф. В. В. Дмитриевым на кафедрах гидрологии суши и физической географии и ландшафтного планирования СПбГУ, авторы в данной публикации решили обобщить практический опыт этих работ. Исследования по данной проблеме частично поддержаны грантами РФФИ 11-05-00909-а и 13-05-00648-а. © В. В. Дмитриев, А. Н. Огурцов, 2013
с другой стороны, в балльно-индексных подходах эти шкалы, составляющие фундамент «экологической квалиметрии», не используются в явном виде. В них натуральным значениям характеристик ставится в соответствие определенное количество баллов, учитываемых на следующих этапах оценочных построений.
Рассмотрим методику балльно-индексных построений на примере оценки уязвимости водоемов [13-18]. Уязвимая водная экосистема при антропогенном или техногенном воздействии может достаточно быстро деградировать и потерять присущие ей уникальные природные свойства. Слабо уязвимая экосистема может достаточно долго противостоять внешнему воздействию, проявляющемуся в изменении параметров режимов водного объекта и тем самым быть устойчивой к внешним воздействиям и нагрузкам. При этом высокая устойчивость экосистемы не должна ассоциироваться у исследователя с ее экологическим благополучием (здоровьем экосистемы), хотя уязвимость (устойчивость) водной экосистемы может учитываться (как параметр) при оценке степени ее благополучия. В наших исследованиях показано, что повышенной уязвимостью к эвтрофированию обладают небольшие по величине и (или) низкопродуктивные экосистемы водоемов; повышенной уязвимостью к загрязнению обладают небольшие по величине и (или) сравнительно чистые экосистемы. И наоборот, повышенной устойчивостью к эвтрофированию обладают крупные и (или) высокопродуктивные экосистемы водоемов, находящиеся в оптимальных условиях формирования водности; повышенной устойчивостью к загрязнению обладают крупные и (или) высокозагрязненные экосистемы или экосистемы, находящиеся в оптимальных условиях формирования качества воды. Таким образом, слабо уязвимыми к изменению какого-либо свойства оказываются экосистемы уже в значительной степени обладающие (наделенные) этим свойством. Именно поэтому устойчивыми к загрязнению могут оказаться грязные экосистемы, а устойчивыми к эвтрофированию — эвтрофные и гиперэвтрофные экосистемы, это и не позволяет назвать их экологически благополучными. Заметим, что формирование представлений об экологическом благополучии геосистем требует аксиологического подхода. Об этом речь пойдет в нашей следующей публикации.
Оценка уязвимости или устойчивости к изменению свойств экосистемы получается как результат учета многих свойств, характеризующихся большим набором параметров оценивания, среди которых физико-географические и климатические условия и характер антропогенного воздействия являются определяющими. Исследование этих свойств и их изменчивости расширяет кругозор исследователя и обусловлено необходимостью формирования у него эколого-географического мышления.
Необходимо также заметить, что уязвимость (устойчивость) водных экосистем циклического (озера, слабопроточные водоемы, пруды) и транзитного (реки, проливы, сильно проточные водоемы) типов обусловлена разными природными механизмами. Устойчивость первого типа — адаптационная, устойчивость второго типа — регенерационная. Если в первом случае важнейшим свойством природной системы является ее способность сохранять исходное состояние или плавно переходить в другое состояние, сохраняя при этом внутренние связи (инертность, пластичность), то во втором случае на первое место выходит способность системы многократно и сравнительно быстро восстанавливать свои свойства, возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия (восстанавливаемость).
К этому можно добавить, что абиотические и биотические составляющие экосистемы по механизмам устойчивости также различаются между собой. Устойчивость первых достигается физико-механическими и химическими процессами переноса, разбавления, сорбции, миграции вещества; устойчивость вторых обусловлена способностью адаптации организмов к воздействию, как в результате внутренней резистентности биохимической организации, так и за счет способности к биохимическому разложению токсичных соединений и изменению удельных скоростей обменных процессов в экосистеме под влиянием воздействия [14].
Параметры уязвимости и устойчивости водных экосистем объединяют в балль-но-индексную систему, которая учитывает региональные особенности водных объектов и дает возможность в пределах изменения заложенных в них параметров, провести сравнительную оценку уязвимости водных экосистем к воздействию или зонирование водосборной территории или акватории водоема по баллам уязвимости (устойчивости) и выделить наиболее уязвимые и устойчивые ее районы.
На данном этапе с помощью балльно-индексного метода, в основу которого положены различные классификации [13-18], были разработаны оценки уязвимости водоемов к изменению параметров режимов (табл. 1-3).
Оценка уязвимости водоемов проводилась путем последовательного суммирования индексов для соответствующих признаков оценивания, разрядов и баллов по таблицам; получения суммарной балльной оценки и нахождения в итоге класса и подкласса уязвимости водоема (табл. 1-4). Таким образом, сначала необходимо последовательно просуммировать индексы, затем разряды в соответствии с примечаниями к каждой таблице. После этого по сумме разрядов найти баллы уязвимости (семейство уязвимости), прибавить к ним баллы трофности или баллы качества вод (род уязвимости) и по полученной сумме баллов найти класс и подкласс уязвимости водоема (комбинация семейств и родов). В наших оценках рассматривается два вида оценок уязвимости (устойчивости). В первом случае оценивается уязвимость по параметрам естественного режима и антропогенному эвтрофированию. Во втором случае рассчитывалась уязвимость по параметрам естественного режима и качества воды. В этом основное отличие нашего подхода от предложенного в работе [14], который базируется на развитии идей трофосапробности и трофотоксобности водоемов.
Рассмотрим этапы оценивания. Сначала находим значения индексов (1, 2, 3 или 4) по каждому из трех признаков в табл. 1, суммируем найденные значения индекса и по примечанию к таблице находим разряд водоема по физико-географическим и морфометрическим признакам.
Таблица 1. Классификация водоемов по физико-географическим и морфометрическим признакам
Признаки Значение индекса
1 2 3 4
Площадь поверхности, км2 >1000 1000-101 100-10 <10
Объем, км3 >10 10-1,1 1,1-0,5 <0,5
Максимальная глубина, м >50 50-11 10-5,0 <5,0
Примечание. Водоем с суммой индексов от 3 до 4 относится к 1 разряду, от 5 до 7 — к 6 разряду, от 8 до 11 — к 11 разряду, от 11 до 12 — к 15 разряду.
Затем находим значения индексов (1, 2, 3, 4 или 5) по каждому из трех признаков в табл. 2, суммируем найденные значения и по примечанию к таблице находим разряд водоема по первой группе гидрологических признаков (уровенный и температурный режимы). В отличие от [14] в нашем подходе изменена как сама шкала годовой амплитуды колебаний уровня в водоеме, так и направленность самих изменений.
Таблица 2. Классификация водоемов по гидрологическому режиму (уровенный и температурный режимы)
Признаки Значение индекса
1 2 3 4 5
Годовая амплитуда колебаний уровня воды, м < 3 — 3-7 — > 7
Средняя температура воды в летний период, °С > 20 — 20-15 — < 15
Продолжительность ледостава, мес. > 5 — 5-2 — <2
Примечание. Водоем с суммой индексов от 2 до 4 относится к 1 разряду, от 5 до 7 — ко 2 разряду, от 8 до 11 — к 3 разряду. За температуру воды принимают среднюю из суточных величин за летний период для типичного по климатическим условиям года.
После этого находим значения индексов (1, 2 или 3) по каждому из пяти признаков в табл. 3, суммируем все пять значений признаков и по примечанию к таблице находим разряд водоема по второй группе гидрологических признаков (условия водообмена).
Таблица 3. Классификация водоемов по гидрологическому режиму (условия водообмена)
Признаки Значение индекса
1 2 3
Наличие сезонной стратификации да — нет
Вертикальное перемешивание (количество раз за год) < 2 2 > 2
Условия проточности Бессточный Сточный Проточный
Характер регулирования стока Многолетнее Сезонное Недельное или суточное
Водообмен в год < 0,1 0,1-5,0 > 5,0
Примечание. Водоем с суммой индексов равной 5 относится к 1 разряду, от 6 до 8 — ко 2 разряду, от 9 до 14 — к 3 разряду.
Затем суммируем полученные по табл. 1-3 разряды и переходим в левую часть табл. 4 (семейство уязвимости). Полученной сумме разрядов здесь ставится в соответствие определенное количество баллов. Запоминаем их для дальнейших расчетов.
Таблица 4. Балльная оценка уязвимости водоемов по физико-географическим, гидрологическим свойствам, трофности или качеству воды
Семейство уязвимости Род уязвимости по трофическому статусу или по качеству воды Основные комбинации семейств и родов для отмеченных (*) баллов трофности или качества
Обозначение Сумма разрядов Баллы Трофность Качество воды Баллы трофности (1-5), Баллы качества воды (1-5) Обозначение Сумма баллов Обозначение Сумма баллов
1А 3-5 8 1.Гиперэвтрофный и эвтрофный *) 1 1Б1 5 ШБ1 16
1Б 6-9 4 2.Эвтрофный—мезотрофный 3 1Б2 9 ШБ2 20
ПА 10-11 13 3. Мезотрофный *) 5 1БЗ 19 ШБЗ
ПБ 12-14 10 4.Мезотрофный—олиготрофный 8 1А1 9 ША1
ША 15-16 18 5. Олиготрофный *) 15 1А2 13 ША2 23
ШБ 17-19 15 1АЗ 23 ШАЗ 30
1УА 20-21 22 1.Очень грязная и грязная *) 1 ПБ1 11 1УБ1 19
1УБ 22-23 20 2. Загрязненная 3 ПБ2 15 1УБ2 25
3.Умеренно загрязненная *) 5 ПБЗ 25 1УБЗ 35
4. Чистая 8 ПА1 14 IV А1 23
5. Очень чистая *) 15 ПА2 18 IV А2 27
ПАЗ 28 1УАЗ 37
Как и в [14] класс водоема в табл. 4 обозначен римской цифрой, он отражает физико-географические особенности водоема. Подкласс водоема обозначен большими буквами «А» и «Б», он отражает степень оптимальности условий формирования водности и качества воды. Оптимальными условиями являются не экстремальные условия, для которых сумма разрядов может быть наименьшей («А»), а наиболее благоприятные для формирования водности и качества воды промежуточные условия («Б»). Водоемы с благоприятными условиями формирования будем считать менее уязвимыми (более устойчивыми) по сравнению с водоемами с неблагоприятными условиями, поэтому в табл. 4 им ставится в соответствие меньшее количество баллов. Чем меньшее количество баллов получено на данном этапе, тем менее уязвима экосистема к изменению выбранных параметров.
На следующем этапе необходимо получить баллы трофности (оценка уязвимости по антропогенному эвтрофированию) или баллы качества воды (оценка уязвимости по качеству воды). Для этого в первом случае необходимо установить трофический статус водоема, а во втором случае качество его воды.
Для оценки трофического статуса и качества воды можно воспользоваться покомпонентной оценкой трофности и качества [5, 17, 18] или методикой многокритериальной оценки трофности водоема и качества воды, изложенной в наших публикациях [19, 20]. Отметим, что не все рассмотренные нами критерии следует рекомендовать для оценки трофности водоема. В частности мы не рекомендуем оценивать трофность по концентрации минеральных соединений азота и фосфора или по другим косвенным признакам, как это часто вынуждены делать исследователи из-за отсутствия данных.
Затем переходим к средней части табл. 4 (род уязвимости по трофическому статусу или по качеству воды) и по выявленным трофическому статусу или качеству воды выбираем соответствующие им баллы (от 1 до 15). Складываем их с баллами, полученными ранее и получаем итоговое число баллов.
В правой части табл. 4 приводятся только основные комбинации семейств и родов для отмеченных (*) типов трофности или классов качества воды. В табл. 5 приводятся результаты обобщения комбинаций и граничные значения баллов между классами уязвимости с учетом того, что первый класс характеризуется минимальной уязвимостью (максимальной устойчивостью), а последний класс — максимальной уязвимостью (минимальной устойчивостью).
Таблица 5. Классы уязвимости (устойчивости) водоемов
Класс уязвимости Класс устойчивости Сумма баллов Обозначения основных комбинаций семейств и родов для отмеченных (*) баллов трофности или качества воды
I (мин.) I (макс.) 5-11 IБ1,IБ2,IА1,IIБ1
II II 13-16 ^ЛАиШДПБЬ
III III 18-23 Ш3, Ш, ШБ2, ПА2, ША1, ША2, ГУБ1, БУА1
IV IV 25-28 ПБ3,ПА3,ГУБ2,ГУА2
V (макс.) V (мин.) 30-37 IIIБ3,IIIА3,IVБ3,IVА3
Аналогичный подход рассмотрен нами для оценки уязвимости (устойчивости) рек. В этом случае вводятся другие оценочные критерии и рассчитывается уязвимость по параметрам естественного режима и качества воды [5, 17, 18]. В [18] рассмотрены
подходы к балльной оценке устойчивости водоемов к закислению. В [14] описаны примеры балльных оценок устойчивости почвенного покрова, элементарного ландшафта (фации), ландшафта в целом. Этот материал был также положен в основу разработки методов интегральной оценки устойчивости наземных экосистем и геосистем.
2. Метод интегральной оценки уязвимости и устойчивости водоемов к изменению параметров естественного режима (физико-географические особенности, морфометрия, гидрологический режим), антропогенному эвтрофированию и изменению качества воды.
Балльно-индексная методика оценки устойчивости, изложенная выше, явилась основой для разработки подходов к многокритериальной и интегральной оценке уязвимости и устойчивости водоемов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов. Правила построения интегральных показателей состояния и устойчивости опубликованы нами в серии работ по многокритериальной и интегральной оценке состояния и устойчивости природных и антропогенно трансформированных систем, сводка которых содержится в [5-8, 18]. Задача во всех случаях решалась на основе метода сводных показателей (МСП) или метода рандомизированных сводных показателей (МРСП) с использованием неполной, неточной и нечисловой информации [21]. При этом реализация этапов проводилась либо для нескольких уровней свертки информации в соответствии с табл.1-4, либо все параметры оценки сводились в единую исходную модель-классификацию. Первый путь более предпочтителен, поскольку позволяет учитывать неравновесность уровней при нахождении интегрального показателя устойчивости. Во втором случае может учитываться только неравновесность исходных параметров при свертке. Рассматривалась также реализация следующей методики: на первом этапе оценивается состояние экосистемы по введенным параметрам. Результатом оценки являются интегральные показатели состояния водного объекта для нескольких уровней свертки информации. На втором этапе находится соответствие изменяемых свойств, характеризующих состояние экосистемы, с устойчивостью к изменению данного свойства и разрабатывается классификация устойчивости на основе шкал и интегральных показателей состояния. В этом случае при переходе от оценки состояния к оценке устойчивости реализуется один уровень свертки показателей.
В табл. 6-8 приведен пример применения рассмотренного выше подхода для построения модели-классификации интегральной оценки устойчивости водоема к изменению параметров естественного режима, изменению качества вод и антропогенному эвтрофированию [5].
В табл. 9 представлены минимальные и максимальные значения параметров. Для этого были использованы минимальное (min,) и максимальное (max,) значения из каждой шкалы исходных характеристик.
Свертке показателей предшествует этап нормирования данных. Для нормирования исходных параметров использовались кусочно-степенные функции вида (1) и (2) [21].
0,
x{ < min,
/
4i = 4i (xi)
x, - min,
min, < x{ < max,
(1)
max, - min,
■i>
V
1,
> max,
Таблица 7. Пример исходной модели-классификации для оценки устойчивости водных объектов
к изменению качества воды
Признаки Классы устойчивости
I max II III IV V min
1. Растворенный кислород, % насыщения 0-30 30-60 60-80 80-95 95-100
2. БПК5, мг О/л 5,0-4,0 3,9-3,0 2,9-2,0 1,9-1,1 1,0-0,5
3. Окисляемость, мг О/л 5,5-4 4-3 3-2 2-1 1-0
4. Аммонийный азот КН4+, мг/л 2,0-1,1 1-0,4 0,3-0,2 0,1-0,05 0,05-0
5. Степень закисления, рН 4,0-4,5 4,5-5,5 5,5-6,0 6,0-6,5 6,5-7,5
Примечание. В работе [22, с. 78] имеется ссылка на классификацию загрязненности водных объектов по химическим показателям А. А. Былинкиной, С. М. Драчева, А. И. Ицковой, использованную нами для составления табл. 7 (признаки 1-4). К сожалению, ссылаясь на первоисточник, авторы работы [22] назвали признак 3 — ХПК. В подлиннике же дано «окисляемость». Поэтому мы рекомендуем в последующих моделях-классификациях заменить эту шкалу на шкалу бихроматной окисляе-мости или шкалу ХПК, как это сделано в [23].
Таблица 8. Пример исходной модели-классификации для оценки устойчивости водоемов к антропогенному эвтрофированию
Классы устойчивости
Признаки I max II III IV V min
1. Содержание общего фосфора (Р), мкг/л 150-100 100-50 50-15 15-5 5-0
2. Содержание общего азота (К), мкг/л 2000-1500 1500-500 500-100 100-5 5-0
3. Прозрачность воды, м 0,1-0,5 0,5-2,0 2,0-5,0 5,0-7,0 7,0-10
4. Средняя биомасса фитопланктона за вегетационный период, мг/л 10-7 7-3 3-1 1-0,5 0,5-0
Неубывающая кусочно-степенная функция (1) использовалась в случае, когда увеличение значения i-ой исходной характеристики не влечет снижения уровня устойчивости, трофности, качества воды, оцениваемых с точки зрения i-го критерия. При этом всем параметрам со значениями xt, не превосходящими некоторого фиксированного уровня min; , приписывается минимальное значение i-го показателя, а параметрам со значениями xt, превосходящими фиксированный уровень max,' — максимальное значение этого показателя. Далее задаются минимальные и максимальные значения параметров. Для этого, как правило, используются минимальное и максимальное значения из каждой оценочной шкалы исходных характеристик. В качестве min, в практике оценочных исследований может приниматься нулевое значение характеристики, а также фоновое, предельно допустимое (ПДК) и др. В каждом случае это оговаривается в работе. В качестве max, не всегда целесообразно использовать правое значение x, последнего класса (прямая связь характеристики с оцениваемым свойством). Часто это значение достаточно велико и редко достижимо на практике. Кроме того, при его использовании в качестве
Таблица 9. Пример задания минимальных и максимальных значений параметров для нормирования исходных значений
Признаки min, max,
1. Площадь поверхности, км2 10 20000
2. Объем, км3 1 400
3. Максимальная глубина, м 5 200
4. Средняя 1 воды в летний период, оС 12 25
5. Продолжительность ледостава, мес. 0 6
6. Вертикальное перемешивание, количество раз за год 1 6
7. Коэффициент водообмена 0 7
8. Годовая амплитуда колебаний уровня воды, м 0,5 5
9. Наличие сезонной стратификации, баллы 1 2
10. Условия проточности, баллы 1 6
11. Характер регулирования, баллы 1 6
12. Растворенный кислород, % насыщения 0 100
13. БПК5, мг О/л 0,5 5,0
14. Окисляемость, мг О/л 0 5,5
15. Аммонийный азот КН4+, мг/л 0 2,0
16. Степень закисления, рН 4,0 7,5
17. Содержание общего фосфора (Р), мкг/л 0 150
18. Содержание общего азота (К), мкг/л 0 2000
19. Прозрачность, м 0 10
20. Средняя биомасса фитопланктона за вегетационный период, мг/л 0 10
max, в последний класс может попасть 40-60% и более всей оценочной шкалы. В этом случае в качестве max, можно ввести не абсолютный максимум характеристики, а «региональный максимум» (меньший абсолютного) или задать max, с учетом изменения по классам величины Ax, (как в предыдущем классе). Например, используя оценочную шкалу прозрачности воды, в качестве maxi не обязательно выбирать абсолютно большую прозрачность (Саргассово море, прозрачность 64 м), можно взять максимальное региональное значение для водоема (района исследования).
Исследователь должен дополнительно выбрать показатель степени Л, определяющий характер и степень выпуклости нормирующей функции qi (xi): при Л > 1 соответствующая нормирующая функция выпукла вниз, а при Л < 1 — вверх. В диссертационной работе Е. А. Примак [23] показано, что учет нелинейности связей не вносит существенных изменений в формирование оценочной шкалы интегрального показателя. Основные изменения отмечаются в ширине диапазона среднего класса оценочной шкалы. Учет нелинейности позволяет также привести оценочную шкалу к близкому долевому соотношению величин диапазонов изменения по классам состояния.
Если при увеличении значения i -ой исходной характеристики уровень устойчивости, трофности, качества воды, оцениваемых по i -му критерию, не возрастают, то может быть применена невозрастающая кусочно-степенная функция вида
x{ < min|
/
4i = 4i (xi)
maxi - x{
mini < x{ < maxi
(2)
V
maxi - mini
0:
> maxi.
Построение нормирующих кусочно-линейных функций получается при подстановке в формулы (1), (2) значения параметра Л = 1. В работах мы использовали именно такие простейшие нормирующие функции, учитывая, что выбор линейной функции для нормирования всегда может быть оправдан на первом этапе исследования. В качестве min, использовалось левое граничное значение критерия для первого класса, а в качестве max; — правое граничное значение для последнего класса. Для параметров, связанных с оцениваемым свойством обратной зависимостью — наоборот.
Выбор вида функции желательности для построения интегрального показателя устойчивости. В качестве d-функции выберем линейную свертку нормированных значений критериев вида
представляющую собой сумму взвешенных значений показателей , определяемую вектором параметров ^ = ..., wm) неотрицательными компонентами которого являются весовые коэффициенты («веса»), задающие значимость (важность) отдельных критериев для интегральной оценки Введение дополнительного условия нормирования весов (^1 + ... + мт = 1) позволяет говорить о значении параметра wi как об оценке относительной значимости показателя д,.
В табл. 10 представлены нормированные значения параметров оценивания устойчивости и оценочная шкала интегрального показателя (11) устойчивости водных объектов к изменению параметров естественного режима. Данная модель-классификация построена в предположении равенства весов (приоритетов) между признаками (^=0,091). В этом случае вес рассчитывается по формуле w¡ = 1/п. Максимальной устойчивости поставлено в соответствие значение д, = 1, а минимальной д, = 0. Для признаков 1-5 процедура нормирования выполнена по нормирующей функции (1), а для признаков 6-11 — по функции (2).
В табл. 11 и 12 представлены нормированные значения параметров оценивания устойчивости и оценочные шкалы интегрального показателя устойчивости водоемов к изменению качества воды 12 (табл. 11) и эвтрофированию 13 (табл. 12). Модели-классификации (табл. 11) и (табл. 12) построены в предположении равновесности критериев оценивания = 0,2 и w¡ = 0,25 соответственно). Максимальной устойчивости к снижению качества воды и эвтрофированию поставлено в соответствие значение д, = 1, а минимальной д, = 0.
Рассчитаем интегральные показатели второго уровня свертки информации. Для них исходными значениями являются результаты первого уровня свертки информации. Получим:
m
(3)
- индекс устойчивости к изменению параметров естественного режима и снижению качества воды (11=11 +12) (табл. 13);
- индекс устойчивости к изменению параметров естественного режима и эвтро-фированию (1ц=11 +13) (табл. 14).
При этом веса (приоритеты) для второго уровня свертки примем равными = 0,5.
Таблица 10. Нормированные значения критериев оценивания устойчивости к изменению параметров естественного режима
Признаки Классы устойчивости
I тах II III IV V тт
1. Площадь поверхности 1-0,750 0,750-0,500 0,500-0,250 0,250-0,050 0,050-0
2. Объем 1-0,749 0,749-0,499 0,499-0,248 0,248-0,023 0,023-0
3. Максимальная глубина 1-0,744 0,744-0,487 0,487-0,231 0,231-0,026 0,026-0
4. Средняя 1 воды в летний период 1-0,769 0,769-0,615 0,615-0,462 0,462-0,321 0,231-0
5. Продолжительность ледостава 1-0,833 0,833-0,667 0,667-0,500 0,500-0,333 0,333-0
6. Вертикальное перемешивание 1-0,800 0,800-0,600 0,600-0,400 0,400-0,200 0,200-0
7. Коэффициент водообмена 1-0,971 0,971-0,857 0,857-0,571 0,571-0,286 0,286-0
8. Годовая амплитуда колебания уровня воды 1-0,889 0,889-0,667 0,667-0,444 0,444-0,222 0,222-0
9. Наличие сезонной стратификации 1 1 1-0 0 0
10. Условия проточности 1-0,800 0,800-0,600 0,600-0,400 0,400-0,200 0,200-0
11. Характер регулирования 1-0,800 0,800-0,600 0,600-0,400 0,400-0,200 0,200-0
11 1-0,828 0,828-0,645 0,645-0,355 0,355-0,161 0,161-0
Таблица 11. Нормированные значения параметров оценивания устойчивости к изменению
качества воды
Признаки Классы устойчивости
I тах II III IV V тт
1. Растворенный кислород, % насыщения 1-0,700 0,700-0,400 0,400-0,200 0,200-0,050 0,050-0
2. БПК5, мг О/л 1-0,778 0,756-0,556 0,533-0,333 0,311-0,133 0,111-0
3. Окисляемость, мг О/л 1-0,727 0,727-0,545 0,545-0,364 0,364-0,182 0,182-0
4. Аммонийный азот КН4+, мг/л 1-0,550 0,500-0,200 0,150-0,100 0,05-0,025 0,025-0
5. Степень закисления, рН 1-0,857 0,857-0,571 0,571-0,429 0,429-0,286 0,286-0
12 1-0,722 0,708-0,454 0,440-0,285 0,271-0,135 0,131-0
Таблица 12. Нормированные значения параметров оценивания устойчивости к эвтрофированию
Признаки Классы устойчивости
I max II III IV V min
Содержание общего фосфора (Р), мг/л 1-0,667 0,667-0,333 0,333-0,100 0,100-0,033 0,033-0
Содержание общего азота (N), мг/л 1-0,750 0,750-0,250 0,250-0,050 0,050-0,003 0,003-0
Прозрачность воды, м 1-0,960 0,960-0,808 0,808-0,505 0,505-0,303 0,303-0
Средняя биомасса фитопланктона за вегетационный период, мг/л 1-0,700 0,700-0,300 0,300-0,100 0,100-0,050 0,050-0
1з 1-0,769 0,769-0,423 0,423-0,189 0,189-0,097 0,097-0
Таблица 13. Устойчивость к изменению параметров естественного режима и снижению качества воды
Классы устойчивости
Ii I max II выше средней III средняя IV ниже средней V min
1-0,775 0,768-0,550 0,543-0,320 0,313-0,148 0,146-0
Таблица 14. Устойчивость к изменению параметров естественного режима и к эвтрофированию
Классы устойчивости
Iii I max II выше средней III средняя IV ниже средней V min
1-0,799 0,799-0,534 0,534-0,272 0,272-0,129 0,129-0
Примечание. Первый класс характеризуется максимальной устойчивостью, пятый класс — минимальной.
Прежде чем рассчитать интегральные показатели по построенной модели-классификации для конкретных озер, рассмотрим ряд гипотетических ситуаций (сценариев). В них мы определим, как будет изменяться интегральный показатель устойчивости при различных (характерных) гипотетических параметрах водных объектов. Для этого мы будем априори использовать комбинации достаточно больших и наименьших значений параметров водоемов, идентифицируемых исходными классификациями (средние значения параметров для I и V классов). Результаты расчетов представлены в табл. 15 и 16. Аналогичная задача решалась в диссертационной работе И. В. Федоровой [24].
Таблица 15. Значения интегрального показателя и классы устойчивости к изменению параметров естественного режима и качества воды для различных типов водных объектов
Тип водного объекта Значение I (класс устойчивости)
Крупные и грязные 0,888 (I)
Крупные и чистые 0,490 (III ближе к границе с II классом)
Мелкие и грязные 0,470 (III ближе к границе с II классом)
Мелкие и чистые 0,073 (V)
Таблица 16. Значения интегрального показателя и классы устойчивости к изменению параметров естественного режима и эвтрофированию для различных типов водных объектов
Тип водного объекта Значение I (класс устойчивости)
Крупные и ультраолиготрофные 0,481 (III ближе к границе с II классом)
Крупные и гиперэвтрофные 0,907 (I)
Мелкие и ультраолиготрофные 0,065 (V)
Мелкие и гиперэвтрофные 0,483 (III ближе к границе с II классом)
Как видно из табл. 15 самыми устойчивыми к изменению параметров естественного режима и качества воды оказались крупные и грязные водоемы (они попали в I класс устойчивости). Крупные и чистые водоемы, также как мелкие и грязные попали в III класс устойчивости, и, наконец, самыми уязвимыми к изменению параметров естественного режима и качества воды оказались мелкие и чистые водоемы (V класс устойчивости).
Что касается устойчивости водоемов к изменению параметров естественного режима и эвтрофированию (табл. 16), то самыми устойчивыми (I класс) оказались крупные и гиперэвтрофные водоемы. Третий класс устойчивости имеют мелкие ги-перэвтрофные и крупные ультраолиготрофные водоемы. Мелкие ультраолиготроф-ные водоемы попали в V класс устойчивости.
3. Оценка устойчивости некоторых озер Северо-Запада России к изменению параметров естественного и антропогенного режимов.
Определим класс устойчивости некоторых озер Северо-Запада России на основе модели-классификации устойчивости, подобной рассмотренной выше, и метода сводных показателей. Исходными данными для расчетов являлись материалы натурных наблюдений конца 1980-х — начала 1990-х гг., опубликованные в литературе.
Результаты рассчитанных интегральных показателей и классы устойчивости выбранных озер представлены в табл. 17 и 18.
Расчеты устойчивости, выполненные для озер Северо-Запада России (табл. 17, 18), позволяют сделать следующие выводы. Ладожское озеро оценено III классом устойчивости к изменению параметров естественного режима и изменению качества воды и II-III классами устойчивости к изменению параметров естественного режима и эвтрофированию. Озеро Ильмень обладает III-II классами устойчивости к изменению параметров естественного режима и качества воды и устойчивости к изменению параметров естественного режима и эвтрофированию. Онежское озеро попало
Таблица 17. Значения интегрального показателя и классы устойчивости к изменению параметров естественного режима и к изменению качества воды для различных озер
Название водоема Значение I (класс устойчивости)
Ладожское озеро 0,387 (III)
Онежское озеро 0,509 (III ближе к II)
Озеро Ильмень 0,513 (III ближе к II)
Белое озеро 0,515 (III ближе к II)
Таблица 18. Значения интегрального показателя и классы устойчивости к изменению параметров естественного режима и эвтрофированию для различных озер.
Название водоема Значение I (класс устойчивости)
Ладожское озеро 0,436 (III)
Онежское озеро 0,595 (II ближе к III)
Озеро Ильмень 0,405 (III ближе к II)
Белое озеро 0,527 (граница II-III)
в III, ближе ко II, класс устойчивости в первом случае и II, ближе к III, класс во втором. Озеро Белое в первом случае попадает в III, ближе к II, класс устойчивости и находится на границе II-III классов во втором случае. Общим недостатком приведенных результатов является то, что в больших озерах можно зонировать акваторию по классам трофности и качества. В связи с этим осредненные оценки трофности и качества не дают репрезентативных выводов по оценке устойчивости крупных водоемов. Да и для малых озер возможны аналогичные ситуации. Например, в работе [25] нами показано, что в наши дни малое оз. Суури по трофности отнесено к классу мезотрофных. В этом случае оз. Суури может быть отнесено к границе III-IV классов устойчивости.
Если принять в качестве исходного значения трофического статуса переходное состояние от мезотрофии к эвтрофии, то устойчивость озера оценивается III-м классом.
Для оценки устойчивости озерной системы оз. Суури к изменению параметров естественного режима и качества воды необходимы сведения о качестве воды в озере. Качество воды было оценено несколькими способами. Вода в верхних слоях отнесена к классу «чистая» (I-II классы). В этом случае оз. Суури отнесено к IV классу устойчивости. Если учесть, что придонные слои воды в озере загрязнены сильнее, и их качество можно оценить IV классом устойчивости, в этом случае оз. Суури отнесено к III классу устойчивости. Таким образом, впервые был получен вывод о том, что придонные слои воды более устойчивы к изменению параметров естественного режима и загрязнению, чем верхние. Это также не должно восприниматься как подтверждение благополучной экологической ситуации (обстановки) в придонных
слоях озера или как повышение экологического благополучия в водоеме. Сделан вывод о том, что оз. Суури более уязвимо к изменению параметров естественного режима и качества воды, чем к изменению параметров естественного режима и эвтро-фированию. Придонные слои воды озера более устойчивы к изменению параметров естественного режима и загрязнению, чем верхние.
Литература
1. Дмитриев В. В., Огурцов А. Н. Подходы к оценке и ГИС-картографированию устойчивости и экологического благополучия геосистем. I. Интегральная оценка устойчивости наземных и водных геосистем // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. Вып. 3. 2012. С. 65-78.
2. Многокритериальные географо-экологические оценки состояния и устойчивости природных и урбанизированных систем / Александрова Л. В., Васильев В. Ю., Дмитриев В. В., Мякишева Н. В., Огурцов А. Н., Третьяков В. Ю., Хованов Н. В. Под ред. В. В. Дмитриева и Н. В. Хованова. Деп. ВИНИТИ 01.09.2000, № деп.2342В00. 275 с.
3. Дмитриев В. В., Огурцов А. Н., Афонин А. Н., Машкин Ю. Л. Оценка устойчивости растительного покрова в зоне активного техногенного воздействия с использованием ГИС-технологий / Интер-Карто — ИнтерГИС 10: устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт: Мат. Междунар. конф. Владивосток, Чанчунь (КНР), 12-19 июля 2004 г. Владивосток, 2004. С. 165-170.
4. Огурцов А. Н., Разживин В. Ю., Пигольцина Г. Б., Хованов Н. В. Геоинформационный анализ и синтез показателей устойчивости почвенного покрова к загрязнению нефтяными углеводородами при информационном дефиците / ИнтерКарто — ИнтерГИС 13: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт: Мат. Междунар. конф. Ханты-Мансийск — Йеллоунайф — 12-24 августа 2007 г. Ханты-Мансийск: Изд-во Полиграфист, 2007. Т. 1. С. 189-196.
5. Дмитриев В. В. Устойчивость природных объектов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов // Дмитриев В. В., Фрумин Г. Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем: учеб. пособие. СПб.: Наука, 2004. С. 241-278.
6. Дмитриев В. В. Определение интегрального показателя состояния природного объекта как сложной системы // Общество. Среда. Развитие. 2009. № 4 (12). С. 146-165.
7. Дмитриев В. В. Интегральные оценки состояния сложных систем в природе и обществе // Биосфера. 2010. Т. 2, № 3. С. 533-546.
8. Алексеев Д. К., Гальцова В. В., Дмитриев В. В. Экологический мониторинг: современное состояние, подходы и методы. Часть I. Экологический мониторинг атмосферного воздуха и поверхностных вод суши: учеб. пособие. СПб.: Изд-во РГГМУ 2011. 302 с.
9. Алимов А. Ф., Чистобаев А. И., Дмитриев В. В., Хаванов Н. В., Флоринская Т. М. Интегральная оценка экологического состояния и качества среды городских территорий / под ред. А.К.Фролова. СПбНЦ РАН: СПб., 1999. 253 с.
10. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Оценка уязвимости водоемов Европейского Севера к изменению параметров режимов // Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Мат. Междунар. конф. 25-27 октября 2006 г. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2006. С. 107-108.
11. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Разработка интегральных индексов для оценки устойчивости водоемов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов // Географические и геоэкологические аспекты развития природы и общества. Сб. научных статей по материалам отчетных научно-практических конференций 2006-2007 гг. / под ред. Н. В. Каледина, В. В. Дмитриева, Т. А. Алиева. СПб.: Наука, 2008. С. 234-241.
12. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Интегральная оценка уязвимости и экологического благополучия водных объектов // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований: Тр. Всерос. науч. конф. с международным участием. Т. 1: 19-22 мая 2009 г. / под ред. О. П. Ермолаева, В. В. Сироткина Казань: Изд-во «Бриг», 2009. С. 63-67.
13. Владимиров А. М., Ляхин Ю. И., Матвеев Л. Т., Орлов В. Г. Охрана окружающей среды. Л.: ГМИ, 1991. 423 с.
14. Снакин В. В., Мельченко В. Е., Бутовский Р. О. и др. Оценка состояния и устойчивости геосистем. М.: ВНИИ Природы, 1992. 127 с.
15. Дмитриев В. В. Методика диагностики состояния и устойчивости водных экосистем // Эколо-
го-географический анализ состояния природной среды: проблема устойчивости геоэкосистем. СПб., 1995. С. 41-67.
16. Дмитриев В. В. Диагностика, экологическое нормирование и оценка устойчивости водных экосистем к антропогенному воздействию // Океанология в Санкт-Петербургском университете. СПб., 1997. С. 196-211.
17. Дмитриев В. В. Оценка уязвимости водоемов к внешним воздействиям // Экология. Безопасность. Жизнь. Экологический опыт гражданских, общественных инициатив. Гатчина. 2000. Вып. 10. С. 284-296.
18. Дмитриев В. В. Эколого-географическая оценка состояния внутренних водоемов: дис. ... д-ра геогр. наук. СПб., 2000. 419 с.
19. Дмитриев В. В., Мякишева Н. В., Третьяков В. Ю., Хованов Н. В. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей. II. Трофический статус водных экосистем // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 1997. Вып. 1 (№ 23). С. 51-67.
20. Дмитриев В. В., Мякишева Н. В., Хованов Н. В. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей. I. Качество природных вод // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 1996. Вып. 3 (№ 21). С. 40-52.
21. Хованов Н. В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1996. 196 с.
22. Зенин А. А., Белоусова Н. В. Гидрохимический словарь. Л., 1988, 239 с.
23. Примак Е. А. Интегральная оценка устойчивости и экологического благополучия водных объектов: автореф. дис. . канд. геогр. наук. СПб., 2009. 24 с.
24. Федорова И. В. Современное состояние и устойчивость к воздействию внутренних водоемов Антарктиды: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. СПб., 2003. 19 с.
25. Экологическое состояние водных объектов карельского приладожья по результатам экспедиционных исследований 2011 г. и его сравнение с ретроспективными данными / Дмитриев В. В., Панов В. Е., Пуленко Н. А., Шарафутдинова Г. Ф., Бурцев С. Н., Боброва О. Н., Буршева О. А., Евдокимов А. А., Зезюльчик Т. С., Кашина В. В. // Современные проблемы географии и геоэкологии. Мат. междунар. науч. конф., посвященной 90-летию почетного профессора СПбГУ, доктора географических наук, профессора А. Г. Исаченко / под общ. ред. Т. А. Алиева, Г. Н. Белозерского, В. В. Дмитриева, В. Н. Мовчана, А. И. Чистобаева. СПб., 2012. С. 220-233.
Статья поступила в редакцию 16 апреля 2013 г.
