CC BY
28УДК 551.46.072:51, 574.5.001.57:51
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ШЕЛЬФОВЫХ ЭКОСИСТЕМ
Н.В. Соловьева, д-р физ.-мат. наук,
Московский финансово-юридический университет МФЮА E-mail: solocean@rambler.ru
Аннотация. В статье обосновывается необходимость проведения оптимизации финансирования интенсивных разработок месторождений шельфа с учетом междисциплинарности возникающих задач. Использование предложенных методик позволит удовлетворить вынужденным условиям снижения затрат на природоохранные мероприятия при сохранении приоритетности экологических требований.
Ключевые слова: экологический риск, экологическая безопасность, шельф, математическое моделирование.
Abstract. Necessity proves in work to spend optimization of financing of intensive development of shelf deposits in view of arising problems variety. Use of the offered techniques will allow to satisfy to the compelled conditions of decrease in expenses for nature protection actions at preservation of a priority of ecological requirements.
Keywords: ecological risk, ecological safety, shelf, mathematical modeling.
Математическое моделирование экологического риска необходимо проводить для экологических систем, подверженных интенсивной антропогенной нагрузке. В этом смысле экологические системы шельфовых акваторий являются областями сосредоточения как эколого-экономических проблем (добыча нефти и газа), так и климатических (присутствие на шельфе северных морей и арктического шельфа газогидратов).
При существующих методиках экономической оценки почти всех важнейших видов природных ресурсов, заметных успехов в повышении эффективности природопользования не наблюдается [1]. Одной из причин является отсутствие должного учета экологического фактора в показателях экономической оценки природных ресурсов и оценке последствий хозяйственной деятельности человека. Важнейшим в этом
смысле является первичность определения величины допустимого риска экологической системы, а не наоборот - допустимой интенсивности антропогенного воздействия.
Существующие механизмы финансового регулирования природоохранной деятельности, включая платежи за загрязнения, земельный налог, плату за воду, штрафы и компенсации, экологическое страхование и т.д., только поверхностно касаются экологического аспекта воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду. Причем именно на «среду», не выделяя в ней сложные природные экологические системы, не акцентируя внимания на многомерности пространства параметров и связей между компонентами единой сложной системы, включающей антропогенную деятельность человека. Это не значит, что в решении эколого-экономических задач нужно настолько детализировать изучаемые явления, что целостное представление будет утеряно. Но и ограничивать экологическую часть общей задачи лишь тривиальными выводами о связи между загрязнениями и платежами, регламетациями и ограничениями недостаточно.
Хотя экономические требования на практике вступают в противоречие с экологическими, все же можно сформулировать такой подход, который позволит принимать эффективные эколого-экономические решения природохозяйственных задач. В его основе лежат методы математического моделирования экологического риска с выходом на управление риском [2; 9; 10]. Методика отрабатывалась на задачах, связанных с экологическим состоянием и риском разработок шельфа [3].
Необходимость разработки методов математического моделирования состояния экологических систем шельфовых районов обусловлена интенсивным освоением месторождений нефти и газа. Вместе с тем шельфовые области являются наиболее продуктивными, и прогноз состояния экологической системы, находящейся в условиях интенсивного антропогенного воздействия, требует комплексного междисциплинарного подхода, включающего как экспериментальные методы и данные натурных наблюдений (контактные и дистанционные), так и методы математического моделирования [ 2; 3; 6 ].
Для моделирования шельфовых экосистем может применяться синтез широко известного экосистемного подхода в математическом моделировании [2; 3; 4; 5; 6; 7 ] и развивающегося экоскринингового [8; 9; 10] открывающий широкие перспективы в решении задач экологической безопасности [7; 10]. Междисциплинарность предложенного
подхода позволяет использовать все достоинства смежных дисциплин и избежать недостатков каждой в отдельности.
Состояние экологической системы оценивается разными группами специалистов по существующим для каждой из них нормативам: санитарно-гигиеническим, рыбохозяйственным, водопользователь-ским и т.д. В таких нормативах используются самые разнообразные системы индикаторов, от хорошо разработанной системы предельно-допустимых концентраций (ПДК), предельно-допустимых выбросов (ПДВ) и нагрузок (ПДН) до генетических индикаторов, используемых для определения мутагенной степени опасности.
Такое разнообразие в подходах дает возможность количественно оценить воздействие либо конкретного загрязнителя (токсиканта) на определенный вид организмов, либо суммы негативных воздействий на определенную жизненно важную функцию организма. При этом следует отметить несовершенство каждого из подходов в отдельности. Так, нормы ПДК, защищая человека от того или иного воздействия, не рассчитаны на защиту всей экосистемы в целом. Даже если значениями ПДК пытаются нормировать какое-либо антропогенное воздействие на сумму некоторых живых организмов, то, как правило, это можно осуществить только для конкретной среды (атмосферный воздух, питьевая вода, вода рыбохозяй-ственных водоемов и т.п.). Кроме того, такие нормы не учитывают эффекты накопления вредных веществ в организмах или последствия перехода их из одной среды в другую. Другими словами, выполнение норм по какому-либо одному критерию не означает экологической безопасности всей системы в целом, однако является необходимым ее условием.
Эти соображения легли в основу построения универсальной модели экологической системы морского шельфа, учитывающей связи между процессами различной природы (физической, химической, биологической, геологической), которые отражены системой нелинейных, нестационарных уравнений в частных производных [2; 3]. Традиционный подход, связанный с математическим моделированием последствий антропогенного воздействия на экологическую систему, предполагает расчет концентраций и биомасс (или численностей) основных компонентов экосистемы [4; 5; 6; 12; 13; 14; 15]. В таком расчете в качестве внешних учитываются антропогенные воздействия на экосистему: сбросы загрязнений, строительство гидротехнических сооружений, зарегулирование речного стока, добыча полезных ископаемых на шельфе и т.п.
В отношении факторов, обуславливающих экологическую безопасность, можно выделить внешние и внутренние по отношению к исследуемой системе. Под внешними факторами будем понимать естественные и антропогенные, направленные на обеспечение приемлемой экологической опасности, сокращение пространства экологического риска. Внутренние факторы относятся к свойствам самой системы и связаны с устойчивостью, надежностью, резистентностью. При этом значение величины критического состояния экосистемы не является постоянным, а нелинейно зависит от внешних естественных условий, антропогенных воздействий и самого состояния экосистемы в текущий и предшествующие моменты времени.
Математическая модель экологической системы шельфа [2; 3] позволяет рассчитать годовой ход и поля [12; 14; 14; 16; 17; 18] основных компонентов экосистемы при естественных и антропогенных воздействиях. Полученные результаты [2] позволяют выявить внутригодо-вые подъемы и спады в значениях биомасс и концентраций основных компонентов экологической системы, подверженной интенсивному антропогенному загрязнению. Такие результаты представляют собой несколько сотен численных экспериментов при вариациях коэффициентов, параметров и внешних воздействиях, учтенных в модели экологической системы [19; 20].
Особое значение имеют прогнозы общего характера, не связанные со временем. При этом удается получить ответ на вопрос, что вообще может происходить с экологической системой при тех или иных внешних воздействиях, в том числе последствий нефтегазоразработок шельфа [2; 11; 18].
Численные эксперименты, основанные на математической модели экологической системы шельфа, явились входными для экоскрининговых моделей риска. Необходимость появления нового экоскринингового подхода к оценке экологической безопасности обусловлена переориентацией в области экологической безопасности с концепции абсолютной безопасности на концепцию приемлемого риска или на их комбинацию [1]. Принятая практика оценки антропогенного воздействия на окружающую среду предусматривает, как уже говорилось, соблюдение существующих нормативов на сброс, захоронение или складирование отходов. В настоящее время стала очевидной недостаточность существующих норм.
Объем, режимы, условия сбросов загрязняющих веществ могут удовлетворять необходимым требованиям (санитарно-гигиеническим,
МФЮА московский финансово-юридическии университет
рыбохозяйственным, питьевым и т.д.) и вместе с тем не соответствовать уровню экологической безопасности экосистемы в целом.
В этом смысле синтез экосистемного и экоскринингового моделирования отражает попытку приблизиться к оценке экологической безопасности для всей экосистемы в целом. Модель внутригодовой изменчивости риска [12; 13] основана на следующем. В реальных условиях численность особей, составляющих популяцию, закономерно меняется в течении года под воздействием естественных факторов: изменения солнечной радиации, количества питательных веществ и т. д. Причем для оценки риска в нужную сторону (сверху) необходимо учитывать самые неблагоприятные естественные условия.
Расчеты с помощью экосистемной модели агрегированных компонентов [3] отражают естественные вспышки и спады биомасс (числен-ностей) популяций. Эти результаты расчетов используются как входные данные для экоскрининговой оценки риска по вероятностным моделям. В результате получаем зависимость допустимой антропогенной нагрузки qд от значений экологического риска уа, качественный вид которой приведен на рис. 1. Здесь можно выделить три области. Две - соответствующие крайним состояниям максимального и минимального естественного экологического риска и третья - переходная область (гипербола на рис.1).
При минимальном экологическом риске допустимую вероятность антропогенной нагрузки можно увеличить до максимума, а, следовательно, снизить на этом этапе экономические требования к обеспечению экологической безопасности. Напротив, при максимальном уровне экологического риска допустимая вероятность антропогенной нагрузки должна быть сведена к минимуму, что требует увеличения экономических затрат. Таким образом, перераспределение экономических затрат в течение года будет обусловлено соответствующей меняющейся вероятностью экологического риска, что повысит их эффективность и оптимизирует их уровень.
Динамика экономических вложений в обеспечение экологической безопасности может варьироваться не только в течение года в зависимости от годового хода экологического риска, но и в зависимости от степени ценности различных объектов, испытывающих воздействия. Так, один и тот же экологический риск уа можно допустить с разной степенью вероятности, а, следовательно, и варьировать финансовые вложения.
Чд=1
1 Дуа 2 Ауа з уа=1
Лу„ 1
Допустимая вероятность экологического риска
Рис. 1. Зависимость допустимой антропогенной нагрузки от экономического риска
Существующие экоскрининговые оценки риска обладают необходимой комплексностью и могут быть сделаны на уже имеющихся данных, в качестве которых могут использоваться данные наблюдений или результаты численных экспериментов (например, по экосистемной модели). Они основаны на грубых, но неулучшаемых оценках экологического риска, как вероятности гибели популяции [9]. Совместное применение модели экологической системы и экоскрининговых моделей дает возможность оценить внутригодовую изменчивость риска, а, следовательно, выявить наиболее опасные сезоны для популяций, подверженных антропогенному воздействию [7].
В экономическом аспекте решаемой задачи возможно согласовать финансовые вложения в соответствии с понижением или повышением требований к допустимой вероятности антропогенной нагрузки qд. Именно к этому и сводится смысл управления риском. Значением последнего параметра возможно управлять с помощью экономических
мероприятий, объем которых будет определяться повышенными или пониженными требованиями к допустимой антропогенной нагрузке.
Предложенный подход в разном объеме был реализован для морских экологических систем северо-западного шельфа Черного моря [2; 3; 4; 5; 6], Черного моря в целом [7], Гданьского залива Балтийского моря, шельфа о. Сахалин, Северного Каспия [14; 15; 16; 18; 19; 20] и частично для акватории залива Мамала (Гавайские о-ва) [13; 17], а также для районов суши, подверженных интенсивному антропогенному загрязнению (нефтегазодобывающие районы Сибири).
ЛИТЕРАТУРА
1. Государственная программа «Экологическая безопасность России». Результаты реализации. - М., 1996.
2. Беляев В.И. Моделирование морских систем. - Киев, 1987.
3. Беляев В.И. Кондуфорова Н.В. Математическое моделирование экологических систем шельфа. - Киев, 1990.
4. Belyaev V.I.,Konduforova N.V. Modelling of the shelf ecosystem. -Ecological Modelling, 60 (1992).
5. Belyaev V.I.,Konduforova N.V., Mikhajlov E.A. Investigation of the Shelf Ecological System on the Basis of Modelling and Field Work.-Internationale Revue, 77, 1992, 1.
6. Belyaev V.I.. Modelling of the Black Sea Ecological Systems. Sevastopol: «ECOSI-Hydrophysika». 1998.
7. Solovjova N.V. Synthesis of ecosystemic and ecoscreening modelling in solving problems of ecological safety// Ecol. Modelling. 1999. V. 124.
8. Флейшман Б.С. Основы системологии. - М., 1982.
9. Флейшман Б.С. Критерии экологической безопасности в условиях неопределенности экоскрининговый подход) // В сб. «Экоскрининг. Разработка основ стандартов экологической безопасности». Деп. ВИНИТИ № 3401, 19.12.95.
10. Fleishman B.S. Stochastic theory of complex ecologocal system. In: Patten B.C., Jorgensen S.E. (Eds), Complex Ecology, The Part-Wole Relation in Ecosystem, Chapter 6.
11. Лобковский Л.И., Соловьева Н.В. Моделирование годового и спектрального хода гидрооптических характеристик на основе модели экосистемы шельфа и дистанционных наблюдений // Океанология. Т. 48. №2.
12. СоловьеваН.В.Математическоемоделирование пространственно-временных изменений экологического риска экосистем шельфа в условиях интенсивного антропогенного загрязнения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь, 2001.
13. Соловьева Н.В. Моделирование пространственно-временных вариаций риска от сточных вод на примере бухты Мамала (Гавайи) // Материалы V Международного симпозиума «Экоинформатика-2002» (3-5 декабря 2002 г. Москва). - М., 2002.
14. Соловьева Н.В. Моделирование годового хода основных компонент экологической системы шельфа Северного Каспия // Сб. тр. конгресса ПР0ТЭК-2002 (сент. 2003 г.). - М., 2003.
15. Соловьева Н.В. Математическое моделирование экосистемы шельфа в рамках мониторинга // Бурение и нефть. Июль-авг. 2005.
16. Соловьева Н.В. Математическое моделирование с использованием данных натурных и дистанционных наблюдений для оценки состояния экологической системы шельфа // Нефтяное хозяйство. 2005. № 10.
17. Соловьева Н.В., Худошина М.Ю. Математическое моделирование полей сточных вод и зоны загрязнения от сбросового устройства в шельфовых районах // Безопасность жизнедеятельности. 2004. № 2.
18. Лобковский Л.И., Копелевич О.В., Соловьева Н.В. Совместное использование данных натурных, дистанционных наблюдений и математического моделирования для оценки состояния экологической системы Северного Каспия // Защита ОС в нефтегазовом комплексе. №5. 2005.
19. Соловьева Н.В., Лобковский Л.И. Анализ чувствительности модели экосистемы шельфа к вариациям ее основных параметров на примере расчета оптических характеристик Северного Каспия // Экологические системы и приборы. 2008. №1.
20. Соловьева Н.В., Лобковский Л.И. Совместное исследование чувствительности модели экосистемы шельфа и ее оптических характеристик к вариациям скорости фотосинтеза фитопланктона для калибровки модели // Экология промышленного производства. 2008. №1.
