CC BY
181
СЦЕНАРИИ УСТОЙЧИВОГО РЕГИОНАЛЬНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА*
В статье обсуждается проблема построения сценариев регионального водопользования с учетом климатических изменений и антропогенных воздействий на водные объекты. Рассматриваются соответствующие математические модели и возможности их информационного обеспечения, включая данные о природных, технических, экономических и социальных факторах. Приведено описание результатов расчетов регионального сценария на примере Ставропольского края.
Общие положения. Устойчивое экономическое развитие региона предполагает выполнение ряда экологических ограничений и требований, соблюдение условий, обеспечивающих общественное (популяционное) здоровье населения, социальную стабильность и безопасность. Особая роль при этом принадлежит водным проблемам: водопользованию, охране вод и защите от стихийных и антропогенных аварий, бедствий, катастроф и прочих негативных явлений, обусловленных гидрологическими процессами и феноменами или связанных с ними. В совокупности эти проблемы можно отнести к водопользованию, понимаемому в самом широком смысле, или водному хозяйству, если не ограничиваться его (бывшими, существующими или предполагаемыми) административными рамками, но включать в него все, что непосредственно обеспечивает эксплуатацию водных ресурсов, охрану водных объектов и защиту человека, его хозяйство, а также естественные экосистемы от негативного воздействия вод.
Таким образом, водное хозяйство как никакая другая сфера деятельности системно связано со всеми аспектами устойчивого регионального развития [1]:
- экологическим, поскольку обеспечивает сохранение природных механизмов воспроизводства водных ресурсов, в том числе качества воды, применяя для этой цели различные средства, в частности нормирование водоотведения, экономические методы охраны водных объектов, регулирование водопотребления и т.п., а также защиту естественных экосистем от негативных последствий всех видов водопользования;
- социомедицинским, поскольку снабжает население водой требуемого качества для хозяйственно-питьевых нужд, создает санитарные условия, удовлетворяющие нормативным требованиям, реализует меры по борьбе с инфекционными заболеваниями, распространение которых связано с водной средой, и т.д.;
- социально-экономическим, поскольку опосредует эксплуатацию водных ресурсов всеми водопользователями, обеспечивая экономические потребности в них в той мере, в какой позволяют экологические ограничения, согласует интересы всех водопользователей в лице представляющих их органов управления (корпоративных, муниципальных, государственных - федеральных и территориальных) в отношении эксплуатации и охраны водных ресурсов.
Переход к устойчивой экономике требует глубоких структурно-технологических изменений и выделения таких приоритетов, как человеческий интеллект, знания и информация. Стратегия охраны окружающей среды необходима при этом как обязательный компонент государственной политики, национальные планы действий по охране окружающей среды - как составная часть программ развития страны, реализация которых невозможна без системы контроля, включая обязательное участие общественности. Отсутствие в России такой стратегии и таких
* Статья подготовлена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-06-80375).
планов, как и органа федеральной исполнительной власти, который отвечал бы за их разработку и исполнение, - главная причина наблюдающегося в России с 2000 г. ухудшения качества окружающей среды, усиления негативного воздействия на нее. Сохранение и продолжение этих тенденций ведет ко все большей деградации водных и сопряженных с ними наземных экосистем водосборных территорий, угрожает ростом дефицита воды в ограниченных по запасам воды регионах страны.
Построение и анализ сценариев развития разных отраслей производства во взаимосвязи с природной средой - необходимая часть подготовки стратегии и национальных планов по охране окружающей среды. Однако этим значение сценариев не ограничивается. Речь идет не только о ресурсных отраслях, но и о перерабатывающих, если они значимо воздействуют на окружающую среду. Опыт показывает, что такая работа может служить организационной базой для изучения ряда природных и технических процессов, для совершенствования методологии перспективного планирования и прогнозирования.
Теоретические продвижения в естествознании в современных условиях достигаются, как правило, на основе обработки больших массивов разнородной статистической информации и данных регулярных наблюдений. Однако регулярный доступ к подобным массивам обеспечен практически только при выполнении государственных заказов (и то не всегда). Организация науки в России такова, что научно-исследовательские институты теоретической ориентации в принципе не могут осуществлять в достаточном объеме деятельность по сбору и первичной обработке технико-экономических данных статистики или мониторинга окружающей среды и не имеют средств для покупки таких данных. Для разработки сценариев развития отраслей и хозяйства в целом, кроме того, необходим большой объем социально-экономической информации, а также разнообразные материалы Правительства РФ, его ведомств, региональных администраций и т. п.
Обслуживая практически все отрасли экономики, водное хозяйство существенно зависит от природных, социальных и других факторов, учет которых определяет решения о создании систем водопользования, об их развитии и функционировании. Экономические результаты работы всякой системы характеризуются объемом выпускаемой продукции. Для систем водопользования это общее положение крайне трудно конкретизировать. Даже в тех случаях, когда вода обладает основными свойствами товара (т.е. за плату поставляется потребителям), из-за особенностей рынка - в частности, практически неизбежной его региональной монополизации -ее цена не удовлетворяет свойствам, предполагаемым экономической теорией, и даже основному из них, т.е. не уравновешивает спроса и предложения. Тем большие трудности возникают, когда дело касается услуг сугубо инфраструктурного характера, предоставляемых водным хозяйством в форме создания благоприятных условий водопользования, т. е. в тех случаях, когда не требуется изъятия воды из водных объектов (для нужд гидроэнергетики, водного транспорта, лесосплава, рыбного хозяйства, рекреации).
Если же водохозяйственная система или ее компонент - гидротехническое сооружение - выполняет функцию защиты от вредного воздействия вод (как правило, эта функция сочетается с какими-либо другими), то о результате судят по предотвращенному ущербу. Задача его оценки существенно труднее, чем оценки нанесенного ущерба, которая, как известно, решается, да и то лишь частично, в отношении прямого ущерба. Что же касается косвенного ущерба (т. е. в тех звеньях социальноэкономической системы, которые не были объектом непосредственного воздействия вод, либо были, но отдаленного во времени и проявляющегося в форме вторичных эффектов), то практически отсутствуют даже попытки разработать мето-
дику его оценки. Все сложности анализа результатов функционирования или перспектив развития водного хозяйства переносятся на задачу оценки его эффективности, поскольку ее решение состоит в сопоставлении результатов работы системы и необходимых (либо реальных) затрат.
Экологическая составляющая оценки функционирования систем водопользования определяется состоянием водных экосистем и качеством природных вод в эксплуатируемых водных объектах. Показатели качества воды широко применяются в решении природоохранных технико-экономических задач, представляя собой интегральную экологическую характеристику не только водных объектов, но и их водосборных территорий.
Решение задач использования и охраны вод осложняется стохастичностью таких природных процессов, как речной сток, осадки, испарение и т. д. Эти осложнения весьма существенны в условиях стационарного климата и резко усиливаются при климатических изменениях, когда сила и частота аномальных событий возрастают. Нестационарность отличает и социально-экономические системы, переживающие переходный процесс, - именно такой является российская экономика. Высокая степень неопределенности климатических факторов, усиливаемая нечеткостью экологических, экономических и социальных показателей обусловливает необходимость обращаться к экспертным оценкам; в итоге многие показатели, используемые при построении сценариев водопользования, с неизбежностью приобретают субъективный характер. Эти обстоятельства заставляют по-новому ставить задачи управления водохозяйственными системами.
Входные параметры водохозяйственных задач, зависящие от климата. Показатели отдачи водных ресурсов и качества вод незарегулированных водотоков, водохранилищ и подземных пластов особо подвержены воздействиям климатических изменений. Вместе с тем при изменениях климата могут существенно измениться запросы пользователей к объему и режиму потребления воды. Традиционно при уменьшении объема стока ограничивается подача воды отдельным группам пользователей. Однако зачастую эти меры не только бывают неэффективными, но и приводят, как правило, к значительным, порой невосполнимым ущербам.
При высокой скорости уменьшения речного стока возникает необходимость реализации серьезных мероприятий в области охраны вод и регулирования водо-потребления, включая увеличение объема перераспределения воды между системами водоснабжения, сооружение дополнительных водохранилищ и очистных сооружений. В целом необходимы подготовка и реализация специальной стратегии водообеспечения всех отраслей народного хозяйства страны для различных сценариев климатических изменений и различных гипотез о развитии народного хозяйства на отдаленную перспективу [2].
При глобальном потеплении характер географического распределения годовых сумм атмосферных осадков и стока может принципиально измениться. Вероятно, он будет сопровождаться заметным увеличением показателей годового стока в высоких широтах и существенным изменением режима влагосодержания деятельного слоя почвы на значительных территориях континентов. Изменения речного стока при антропогенных изменениях климата оцениваются в основном с использованием адаптированных математических моделей, которые первоначально были ориентированы на стационарные условия. Анализ результатов применения этих моделей, представленных в многочисленных публикациях, позволяет выделить основные требования к ним:
- соответствие нестационарным климатическим условиям, новым в сравнении с теми, для которых модель была первоначально разработана;
- совместимость с существующими моделями общей циркуляции атмосферы;
- наличие исходных данных, включая сравнимые исторические;
- соответствие исходной информации требованиям точности модели;
- обеспечение точности расчетов, требуемой для практики управления;
- гибкость модели, простота в использовании и возможность адаптации к новым климатическим и гидрологическим данным.
На Всемирной конференции по климату в Швейцарии (ноябрь 1990 г.) были отмечены действующие и по сей день причины, обусловливающие ненадежность получаемых оценок воздействий изменений климата на водные ресурсы:
- неопределенность количественных оценок изменений важнейших климатических параметров и соответственно динамики климата;
- ограниченные возможности современных гидрологических моделей, не позволяющие в достаточной мере понимать механизмы развития гидрологических процессов;
- ограниченность исторических выборок, затрудняющая определение правильной структуры и параметров стохастического процесса речного стока, точность которых решающим образом влияет на статистическую значимость любой оценки воздействия изменения климата на водные ресурсы;
- недостаточность современных статистических методов для получения полезных выводов на базе малых выборок;
- отсутствие четкого понимания динамики взаимосвязей между, с одной стороны, климатическими переменными, и с другой - характеристиками речного стока, что крайне затрудняет использование даже надежной климатологической информации.
Следует отметить важность проверки переносимости гидрологических моделей на другие условия, иначе нельзя оценить вероятность того, что модель будет хорошо работать при изменении климата. К важным аспектам этой проблемы относятся, в частности:
- пространственный и временной, т. е. возможность применения модели, испытанной в определенном месте и (или) в определенный период, в другом месте и в другой (в основном отдаленный) период;
- возможность применения модели в случае перехода к другому типу землепользования, что может оказаться не только целесообразным, но и необходимым при климатических изменениях.
Информационно гидрологические модели всегда поддерживались полевыми наблюдениями. Однако при изучении воздействия предстоящих климатических изменений на водный баланс и водные ресурсы наблюдаемый выходной сигнал, с которым могут сравниваться результаты моделирования, получить невозможно. При этом методология подгонки кривой распределения вероятностей утрачивает основу и не может быть применена из-за отсутствия данных наблюдений. Следовательно, необходим пересмотр классических подходов к моделированию гидрологических и гидрохимических процессов, включая отказ от применения сложных математических моделей, в частности, многопараметрических (тенденция к непрерывному усложнению моделей была очень характерной для последних десятилетий прошлого века).
Климатические изменения оказались импульсом для формирования нового запроса к гидрологической науке и для возрождения более простых моделей с малым количеством параметров. Действительно, многопараметрические модели - это своего рода попытки «фотографирования» реальности во всей ее сложности. Однако такие модели со многими параметрами и переменными не могут быть идентифицированы без адекватной базы данных, построение которой возможно лишь в стационарных условиях. Агрегированные модели с малым числом параметров, но яс-
ным физическим смыслом, основанные на концептуальных схемах, целенаправленно (в соответствии с целью исследования и возможностями его информационного обеспечения) упрощают образ моделируемого объекта. Тем не менее эти модели позволяют получать здравые оценочные результаты, практически приемлемые на многих этапах принятия водохозяйственных решений.
Новые тенденции наметились и в моделировании качества воды. Довольно сложные модели, описывающие кислородные и нитратные среды, объединяют около десяти переменных состояния и, по крайней мере, в пять раз больше параметров. Чтобы точно определить различные реакции, необходимо использовать несколько температурных функций. Но маловероятно, что такие модели могут использоваться для анализа воздействия изменений климата на водопользование. Естественным представляется возврат к классическим моделям типа Стритера - Фелпса, в которых качество воды характеризуется БПК (биохимическим потреблением кислорода) и дефицитом растворенного кислорода, функционально зависящих от температуры.
Естественно, что при использовании подобных моделей с малым числом параметров из поля зрения «выпадают» многие процессы, например, изменение структуры фитопланктона и доля в нем токсичных видов, вызывающих серьезные проблемы в организации питьевого водоснабжения. Исследование этих процессов требует привлечения специального методического и экспериментального аппарата, а полученные результаты уже в обобщенной «адаптированной» к характеристике качества вод форме могут быть использованы при принятии водохозяйственных решений.
Во многих случаях хозяйственная деятельность приводит к ухудшению качества воды, причем даже тогда, когда установленные нормативы воздействия на окружающую среду выполняются. В частности при интенсивном сельскохозяйственном использовании водных и земельных ресурсов происходит нарушение режима ионного и биогенного стока и т. д. Так как изменения климата существенно влияют на формирование и использование речного стока, на продуктивность биогеоценозов и агроценозов, в частности, на урожайность сельскохозяйственных культур, то необходима оценка всех этих изменений и отражение их воздействий на стратегию водопользования в разрабатываемых сценариях.
По-видимому, не только в ближайшем, но и в обозримом будущем климатический прогноз не будет настолько детализирован, чтобы служить достаточной информационной базой для гидрологических расчетов и оценки объемов речного стока. Сценарии климата содержат в лучшем случае характерные значения температуры, осадков и облачности. «Развертка» же входных данных для локальных территорий приводит к трудно оцениваемым погрешностям. На эффективность исследований климатической системы и как следствие на прогнозы изменения водных ресурсов существенно влияет слабая изученность элементов гидрологического цикла на суше и в атмосфере [2]. Поэтому задачи количественного анализа и оценки сдвигов важнейших параметров функционирования природно-антропогенных систем, необходимые при разработке таких программ развития, как схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов, далеко нетривиальны в случае изменяющихся природных условий.
Как отмечено выше, применение детальных математических моделей сдерживается трудностями описания всего многообразия природных процессов, нелинейностью их изменений, усилившейся при изменениях климата нестационарностью процессов. Это потребовало пересмотра основных принципов планирования природопользования и совместного использования как модельного, так и экспертного анализа при принятии важнейших стратегических решений. К наиболее актуальным направлениям развития методов математического моделирования в данной
сфере относится их использование для анализа альтернативных сценариев водопользования на отдаленную перспективу. Сценарный подход углубляет понимание возможных последствий, возникающих при принятии хозяйственных решений, на фоне ожидаемых изменений природных процессов. Методической основой такого подхода могут служить системы поддержки процесса принятия решений в условиях высокой неопределенности будущих изменений [3]. При этом критерий оценки математических моделей становится чисто прагматическим: насколько они полезны для принятия решений, наглядны в представлении возможно более широкого набора последствий реализации того или иного сценария.
Модели, разрабатываемые для анализа сценариев, обеспечивают лиц, принимающих политические и хозяйственные решения, «предупреждающим знанием». Они выявляют возможные отдаленные неблагоприятные последствия реализации этих решений в условиях неопределенности природных и антропогенных процессов для широкого диапазона изменений их параметров. Использование математического аппарата, безусловно, способствует разработке адаптивных стратегий развития, допускающих корректировку принимаемых решений по мере поступления новой информации.
Ожидаемое к 2030-2050 гг. существенное изменение климатических факторов необходимо учитывать при разработке долгосрочных планов уже в настоящее время. При этом, однако, неизбежно придется ориентироваться на экспертно определенные значения предполагаемых показателей будущего развития. Тем не менее такой подход углубляет понимание формирующихся тенденций и помогает выявить области их устойчивости к тем или иным воздействиям, что чрезвычайно важно для обоснования разрабатываемых управленческих решений.
Сценарии регионального водопользования. Эти сценарии базируются на материалах комплексного анализа проблем обеспечения водными ресурсами водоемких отраслей производства, а построение оптимизированных перспективных планов развития таких отраслей позволяет обосновать согласованную по параметрам и показателям динамику развития водного хозяйства региона. Наглядной агрегированной характеристикой развития является совокупность объемов всех видов производимой водоемкой продукции с учетом ее ввоза и вывоза.
Целевые функции используемых математических моделей строятся таким образом, чтобы либо максимизировать интегральное дисконтированное по времени превышение доходов над общими затратами на развитие и функционирование производственных и природоохранных систем либо минимизировать отклонение показателей обеспеченности водными ресурсами отдельных отраслей от их нормативных значений. Используются и иные целевые показатели [3]. В состав ограничений задач (как правило, это межотраслевые или внутриотраслевые балансы) включаются показатели прогнозируемых трудовых, земельных и водных ресурсов, а также размеры возможных инвестиций. Возросшие возможности современной вычислительной техники в процессах накопления и обработки информации позволяют проанализировать большое количество сценариев.
В отличие от «конечного продукта» процесса планирования - конкретных водохозяйственных планов (например, схем комплексного использования и охраны водных ресурсов) при построении сценариев развития водоемких отраслей региона используются укрупненные параметры и показатели. В частности, не учитывается расположение объектов водного хозяйства, агрегированно рассматриваются земельные и водные ресурсы (без выделения бассейнов отдельных региональных рек), состояние строительной и производственной базы региона, обеспеченность трудовыми ресурсами. Тем не менее в совокупности формируется достаточно целостное представление о состоянии экономики, развитии водопользования и качестве природных вод.
При разработке сценариев, прежде всего, анализируются:
- гипотезы об изменениях климата, в частности о выпадении осадков;
- тенденции и показатели развития водоемких отраслей производства с отъемом (и без отъема) вод из водных объектов;
- тенденции изменчивости речного стока в результате антропогенных и климатических воздействий;
- показатели состояния и возможностей использования подземных вод,
- доходность учитываемых отраслей, а также инфляционные изменения всех стоимостных показателей;
- характеристика и динамика антропогенной нагрузки на водные объекты, данные о водоотведении, глубине очистки сточных вод и качестве воды в водных объектах.
Построение сценариев водопользования является многоэтапным процессом. С одной стороны, требуют оценки намеченные показатели развития отраслей экономики и возможности их водообеспечения при заданных объемах доступных для использования водных ресурсов. Этот аспект будет проиллюстрирован далее на примере задачи I - оптимизации межотраслевых пропорций водоемких отраслей (ирригация, питьевое и сельскохозяйственное водоснабжение и др.). С другой - проблема состоит в оценке и определении значений таких показателей развития отрасли, как объем производства продукции промышленности и сельского хозяйства, площади орошения, трудовые ресурсы и др. (в задаче I они служат экзогенными параметрами). Этот аспект построения региональных сценариев водопользования будет проиллюстрирован на примере задачи II, описывающей водообеспечение одной из наиболее «массовых» и водоемких отраслей
- сельского хозяйства.
Задача I. Найти
С
и=ХХ«:
при условиях:
X с; (+Ку‘ )< к, х < Qt, * = 1, т;
г г
X <=А > х «ж < у;, *=1т, г=й
] ]
Здесь у/ - объем использования водных ресурсов в г-й отрасли в год *; у; - нормативный уровень обеспечения отрасли водными ресурсами, Ду; = у/1 - у/; а‘ - коэффициент значимости услуг водного хозяйства (экспертная оценка, ранжирование и пр.); С/ - приведенные затраты на подачу воды; К - объем капиталовложений на водообеспечение; $ - объем доступных для использования водных ресурсов в регионе; А/ - коэффициент потерь воды в г-й отрасли; -]-й норматив водопользования (в ир-
ригации - способ полива, в промышленности - технологический цикл и т. д.); а^ - направленность использования водных ресурсов (орошаемая площадь, объем продукции 7'-го вида и т. д.); А/ - отраслевой показатель выхода продукции.
При фиксированных (сценарных) значениях аг]г ограничения задачи I линейны. Из решения этой задачи может следовать необходимость корректировки отраслевых показателей а^ и А/ в соответствии с возможностями обеспечения отраслей водными ресурсами, т. е. изменение исходного сценария. Если характеристики а^ рассматриваются как искомые переменные, то ограничения задачи становятся нелинейными, и требуется применение специальных методов для ее решения. При
этом по результатам исследования межотраслевого водопользования фактически формируется новый региональный сценарий.
Проблема охраны вод в задаче I решается лишь косвенно - включением в целевую функцию затрат на водоподготовку и очистку сточных вод (без анализа и учета состояния эксплуатируемых водных объектов и качества воды в них). При построении сценария устойчивого регионального развития такой подход неприемлем, так как для реализации водоохранных программ недостаточно предполагать ввод в действие новых очистных сооружений. Необходимо предусмотреть дополнительные капитальные вложения в расширение мощностей химической промышленности, машиностроения, электроэнергетики и других отраслей, обеспечивающих мероприятия по очистке вод сырьем и материалами. Однако при сохранении современной природоемкой экономики окружающей среде грозит еще большая деградация и «антиустойчивое» развитие народного хозяйства.
Очевидна необходимость изменения типа экономического развития страны, его переориентации на последовательное снижение объемов загрязнения на единицу конечного продукта каждой отрасли. Эти соображения должны найти отражение и в разрабатываемых сценариях. Следует отметить, что включение в соответствующую математическую модель ограничений по загрязнению природных вод и требований к глубине очистки сточных вод, поступающих в водные объекты после производственных циклов, приводит к задаче нелинейного программирования уже с нелинейными ограничениями, что существенно осложняет процесс ее численной реализации.
Сценарии развития сельского хозяйства при изменениях климата. В этой отрасли хорошо прослеживается взаимосвязь климатических, экономических и экологических факторов, хотя прогнозировать качественные последствия глобального изменения климата для сельского хозяйства России очень сложно в силу неопределенности многих природных факторов, а также динамики цен на продовольствие на мировом рынке через два - три десятилетия.
В экономике России сельскохозяйственное производство в наибольшей степени зависит от возможных изменений климата. По оценкам, приведенным в [4], воздействие таких изменений на сельское хозяйство будет неоднозначным, позитивные последствия, по-видимому, будут сочетаться с негативными. В частности, ожидается, что трансформация климатических условий приведет к увеличению частоты таких неблагоприятных для сельского хозяйства явлений, как рост вероятности низких урожаев в результате повторяемости засух и повышения засушливости на территориях ряда регионов.
Общая тенденция изменения климата для страны может характеризоваться как потепление с повышением количества осадков и неравномерности их выпадения во времени, что повлечет усиление засушливости. В целом зона рискованного земледелия сместится на север, как и граница территории, в принципе доступной для развития сельскохозяйственного производства (при современных агротехнологиях).
По максимальным оценкам, границы природных зон могут приблизительно на 6001000 км сдвинуться к северу. Ожидается, что летние температуры повысятся незначительно, но зато в среднем заметно потеплеют зимы. Согласно более умеренным прогнозам, произойдет смещение к северу границ полярно-тундровой, лесотундровой и южно-таежной лесной зон на 200-350 км. Существенно расширится степная зона наряду с сокращением площади сухостепной зоны. Территория лесостепной зоны, наиболее благоприятной для сельского хозяйства, несколько возрастет в западной части России и сократится в Предуралье [5]. Дискуссионным остается вопрос о том, изменится ли частота аномальных (как низких, так и высоких) температур. Соответственно неясно, снизится ли вероятность заморозков, отрицательно влияющих на урожаи.
Возможные угрозы продуктивности сельского хозяйства могут быть вызваны перестройкой экосистем, в частности почвенной биоты, вспышками болезней сельскохозяйственных культур и размножения вредителей, инвазией чужеродных видов. Тем не менее общий тон имеющихся сельскохозяйственных прогнозов позитивный. Большинство прогнозистов предсказывают в основном положительное воздействие глобального изменения климата на сельское хозяйство России, что может проявиться в увеличении площадей, пригодных для земледелия, продолжительности вегетационного периода, а также обеспеченности теплом в условиях перезимовки сельскохозяйственных культур.
К возможным отрицательным последствиям надлежит отнести ряд экономических феноменов. Это сокращение сравнительной рентабельности производства разных культур, необходимость замещения одних культур другими в силу неодинаковости величины и направленности изменений урожайности; повышение нестабильности урожаев вследствие существенной изменчивости естественного увлажнения; изменение восприимчивости культур к дозам внесения удобрений, пестицидов и гербицидов (в том числе из-за отмеченных сдвигов в экосистемах).
Негативные последствия могут быть особенно ощутимыми при неблагоприятных социально-экономических условиях (деградация и сокращение численности сельского населения, неразвитость сферы инфраструктуры и переработки продукции), которые присущи многим сельскохозяйственным регионам страны. Угрожающим фактором может оказаться распространение сортов, модифицированных на генном уровне и характеризующихся весьма малой устойчивостью, а также тенденцией к быстрой деградации с одновременной «порчей» традиционных сортов (особенно для видов с перекрестным опылением).
Последствия подобных ситуаций оцениваются с использованием опыта регионов-аналогов, а также информации об урожайностях основных культур как для среднемноголетних погодных условий, так и для благоприятных и неблагоприятных лет. Далее за базовый принимается вариант развития сельского хозяйства, построенный на фактических среднемноголетних данных. Предполагаемые отклонения за счет изменений климата рассчитываются от базовых значений ключевых показателей, а каждому типу естественного увлажнения почвы сопоставляется уровень урожайности ведущей культуры, вероятность его появления и прочие характеристики разного вида ресурсов [3].
Зависимость от климатических факторов уровней урожайности и, особенно параметров сельскохозяйственной политики в целом, является нелинейной (возможно, и дискретной), так как, казалось бы, незначительные изменения климата могут потребовать существенных преобразований в управлении. Более того, за счет внутригодовых аномалий сравнительно небольшие вариации средних климатических показателей могут привести к появлению лет, экстремальных по продуктивности, и повлиять на стабильность сельскохозяйственного производства. Вместе с тем происходит и кумулятивное воздействие изменений климата на элементы системы сельского хозяйства, в случаях, когда из года в год повторяющиеся явления приводят, например, к переувлажненности или иссушению почвы, что может существенно понизить рентабельность производства [4].
Характеристика благоприятных и неблагоприятных климатических условий во многих районах европейской территории России наглядно иллюстрируется уровнями урожайностей зерновых, которые занимают почти повсюду более половины посевных площадей. Для этих культур хорошо отработаны процессы селекции, показатели динамики урожаев достаточно полно отражаются официальной статистической отчетностью. И наконец, самое главное: зерно в России - основная про-
довольственная и фуражная продукция. В случаях стабильных недоборов зерновых быстро снижаются продуктивность и поголовье скота, для восстановления которых требуются годы.
Как правило, перспективная урожайность определяется путем экстраполяции сложившихся темпов ее роста. Однако результаты экстраполяции не следует понимать буквально. Они могут быть приняты лишь за основу и корректироваться экс-пертно, исходя из биологических свойств культуры с учетом таких факторов, как агроклиматический потенциал, научно-технический уровень и культура земледелия и т. д. Остановимся далее на формировании таких базовых сценарных показателей, как водные ресурсы, уровни урожайности, оросительные нормы, общие годовые затраты.
При оценке водных ресурсов используются данные о запасах воды и допустимых ее отборах на различные нужды, потерях на испарение, фильтрацию и сброс из водохранилищ. Для действующих и строящихся систем (с зарегулированием речного стока или без него) учитывается изменение режима стока в зависимости от периода и водности года. Для определенности выделим три водности года (т = 1, 2, 3) - максимальную, среднюю и минимальную. Кроме того, показатели расходов воды Qtm (таблица) могут подразделяться, например, по месяцам периода вегетации (? = 1, 2, 3, 4).
Таблица
Характеристика водных ресурсов для трех сценариев водности
Водность года Месяцы периода вегетации
1 2 3 4
Максимальная Средняя Минимальная д(1)1 д(2)1 д(3)1 д(1)2 д(2)2 д(3)2 д(1)з д(2)з д(3)з д(1)4 д(2)4 д(3)4
Для оценки уровней урожайности учитываются: ресурсы и дозы вносимых удобрений и затраты на возможное их пополнение; применяемые и возможные для использования способы орошения и т.д. На богаре урожайности различных культур устанавливаются с использованием статистических данных для соответствующих рассматриваемым сценариям средних, засушливых и влажных лет, так же как и урожайности на поливных землях в соответствующие годы и прочих подобных условиях. Урожайности культур при орошении, как правило, принимаются одинаковыми в разные по засушливости годы, что может быть достигнуто за счет организации необходимых режимов орошения.
Оросительные нормы рассчитываются как сумма поливных норм в зависимости от способа и числа поливов в каждом месяце вегетационного периода.
Общие годовые затраты определяются для каждого вида ресурсов - трудовых, водных, земельных, включая обеспеченность техникой и электроэнергией. Если показатели затрат не поддаются дифференциации по выделенным периодам либо культурам или недостаточно надежны, то они используются для сравнения и ориентировки при разработке соответствующих нормативов. Таким образом, каждой орошаемой или богарной культуре соответствует набор необходимых показателей разного вида затрат, составляющих матрицу ограничений задачи. Результаты производства -объем товарной продукции либо чистый доход, либо общие денежные затраты используются в качестве целевых функций или правых частей ограничений. Помимо указанной подготавливается необходимая информация по отдельным элементам различных технических вариантов строительства систем ирригационного назначения.
Математическая модель для оценки сельскохозяйственных сценариев. Учитывая сложность технико-экономического взаимодействия водоемких отраслей регионального водопользования, остановимся на построении сценариев развития сельскохозяйственного производства. В этой отрасли хорошо прослеживается взаимосвязь климатических, экономических и экологических факторов. Климатические и экономические аспекты проблемы обсуждались ранее достаточно детально. Остановимся на специфике экологических факторов, на которые влияют меры по сокращению отрицательного воздействия на водные объекты различных источников загрязнения, в том числе и неточечных, характерных для сельскохозяйственного производства. В системе «водосбор - водоем» требуются гибкие меры, включающие альтернативы управления процессами как формирования загрязняющих веществ на водосборных территориях, так и предупреждения загрязнения ими водных объектов.
Прежде всего, следует отметить такие мероприятия, как сбор и очистка ливневых стоков, организация инфильтрации сточных вод через колодцы и специальные сооружения, очистка загрязненных вод растениями и микроорганизмами. Весьма эффективна для очистки загрязненных вод их фильтрация через торфяно-песочные фильтры, которые хорошо поглощают компоненты фосфора и БПК, а также сооружение коллекторов для сбора смывов нефтепродуктов с улиц и промышленных площадок, создание прудов, задерживающих стоки, и заводненных территорий, имитирующих естественные болота.
На землях сельскохозяйственного использования эффективны специальные виды вспашки, окультуривание посевных площадей, террасирование склонов. Путем подбора севооборотов может быть организован растительный покров, препятствующий переносу загрязняющих веществ поверхностным стоком. Важны также меры по уменьшению поступления вредных веществ на сельскохозяйственные угодья в составе удобрений, пестицидов, гербицидов и др. В целом, защита и управление водосборной территорией наиболее эффективны при рациональном использовании различных схем ее зонирования с учетом антропогенной нагрузки. Естественно, что инвестирование мероприятий по охране вод желательно осуществлять преимущественно в тех районах, где при высокой степени деградации водных объектов может быть обеспечен наибольший вклад в эффективность управления. Очевидная иерархия приоритетов в проектах по восстановлению водных объектов - это непосредственно вода, берега рек или водохранилищ и, наконец, прилегающие территории.
Один из вариантов математической модели для оценки сельскохозяйственных сценариев может быть сформирован как задача линейного программирования для случаев, когда затраты и доход линейно зависят от объемов строительства или реконструкции. В противном случае выполняется линеаризация соответствующих зависимостей. Такие компоненты, как емкость водоема, создаваемого для нужд орошения, мероприятия по рассолению земель, вводятся в вектор ограничений задачи. При необходимости в обобщенном виде могут учитываться показатели фильтрационных свойств почвы, глубина залегания грунтовых вод, характеристики солевого режима почв и водных объектов, а также другие водно-физические параметры.
Представим постановку (в векторной форме) задачи II, позволяющей оценивать сельскохозяйственные сценарии. Каждому из них соответствует определенный набор возделываемых культур и ресурсных ограничений (для краткости записи индекс сценария не включен в формулировку задачи).
Найти
тт(тах)[СхХ + СГУ + CQQ + Сг2 ], Кг¥ + К^ < *1, К21 < *2,
< 1 2 А-1X + Д2У В1, А^У + А& < В2, А1 X + А322 < В3, X,У,Q,2 > 0.
Здесь искомые переменные задачи: Х- состав культур и поголовье скота; У -площади богарных и орошаемых земель (существующего и вновь вводимого орошения); Q - объемы используемых водных ресурсов при осуществлении различных водохозяйственных мероприятий; 2 - нормативы внесения и выноса удобрений и пестицидов с поверхностным стоком, а также в процессе эрозии почв.
Вектор ограничений В1 включает показатели потребностей в производстве продукции, ресурсы земли, труда, удобрений и пр., вектор В2 - ограничения по водным ресурсам, вектор В3 - ограничения по выносам биогенных элементов и пестицидов; матрицы - А11, А12 , А21, А22, А31, А32 - технико-экономические нормативы: урожайность товарных культур и продуктивность кормовых угодий, внесение удобрений и пестицидов, а также показатели их выноса, продуктивность животноводства и потребности его в кормах, оросительные нормы и агротехнические коэффициенты, трудовые затраты. Ограничения выражают балансовые соотношения по использованию учитываемых ресурсов. Вектор С = {Сх, СУ, CQ:, С2} включает составляющие функции цели (чистый доход либо удельные затраты), где Сх - доход или сельскохозяйственные издержки; КУ - капитальные, а СУ - удельные приведенные затраты на реконструкцию или подготовку новых площадей орошения; ^ - капитальные, а CQ - удельные приведенные затраты на различные водохозяйственные мероприятия; К2 - капитальные, а С2 - удельные затраты на приобретение удобрений, пестицидов и на реализацию природоохранных мер. Для всех капиталоемких мероприятий в составе векторов У, Q, 2 приведенные затраты С = ЕК + Э, где Е - коэффициент приведения, Э - эксплуатационные издержки; К1 - суммарные инвестиции в водохозяйственное строительство, а К2 - в мероприятия по охране вод.
Показатели К1 и К2 характеризуют прямое долевое участие государства в общих инвестициях либо косвенные бюджетные затраты с целью обеспечить для бизнеса выгодность участия в финансировании проекта. Эти величины имеют принципиальное значение для реализации изучаемых сценариев, так как в условиях высокой неопределенности климатических прогнозов они характеризуют различные стратегии поведения управляющих структур. Основные различия поведения в конечном счете состоят в объемах предполагаемых инвестиций в сферу водопользования. Пусть, например, определяющие события и процессы спрогнозированы с надежностью, характерной для стационарной ситуации. В этом случае можно ожидать, что будут финансироваться все мероприятия, необходимые для обеспечения водой потребителей. Мероприятия включают создание служб, обеспечивающих предупреждение наводнений, зонирование затапливаемых территорий и др. Однако если достоверность климатических прогнозов невысока и находится в «зоне неопределенности», то маловероятен расчет на обеспечение сколько-нибудь значительных капитальных затрат для реагирования государства или бизнеса на климатические изменения. Инвесторы заинтересованы лишь в тех проектах, которые могут стать экономически оправданными уже в современных условиях и целесообразными при предполагаемых климатических изменениях.
Отметим, что эффективность использования водных ресурсов может быть повышена при реализации мер по страхованию рисков от вредного воздействия вод или отклонений режима водоснабжения от договорного. Стимулирующими эффективность факторами служат также разумная организация системы платного водопользования, льготные условия кредитования проектов с длительным сроком оку-
паемости, если они связаны с социально и экологически значимыми аспектами развития водного хозяйства.
Повышение качества и обоснованности системы принятия решений возможно при условии существенного прироста бюджетных целевых инвестиций в развитие информационной базы. Прежде всего, необходимы подробные кадастры водных объектов, усиленный гидрологический и климатологический мониторинг, существенное развитие работ по прогнозированию гидрологических процессов (в частности наводнений) в условиях изменений климата, создание отвечающих современному уровню развития вычислительной техники автоматизированных систем поддержки принятия решений в водном хозяйстве и пр.
И наконец, наиболее желательным вариантом является бюджетное финансирование долгосрочных и (или) дорогостоящих мероприятий. Целесообразность подобных инвестиций может быть обоснована, исходя из оценок рисков строительства гидротехнических сооружений, а также модернизации водохозяйственных систем с целью широкомасштабного сбережения водных ресурсов в условиях неопределенности климатических изменений.
Пример расчета. Ставропольский край выбран в качестве региона, представительного для оценки воздействий изменений климата на развитие орошаемого земледелия. Численные эксперименты базируются на комплексном анализе природно-экономических условий функционирования водопотребляющих отраслей края и Северного Кавказа в целом [3]. В 2001 г. в структуре краевого водохозяйственного комплекса на нужды орошаемого земледелия была израсходована четверть потребляемых водных ресурсов (по сравнению с 60% на Северном Кавказе в целом).
Северный Кавказ относится к районам с низкой обеспеченностью водными ресурсами и высокой концентрацией водопотребления. Запасы речных вод в регионе распределены крайне неравномерно и используются недостаточно эффективно. Так, в 2001 г. общее водопотребление в бассейне р. Кубань составило 41,4 куб. км, а в Ставропольском крае - 31,7 куб. км. Основные потребители воды в бассейне: сельское хозяйство - 57% общего объема и промышленность -32,7%. При этом до 40% поливной воды терялось из-за низкого КПД оросительных систем и медленного внедрения прогрессивных методов полива. Поэтому совершенствование водопользования в земледелии является важнейшим резервом экономии водных ресурсов.
Регион занимает территорию переходной зоны от устойчивого высокопродуктивного богарного земледелия при достаточном естественном увлажнении к зоне отгонно-пастбищного скотоводства, где развитие земледелия из-за недостатка увлажнения невозможно без орошения. Поэтому и наиболее значительных изменений объемов водопотребления можно ожидать в тех районах орошаемой зоны, где условия естественного увлажнения позволяют достаточно эффективно развивать как орошаемое, так и богарное земледелие. В таких районах вариации среднегодовых значений осадков и испаряемости в ту или другую сторону могут приводить не только к изменению значений оросительных норм и режимов орошения, но и вызывать необходимость освоения новых крупных орошаемых массивов или, наоборот, сокращения поливных площадей. Так как освоено немногим более 10% земель, пригодных для орошения, то существует значительный потенциал его развития.
Земельные ресурсы Северо-Кавказского региона характеризуются значительной долей плодородных и аллювиальных почв (73% пашни и 47% всех сельскохозяйственных угодий региона). За последние 30-40 лет здесь повсеме-
стно снижается содержание гумуса в почве, а значит ухудшается и почвенное плодородие. Это вызвано нарушением технологии и агротехники возделывания многих сельскохозяйственных культур, ветровой и водной эрозией почв, частыми пыльными бурями. Продуктивность сельскохозяйственного производства в регионе подвержена существенным колебаниям под воздействием периодически повторяющихся засух и суховеев.
Из года в год увеличиваются площади засоленных и солонцеватых земель. В составе 14,6 млн. га пашни свыше 57% эродированных и эрозионно опасных земель, все ощутимее становятся антропогенные воздействия на почвы. Некоторые виды минеральных удобрений и пестицидов разрушающе действуют на почвенные биогеоценозы, наблюдается загрязнение почв тяжелыми металлами, токсичными химическими соединениями, прежде всего, стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) и т.д. Такое положение обусловливает необходимость ориентации на природоохранный и улучшающий природу типы производственной деятельности в сельском хозяйстве.
Большой вес в структуре растениеводства региона занимают посевы мягких озимых сортов пшеницы, а в предгорных и горных районах ведущее место занимает кукуруза. Для обеспечения развития животноводства необходимо продвинутое производство растительного белка (соя, люцерна, клевер и другие бобовые культуры). Поэтому орошаемое земледелие играет значительную роль в сельскохозяйственном комплексе Северного Кавказа, где в настоящее время сосредоточено 35% всей орошаемой площади России.
Такое положение региона определяет возможность значительных изменений производственной структуры сельского хозяйства в новых климатических условиях, в частности, может возникнуть необходимость расширения орошаемых площадей при увеличении засушливости. Поэтому изучение ирригационного водопользования Северного Кавказа в условиях изменений климата весьма актуально, так как именно водные, а не земельные ресурсы являются фактором, лимитирующим развитие там орошения.
В результате многовариантных расчетов с использованием сформулированной выше модели установлено, что при усугублении дефицита водных ресурсов и повышении засушливости климата (реализация сценария, неблагоприятного для сельского хозяйства) окажется невозможным увеличение орошаемых площадей (имеются в виду традиционные способы орошения). Это в свою очередь повлечет сокращение производства продукции. Кроме того, самым серьезным образом могут измениться (в сторону ухудшения) экономические показатели. В то же время структура сельскохозяйственного производства края в целом, включая и отрасли животноводства, характеризуется достаточно высокой стабильностью при реализации любого из рассмотренных сценариев.
Полученные результаты иллюстрируют прикладную значимость анализируемых математических моделей, которые позволяют выявить возможные тенденции развития сельскохозяйственного производства, в частности, орошаемого земледелия в условиях изменений климата. При наличии надежной исходной информации реальна достаточно детальная количественная оценка приспособленности водохозяйственных и сельскохозяйственных структур к изменившимся климатическим условиям.
Постулат о возможности обоснованного построения или изменения социальной и экономической политики региона на базе предположений о технико-экономических производственных связях и сценариев климата уязвим. Эта уязвимость обусловлена тем, что приближенные, оценочные варианты климатических и физических характеристик в результате комплексного анализа преобразовываются в от-
ветственные экономические и социальные стратегии. Сказанное обусловливает необходимость формирования широкого спектра альтернатив и расчетных вариантов, из которых могут быть выделены достаточно устойчивые решения. Фактически выполняемые расчеты позволяют не столько формировать конкретную фиксированную стратегию водопользования, сколько получать гибкую систему показателей, приемлемых для разработки стратегических планов.
Литература
1. Данилов-Данильян В.И. Устойчивое развитие (теоретико-методологический анализ) // Экономика и матем. методы. 2003. Т. 39. Вып. 2.
2. Данилов-Данильян В.И., Пряжинская В.Г. Управление водными ресурсами в условиях климатических изменений // Обоснование стратегий управления водными ресурсами. М.: Научный мир, 2006.
3. Пряжинская В.Г., Ярошевский Д.М., Левит-Гуревич Л.К. Компьютерное моделирование в управлении водными ресурсами. М.: ФИЗМаТлИТ, 2002.
4. Бобылев С.Н. Воздействие изменения климата на сельское хозяйство и водные ресурсы России. М.: Фонд «Защита пр-ироды», 2003.
5. Влияние глобальных изменений климата на функционирование основных отраслей и здоровье населения России. М.: Эдиториал УРСС, 2001.
