CC BY
31
ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.61; 502:63
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ЭКОСИСТЕМЫ ПРИМОРСКОГО ГОРОДА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
© 2010 г. И.А. Ильченко
Таганрогский институт управления и экономики, Taganrog Institute of Management and Economics,
ул. Петровская, 45, г. Таганрог, 347900, Petrovskaya St., 45, Taganrog, 347900,
i. ilchenko@mail. tmei. ru i. ilchenko@mail. tmei.ru
Изучены особенности антропогенного загрязнения приморского города. Разработана когнитивная модель взаимодействия компонентов урбоэкосистемы в процессах переноса загрязнителей и проведено сценарное моделирование воздействий на состояние параметров системы. Предложены методы улучшения состояния городской среды обитания.
Ключевые слова: экосистема приморского города, антропогенное загрязнение, когнитивная модель переноса загрязнителей, сценарный анализ.
The features of anthropogenic pollution for ecosystem of seaside town have been studied. The cognitive model for interaction between urbanic ecosystem components for the processes ofpollutants transfer has been elaborated and scenario modeling is carried out. The ways of enhancement of urban environment have been developed.
Keywords: ecosystem of seaside town, anthropogenic pollution, cognitive model ofpollutants transfer, analysis of scenario processes.
Антропогенное загрязнение окружающей среды является одной из главных составляющих экологического риска для городских жителей, к которым можно отнести примерно 70 % населения как в России, так и в других развитых странах [1]. Поэтому изучение влияния таких экологических факторов городских экосистем, как загрязнение воздуха и почв, питьевой воды и водоемов рекреационного и рыбохозяйствен-ного назначения, шум, на заболеваемость, продолжительность жизни и прочие показатели здоровья горожан, а также характера взаимодействия этих факторов друг с другом представляет научный и практический интерес: во-первых, с целью управления ими и поддержания приемлемого качества среды обитания человека, во-вторых, для обеспечения условий устойчивого развития урбоэкосистем.
Предметом исследования данной работы является комплексное влияние загрязнения компонентов урбо-экосистем на здоровье горожан. Объекты исследования - состояние компонентов городской среды обитания и здоровье населения. Цель работы заключалась в изучении особенностей взаимодействия компонентов экосистемы приморского города в условиях антропогенного загрязнения и их влияния на здоровье горожан. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
- изучение особенностей загрязнения экосистемы приморского промышленного города и их влияние на здоровье горожан;
- построение когнитивной модели взаимодействия компонентов урбоэкосистемы в условиях антропогенного загрязнения;
- проведение анализа путей переноса загрязнителей и устойчивости системы;
- осуществление моделирования различных ситуаций и на основании их результатов построение прогноза относительно возможности обеспечения приемлемого качества городской среды обитания.
Таганрог - типичный средний промышленный город юга России с населением около 270 тыс. чел., расположенный на берегу Таганрогского залива Азовского моря и занимающий площадь 8 021 га [2-6]. Город имеет мощный морской порт и железнодорожный узел, пронизан артериями железнодорожного и автомобильного транспорта, численность последнего составляет около 66 тыс. ед. и имеет тенденцию к увеличению. Промышленность представлена крупными предприятиями таких отраслей, как черная металлургия, энергетическое, сельскохозяйственное, автомобильное машиностроение, авиационная промышленность, кожевенная и др. Крупные промышленные предприятия сконцентрированы в пределах трех основных промышленных зон, занимающих примерно 40 % территории города и расположенных на берегу залива и малых рек, используемых в качестве источников технического водоснабжения. Особенности географического расположения промышленных зон обусловливают высокий уровень загрязненности окружающей среды в прилегающих к ним жилых районах. Восточная промзона включает металлургический и кожевенный заводы и поставляет в атмосферу города в среднем от 65 до 70 % общего объема промышленных выбросов, северо-западная - около 11, а юго-западная -почти 22 %. Индекс загрязнения городского воздуха ИЗА5, рассчитанный по 5 поллютантам с наибольшим
вкладом в общее загрязнение (пыли, оксиду серы (IV), оксиду азота (IV), оксиду азота (II), бенз(а)пирену), составил в 2003 г. - 7,1, в 2004 - 7,4, в 2005 - 8,8, в 2006 -8,1, в 2007 г. - 6,9 [2-6]. Класс качества городской питьевой воды в 2003 г. был 4«а», 2004-2006 гг. - 3«б» (очень загрязненная), в 2007 г. - 4«а», что связано с загрязнением рек Дон и Миус и подземных водоисточников неочищенными или недостаточно очищенными сточными водами коммунальных, промышленных, сельскохозяйственных объектов, а также сбросом ливневых, талых, шахтных, дренажных и других вод [2-6]. Зафиксирован и высокий уровень загрязнения городских почв тяжелыми металлами и другими загрязнителями. Все эти неблагоприятные показатели экологических факторов среды обитания оказывают негативное влияние на здоровье горожан, что сопровождается увеличением общей заболеваемости населения, а также заболеваемости верхних дыхательных путей (воздух селитебной зоны в районе восточной промзоны), желудочно-кишечного тракта (питьевая вода центральной части города) и др. [7, 8].
На рис. 1 представлена когнитивная модель, отражающая взаимодействие компонентов экосистемы приморского города в условиях антропогенного загрязнения. Построение модели и последующее ситуационное моделирование было проведено с помощью вычислительных программ ПС КМ [9, 10]. Модель включает 10 вершин, соответствующих состоянию компонентов городской экосистемы: V1 - загрязнение воздуха; V2 - здоровье населения; V3 - состояние растительности; V4 - загрязнение почв; V5 - загрязнение грунтовых вод; V6 - загрязнение подземных вод^7 - загрязнение донской воды; V8 - загрязнение миусской воды; V9 - шумовое загрязнение; V10 -загрязнение вод Таганрогского залива. Данная модель имеет 4 цикла с положительной обратной связью: V1-V3-V1, V1-V4-V1, V4-V3-V4 и V1-V4-V3-V1. Цикл V1-V3-V1 характеризует влияние растительности на химический состав атмосферного воздуха, цикл V1-V4-V1 - влияние загрязнения воздуха на загрязнение почв, V4-V3-V4 - влияние загрязнения почв на состояние растительности, а цикл V1-V4-V3-V1 отражает взаимодействие аэро-, гео- и биосистем (роль последней представлена функциями ее растительной составляющей) при поддержании естественных параметров среды. Использование подземных водоисточников (V6) для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения объясняет целесообразность включения их в данную карту и отражает опосредованное влияние загрязнения воздуха на здоровье людей. Кроме того, дуги V7-V2 и V8-V2 показывают влияние поверхностных источников водоснабжения на здоровье горожан, поскольку в действующей в г. Таганроге закольцованной системе водоснабжения воды от подземных и поверхностных водоисточников предварительно смешиваются и только после этого поступают в городскую водопроводную сеть. Дуга V9-V2 характеризует неблагоприятное воздействие городского шума на горожан. Вершина V10 и дуга V10-V2 отражают влияние загрязнения вод Таганрогского залива Азовского моря на городское население во время купания и приема в пищу морской рыбы. Контуры {V1-V3-V2}, {V1-V4-V10-V2}, {V1-V10-V2}, {V1-V4-V5-V6-
V2}, {V1-V4-V5-V6-V10-V2} соответствуют опосредованному влиянию загрязнения атмосферного воздуха на здоровье людей. В экосистеме приморского города имеется два аккумулятора загрязнителей: воздух (подвижная среда) и почва (неподвижная среда), которые по аналогии с биогеохимическими циклами выступают в качестве обменного и резервного фондов миграции загрязнителей. Третьим резервуаром, способным принимать и накапливать городские поллю-танты, является Таганрогский залив Азовского моря (V10). В когнитивной карте не показаны промышленные и сельскохозяйственные источники загрязнения залива и не отражена роль водного транспорта и морского порта, так как предполагается, что все они обусловливают фоновый уровень его загрязнения, принятый в качестве исходного. Предложенная модель ур-боэкосистемы не рассматривает движения воздушных масс, в результате которого происходит рассеивание загрязнителей и снижение загрязнения воздушного бассейна в пределах городской территории. В связи с этим проведенное моделирование по своему характеру является нединамическим и, следовательно, позволяет оценить вероятные критические уровни загрязнения городской среды обитания с позиций фоновых уровней загрязнения.
Рис. 1. Когнитивная модель взаимодействия компонентов экосистемы приморского города в условиях антропогенного загрязнения
Анализ структуры модели показывает, что она включает 4 цикла с положительной обратной связью, причем благодаря наличию у 3 из них общих вершин происходит их объединение в 4-й цикл. Расчет собственных чисел матрицы отношений показывает, что всего таких чисел 10, а максимальное по модулю число составляет 0,689. Последний аргумент позволяет ожидать проявления данной системой некоторой устойчивости [11].
На рис. 2-5 представлены результаты моделирования нескольких импульсных процессов, демонстрирующих различные варианты изменений параметров городской экосистемы и здоровья населения.
В сценарии 1 активизируется вершина V! «Загрязнение воздуха» внесением импульса q(V1)=+0,1, и наблюдается поведение 4 контролируемых параметров, в качестве которых выбраны уровень загрязнения воздуха, состояние здоровье населения (общая заболеваемость), состояние растительности и уровень загрязнения почв (рис. 2). Начиная со 2-го такта фиксируются увеличение загрязнения почв и ухудшение
состояния растительности и здоровья населения, а к 8-9 тактам моделирования эти параметры, как и уровень загрязнения воздуха, стабилизируются. Следует отметить, что стабилизация уровня загрязнения воздуха происходит при значении, которое на 70 % превышает величину внесенного импульса. Последнее объясняется сложным взаимодействием аэро-, гео- и растительной систем города в процессе распространения химических загрязнителей, а именно усилением внешнего возмущения одновременно тремя циклами с положительной обратной связью (У1-У3-У1, У1-У4-VI, У1-У4-У3-У1). В условиях городской застройки создаются благоприятные условия не только к накоплению аэрополлютантов, но и к их взаимодействию друг с другом с образованием новых загрязнителей и дополнительному повышению экологической опасности воздушного бассейна [5]. Загрязнение воздуха ухудшает состояние растительности, вследствие чего ее способность поглощать загрязнители из воздушной среды уменьшается. Осаждение ксенобиотиков на поверхности почвы приводит к изменению ее структуры, состава и физико-химических свойств вследствие накопления загрязнителей, и она сама становится источником загрязнения окружающей среды. Почвенные загрязнители проникают в организмы растений и понижают их толерантность к другим экологическим факторам, в том числе и к атмосферным загрязнителям, поэтому состояние растительности дополнительно ухудшается, и ее поглотительная способность по отношению к атмосферным поллютантам падает.
- Загрязнение воздуха
........ Здоровье населения
---- Состояние растительности
-Загрязнение почв
0123456789 10 11
Рис. 2. Внесение импульсов q1=+0,1 в вершину VI (сценарий 1)
В сценарии 2 активизируются вершины VI и У3 внесением импульсов величиной +0,1, стабилизация контролируемых параметров наступает к 8-9 тактам, и по сравнению с предыдущим сценарием результирующие уровни загрязнения воздуха и почв снижаются, а состояние растений и здоровье населения улучшаются (рис. 3). Действительно, растения способны поглощать из воздуха различные загрязнители, поэтому уровень загрязнения воздуха снижается, что благоприятно сказывается на уровне загрязнения почв и здоровья населения. В случае последнего параметра снижается частота заболеваний, обусловленных за-
грязнением воздушной среды, в частности, заболеваний верхних дыхательных путей и легких.
- Загрязнение воздуха
........ Здоровье населения
---- Состояние растительности
- Загрязнение почв
0123456789 10 11
Рис. 3. Внесение импульсов q1=+0,1, q3=+0,1 в вершины У1, У3 (сценарий 2)
В сценарии 3 изучается влияние загрязнения воздуха и морской воды и мероприятий по озеленению городской территории в летний период года путем внесения импульсов в вершины У1, У3, У10 величиной +0,1. Поведение таких контролируемых параметров, как загрязнение воздуха, почв и состояние растительности, аналогичны сценарию 2, в то время как уровень здоровья горожан стабилизируется при более низком значении (~ на 17 %). В летний период воздействие морской воды, содержащей целый спектр различных биологических (болезнетворные микробы) и химических загрязнителей (тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды и т.д.), на кожные покровы человека неблагоприятно влияет на его иммунную систему, ослабляет ее и способствует росту общей заболеваемости [7].
С целью выяснения положительной роли озеленения в формировании качества городской среды обитания было изучено отдельно влияние загрязнения воздуха и морской воды на здоровье населения (сценарий 4, одновременное внесение импульсов величиной +0,1 в вершины У1 и У10). Оказалось, что уровни загрязнения воздуха и почв аналогичны сценарию 1, а уровень здоровья человеческой популяции ниже (~ на 14 %).
Сценарий 5 моделирует сильное антропогенное воздействие на урбоэкосистему без каких-либо попыток поддержать регуляторные механизмы, в связи с чем в вершины У1, У3, У7-У10 вносятся импульсы со значением +0,1. Это приводит к существенному ухудшению здоровья людей (на 60 % по сравнению со сценарием 1), поскольку их жизнедеятельность одновременно лимитируется всей совокупностью экологических факторов, действующих прямо и опосредованно.
Сценарий 6 в отличие от предыдущего предусматривает наряду с комплексным загрязнением городской среды (импульсы q(V1)=q(V7)=q(V8)=q(V9)=q(V10) = =+0,1) проведение мероприятий по озеленению ^(У3)=+0,1). Результаты моделирования сходны с результатами сценария 1 (рис. 2) с той разницей, что стабилизация уровня здоровья людей наблюдается при
более низком значении амплитуды этого параметра (~ 45 %).
Сценарий 7 (рис. 4) изучает влияние загрязнения поверхностных водоисточников и морской воды, шума и двух природоохранных мероприятий - снижения загрязнения воздуха (например, путем реконструкции очистных сооружений на фабриках и заводах и т.п.) и озеленения городских улиц - на значения контролируемых параметров. Наблюдается снижение уровней загрязнения воздуха и почв, улучшение состояния растительности, здоровье населения на 2-м такте импульсного процесса ухудшается, а с 3-го такта постепенно улучшается, стабилизируясь к 9-10 тактам почти на исходном уровне. Поведение последнего параметра можно объяснить с учетом совокупного влияния на него факторов городской среды обитания: несмотря на положительное значение проводимых мероприятий их эффект не достигается мгновенно.
резервуаром, способным принимать и накапливать городские поллютанты, является Таганрогский залив Азовского моря, загрязнение которого также оказывает влияние на здоровье горожан.
-Загрязнение е и здух а
-------- Здоровье населения
---- Состояние растительности
- Загрязнение почв
0.24 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 -0.00 -0.03 -0.06 -0.10 -0.13 -0.16 -0.19 -0.22
. - -г - ~Г '
>
/
t
V
0123456789 10 11
Рис. 4. Внесение импульсов q1=-0,1, q3=+0,1, q7=+0,1, q8=+0,1, q9=+0,1, q10=+0,1 в вершины V1, V3, V7, V8, V9, V10 (сценарий 7)
Сценарий 8 (рис. 5) следует рассматривать в качестве оптимального, так как в нем устраняется действие всех негативных факторов (в вершины V1, V7-V10 вносятся импульсы величиной -0,1) и дополнительно улучшается городская среда обитания, благодаря озеленению (q(V3)=+0,1). Такой комплексный подход к обеспечению качества среды является наиболее результативным, так как наблюдается существенное улучшение уровня здоровья населения и состояния растительности и значительное понижение уровней загрязнения воздуха и почв по сравнению с исходными значениями, принятыми в качестве фоновых.
Таким образом, разработанная когнитивная модель, ее анализ и проведенное на ее основе сценарное моделирование позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, в городской экосистеме имеется два аккумулятора загрязнителей.
Одним из них является воздушный бассейн (подвижная среда), а другим - почва (неподвижная среда), которые по аналогии с биогеохимическими циклами выступают, соответственно, в качестве обменного и резервного фондов миграции загрязнителей. Третьим
Рис. 5. Внесение импульсов q¡= - 0,1, q3= + 0,1, q7= - 0,1, q8=-0,1, q9= - 0,1, q10= - 0,1 в вершины V1, V3, V7, V8, V9, V10 (сценарий 8)
Во-вторых, в анализируемой экосистеме имеется контур {V1, V3, V4} из четырех взаимносопряженных циклов с положительной обратной связью, внутри которого происходит внутренний перенос загрязнителей и усиление внешнего воздействия на систему. Наблюдаемая стабилизация контролируемых параметров после однократно внесенного импульса спустя несколько тактов моделирования объясняется наличием в приморской урбоэкосистеме регулирующих механизмов (растительная подсистема, фонды миграции и накопления загрязнителей).
В-третьих, согласно результатам ситуационного моделирования, наиболее сильное влияние на компоненты экосистемы приморского города оказывает загрязнение воздушной среды, которое проявляется и прямо, и косвенно. Действительно, аэрополлютанты, находящиеся в форме газов и аэрозолей, легко перемещаются в воздушной среде, взаимодействуют друг с другом, поглощаются растениями и вдыхаются человеком вместе с воздухом, а поглощая воду, агреги-руясь, они оседают на поверхность почвы и загрязняют ее. Однако, учитывая нединамический характер проведенного моделирования, в качестве естественного накопителя загрязнителей и усилителя их действия на самом деле выступают городские почвы и почвенные покрытия. В почвах поллютанты удерживаются за счет адсорбции, и частицы пыли, содержащие такие адсорбированные загрязнители и поступающие в воздух, менее реакционноспособны по сравнению с типичными аэрополлютантами. Но если благодаря ветрам происходит рассеивание загрязнителей в воздухе, и его экологическая опасность снижается, то вклад почв в загрязнение урбоэкосистемы в этом случае только возрастает. Следовательно, почвы являются резервным фондом в миграции загрязнителей в городской экосистеме.
В-четвертых, для обеспечения приемлемого качества городской среды и улучшения здоровья горожан наиболее эффективным является одновременное использование нескольких природоохранных мероприятий, поскольку в этом случае наблюдается существенное улучшение уровня здоровья населения и состояния растительности и значительное понижение уровней загрязнения воздуха и почв по сравнению с их исходными значениями.
Литература
1. Лаппо Г.М. География городов. М., 1997. С. 203.
2. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2004. С. 5-21.
3. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2005. С. 6-27.
Поступила в редакцию_
4. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2006. С. 5-20.
5. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2007. С. 7-29.
6. Состояние окружающей среды г. Таганрога. Таганрог,
2008. С. 6-28.
7. Егорова И.П. Среда обитания и здоровье населения
г. Таганрога. Таганрог, 1995. 323 с.
8. Марченко Б.И. Здоровье на популяционном уровне:
статистические методы исследования: руководство для врачей. Таганрог, 1997. 432 с.
9. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций
/ О.Н. Пьявченко [и др.]. Таганрог, 2003. С. 7-69.
10. Новая парадигма развития России (комплексные иссле-
дования проблем устойчивого развития). М., 1999. С. 442-449.
11. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность,
катастрофы. М., 1982. С. 39-127.
15 мая 2009 г.
