Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Повышение экологической безопасности функционирования объектов природообустрйоства

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности функционирования объектов природообустрйоства"

На правах рукописи

КАРПЕНКО Нина Петровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА (МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ)

Специальности: 03.00.16 — «Экология»

06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель>:

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова (ВНИИГиМ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Д.А. Манукьян

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.Ф.Никитенков

академик РАЕН, доктор технических наук, профессор А.Д.Потапов

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Г.В.Ольгаренко

Ведущая организация - Тверской государственный университет

Защита диссертации состоится 14 ноября 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Академика Прянишникова, 19, ауд. № 1/201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Автореферат разослан « У/ » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Т.И.Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время развитие многих отраслей народного хозяйства, в том числе и сельскохозяйственного производства, характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Из большого числа различных видов антропогенной деятельности сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство по своему масштабу и интенсивности оказывает наиболее глубокое воздействие на природную среду.

Функционирование объектов природообустройства, наряду с достижением определенного народно-хозяйственного эффекта, сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий, таких как подтопление и заболачивание, засоление и осолонцевание, эрозия почв и т.д. Это приводит к деградации, загрязнению почв, к ухудшению качества поверхностных и подземных вод, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и, соответственно, осложнению экологической ситуации.

В материалах третьего Всероссийского съезда по охране природы (Москва, 2003) при оценке состояния природной среды подчеркнуто, что «несмотря на некоторую стабилизацию экологического состояния окружающей среды (за период 1987-1999 гг.) в 2000 году появилась устойчивая тенденция к увеличению объема негативных экологических последствий, прежде всего из-за ослабления деятельности всей природоохранной системы и невысокого уровня природоохранных технологий». Ухудшение экологических условий и масштабность их проявления обостряют потребность в нахождении путей решения проблемы по снижению негативных последствий и интенсификации фундаментальных и прикладных исследований по решению этой проблемы.

К настоящему времени на территории России эксплуатируется большое количество техно-природных систем (ТПС) различного назначения — промышленных, транспортных, мелиоративных, сельскохозяйственных, водохозяйственных, гидротехнических и т.п., построенных в 60-80 годы. Использование морально устаревших технических средств, отсутствие современных технологий и применение технологий, не адекватно учитывающих природные условия и экологические ограничения, высокая изношенность основных фондов большинства сооружений, составившая в последние годы 70-90%, все это усиливает возможность возникновения аварий и экологических кризисов по причинам техногенного и природно-техногенного характера в самые ближайшие годы.

Так, в 2002 году количество природно-техногенных аварий было превышено на 18%, а по причинам техногенного характера на'30% по сравнению с 2001 годом, и в дальнейшем, начиная с 2004 года, следует ожидать их катастрофическое увеличение (В.И.Осипов, 2003). Более того, риск таких аварий существенно возрастает на фоне участившихся природных катастроф, вызванных гидрометеорологическими причинами. Удельный вес таких процессов составляет более 80%, они приводят к потере управления ТПС и вызывают серьезные экологические последствия и даже человеческие жертвы. В 2002 году произошли крупные природно-техногенные аварии на гидротехнических сооружениях из-за крупнейших навод-

нений на юге России (Краснодарский и Ставропольский края), отказ которых произошел на фоне технического износа гидротехнических сооружений.

Политические и социально-экономические перемены периода перестройки, имевшие место в России в конце 80-х и начала 90-х годов, оказались неблагоприятными и для развития мелиорации, которая в настоящее время столкнулась с рядом острейших проблем, связанных: с прогрессирующим сокращением орошаемых и осушаемых площадей; ухудшением их мелиоративного состояния из-за развития процессов деградации (подтопления, заболачивания, засоления, осолонце-вания, закустаривания); падением продуктивности мелиорированного гектара; заметным снижением технического уровня мелиоративных систем (МС) и высокой степенью изношенности мелиоративных сооружений. Все это происходит на фоне низкого финансирования отрасли.

В России к 2001 году произошло сокращение площади орошаемых земель на 1,5 млн. гектар (26%) по сравнению с 1991 годом и составило 4547, 5 тыс. гектар, из них почти 30% составляют орошаемые земли регионов Северного Кавказа и Поволжья. Из-за засушливых погодных условий, недостатка поливной воды, неисправности мелиоративной сети и дождевальной техники неполивная площадь увеличилась на 44% и составила 2014, 1 тыс. гектар, что привело к спаду валовых сборов сельскохозяйственной продукции почти в два раза. Кроме того, за последние 15 лет более чем в два раза произошло снижение парка дождевальных машин.

Результаты обследований эколого-мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель на территории России на 01.01.2005 год свидетельствуют о том, что почти 20% осушенных и 30% орошаемых земель находится в неудовлетворительном состоянии, и тенденция ухудшения будет сохраняться, если не будут приняты соответствующие меры по ее предотвращению и упреждению.

На современном этапе вопросы экологии и охраны природы ; ■ — стоят особенно остро, в решении которых, как отмечал А.Н.Костяков, именно мелиорации, как составной части общего комплекса мероприятий по преобразованию природы, принадлежит решающее значение. Мелиорация была и остается основным стабилизирующим факторов и действенным средством повышения плодородия и устойчивости почв, регулирования природных процессов, управления круговоротом воды и зольных веществ, интенсификации сельскохозяйственного производства, а также определяющим средством компенсирования многих негативных последствий.

Поэтому исследования по повышению экологической безопасности функционирования объектов природообустройства являются в настоящее время актуальными, позволяют снизить риск развития негативных процессов и улучшить экологическую ситуацию.

Цель и задачи исследований. Основной целью настоящей работы является теоретическое и методологическое обоснование повышения экологической безопасности функционирования объектов природообустройства (мелиорированных земель).

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие научные задачи:

1. Дать оценку современного состояния природной среды, сформировавшегося под влиянием антропогенной деятельности, выявить региональные и

4

локальные закономерности влияния мелиоративной деятельности на различные , компоненты природной среды.

2. Разработать теоретические положения повышения экологической безопасности функционирования объектов природообустройства, включающие новые подходы и систему критериев для оценки их функционирования.

3. Обосновать возможность использования ансамблевого прогнозирования природных процессов при антропогенных воздействиях и предложить систему наиболее совершенных математических (одномерных, профильных и пространственных многокомпонентных) моделей сопряжения - гидродинамических, гидрохимических и биотических - для выполнения прогнозирования природных процессов.

4. Провести экспериментальное обоснование структуры порового пространства для различных почв пород зоны аэрации и установить наиболее характерную модель среды.

5. Разработать основные принципы формирования регионального эколо-го-мелиоративного мониторинга и провести их реализацию на конкретных объектах.

6. Разработать методы оценки геоэкологических рисков возникновения негативных последствий антропогенной деятельности и суммарных экологических ущербов и применить их на объектах природообустройства.

7. Предложить структурную схему технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем и провести ее реализацию.

Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются основные положения системного анализа с использованием методов математического моделирования, теории неравновесной термодинамики, теории управления сложными системами и теории вероятности. В основе научных исследований и решении поставленной проблемы лежат идеи и труды Л.С.Берга, В.И.Вернадского, В.В.Докучаева, А.Н.Костякова, А.В.Ковды, Б.Б.Полынова, И.Р.Пригожина, а также И.П.Айдарова, Г.К.Бондарика, А.И.Голованова, Б.С.Маслова, Н.М.Решеткиной, Л.В.Кирейчевой, Д.А.Манукьяна, Н.И.Парфеновой, Н.Ф.Реймерса и др.

Методика исследований заключалась в изучении энергетических подходов к . оценке состояния природных систем, проведении экспериментальных исследований по оценке параметров природного объекта, выполнении прогнозных оценок природно-мелиоративных процессов гидролого-почвенно-гидрогеологического цикла, сценарных исследований, качественных и количественных оценок геоэкологических рисков и экологических ущербов.

Объект и предмет исследований. В качестве объекта исследований рассматривались различные объекты природообустройства: мелиоративные системы, агрогеосистемы, водосборные бассейны, ландшафты. Предметом исследований явились научные знания о природных и природно-антропогенных процессах, происходящих при функционировании объектов природообустройства.

Научная гипотеза. Для оценки функционирования мелиоративных систем может быть применен термодинамический подход, позволяющий оценить эффективность мелиоративных воздействий, более полно охарактеризовать состояние

природного объекта, а также выявить общие закономерности трансформации вещественных и энергетических потоков под влиянием антропогенных воздействий. Выбор варианта функционирования может быть обоснован прогнозными расчетами, сценарными исследованиями и оценкой геоэкологических рисков.

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании и практической реализации методов совершенствования функционирования мелиоративных систем, включающем: проведение полевых и лабораторных экспериментов по оценке параметров природного объекта; разработку теоретических подходов в оценке энергетического состояния природной системы, концептуальной модели повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем; выбор, разработку и реализацию эколого-математических моделей прогнозирования, выполнение сценарных исследований и оценку обобщенных геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов при антропогенной деятельности на конкретном объекте; проверку адекватности предложенных алгоритмов, процедур и моделей.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Термодинамический подход в теории функционирования мелиоративных систем, позволяющий на основе методов теории открытых систем и закономерностей энергетических превращений в геосистемах оценить эффективность мелиоративных воздействий. Особенность подхода заключается в учете тепломассообмена почвенного покрова с внешней средой и в представлении почв как открытых систем, в которых особенности протекания неравновесных процессов связаны с флуктуациями и точками бифуркации. Установлено, при антропогенных воздействиях происходит существенное изменение структуры термодинамического балансового уравнения, динамика составляющих которого позволяет выявить точки бифуркации в развитии геосистем.

2. Обобщенная концептуальная модель функционирования мелиоративных систем, отражающая взаимосвязь природной, технической, технологической подсистем и блока управления и позволяющая обосновать комплекс мероприятий по снижению негативных последствий антропогенной деятельности.

3. Методология, схема, структурная иерархия и порядок выполнения ансамблевых прогнозов сложных нелинейных природных процессов. В общей системе моделей прогнозирования выделена подсистема моделей процессов, носящих детерминированный характер, и подсистема моделей среды, особенностями которых являются факторы случайности и неопределенности. Основу методологии составляет интегрированная система эколого-математических моделей сопряжения, которые описывают разнородные природно-мелиоративные процессы, связаны между собой эмпирическими соотношениями и объединены общей управляющей программой.

4. Методика проведения экспериментальных исследований по обоснованию структуры порового пространства почв, пород зоны аэрации и зоны насыщения, основанная на использовании трассерных индикаторов и алюмосиликатных гелеобразующих растворов. Обобщение экспериментальных исследований автора и других исследователей позволило выделить модель порового пространства изотропного характера, гетерогенно-блоковую модель и модель макронеоднородности.

5. Комплексный подход к оценке обобщенных геоэкологических рисков возникновения негативных последствий при мелиоративной и водохозяйственной деятельности. Структура геоэкологического риска учитывает степень риска развития нежелательных природно-антропогенных процессов и суммарных экологических ущербов, покомпонентное количественное определение которых проведено на конкретном объекте гидротехнического строительства.

6. Структурная схема технологии повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем, включающая процедуры проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований, оценку геоэкологических рисков и эколого-экономичсской эффективности природоохранных мероприятий.

Практическая значимость работы. Использование термодинамического метода оценки функционирования мелиоративных систем, позволяющего количественно определить антропогенную (энергетическую) нагрузку на природные объекты и прогнозную оценку развития мелиоративных систем (эволюция или деградация), позволит обеспечить своевременное проведение упреждающих природоохранных и агротехнологических мероприятий и, как следствие, повысить эффективность эксплуатации и проектирования мелиоративных систем.

Разработанные научно-методические рекомендации по оценке экологической безопасности функционирования объектов природообустройства были использованы при разработке природоохранных мероприятий для конкретных объектов (Северо-Чагринская оросительная система в Поволжье, Аштский массив орошения Таджикистана, Джизакский массив Узбекистана, объект ТБО «Щербинка», водосбор р.Медвенки Московской области, бассейн р.Колымы, агроландшаф-ты Смоленской области) и могут быть использованы при экологической экспертизе.

Выполнение предложенных прогнозных оценок природно-мелиоративных процессов по разработанным методикам позволит повысить уровень научного обоснования природоохранных технологий.

Предложенная методология проведения ансамблевого прогнозирования, сценарных исследований и количественная оценка обобщенных геоэкологических рисков позволят оценить эффективность функционирования мелиоративных систем и обеспечить их экологическую безопасность.

Ряд разработок автора были отмечены медалями ВВЦ (1999, 2001).

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных конгрессах, совещаниях и конференциях. Важнейшими из них являются: 1-й Всесоюзный съезд инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Международный семинар по проблеме комплексного использования поверхностных и подземных вод в рамках советско-индийского сотрудничества (Индия, г.Рурки, 1990); II и IV и VI Международные Конгрессы «ЭКВДТЭК» (Москва, 1996, 2000, 2004); 2-й Всероссийский съезд по охране природы (Саратов, 1999); 7, 8, 9 и 13-я Международные конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ, 1999, 2000, 2001, 2005); Ш-й съезд Докучаевскопз общества почвоведов (Суздаль, 2000); Юбилейная конференция «Современные проблемы мелиораций и пути их решения», (Москва, ВНИИГиМ, 1999); Международные научно-технические конфе-

7

ренции МГУП (Москва, 1998, 1999,2000,2001,2002,2003.2006); Международная научная конференция «Костяковские чтения» (Москва, ВНИИГиМ, 2002. 2004. 2006); Европейская международная региональная конференция «Проблемы предотвращения опустынивания земель» (Словения, 2002); 3-я Международная российско-иранская конференция «Сельское хозяйство и природные ресурсы», (Москва, МСХЛ, 2002); 19-й Международный Конгресс по ирригации и дренажу (Москва, 2004).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 62 печатных работах, в том числе 9 статей опубликовано в центральных реферируемых журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 389 наименований, изложена на 318 страницах машинописного текста, включая 62 рисунка и 40 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены методология и методика проведения исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Воздействие антропогенной деятельности на компоненты природной среды. Повышение экологической безопасности функционирования мелиоративных систем: проблемы п пути их решения. Проведенный анализ литературных данных показал, что в настоящее время человечество находится на таком этапе развития цивилизации, когда глобальные и региональные изменения природных процессов широко затронули всю оболочку планеты - атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу в целом. Антропогенная деятельность, воздействуя на природную среду, приводит к глубокому преобразованию природных ландшафтов, вызывая их целенаправленную трансформацию.

Значительный вклад в развитие исследований по изучению ландшафтов, как основных природных объектов, внесли работы Л.С.Берга, В.В.Докучаева, Б.Б.Полынова, М.А.Глазовской, В.А.Николаева, Л.Г.Раменского, Н.А.Солнцева, В.Б.Сочавы, В.Н.Сукачева, И.С.Щукина, Ю.Одума, В.Уолкера, С.Янга и др. Особое место в исследованиях по изучению воздействия мелиоративных систем на природную среду занимают исследования И.П.Айдарова, А.И.Голованова, Л.В.Кирейчевой, Д.А.Манукьяна, Н.И.Парфеновой, Э.П.Романовой, Н.М.Решеткиной и др.

На территории России, несмотря на снижение в последнее время объемов поступления в природную среду загрязняющих веществ из-за- сокращения производства, сохраняются значительные масштабы негативных последствий антропогенной деятельности. Современные темпы развития индустрии обусловили достаточно высокий антропогенный пресс на природную среду (В.А.Черников, 2000). Такой путь развития может привести и уже приводит к существенным экологическим ущербам, наносимым природной среде, в том числе человеку. Опасность воздействия хозяйственной деятельности связана с потреблением невозобновляе-мых сырьевых и энергетических ресурсов. В конце XX столетия обнаружена устойчивая тенденция к возрастанию такой опасности в геометрической прогрессии

8

(Э.П.Романова, 1999). Наблюдается также заметная тенденция к сокращению видового биоразнообразия, и к 2010-2015 гг. биосфера может утратить до 10-15% составляющих ее видов (Biodiversity, 1988; Millenium Ecosystem Assessment, 2002).

Оценка ведущих ученых и специалистов в области охраны природной среды убедительно показывает, что "тот поток загрязнений, который сегодня принимает наша природа, превосходит ассимиляционный потенциал экосистем в наиболее развитых и населенных районах нашей страны, так что экологическая ситуация в них не улучшается, а наше экологическое положение существенно хуже, чем во--семь или десять лет назад" (В.И.Данилов-Данильян, 1999).

Природообустройство, как деятельность человека по повышению полезности земель, вызывает целенаправленную трансформацию ландшафтов, а избежать некоторые негативные последствия не всегда представляется возможным. В сложившихся экономических условиях нашей страны функционирование мелиоративных систем происходит на фоне дальнейшего снижения продуктивности сельскохозяйственных культур, сокращения площади орошаемых и осушаемых земель, ухудшения их мелиоративного состояния, снижения плодородия почв, физического и морального старения основных фондов. Недостаточный учет влияниям мелиоративных воздействий на экологическую ситуацию, связанного с несовершенством мелиоративных технологий, технических средств, а также ошибками проектирования, неточностью прогнозов, отсутствием должного уровня эксплуатации, дорого обходятся обществу.

По данным эколого-мелиоративного состояния сельскохозяйственных земель и национальных докладов РФ по состоянию на 2005 год неудовлетворительная мелиоративная ситуация наблюдается на площади более 636,7 тыс. га, в том числе из-за подъема УГВ - 205,2 тыс. га, - засоления 344,2 тыс. га, подтопления -87,3 тыс. га. Это свидетельствует о том, что проблему повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем необходимо решать и как можно скорее.

Из всего комплекса антропогенных воздействий только мелиоративная деятельность может снизить, стабилизировать и улучшить многие негативные последствия (положительные результаты имеются в регионах России, Белорусском Полесье, Северном Крыму, регионах Центральной Азии и т.д.). В условиях высоких антропогенных нагрузок на природную среду мелиорация, являясь наиболее действенным средством адаптации сельскохозяйственного производства к флук-туациошшм изменениям климатических условий, играет определяющую роль в интенсификации сельскохозяйственного производства и создает необходимые условия для получения стабильного и устойчивого урожая (рис. 1 ).

Под функционированием мелиоративных систем понимается интегральный процесс (совокупность процессов), состоящего из процессов постоянного и непрерывного круговорота, обмена и циркуляции воды, химических веществ и биоэлементов, физико-химических, тепловых, биохимических, биологических и др. процессов и их преобразования (Голованов А.И., 2001). Такой круговорот обусловлен взаимодействием комплекса мелиоративных сооружений, технических средств и компонентов природной среды и направлен на выполнение определенных функций, связанных с обеспечением необходимых условий для сельскохозяйственного

использования земель. Достижение поставленной цели осуществляется через управление функционированием мелиоративной системы.

Время (годы)

-♦-Урожайность без орошения Урожайность при орошении |

Рис.1. Динамика урожайности озимой пшеницы для юга России -Ставропольский край (данные Севкавгипроводхоза)

В современных условиях функционирование мелиоративных систем осложняется из-за ухудшения их технического состояния, моральной и физической изношенности оборудования, технических средств. Например, в Волгоградской области по состоянию на 2000 год количество исправной дождевальной техники и насосных станций составляет 30-50%. Аналогичный уровень технического износа на мелиоративных системах наблюдается и на Северном Кавказе, где большинство оросительных систем имеют невысокие показатели гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности: значение КПД оросительных систем не превышает 0,7.' С 1991 года значительно уменьшились объемы забора воды на орошение, поливные площади сократились на 40-45%, в 10-15 раз снизились объемы внесения минеральных и органических удобрений. В этих условиях дальнейшее функционирование мелиоративных систем становится крайне ненадежным и опасным из-за высокого риска отказов.

Техническая и моральная изношенность основных фондов практически на всех действующих мелиоративных объектах, выработка нормативных сроков эксплуатации технических средств, резкое сокращение объемов работ по реконструкции, строительству, эксплуатации и техническому обслуживанию заставляют совершенствовать "существующие и искать новые пути снижения экологической опасности функционирования мелиоративных систем. Решению указанной проблемы посвящена настоящая работа.

Глава 2. Теоретические основы повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем. В качестве основного объекта исследования были выбраны мелиоративные системы, функционирование которых определяет закономерности динамики вещественных, энергетических и информационных потоков. Под экологической безопасностью функционирования мелиоративных систем автор понимает такую форму их функционирования, при которой в течение срока службы эксплуатации все заданные процессы и параметры системы в рамках геоэкологических ограничений не вызывают угрозу возникновения негативных последствий (экологических ущербов) или компенсируются мелиоративными природоохранными мероприятиями.

А.Н.Костяков в своих трудах отмечал, что основная суть мелиорации состоит в регулировании водного, воздушного, питательного и теплового режимов почв, и придавал большое значение изучению теплового режима почв. Он подчеркивал, что «...изучение теплового...режима земной поверхности является важнейшей теоретической проблемой географии на современном этапе ее развития...Разработка этой проблемы необходима для обоснования расчета и правильного применения мелиорации в различных географических условиях».

В основу разработки теоретического и методологического обоснования поставленной проблемы положены идеи и методы ландшафтно-геосистемного и термодинамического подходов, позволяющих установить общие закономерности динамики вещественных и энергетических потоков и связи между компонентами в геосистемах. Решение проблемы представляется возможным при рассмотрении природного ландшафта как единой открытой многокомпонентной системы, для исследования развития которой предложен термодинамический подход, основанный на изучении и энергетической оценке тепломассообмена геосистемы с внешней средой. По мере роста антропогенного воздействия на природную среду заметно ослабевает способность биоценозов к самовосстановлению, и в этих условиях они переходят из области равновесия в неравновесное состояние.

В соответствии с термодинамическими представлениями нелинейные системы, находясь в «точке бифуркации», имеют несколько альтернативных путей развития, причем некоторые их них могут привести к разрушению. Важным моментом является то, что на динамику развития нелинейных систем существенное влияние оказывают флуктуации., использование которых дает возможность направить положительные обратные связи в нужное направление, обеспечивающее устойчивость системы.

Как указывают многие исследователи (Костяков А.Н., Волобуев В.Р. и др.) одной из менее разработанных задач в области энергетики открытых природных систем является выяснение роли теплового и массообменного параметра в общем термодинамическом балансе.

Теоретическими предпосылками для обоснования термодинамического подхода стали исследования И.Р.Пригожина, С.Кеплена, Д.Гиббса, Р.Хаазе, Э.Эссига, Ю.Б.Румера, А.И.Голованова, С.В.Нерпина и др., а также уравнения термодинамики необратимых процессов, составляющие которых несут важную информацию о функционировании системы «почва-растение».

Радиационный. поток поступающей на поверхность земли энергии Солнца трансформируется в почвенном и растительном покрове и его баланс имеет следующий вид (Голованов, 2001):

Я-ЬЕс ±Р +В-д-Ф = СпАв (2.1)

где: Я — радиационный поток поверхности почв; Ь - теплота парообразования, ЬЕС - затраты тепла на суммарное испарение Ес, включающее транспирацию растениями и испарение с поверхности почвы; Р — конвективный обмен теплом с приземным слоем атмосферы за счет нагревания воздуха у самой поверхности почвы; В — приток тепла в почву из глубинных горизонтов; Q — затраты энергии на почвообразовательные процессы; Ф — затраты энергии на фотосинтез (составляющие не более 1% от радиационного баланса); СпЛв- изменение количества тепла в почве при ее нагревании за балансовый период на ЛЬСп - теплоемкость почвы.

Применительно к тепловым процессам, протекающим на поверхности почв, с точки зрения закона сохранения энергии и существования функции состояния, справедливы следующие термодинамические уравнения - состояния фаз и выражения дифференциала внутренней энергии (Р.Хаазе, Э.Эссиг):

<Ш = Ж-ЗЛ + ^М1щ (2.2)

сШ = Гей1 - /чгГ + X М; м; (2.3)

1

где: сО] - изменение внутренней энергии системы; <5К — поступление энергии в систему (тепло лучистой энергии Солнца); 8А — работа, производимая системой;

I

Т- температура; 5 — энтропия; Г — давление; К—объем; - энергия химиче-

.1

ских превращений в процессе массообмена {М,— масса / — го компонента; д- — химический потенциал, характеризующий скорость обмена).

В уравнениях (2.2) - (2.3) внутренняя энергия сЮ является характеристикой состояния системы и ее изменение не зависит от процесса, с помощью которого она переходит от одного состояния к другому. Поступающая в систему теплота 8К и производимая системой работа 5А характеризуют процессы, в результате которых изменяется состояние системы..

Для описания состояния многокомпонентной системы и связи значений всех параметров (энтропия Б, объем V, число молей компонентов А',), характеризующих

I

состояние фазы, используется параметр массообмена ^ЦМ^,, в котором химиче-

1

ский потенциал /4 представляет собой производную внутренней энергии по числу молей данного компонента и определяется как: — (Цу;)5 У Ы фЬ,.. Данный параметр представляет собой свободную энергию Гиббса и характеризует только состояние фазы многокомпонентной системы (С.Р.Кеплен, Р.Хаазе).

Приведенные термодинамические уравнения позволяют изучать структуру баланса по отдельным показателям вещественно-энергетических потоков, таким как величина фотосинтетически активной радиации, величина радиационного ба-

ланса, альбедо, суммарное испарение, «индекс сухости» Будыко в естественных условиях и оценивать их динамику при антропогенных воздействиях (табл. 1).

Анализ составляющих энергетического баланса почв при мелиоративных воздействиях необходим с точки зрения оценки их эффективности и установления экологически допустимых пределов. При сельскохозяйственном производстве и мелиоративной деятельности в агрогеосистемах происходит существенная перестройка термодинамического баланса и его энергетических составляющих.

Практическая реализация термодинамического подхода осуществлялась при следующих условиях. В процессе антропогенного воздействия (распашка, осушение, орошение, внесение минеральных и органических удобрений) меняется гидротермический режим и, как следствие, условия почвообразования. Орошение земель целенаправленно изменяет условия естественного увлажнения и тепловой режим почв, требующийся для повышения их продуктивности и сохранения почвенного плодородия.

Таблица 1. Термодинамические показатели составляющих вещественно-энергетических балансов для различных типов почв в природных условиях

Вещественно- энергетические характеристики Типы почв

Дерново-подзолист. Серые лесные Черноземы вышел. Черноземы обыкнов. Каштановые Светло каштановые Сероземы

Суммарная солнечная радиация (кДж/см3-год) 376 386 397 418 460 502 523

Фотосинтетически активная радиация Офар., (кДж/см2 год) 189 194 204 209 221 264 284

Альбедо, % 20 18 11 9 19 24 29

Радиационный баланс Ле, (кДж/см2 -год) 135 140 150 155 167 210 230

Сумма среднемно-голетних осадков Ос, (мм) 625 615 600 525 370 300 200

Суммарное испарение Ео, мм 508 520 545 577 586 685 730

Индекс сухости, ЖОс 0,96 1,01 1,11 1,37 2,00 3,10 5,08

Коэффициент ■ увлажнения Ку-Ос/Ео 1,23 1,18 1,10 0,95 0,63 0,44 0,27

Энергия почвообразования <2п, (кДж/см2 -год) 86 87 89 84 65 48 - 20

Изучение энергетических показателей проводилось для трех основных зон России — гумидной, степной и полупустынной. Было установлено, что изменение отдельных показателей (фотосинтетически активная радиация, радиационный баланс, альбедо, индекс сухости, суммарное испарение), рассчитанных по зависимостям М.И.Будыко, В.Н.Димо, В.Р.Волобуева, составило 3-10% от естественных значений для гумидной зоны, 20-23% для степной зоны и до 25-(50)% - в полупустынной зоне при экологически допустимых нагрузках.

С позиций термодинамического подхода наибольший интерес с точки зрения изучения внутренней энергии системы представляет баланс гумуса почв при различных антропогенных нагрузках. В качестве основной расчетной модели принималась модель А.И.Голованова, учитывающая темпы образования нового гумуса и его разложение:

сЮ/Ж =А - Вв, т/(га-год), (2.4)

при начальных условиях Г = 0; <3 = (70:

й = А/В + (в0 - А/В)ехр(-В{) (2.5)

где: Б — текущие запасы гумуса, т/га; А — темпы образования нового гумуса Сшш при минерализации растительных остатков или органических удобрений (7уд, в том числе и сидератов, а также потери гумуса Вым при нисходящих токах влаги: А — (/„ов + С7уд — Вым.

Автором была рассчитана динамика гумуса в различных типах почв при сельскохозяйственном производстве. Было установлено, что только распашка приводит к сработке гумуса в течение 1-го года на -0,32 т/га в дерново-подзолистых почвах и -0,59 т/га в черноземах обыкновенных. При проведении комплексных мелиораций наблюдается восстановление плодородия почв и увеличение запасов гумуса (на +0,48 т/га в дерново-подзолистых почвах и +0,30 т/га в черноземах обыкновенных).

Продуктивность естественных ценозов и агроценозов является интегральным показателем состояния почв и для ее оценки используются различные математические модели, однако не все они приемлемы при учете комплексного мелиоративного воздействия, так как большинство из них учитывает лишь один фактор. Комплексные мелиорации изменяют не только состояние почв, но и их гидротермический режим, поэтому наиболее приемлемой можно считать модель С.А.Пегова и П.М.Хомякова (1991), учитывающей ряд факторов - климатические и почвенные показатели, особенности рельефа, структуру агрогеосистемы, а также свойства конкретной культуры, организационно-технические факторы, культуру земледелия:

Р ■ СЬ (2.6)

где: индекс почвы, СЬ - коэффициент благоприятности климата.

С использованием данной модели можно определить агрегированный показатель плодородия почв - «индекс почв» и рассмотреть «вклад» различных составляющих в его величину в естественных условиях. Основной составляющей величиной является показатель, характеризующий состояние и качество почвы - индекс почвы 5 и определяемый как:

5, = 6,4(Огя + 0,2ОфК ) / 600 + 8,5ЩКРК{%) + (2

где: 6,4; 8,5; 5,1 - весовые коэффициенты; (3гн и вфк - содержание гуматного и фульватного гумуса, соответственно; N. Р, К - содержание в почве азота, фосфора и калия, соответственно, в долях от максимального; Нг - гидролитическая кислотность, мг-экв/100г.

Проведенные расчеты подтвердили, что минеральное питание (азот, фосфор и калий) и гидролитическая кислотность определяет значение индекса почв гу-мидной и степной зон; в полупустынной зоне основной «вклад» вносит гидролитическая кислотность. _

Следуя предложенному подходу, оценка величины массообмена в термодинамическом уравнении определялась через величину объема фитомассы. Для ее определения была выполнена оценка продуктивности сельскохозяйственных культур при различных сценариях мелиоративных воздействий для двух характерных зон: для зоны осушения (Тверской обл.) и зоны орошения (Орловская обл.). Рассматривались следующие варианты: естественные условия, осушение (орошение), сухие мелиорации (обеспечение минеральным питанием почв) и набор комплексных мелиораций в сочетании с высокой агротехникой. Результаты расчетов показали, что применение комплексных мелиораций существенно увеличивает продуктивность многолетних трав в 7,5 раз с 0,9 до 6,8 т зерн. ед/га и озимой пшеницы в 1,5 раза с 6,9 до 9,9 т зерн. ед/га (рис. 2 ).

Проведенные, расчеты хорошо согласуются с исследованиями Г.Николиса и И.Пригожина (1979) в области термодинамики открытых систем, в соответствии с которыми изменение отдельного процесса и его отклонение от равновесия по некоторым параметрам (Р) от внешнего воздействия (л) происходит в соответствии с термодинамической ветвью (рис. 3). -

Максимальная продуктивность с/х культур (т э.ед.га)

□ продуктианоть многолетних трав на дерново-подзолисты* почвах Тверской области Ш Продуктивность озимой пшеницы на черноземах обыкновенных Орловской области

Рис. 2. Динамика максимальной продуктивности сельскохозяйственных культур при различных сценариях антропогенных воздействий

(ветвление кривой по мере удаления системы от равновесия: а — устойчивая часть термодинамической ветви; б — неустойчивая часть термодинамической ветви; в — новое состояние, возникающее в результате перехода через точку бифуркации Х0)

Рис. 3. Термодинамическая кривая развития процесса (по И.Пригожину)

Как следует из рисунка 3, кривая развития процесса проходит ряд точек бифуркации, в которых происходит нарушение устойчивости и возрастание энтропии (Л. = А0). Определяющую роль в возникновении точек бифуркации играют малые возмущения (флуктуации). При анализе развития мелиоративных систем принималось, что при обмене с внешней средой естественные флуктуации, вызванные метеорологическими факторами, при их наложении на флуктуации, вы-, званные мелиоративным воздействием, приводят к трансформации природных объектов и дальнейшее функционирование идет согласно термодинамической ветви рисунка. Способность природных систем к самоорганизации и самовосстановлению обеспечивает их дальнейшее функционирование, но уже на другом энергетическом уровне.

Исходя из проведенных наследований и полученных результатов, а также идей А.Г.Исаченко о конструировании культурных ландшафтов с целью гармонического сочетания интересов Человека и Природы, предложена система показателей функционирования агрогеосистем, включающая такие показатели как: положительный (устойчивый) прирост сельскохозяйственной продукции, устойчивый рост экономического плодородия, минимизация ресурсов потребления и минимизация негативного воздействия на окружающую среду.

Завершающим этапом блока теоретических положений явилась разработка концептуальной модели функционирования мелиоративных систем, суть которой состоит в компромиссном решении по согласованию объема и интенсивности антропогенных воздействий с параметрами инженерной и природной подсистем на основе составляющих термодинамических балансов, прогнозирования природно-мелиоративпых процессов, формирования биопродуктивности, динамики гумуса почв при проведении сценарных исследований и оценки геоэкологических рисков (рис. 4).

Неуправляемые факторы воздействий

Управляемые факторы антропогенных воздействий Блок управления

МЕЛИОРАТИВНАЯ СИСТЕМА

Природная подсистема

Инженерная подсистема

Технический б.пок

Природные и техно-природные процессы

Технологический блок

Система показателей объектов природной и инженерной подсистем

Анализ и оценка функционирования МС по интегральным показателям и мониторинговой информации

удовл.

Подсистема управления

Человек

Модели

Информация

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТПС В ЗАДАННОМ РЕЖИМЕ

неудовл.

Корректировка режима управления

Проведение ансамблевых прогнозов и сценарных исследований

Оценка геоэкологического риска

I

Расчет суммарного экологического ущерба

Экологический ущерб существенный

нет

да

Рис. 4. Концептуальная модель функционирования мелиоративных систем

Глава 3. Оценка экологической безопасности функционировании мелиоративных систем на основе выполнения ансамблевых прогнозов. Мелиоративная деятельность, воздействуя на природный объект, способствуют формированию природно-мелиоративных процессов, которые протекают в различных компонентах ландшафта: на его поверхности, в поверхностных водах, в почвах, породах зоны аэрации, подземных водах. Наиболее характерными (и часто нежелательными) являются процессы образования поверхностного стока, плоскостного смыва и ирригационной эрозии, процессы впитывания и инфильтрации; процессы засоления, заболачивания, подтопления, осушения, поступления биогенных и загрязняющих веществ в различные компоненты ландшафта, активизация экзогенных геологических процессов.

Для описания и количественной оценки вышеуказанных процессов используется математическое моделирование, которое можно рассматривать в качестве основного инструментария для современных наукоемких мелиоративных технологий. Разработке и обоснованию расчетных моделей, методов прогноза переноса воды и солей, а также моделей продуктивности биоценоза посвящено большое количество работ, среди которых основополагающими являются исследования С.Ф.Аверьянова, И.П.Айдарова, В.В.Веригина, В.С.Борисова, А.И.Голованова, А.И.Клыкова, Д.А.Манукьяна, В.А.Мироненко, Ю.Н.Никольского, Л.М.Рекса, А.А.Рошаля, В.М.Шестакова, Д.Ф.Шульгина, В.В.Шабанова, А.М.Якиревича и др.

Реализация термодинамического подхода при мелиоративных воздействиях наиболее полно может быть выполнена с использованием математического моделирования природных процессов, для количественных расчетов которых предлагается использовать метод ансамблевого прогнозирования, - способа, позволяющего оценивать функционирование сложных систем с разными моделями, построенных по единой методике. Под ансамблевым прогнозированием будем понимать прогнозирование разнородных процессов по ведущим компонентам природного объекта, которые увязываются между собой прямыми и обратными связями и объединяются общей управляющей программой.

Полная система (надсистема) ансамблевого прогнозирования природно-мелиоративных процессов может быть разделена на две подсистемы: подсистему моделей процессов и подсистему моделей природной среды. Подсистема моделей природной среды представляет собой комплекс моделей среды со стохастически распределенными параметрами вида Р - Р (х, у, t). При выборе моделей процессов и моделей природной среды базовым условием остается экспериментальное обоснование структуры порового пространства, поскольку именно на ее основе выбирается и строится структура баланса (воды, солей и т.д.) и пространственная функция распределения параметров среды.

В научной литературе слабо разработанным остается вопрос обоснования моделей среды и структуры порового пространства, которые определяют выбор расчетных схем прогноза. Большинство моделей реальных сред принимается гипотетически, а экспериментальные полевые исследования изучения пористых сред из-за больших трудностей их проведения, носят, как правило, единичный характер.

Для решёния ряда мелиоративных задач на основании генетического подхода к изучению структуры, порового пространства предложена классификация мо-

18

делей среды. Для почв и пород зоны аэрации более объективными представляются модели гомогенные, с двойной пористостью и гетерогенно-макронеоднородные. Среди методов экспериментального изучения структуры по-рового пространства наибольший интерес вызывают радиоиндикаторные методы, с помощью которых была установлена и доказана возможность представления структуры почвенного покрова с двойной пористостью (Д.А.Манукьян, Н.Н.Галибин, 1986).

Автором была проведена серия экспериментальных полевых опытов с применением алюмосиликатных растворов, которые показали, что наиболее характерной моделью для верхней части пород зоны аэрации каштановых и полупустынных почв является гетерогенно-макронеоднородная модель структуры перового пространства (рис. 5).

Количественная оценка степени макронеоднородности проводилась по величине водопроницаемости. Было установлено, что для суглинистых почв Среднего Поволжья (Северо-Чагринская оросительная система) в результате исключения макропор водопроницаемость почв была снижена в 3-4 раза, а для сероземов пустынной зоны (Джизакский массив) снижение составило уже в 6-7 раз (Н.П.Карпенко, 1976, 2006). Проведенные экспериментальные исследования структуры порового пространства явились в дальнейшем основой для разработки теоретической блоковой модели мозаичного строения с двойной емкостью, разработанной В.М.Шестаковым и А.А.Рошалем.

Экспериментальные исследования показали, что гетерогенно-макронеоднородная структура порового пространства почв является определяющей при выборе расчетной схемы процессов влаго- и солепереноса и особенно при расчетах величины инфильтрационного питания и связанного с ним процесса загрязнения: при поливе дождеванием работает матрица почвы, а при поливе затоплением основной поток влаги идет транзитом по макропорам.

Автором также были проведены экспериментальные опытно-полевые работы по определению параметров поровых сред водонасыщенной зоны с использованием различных методов обработки их результатов. На основании анализа многочисленных данных и собственных результатов проведено обобщение результатов экспериментальных исследований по определению параметров структуры пористой среды для различных регионов России, которое позволяет с большой достоверностью использовать модели влаго- и солепереноса для составления прогнозов.

В рамках термодинамического подхода разработана методология и схема проведения ансамблевого прогнозирования природных процессов, проведен выбор моделей, предложена структурная иерархия и порядок выполнения прогнозных расчетов. Выявлено наиболее слабо разработанное звено методологии (блок гидрохимических моделей), для чего автором (совместно с Борисовым B.C.) была разработана модель переноса солей для насыщенно-ненасыщенной зоны, позволяющая выполнять прогнозы в сложных мелиоративно-гидрогеологических условиях. Схема методология ансамблевого прогнозирования природных процессов при мелиоративном воздействии приведена на рис. 6.

Вид трещин и распределение меченой изотопом хлора воды на плоскости среза монолита. Процент концентрации влаги от концентрации в зоне насыщения

ШИ

юо%

40-70%

<10%

Распределение макролор

а) на поверхности грунта

б) в разрезе

черным цветом показано распределение макропор

Рис. 5. Результаты экспериментального изучения структуры порового пространства

(I - с применением радиоиндикаторного метода (Манукьян Д.А., Галибин H.H., 1986);

II - с применением алюмосилихатного силикатного гелеобразующего раствора (Карпенко \l.\l.,2DD6)

НИЖНИМ УРОВЕНЬ

Сопряженные фации (катены)

Влагоперенос

Солеперенос

-у—Г

Перенос биогенных элементов

ТТ

Процессы трансформации ионно-солевого комплекса, выноса тяжелых металлов

V А

Продуцирование биомассы р

ВЕРХНИИ УРОВЕНЬ Водосборы, физико-географические районы

ЕДИНАЯ УПРАВЛЯЮЩАЯ ПРОГРАММА (учет эмпирических соотношений основных характеристик компонент)

СЦЕНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Вероятность возникновения негативных последствий

Суммарный экологический ущерб

Формирование гидрохимического стока

Т к

Процессы водной эрозии

Т к

Процессы подтопления ->

+ А

► Оползневые процессы

ОЦЕНКА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА (К=ЕГ]Щ

ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ ПО ВЫБОРУ ЭКОЛОГИЧЕСКИ НАДЕЖНОГО И БЕЗОПАСНОГО СЦЕНАРИЯ ПРОВЕДЕНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Рис. 6. Схема методологии ансамблевого прогнозирования природных процессов при мелиоративном воздействии

Ядром разработанной методологии является интегрированная система моделей сопряжения - одномерных, профильных и пространственных одно- и многокомпонентных моделей, описывающих разнородные природно-мелиоративные процессы, связанных эмпирическими соотношениями и объединенных единой управляющей программой. Основная цель такой программы состоит в решении общей задачи'путем автоматического выбора модели или включения необходимых блоков без нарушения общей структуры прогнозирования. В качестве единых управляющих программ могут служить модели с эмпирическими соотношениями: влажность — поверхностный сток, влажность — уровень грунтовых вод и т.д.

: Предложено использование двухуровневой иерархии выполнения ансамблевых прогнозов. На нижнем уровне для сопряженных фаций (катен) рассматриваются, как правило, двумерные и профильные модели влаго- и солепереноса, а также модели переноса тяжелых металлов, трансформации питательных веществ и модели продуцирования биомассы. На верхнем уровне для водосборов и физико-географических районов рассматривается система региональных многокомпонентных пространственных гидродинамических и гидрохимических моделей формирования стока, процессов подтопления, эрозии и оползневых процессов.

В формировании системы прогнозных моделей (набор моделей не полный) было предложено использовать наиболее известные и широко используемые эко-лого-математические модели, которые совершенствовались в процессе их адаптации. На нижнем уровне предлагается использовать следующие модели:

Обобщенная модель влагопереноса в ненасыщенной зоне (Голованов А.И., 1972). Модель широко используется в задачах природообустройства и учитывает режим влажности почвы при отборе влаги корнями растений. Основой модели является численное решение дифференциального уравнения влагопереноса: C{dH /dt) = d[fCw(dH ldx)]ldx-ek (3.1)

где: t - время, д: - координата, Н - напор почвенной влаги, учитывающий гравитационную и каркасно-капиллярную составляющие:

Н = - х- <р,

где: х — гравитационный потенцкал; <р - каркасно-капиллярный потенциал; -коэффициент влагопроводности; ек — отбор влаги корнями растений, зависящий от особенностей развития корневой системы, влажности и энергетических возможностей приземного слоя атмосферы; С — коэффициент удельной влагоемкости:

C = dW/dH = -dfV/d<p, (3.2)

где: W— влажность почвы в долях объема.

Обобщенная квазитрехмерная модель движения влаги и воды в насыщенно-ненасыщенной зоне (Борисов B.C., Манукьян Д.А., 1985). Модель рассматривает процессы движения воды в насыщенно-ненасыщенной зоне от поверхности инфильтрации до водоупора и автоматически учитывает условие сопряжения двух потоков. Обобщенная модель представляется в виде:

СдН / dt = д / dt(K(0)dH / dz) + J (3.3)

кдН / dz = д/dx[k{h - f)dH/дх] + д/ ду[к(И - f)8h !dy] + Q (3.4)

где: 0 - содержание почвенной влаги; h — пьезометрический напор; Н — гидродинамический напор; К - коэффициент влагопроводности; С (<?) — функция влажно-

сти; J- интенсивность источников-стоков (отбора влаги корнями растений); Q — интенсивность питания на подошве водоносного пласта; t — время.

Двумерная профильная модель поверхностного стока с инфильтрацией (Кирейчева JI.B., Утесинов В.Н., 1993). Модель позволяет решить вопрос увязки двух основных модулей водного баланса на водосборе — модуля, описывающего склоновый поверхностный сток и модуля процесса влагопереноса в зоне аэрации. Учет состояния поверхности склона (уклон, шероховатость и т.д.) и величины инфильтрации позволяет прогнозировать образование и величину поверхностного стока. В основу модели положена система уравнений:

где: Q - расход воды в замыкающем створе в момент времени t; f—f(т) — кривая добегания стока; Н = Н* + у — гидродинамический потенциал; Н* — капиллярно-сорбционный потенциал; хну- координаты; F - дифференциальная влагоем-кость; К — коэффициент влагопроводности; I - интенсивность отбора влаги корнями растений; Г — проводимость водоносного горизонта; qa - интенсивность водообмена с нижележащим горизонтом; <р - интенсивность стока воды в дрену; h -величина уровня грунтовых вод; t— время.

Двумерная модель переноса солей в насыщенно-ненасыщенной зоне (Борисов B.C., Карпенко Н.П., 1987). Модель рекомендуется использовать для зон, специфика которых определяется развитием процессов засоления. Модель позволяет прогнозировать транспортный перенос солей в насыщенно-ненасыщенной зоне при работе оросительно-дренажных скважин с учетом выноса солей из пород зоны аэрации. Процесс движения воды и солей в пределах ленты тока описывается стационарным уравнением Буссинеска:

— {Kh—) + W = 0 при 0 <х <го (3.6)

tlx dx

где: х - горизонтальная координата (0<х<г0), м; К - коэффициент фильтрации, м/сут; h - усредненный за год гидравлический напор подземных вод, м; W - усредненная за год величина инфильтрационного питания, м/сут.

Краевые условия: h=hc при х=0; h=hg при х=г0

■ h = ^h2+^tf-x2)-2-f-{r0-x) (3.7)

Vx=-K&=>hVx=^Kh§=>hVx=Wx-Q0 (3.8)

Qo - расход воды в скважине по линии тока.

Уравнение движения солей в пределах ленты тока без учета дисперсии определяется выражением:

Для расчета долгосрочного прогноза солевого режима может быть использована следующая зависимость:

2Я

^о+сся-^^а-в"-*')

О<х<£(0 - для первой зависимости; )<х<Го — для второй зависимости

9ПП

при: «0= 0 --• (3-11)

где: 50 - средневзвешенное по пласту содержание солей в сечении х=0 при 1=0, г/л; ¿Г, - средневзвешенное по пласту содержание солей в сечении х—го, г/л.

Особенность модели заключается в учете пространственного характера фильтрационного потока при водоотборе - вертикального в зоне аэрации и гори- ■ зонтального по пласту при работе водозабора. Задача решена с использованием аналитических методов с применением интегральных преобразований Лапласа-Карсона и получены результаты долгосрочного прогноза для конкретного объекта (рассмотрена в главе 6).

Блок моделей формирования биопродуктивности представлен моделями С.А. и П.М.Хомякова (1991) и моделью В.В.Шабанова (1972), которые являются в настоящее время основными моделями расчета урожайности агроценоза и основаны на зависимости формирования продуктивности растений от факторов внешней среды. Мультипликативная модель В.В.Шабанова позволяет учитывать не только динамику водно-солевого режима почв в период вегетации, но и использовать энергетические характеристики:

п

У = Ку^таах = ^тах^О И Кю1КМК5Ма1 > (3-12)

/=1

где: У - проектная урожайность в конкретные годы; Утах — максимальная урожайность; Ку — коэффициент снижения урожайности за счет неблагоприятного водного режима; Ко, ЛГд;, К&д,- - коэффициенты, учитывающие снижение урожайности, в результате: запаздывания со сроками сева, отклонений от оптимальных значений влажности почвы, уровня грунтовых вод с амплитудой 5Д; а,- - удельный вес фазы, отражающий чувствительность растений в каждой фазе развития с порядковым номером г к отклонениям водно-воздушного режима почвы от оптимальных условий.

При расчете величины Утах используется энергетические характеристики солнечной радиации и максимальный урожай для мелиоративной системы в год с радиацией Qp будет равен:

Урас, = ШР-во) (3.13)

г г Ц 1

где: ! - число лет наблюдений за изменением урожайности, <20 - минимальная величина ФАР, необходимая для созревания урожая (2 <<2о).

На верхнем региональном уровне наибольший интерес представляют универсальные многокомпонентные модели водосборных бассейнов, которые позволяют описать основные процессы почвенно-гидролого-гидрогеологического цикла и решить проблему сопряжения комплекса процессов. В систему моделей входят модель водосборного бассейна «BASIN» (И.С.Пашковский, 1985) и «MIKE SHE» (Датский гидрологический институт), которые имеют встроенную модульную структуру и описывают поведение основных составляющих водного баланса - поверхностного стока, руслового стока, потока влаги в ненасыщенной зоне и фильтрации воды в грунтовом потоке. Преимуществом модели «BASIN» является возможность учета процессов промерзания, что весьма характерно для центральных регионов России; модель «MIKE SHE» позволяет учесть многие ландшафтные характеристики водосбора (густота деревьев, плотность смыкания крон, характер листовой поверхности и т.д., влияющие на величину интерцепции).

Рассмотренные эколого-математические модели являются моделями неравновесных процессов и позволяют детерминированно дать прогноз развития природных процессов. Однако с позиций термодинамического подхода определяющее значение имеет блок прогнозных геоэкологических задач, в котором необходимо рассматривать равновесные процессы. Для решения этих задач наиболее перспективной моделью, использующей энергетические показатели состояния природной системы (в частности, термодинамическую функцию или энергию Гиббса, минимальное значение которой определяет условие равновесия), является модель процессов равновесной химической термодинамики (ТО.В.Шваров, 1992).

Модель основана на принципах химической термодинамики, кинетики и физико-химической гидродинамики и позволяет учесть ведущие процессы взаимодействия в системе «вода - порода», в том числе твердые фазы. Для определения баланса солей смеси j-x компонентов пористой среды с учетом процессов взаимодействия рассматривается система уравнений вида:

nü^=DiACi+Dn~+diV(CiV) (3.14)

et . 1

где: С/ и N,:n - объемные концентрации г'-го компонента комбинации солей в составе подвижной и неподвижной фаз (сорбента) в расчете на единицу объема пористой среды; Ni* - содержание г-го компонента солей в емкости обмена; Д - коэффициент молекулярной диффузии; DTi - коэффициент термодиффузии; Д - оператор Лапласа; V - векторная скорость потока внутри пористой среды; па - пористость среды; Т— температура.

Специфика модели связана с условиями ее применения; ранее данная модель была использована только при решении гидрогеологических задач, рассматривающих глубокие водоносные горизонты. Нами эта модель была усовершенствована для зоны гипергенеза, отличающейся низкими температурами и давлением, что является характерным для большинства происходящих на поверхности земли процессов. Модель может использоваться для широкого класса почв (при засолении до 2,5% и небольшой емкостью поглощающего комплекса — 10-16 мг-экв/100 г) и при прогнозе позволяет учитывать соли, находящиеся в жидкой и твердой фазах.

Адаптация модели была проведена для объекта загрязнения почв поймы р. Пахры отходами полигона твердых бытовых отходов (ТБО) Московской области. В ходе проведения исследований было установлено загрязнение почв, поверхностных и подземных вод, сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами (№, 2п, Сг, Си, V, 2г), содержание которых превышало предельно-допустимые концентрации (ПДК) от 3 до 30 раз (табл. 2, 3).

Было выявлено, что основным механизмом выноса загрязнений из свалки ТБО является вымывание их поверхностным стоком, почвенными и грунтовыми водами в пойму р. Пахры, территория которой используется под посевы сельскохозяйственных культур.

Таблица 2. Результаты анализа содержания тяжелых металлов в почвах поймы р. Пахра

Элемент Хп РЪ Сг т V 2г

ПДК 100 30 100 50 50 300

Диапазон содержания элемента, мк/кг 43-3270 5-55 64-160 28-65 20-100 289-650

Таблица 3. Содержание химических элементов в кукурузе

Концентрации химических элементов, мг/кг

т Си РЪ Сг № А/о Бг Ре Мп

В золе кукурузы 40 23 •88 15 69 14 4 200 21300 627

В перерасчете на сухое вещество 6 3,4 13,2 2,2 10,4 2,1 0,6 30 3195 94

ПДК 1 40 50 3 1 - 4 10 250 1000

Превышение ПДК, раз 6 - - - 10 - - 3 13 -

При руководстве и участии автора был проведен комплекс работ по изучению возможности очистки почв от загрязнения. Были исследованы процессы рассоления и загрязнения на монолитах, оценена эффективность выноса тяжелых металлов, получен ряд подвижности элементов, выполнено прогнозное моделирование. Результаты проведенных исследований по промывке монолитов (В.М.Яшин, 1992) и результаты моделирования подтвердили возможность очистки почв поймы р. Пахры в районе полигона от тяжелых металлов (рис. 7-8).

Выполненные исследования явились основанием для разработки рекомендации по эффективности рассоления и очистке почв от токсичных элементов до требуемых показателей и комплекса природоохранных мероприятий. Для их эффективного проведения предложено с глубокой вспашкой внести до 10 т/га химических мелиорантов (хлористый кальций, кислые удобрения и т.д.) и проведение промывки нормой 6-7 тыс. м3/га.

1 2 3 4 5 в Т в

Объем профильтровавшейся воды, л

Рис. 7. Динамика концентраций тяжелых металлов в фильтратах при

Объем профильтровавшейся воды, л

Рис. 8. Динамика концентраций тяжелых металлов в фильтратах при промывке монолита 5 (гл. 1,2 м) после внесения химмелиорантов

Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами промывок монолитов, показывающие эффективность проведения для очистки загрязненных почв от тяжелых металлов, и, прежде всего эффективность проведения промывок для удаления подвижных форм цинка, свинца, меди и никеля. Результаты показали, что добавление химмелиорантов переводят в раствор тяжелые металлы (Си, А7, РЬ, Бг, Со, 2п). Удовлетворительные результаты по удалению тяжелых металлов

27

из твердой фазы почвы в жидкую (до значений ПДК в почве) удалось получить при проведении опытов с добавлением соляной кислоты с концентрацией 0,05 моль/л или раствора хлорида кальция с концентрацией 0,1 моль/л.

Необходимо отметить, что рассматриваемая модель равновесной термодинамики может иметь широкий спектр применения, и, в частности в мелиоративных задачах при прогнозировании выноса питательных элементов.

Глава 4. Сценарные исследования и оценка обобщенных геоэкологических рисков. В соответствии с концептуальной моделью и методологией ансамблевого прогнозирования важным этапом исследований является проведение сценарных исследований по оценке последствий антропогенных воздействий с последующей оценкой геоэкологических рисков, так как множественность сценариев позволяет выбрать наиболее экологически безопасный и экономически приемлемый вариант их функционирования.

Наиболее оправданной является двухуровневая иерархия проведения сценарных исследований. Например, для мелиоративных оросительных систем на нижнем уровне цель сценарных исследований состоит в обосновании режима орошения и доз внесения удобрений для получения проектной (плановой) урожайности основных культур севооборота, и здесь необходимо использование моделей урожайности. Эти сценарии могут проигрываться и для орошаемого поля с учетом севооборота культур и технологии их выращивания. На основе анализа различных вариантов землепользования, проводимых на региональном .уровне, представляется возможным оценить характер и масштаб негативных последствий при мелиоративной деятельности.

Наиболее эффективно ансамблевое прогнозирование может быть использовано для решения задач по мелиорации земель на водосборных территориях. Это связано с тем, что в границах водосборов имеется реальная возможность замкнуть водные и солевые балансы вещественных и энергетических потоков. Именно на этих территориях водный фактор оказывает наибольшее влияние на развитие и размещение объектов природообустройства, поскольку реки являются основными путями миграции и распространения загрязняющих веществ. Результаты ансамблевого прогнозирования природных процессов на водосборах и сценарии различного водо- и землепользования являются основой для выбора и корректировки наиболее приемлемого с точки зрения эколого-экономической оценки варианта антропогенной нагрузки.

Моделирование различных вариантов землепользования и изучение составляющих водного баланса было проведено на примере одного из типичных для северо-западной части Московской области водосборных бассейнов. В качестве типового объекта был выбран водосборный бассейн 4-го порядка - бассейн р. Мед-венки, входящий в придолинную зону среднего течения реки Москва и представляющий собой заболоченное пологоволнистое водораздельное пространство с площадью водосбора 21 км3. Основным водоносным горизонтом в бассейне является мезозойско-кайнозойский комплекс.

Реализация методики сценарных исследований проводилась с использованием модели «MIKE SHE», которая является достаточно сложной и требует ввода большого объема различной информации по ландшафтным особенностям, расти-

тельности, топографическим данным, почвенным условиям, гидрологическим, климатическим, гидрогеологическим и большой объем исходных параметров.

Влияние различных факторов на формирование подземного и поверхностного стока и выявление региональных закономерностей изменения в ландшафте изучалось при различных сценариях антропогенной нагрузки.

Первый вариант рассматривал сведение площади лесов под пашню, в результате моделирования этого сценария было установлено существенное влияние лесных территорий на гидрологический режим бассейна р. Медвенка. Было выявлено, что сценарий полного сведения леса и распашка земель увеличил поверхностный сток на водосборе на 40%, при этом величина руслового стока в замыкающем створе р. Медвенки возросла на 15%.

Второй сценарий моделировал условия полного залесения водосбора и позволил оценить последствия этого воздействия на гидрологический режим р. Мед-венки. В результате моделирования было установлено, что вариант полного залесения водосбора снижает величину поверхностного стока в среднем на 25%, речного стока на 7-10% от естественных условий (рис. 9), Это может повлиять на усиление эрозионных процессов, увеличение протяженности гидрографической сети, плотность оврагов, развитие оползневых процессов.

месяцы

Рис. 9. Динамика формирования среднемноголетнего стока р.Медвенки в замыкающем створе при различных сценариях антропогенной нагрузки

Проведенные сценарные исследования в бассейне р. Медвенки сравнивались с результатами, полученными по модели «BAZIN» (Пашковский И.С.,1988): их сопоставление не превысило 5%.

Использование региональных моделей может найти широкое применение при решении задач, связанных с ирригацией, дренажом, водоотведением, а также в задачах мелиорации водосборов.

При функционировании сложных объектов природообустройства может происходить заметное смещение вещественно-энергетических балансов геосистемы, при котором может наблюдаться потеря устойчивости отдельного компонента или всей системы. В результате этого мы сталкиваемся с геоэкологическими рисками возникновения негативных последствий, которые необходимо количественно оценивать и прогнозировать их интенсивность.

Под геоэкологическим риском будем понимать вероятностную меру опасности или вероятность нарушения устойчивости окружающей среды при любых воздействиях на нее хозяйственной деятельности. Предлагается использовать двумерный показатель обобщенного геэкологического риска, который оценивается через степень риска и значения ущерба. В этом случае структура геоэкологического риска (/?) может быть определена как вероятность возникновения негативных последствий, вызываемых развитием природно-антропогенных процессов, приводящих к экологических ущербам (Ц):

п т 1

* (4.1)

¿=1 у=1

где: Р, I/ - соответственно оценка факторов вероятности возникновения негативных последствий и их ущербов; IV- вес фактора, г, / - количество факторов.

К основным факторам, которые влияют на геоэкологический риск, можно отнести исходное экологическое состояние, потенциальную природную устойчивость, масштаб воздействий, стохастичность (неопределенность и гетерогенность) природной среды и погодных условий, надежность инженерных сооружений и т.д. Вероятность возникновения негативных последствий связана со спецификой объектов природообустройства, определяемых их целевым назначением (мелиоративное, гидротехническое, сельскохозяйственное и др.), и включает определенный набор воздействий на природную среду, особенности которого связаны с орошением, осушением, внесением удобрений, изъятием водных ресурсов и т.д., а также качеством и износом инженерных сооружений.

На величину возможного ущерба влияют интенсивность антропогенных нагрузок, токсичность антропогенных воздействий, ценность экосистем и отдельных компонентов природной среды и т.д. Экологический ущерб природной среде проявляется в виде ухудшения качества атмосферы, водных и земельных ресурсов, состояния биоресурсов и выражается в денежной форме.

В настоящее время оценка предотвращенного экологического ущерба проводится по методике, разработанной Госкомприродой и позволяющей дать величину эколого-экономического ущерба отдельно для атмосферы, водных объектов, земель, биоресурсов (В.Ю.Данилов-Данильян, 1999).

В качестве интегральной оценки экологической безопасности функционирования объектов природообустройства предлагается использовать величину суммарных экологических ущербов, которые определяются как:

и сум =1.{иа+ив+из+иб+ идр), Кэз, (4.2)

где: 11 а, и„, из,, С/б, 1/ар - величина ущербов, определенных соответственно атмосферному воздуху, водным ресурсам, земельным ресурсам, биоресурсам и другие виды ущерба; Кэз - корректировочный коэффициент, учитывающий экологическое состояние территории.

Используемая методика представляет собой приближенные оценки суммарных экологических ущербов природной среды от воздействия антропогенной деятельности, а ее применение требует дальнейшего совершенствования, в частности, в вопросах оценки ущербов биоресурсам и учета зональных коэффициентов экологической значимости для различных природно-климатических зон.

Исследования В.Г.Петина, Г.П.Жураковской, В.Ф.Федорова, Ю.В.Морозова и др. показывают, что нелинейность происходящих процессов в биологических системах при совместном действии ряда факторов может вызвать различные эффекты наложения - синергизма (усиления) или антагонизма (подавления). Наиболее сложной задачей является количественная оценка коэффициентов, учитывающих эти эффекты в биотических системах. Антропогенные воздействия на природную среду могут рассматриваться как независимые переменные (Х1,...Х2...,Хп), а поведение системы определяется определенным набором показателей (функция отклика) зависимых переменных Функцию отклика можно пред-

ставить в виде уравнения регрессии:

ь0Х;Х; ± I ьпх} ± ..., (4.3)

где: Ъо, Ъь Ьу и т.д. — весовые коэффициенты переменных.

При независимом действии каждой переменной достаточно ограничить степень полинома линейными членами, т.е. У = Ъа — • Однако в реальных условиях мы сталкиваемся с совместным взаимодействием ряда факторов. Наиболее частым случаем отклика системы на совместное воздействие оказывается явление синергизма, поэтому такая ситуация приводит к необходимости включить в описание функции Г =/(А'/,... Х2,Х„) членов уравнения, которые содержат произведения факторов, т.е. ЬуХ,]Х]- Эффект синергизма характеризуется усилением отрицательного воздействия смешанных факторов Х/Х2 и учитывается знаком минус коэффициента (-¿дг) в уравнении (4.3). Этот знак при втором и третьем слагаемых (£>/) и (- Ьг) соответствует подавлению биотических процессов. Положительные же знаки коэффициентов смешанных факторов соответствуют, напротив, ослаблению их совместного действия (явление антагонизма) и увеличению функции отклика с увеличением характеристик процессов.

Проводя анализ уравнения (4.3), можно отметить, что только статистически значимая величина коэффициента при Х/Хг свидетельствует о проявлении эффекта антагонизма и эффекта синергизма. Уравнения типа (4.3) могут быть получены только после проведения многофакторных экспериментов (В.В.Налимов, Н.А.Чернова, 1965).

Исходя из экспертных оценок и многолетних наблюдений, предлагается следующий подход к ранжированию вероятности появления негативных последствий: маловероятны при Р < 0,2; возможны при Р = 0,2 - 0,4; вероятны при Р = 0,4 - 0,7 и весьма вероятны при Р > 0,7.

На основе экспертных оценок и статистических данных в работе проведено обобщение и получены количественные величины геоэкологических рисков возникновения негативных последствий от различных видов водохозяйственной и мелиоративной деятельности (табл. 4).

Таблица 4. Оценка вероятности возникновения негативных.последствий < природно-антропогенных процессов при мелиоративном и сельскохозяйственном воздействии

Вид воздействия Природно-мелиоративные процессы Негативные последствия природно- Вероятность возникновения

мелиоративных процессов негативных последствий

1 2 3 4

Орошение и осушение 1. Ирригационная эрозия и плоско- Геоэкологические

стной смыв почв 1. Подъем уровней грунтовых вод 0,8-1,0

2. Переувлажнение почв 2. Потеря органического вещества в почвах 0,5 - 0,6

3. Вторичное засоление 3. Деградация почвенного покрова 0,4-0,6

4. Осолонцевание 4. Уменьшение объема речного стока 0,7 - 0,8

5. Подтопление земель 5. Деструкция торфяной массы 0,4 - 0,6

6. Заболачивание территории 6. Оседание местности 0,1- 0,3

7. Дегумификация почв '* Экологические

8. Подкисление почв 7. Снижение численности и видового разнооб-

9. Минерализация торфяников разия биоты 0,4 - 0,6

10. Дефляция осушенных 8. Снижение биологической активности биоты 0,3 - 0,5

торфяников 9. Снижение урожайности сельскохозяйствен-

ных культур 0,2 - 0,6

10 Ухудшение качества сельскохозяйственной

продукции 0,4-0,6

Сельскохозяйственное 1. Загрязнение минеральными удоб- Геоэкологические

производство рениями и ядохимикатами 1. Загрязнение почв, донных отложений,

2. Ускоренная эрозия поверхностных и подземных вод 0,7 - 0,9

3. Разрушение экосистем 2. Уплотнение поверхностного слоя почвы 0,7-0,8

4. Ухудшение гидротермического и Экологические

питательного режимов экосистем 3. Накопление токсичных веществ в пищевых

5. Уплотнение почв цепях 0,4-0,6

6. Снижение водоудерживающей 4. Частичное уничтожение биоресурсов 0,4 - 0,6

способности почв 5. Сокращение биоразнообразия 0,5-0,8

Предложенный подход и количественная оценка суммарных экологических ущербов были реализованы в рамках экологической экспертизы по проекту строительства Усть-Среднеканской ГЭС на р. Колыме. Масштабы влияния создаваемого водохранилища будут определяться степенью изменения состояния геологического субстрата, инженерно-геологических, гидрогеологических условий, а также разрушением и трансформацией природных ландшафтов и экосистем.

При оценке воздействия на окружающую природную среду затопления земель гидротехнической плотиной экологические аспекты являются наиболее значимыми, особенно в оценках влияния сооружения на ландшафты и биоту. Негативное экологическое воздействие на окружающую природную среду будет связано с вырубкой ценных лесов (лиственничных и тополево-чозениевых), с затоплением земель в чаше водохранилища и подтоплением прибрежных биотопов на площади более 17000 га. Расчеты показали, что величина суммарного экологического ущерба может составить более 180 млн. рублей в ценах 1999 года (табл. 5).

Приведенные оценки общего экологического ущерба явились основой для проведения комплекса дополнительных природоохранных и компенсационных мероприятий по повышению экологической безопасности природной среды в зоне строящейся плотины.

Таблица 5. Расчеты суммарных экологических ущербов по Усть-Среднеканской ГЭС

Природно- Положи- Негативные Вероятность Экологи-

антрологен- тельные на- последствия возникнове- ческие

ные процессы роднохозяй- ния негатив- ущербы,

ственные ных послед- млн. руб.

эффекты ствий

Верхний бьеф Обеспечение 1. Потеря почв на пло- 1,0 .24,2

Затопление региона щади 400 га.

на площади электроэнер- 2. Вырубка древесины 1,0 63,4

17220 га гией от ГЭС 3. Уничтожение фауны 1,0 34,7

в объеме 4. Уменьшение степени 0,8 13,0

2,55 млрд. водообмена

Нижний бьеф кВт в час 1. Потеря почв на пло- 0,7 9,9

Подтопление щади 148 га

и образова- 2. Обледенение деревь- 0,8 16,8

ние полыньи ев и кустарников

на площади 3. Гибель фауны 0,8 19,3

4000 га

ИТОГО: 181,3

В обеспечении экологической безопасности функционирования объектов природообустройства приоритетными становятся вопросы управления геоэкологическими рисками, которые связаны с разработкой комплекса мер по предупреждению и снижению негативных последствий.

Под управлением геоэкологическими рисками будем понимать проведение природоохранных мероприятий, которые позволяют эффективно проводить реализацию решений по обеспечению экологической безопасности. Они включают в себя следующее:

наблюдение и оценку состояния компонентов природной среды и отдельных элементов технической подсистемы, их оценку для устранения и предотвращения негативных процессов по данным мониторинга;

количественную оценку обобщенного геоэкологического риска как вероятности возникновения негативных последствий и ущербов, наносимых отдельным компонентам природной среды, флоре и фауне;

разработку природоохранных мероприятий, ресурсосберегающих технологий и технических средств по защите природной среды от негативного воздействия природно-антропогенных процессов;

оптимизацию затрат на охрану природной среды на основе эколого-экономических ограничений с целью достижения нормативного (приемлемого) уровня риска.

Предлагаемый методологический подход по качественной и количественной оценке обобщенных геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов имеет широкую область применение и может быть реализован в различных задачах, связанных с мелиоративной и водохозяйственной деятельностью.

Глава 5. Эколого-мелиоративный мониторинг — информационная основа для управления экологической безопасностью функционирования мелиоративных систем. В рамках тepiмoдинaмичecкoгo подхода реализация моделей ансамблевого прогнозирования невозможна без обеспечения информацией для достоверной оценки состояния сложных природных систем. Объективная оценка требует наличия информационной базы по системе показателей и проводимой в рамках эколого-мелиоративного мониторинга (ЭММ), под которым понимается система непрерывных (или дискретных) наблюдений за основными показателями природной и технической подсистем, их оценка о текущем состоянии и прогноз для своевременного предупреждения негативных последствий.

Выполняемая постоянно-действующая система наблюдений должна также обеспечивать полную, достоверную и своевременную информацию для количественной оценки обобщенных геоэкологических рисков при различных сценариях функционирования мелиоративной системы.

Существуют многочисленные исследования по разработке системы показателей за компонентами природной среды (И.П.Айдаров, С.Я.Безднина, Б.В.Виноградов, А.И.Голованов, Б.А.Зимовец, А.Н.Каштанов, Н.И.Парфенова, В.В.Шабанов и др.). При участии автора разработана система показателей, которая выполнена во ВНИИГиМе и реализована в рамках эколого-мелиоративного мониторинга агроландшафтов в системе Минсельхоза РФ (Д.А.Манукьян, Н.П.Карпенко, Л.В.Кирейчева, 2000).

Основные положения эколого-мелиоративного мониторинга являются универсальными, могут быть использованы при организации системы наблюдений и контроля мелиорируемых земель с учетом их специфики, вида сельскохозяйственного использования (например, на рисовых системах, на черноземах и т.д.) и

включения дополнительных объектов наблюдений и контролируемых показателей. Структурная схема объектов, подсистем и компонентов приведена на рис. 10.

Рис.10. Структурная схема эколого-мелиоративного мониторинга

Структура эколого-мелиоративного мониторинга подразумевает рассмотрение трех основных блоков: наблюдений, оценки и прогнозов. В блоке наблюдений основная задача связана с определением комплекса ключевых контролируемых показателей — единичных, комплексных и интегральных и разработкой методов наблюдений и контроля. Например, при оценке эколого-мелиоративного состояния земель орошаемой зоны к базовым показателям можно отнести следующие природной подсистемы: уровень грунтовых вод, засоленность, и солонцева-тость почв, плотность пахотного слоя, содержание гумуса, качество оросительных вод, содержание загрязнителей, пораженность деградационными процессами, качество и урожайность сельскохозяйственной продукции.

Состояние инженерной подсистемы оценивается по показателям, характеризующих состояние инженерных сооружений и технических средств (водоисточников, водоприемников и т.д.), а также по таким показателям как объем и качество

дренажно-сбросных вод, качество оросительных вод и др. При оценке эколого-мелиоративного состояния отдельных компонентов, подсистем или всей системы необходима разработка методов оценки и диагностики.

Прогнозный блок, выполняемый в рамках эколого-мелиоративного мониторинга, позволяет оценить траекторию развития и динамику отдельного природно-мелиоративного процесса или всей системы в целом (почв и почвообразующих пород, поверхностных и подземных вод), мелиоративные режимы почв (водный, солевой, пищевой), негативные процессы (заболачивание, засоление, подтопление), процессы деградации (загрязнения и т.д.)! Основное внимание здесь должно быть направлено на разработку методов прогнозирования.

Завершающим этапом эколого-мелиоративного мониторинга является эко-лого-мелиоративное аудирование, которое является эффективным аппаратом для оценки соответствия "функционирования системы существующим нормативным документам. Оценку и диагностику эколого-мелиоративного состояния и инженерной подсистемы рекомендуется проводить в пределах внутреннего (ведомственного) аудита, а оценку биотической составляющей - в рамках внешнего аудита.

Для анализа и оценки функционирования мелиоративной системы необходимо знание геоэкологических ограничений (единичных, комплексных и интегральных показателей) и их экологически допустимые значения. Формирование базы этих данных рекомендуется выполнять на основе системы показателей природного блока, предложенных автором (табл. 6).

. Оценка эколого-мелиоративного состояния, реализация основных положений по размещению наблюдательной сети эколого-мелиоративного мониторинга, разработка системы контролируемых показателей и состав приоритетных исследований были выполнены для агроландшафтов Смоленской области, где возникла проблема контроля состояния сельскохозяйственных угодий, как в зоне проведения мелиорации, так и в зоне ее влияния.

Мелиоративное состояние земель в области в последнее время характеризуется значительным экологическим ухудшением, которое связано с влиянием различных источников загрязнения »на природную среду (выбросы в атмосферу и сброс в водные системы различных загрязнений и промышленных отходов). Формирование системы показателей эколого-мелиоративного мониторинга осушаемых земель Смоленской области было построено на основе следующих контролируемых показателей: для почвы (влажность корнеобитаемого слоя, кислотность, засоленность, содержание гумуса, индекс почвы, рН, содержание питательных веществ, содержание загрязняющих веществ, поемность территории, окультурен-ность торфяных и минеральных почв); для растений (содержание загрязняющих веществ, урожайность сельхозкультур); для грунтовых вод (уровни, напоры, минерализация и ионный состав, содержание загрязняющих веществ); для дренажных вод (уровни, расходы воды в дренах, модуль дренажного стока, минерализация воды, содержание загрязняющих веществ).

Было установлено, что для организации и ведения эколого-мелиоративного мониторинга необходимо два вида мониторинга - фонового и полигонного, которые обеспечат проведение систематических наблюдений на типовых участках за контролируемыми показателями.

Таблица 6.

Экологически допустимые значения единичных, комплексных и интегральных показателей геосистем при оценке функционирования оросительных мелиоративных систем

Ландшафт-но-географи-ческая зона Экологически допустимые величины

Единичные показатели Комплексные показатели Интегральные показатели

Влажность, доли НВ Содержание гумуса, % Степень засоления, % Уровень грунтовых вод, м Инфильтра-ционное питание, % от оросительной нормы Отношение дренажного стока к питанию грунтовых вод Коэффициент мелиоративной нагруженности Отношение величины питания ГВ к естественной дренированности Отношение площади экологического поражения к общей площади

Лесостепная зона 0,65-0,75 2-3 0,1-0,3 4-5 8-10 0,68-0,95 <0,3 0,20-0,25 0,10-0,15

Степная зона 0,70-0,75 5-7 0,1-0,3 5-7 8-12 0,73-0,93 0,3-0,5 0,15-0,20 0,10-0,15

Сухостепная зона 0,75-0,85 3-4 0,2-0,3 3-5 15-20 0,85-0,91 0,4-0,6 0,25-0,30 0,75-0,85

Полупустынная и пустынная зона 0,80-0,90 2-3 0,3-0,4 3-4 15-20 0,80-0,87 0,6-0,8 0,30-0,35 <0,20

Составлена автором по материалам Айдарова И.П., Бездниной С.Я., Волобуева В.Р., Голованова А.И., Каца Д.М., Кирейчевой Л.В., Манукьяна Д.А., Парфеновой Н.И., Яшина В.М. и др.

Для полигонного мониторинга выбран шаг наблюдений, который был увязан со спецификой землепользования и характером распределения антропогенной нагрузки; при этом число точек наблюдений по районам сильно меняется - от 26 до 12621 (Д.А.Манукьян, Н.П.Карпенко, А.И.Харламов, 1998). Проведенные исследования по формированию эколого-мелиоративного мониторинга в Смоленской области показали необходимость проведения большого количества точек наблюдений (более 55500). Оптимизация систем наблюдений возможна на основе использования расчетного мониторинга, который позволяет заметно сократить количество точек наблюдений и прогнозировать некоторые параметры, вычисление которых затруднено или требуется их большое количество, но и своевременно принять управленческие решения (А.И.Голованов, В.В.Шабанов, 2004).

Глава 6. Технология повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем на конкретном объекте. В результате теоретических, методологических и экспериментальных исследований была разработана обобщенная структурно-функциональная схема повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем, которая обеспечивает принятие обоснованного решения по наиболее устойчивому их функционированию с учетом геоэкологических рисков развития негативных процессов. Структурная схема технологии представлена на рис. 11.

В структуру технологии включено последовательное выполнение следующих процедур.

1. Установление функциональной структуры и геоэкологических ограничений; анализ и оценка состояния системы по показателям функционирования на основе мониторинговых исследований.

2. Оценка траектории развития мелиоративной системы с использованием термодинамических показателей и анализ развития негативных последствий мелиоративной деятельности.

3. Выполнение ансамблевых прогнозов на перспективу и оценка эколого-мелиоративного состояния по их результатам.

4. Проведение сценарных исследований по оценке последствий антропогенных нагрузок на природную среду.

5. Оценка обобщенных геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов.

6. Выбор и обоснование природоохранных' мероприятий по снижению' негативных последствий и эколого-экономические расчеты эффективности предложенных мероприятий.

7. Принятие решений по выбору варианта функционирования мелиоративной системы и разработка рекомендаций по дальнейшему функционированию системы.

Результаты последовательного выполнения этапов позволят снизить негативные последствия, повысить и обеспечить экологическую безопасность функционирования мелиоративных систем. В качестве мероприятий могут быть использованы эксплуатационные мероприятия, проведение модернизации, реконструкции, а в некоторых случаях и выведение из сельскохозяйственного оборота мелиорируемых земель и т.д. При существенных экологических ущербах должен _

ставиться вопрос о переориентации инвестиционных потоков, связанных с реконструкцией мелиоративных систем.

МЕЛИОРАТИВНАЯ СИСТЕМА

Установление функциональной системы связей Установление экологических и геоэкологических ограничений Наблюдения за показателями функционирования подсистем МС, прогнозы развития природно-мслиоративных процессов

Оценка траектории развития мелиоративной системы с использованием термодинамических показателей и анализ развития негативных последствий мелиоративной деятельности

т

Выполнение ансамблевых прогнозов на перспективу и оценка эколого-мелиоративного состояния по их результатам

НЕТ

Проведение сценарных Оценка (стоимостная)

исследований по оценке негативных последствий

последствий (суммарные ущербы)

антропогенных

нагрузок

Принятие решений о НЕТ

целесообразности

функционирования

УЩЕРБ ПРИЕМЛЕМ

ДА

Комплекс природоохранных мероприятий по снижению негативн ых последствий

Реконструкция (модернизация) Изменение технологических решений Эксплуатационные мероприятия Проектные решения

Технико-экономическое обоснование для выбранных мероприятий

> Выбор эффективного варианта функционирования мелиоративной системы

Рис. 11. Обобщенная функционально-технологическая схема

повышения экологической безопасности функционирования МС

Особое место в технологии заслуживает проведение технико-экономических расчетов для выбранных природоохранных мероприятий и выбор эффективного варианта функционирования мелиоративной системы. Сформулированы принципы научного обоснования выбора природоохранных мероприятий при мелиоративных воздействиях, основными из которых является их упреждающий характер, комплексность и соблюдение геоэкологических ограничений.

Экономическая эффективность природоохранных мероприятий не всегда очевидна, однако известно, что затраты на предотвращение негативных последствий, как правило, в десятки (и даже сотни) раз меньше, чем затраты на их ликвидацию (Владимиров В.А., 2000).

Наиболее полно реализация термодинамического подхода, предложенных методических приемов и разработанной технологии была выполнена для Аштско-го массива орошения, расположенного в Северном Таджикистане. Апробация как отдельных процедур, так и всей технологии была выполнена автором или при его участии. Изучаемый объект расположен в предгорной впадине в пределах конуса выноса, выполненного аллювиально-пролювиальными отложениями (рис. 12). Освоение массива предусмотрено по проекту комплексного использования поверхностных и подземных вод в две очереди по 13 тысяч гектар каждая (рис. 13).

Абс. отм., м

1300-\ с

оросительно-дренажцыс скважины

I очередь освоения

| "** «. | граниты 1 гравийко-галечные отложения

суглинки ^ ■■ ■•( г^икы Ш

I песчаники

I конгломераты

Рис. 12. Схематический литологический разрез территории

Г 1 Гочс^едо ссаоенпа I" I Ж есяоенпъ

| 1 ВТ ОЧГ.р£АЬ | | ¿Р оеаоеняа

ороептя,сеть —НАСОСНЫЕ СТ4Ш/ПП

Рис.13. Схема освоения Аштского массива орошения 40

Согласно проекту линейный водозабор оросительно-дренажных скважин служит как в качестве источника подземных вод для орошения, так и для создания мелиоративного эффекта в периферийной части впадины для промывки засоленных земель. Автором при его руководстве и участии выполнен большой комплекс полевых и экспериментальных исследований. Было установлено, что существенное превышение величины водоотбора в вегетационное время (до 340 млн. м3 при среднегодовой 246 млн. м3) вызвало развитие депрессионной воронки от линейного водозабора и образование обратного уклона от зоны подпора к оросительно-дренажным скважинам ниже проектных показателей.

По данным мониторинговых исследований было выявлено, что часть солей попадает в оросительно-дренажные воды из периферийной зоны переслаивания, имеющей высокую степень засоления почв и пород зоны аэрации. Исследования показали также, что эксплуатация системы в таком режиме вызвало увеличение минерализации подземных вод в ряде скважин, что сказалось на ухудшении эко-лого-мелиоративного состояния земель и падении урожайности сельскохозяйственных культур (хлопчатника) с 1,86 т/га до 1,1 т/га, т.е. в среднем на 30%. Эксплуатация объекта в существующих условиях приводила к недобору сельскохозяйственной продукции, росту негативных последствий и дальнейшему ухудшению эколого-мелиоративного состояния, связанного с большими фильтрационными потерями, близким залеганием уровня грунтовых вод, деградацией (засоление) почв из-за полива водой плохого качества.

В соответствии С термодинамическим подходом с использованием модели А.И.Голованова был выполнен прогноз динамики гумуса почв при различных вариантах антропогенных воздействий, который показал, что при существующем режиме эксплуатации наблюдается ежегодная сработка гумуса почв (AG = - 0,13 т/га). При проведении системы природоохранных мероприятий и комплексных мелиораций возможно добиться восстановления и роста плодородия почв, при котором запасы гумуса возрастут до AG = + 0,42 т/га в год.

Применительно к условиям работы оросительно-дренажных скважин автором выполнен долгосрочный прогноз динамики минерализации откачиваемых вод с использованием разработанной автором (совместно с В.С.Борисовым) двумерной модели переноса солей в насыщенно-ненасыщенной зоне. Полученные результаты моделирования и прогнозные расчеты показали, что при существующем режиме функционирования мелиоративной системы происходит увеличение минерализации откачиваемых вод до 4,5 г/л на 7-й год эксплуатации оросительно-дренажных скважин. Это соответствует фактическим данным режимных наблюдений по отдельных скважинам и свидетельствует о приемлемой оправдываемо-сти выполненного прогноза (рис. 14).

Для восстановления качества грунтовых вод и мелиоративного состояния орошаемых земель был предложен комплекс природоохранных мероприятий -уменьшение среднегодового отбора подземных вод до 150 млн. м3, строительство скважин-усилителей в зоне подпора для уменьшения притока соленых вод и создания мелиоративного эффекта, проведение деминерализации оросительно-дренажных вод путем разбавления пресными водами р.Сырдарьи до минерализации 1,0 г/л. По данным прогноза это снизит минерализацию воды в оросителыю-

дренажных скважинах до 1,0 г/л, улучшит экологическую ситуацию и обеспечит получение плановой урожайности хлопчатника.

Время (годы)

Рис. 14. Динамика минерализации воды

в оросительно-дренажных скважинах

Эколого-экономическая эффективность предложенных мероприятий была выполнена по сравнительному анализу общественной эффективности мелиоративных инвестиционных проектов (МИЛ). Для рассматриваемых условий сравнивались два варианта: в качестве базового принимался вариант функционирования МС в условиях существующей эксплуатации, который сравнивался с вариантом проведения комплекса природоохранных мероприятий. Для анализа вариантов функционирования мелиоративной системы были использованы «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов мелиорации сельскохозяйственных земель (РД-АПК 3.00.01.003.-03), М., 2003» и «Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба, 1999».

Оценка общественной эффективности предложенных мероприятий проводилась с использованием дисконтирования соответствующих денежных потоков, а в качестве показателя эффективности инвестиций в мелиоративный проект служил дисконтированный прирост чистого дохода (ДПЧД). Расчеты показали, что предложенный вариант с учетом предотвращенного экологического ущерба имеет ДПЧД на 10 - й год эксплуатации системы, равный 3,78 млн. руб., срок окупаемости системы с учетом дисконта составил 6 лет, что свидетельствует о целесообразности его реализации (рис. 15а-б).

а)

Время (годы)

б)

-40,00 -Ь-*-.......■■'••• ........................

.а) - на 25-и летний срок функционирования МС б) - на первые 6 лет эксплуатации МС

Рис. 15а-б. Динамика дисконтированного прироста чистого дохода

при эксплуатации Аштского массива орошения

Проведенные исследования убедительно показывают, что в рамках термодинамического подхода и использования новых методических и методологических приемов представляется возможным повышение и обеспечение экологической безопасности функционирования объектов природообустройства (мелиорированных земель).

ВЫВОДЫ

Наиболее важные результаты, полученные в диссертации, можно сформулировать следующим образом.

1. Анализ функционирования мелиоративных систем показал, что высокая изношенность основных фондов большинства мелиоративных сооружений и устаревшие технические средства и технологии создают угрозу возникновения негативных последствий. Для повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем были разработаны новый теоретический подход и концептуальная модель функционирования мелиоративных систем.

2. Для оценки эффективности мелиоративных воздействий предложен термодинамический подход, основанный на изучении тепломассообмена почв с внешней средой, энергетических характеристик балансового уравнения почвенного слоя и закономерностей вещественно-энергетических превращений в геосистемах. Особенность подхода заключается в представлении почв как открытых систем, учитывающих особенности протекания неравновесных процессов, связанных с флуктуациями и точками бифуркации. Установлено, что структура термодинамического балансового уравнения существенно меняется при антропогенных воздействиях, а динамика составляющих баланса позволяет выявить точки бифуркации в развитии геосистемы. Предложена система интегральных показателей и критериев оценки устойчивого и экологически безопасного функционирования объектов природообустройства (агрогеосистем).

3. Реализация термодинамического подхода осуществлена с помощью метода ансамблевого прогнозирования природных процессов, как основного метода оценки состояния сложных систем. В основу ансамблевого прогнозирования положена интегрированная система эколого-математических моделей сопряжения, описывающих разнородные природно-мелиоративные процессы, связанных между собой эмпирическими соотношениями и объединенных единой общей управляющей программой. Разработана схема и методология выполнения ансамблевых прогнозов, обоснован выбор моделей, порядок выполнения расчетов и выявлены наиболее слабые звенья в системе моделей прогнозирования (модели переноса солей в сложных природных условиях). Предложена система наиболее совершенных математических моделей (одномерных, профильных и пространственных одно- и многокомпонентных) — гидродинамических, гидрохимических и биотических — для выполнения прогнозирования природных процессов. Разработана и реализована двумерная модель солепереноса в насыщенно-ненасыщенной зоне при работе линейного ряда оросительно-дренажных скважин.

4. Разработана методика экспериментального обоснования структуры порового пространства почв и пород зоны аэрации с использованием трассерных алюмосиликатных гелеобразующих растворов и цветных красящих индикаторов. Усовершенствована гетерогенная модель макронеоднородности, играющая существенную роль в построении балансовых моделей влагопереноса, солепереноса и

44

загрязнения. Установлено, что в результате исключения макропор водопроницаемость почв снижается в 3-4 раза в каштановых почвах Поволжья и в 6-7 раз - в бурых полупустынных почвах'Джизакского массива. Результаты экспериментальных исследований структуры порового пространства стали основой создания теоретической гетерогенно-блоковой модели среды.

5. - В рамках термодинамического подхода выполнена апробация отдельных моделей прогнозирования для природных процессов при различных антропогенных нагрузках. На объекте сельскохозяйственного производства в пойме р. Пахры, земли которой загрязнены тяжелыми металлами отходами полигона ТБО «Щербинка», адаптирована модель равновесной химической термодинамики. Результаты моделирования и эксперименты по промывке монолитов показали возможность очистки почв поймы р. Пахры от тяжелых металлов для восстановления плодородия почв и выращивания сельскохозяйственных культур. Разработан состав необходимых мелиоративных мероприятий — глубокая вспашка, внесение до 10 т/га кислых химических мелиорантов и проведение промывки для эффективного рассоления и очистки почв от токсичных элементов до требуемых ПДК.

6. Предложена методика проведения сценарных исследований по анализу экологических последствий антропогенных нагрузок на природную среду, учитывающая двухуровневую иерархию их выполнения. Реализация методики выполнена для водосборного бассейна р. Медвенки при двух сценариях антропогенных воздействий: распашке и залесении водосбора. Моделирование с использованием региональной модели водосборного бассейна показало существенное изменение структуры водного баланса. Установлено, что вариант полного залесения водосбора снижает величину поверхностного стока на 25%, речного стока — на 10%; сценарий полного сведения леса й распашка земель увеличивает поверхностный сток на 37%, величину руслового стока - на 15%.

7. Проведена качественная и количественная оценка обобщенного геоэкологического риска; предложена его структура, включающая вероятность возникновения негативных последствий и величину суммарных экологических ущербов. В составе экологической экспертизы объекта затопления земель гидротехническим сооружением в бассейне р. Колымы выполнена оценка суммарных экологических ущербов, получены количественные значения геоэкологических рисков и покомпонентных экологических ущербов на площади 17000 га, которые составили около 185 млн. рублей в (ценах 1999 года). Выполненные расчеты позволили разработать и обосновать необходимый комплекс природоохранных мероприятий по компенсированию негативных последствий и повышению экологической безопасности окружающей среды.

8. Разработана структура организации и ведения эколого-мелиоративного мониторинга, представляющего собой информационную основу для принятия решений по управлению функционированием мелиоративной системы. Реализация основных положений по выбору контролируемых показателей для организации и ведения эколого-мелиоративного мониторинга была проведена для агроландшафтов Смоленской области. В целях сокращения объема прогнозирования отдельных параметров, для определения которых требуется большой объем вычислений, рекомендуется использование расчетного мониторинга.

9. Предложена структурно-функциональная схема повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем, в которой центральное место занимают ансамблевое прогнозирование, сценарные исследования, обобщенные геоэкологические риски и эколого-экономические оценки природоохранных мероприятий. Сформулированы принципы научного обоснования выбора природоохранных мероприятий при мелиоративных воздействиях, основными из которых является их упреждающий характер, комплексность и соблюдение геоэкологических ограничений.

10. Термодинамический подход, разработанные методические и методологические приемы, предложенная технология повышения экологической безопасности функционирования мелиоративных систем были реализованы на Ашт-ском массиве орошения, для которого выполнен: прогноз функционирования системы при существующем режиме эксплуатации, рассчитана динамика запасов гумуса почв при различных вариантах антропогенного воздействия; проведен анализ траектории развития системы в условиях отбора подземных вод повышенной минерализации и предложен комплекс природоохранных мероприятий по снижению негативных последствий. В составе мероприятий рекомендовано: снижение среднегодового отбора подземных вод (до 150 млн.м3); строительство скважин-усилителей в зоне подпора для уменьшения притока вод повышенной минерализации и усиления мелиоративного эффекта; проведение деминерализации ороси-тельно-дренажных вод путем разбавления пресными поверхностными водами р. Сырдарьи до минерализации 1,0 г/л. Для выбранного варианта функционирования Аштского массива орошения выполнены технико-экономические расчеты. Анализ общественной эффективности предложенного проекта с природоохранными мероприятиями показал его народно-хозяйственную значимость: увеличение урожайности составит 30%, а прирост чистого дисконтированного дохода на 10-й год эксплуатации МС составит 3,78 млн. руб/га со сроком окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования — 6 лет.

Основные публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 62 научных работы общим объемом 23 авторских листа, из них лично соискателю принадлежит 19,5 авторских листа. Основные положения опубликованы в следующих работах. -

Статьи в монографиях, научных журналах и трудах международных конгрессов:

1. Карпенко Н.П., Питьева К.Е., Манукьян Д.А, Оценка гидрохимических условий , межгорных впадин для прогноза качества подземных вод при интенсивной их эксплуатации. -Вестник МГУ, серия геологическая, 1980, № 6, с. 89-96.

2. Борисов B.C., Карпенко Н.П. О прогнозирований минерализации подземных вод орошаемых земель заадырных межгорных впадин. - Гидротехника и мелиорация, 1987, X» 5.

3. Манукьян Д А., Карпенко Н.П., Гоголев М.И., Харламов А.И. Особенности проведения регионального агроэкологического мониторинга на мелиорируемых землях. - Всстник РАСХН, М., 1997, № б, с. 57-59.

4. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Экологическая безопасность мелиоративных систем. - Вопросы мелиорации, М., ЦНТИ "Мелиоводинформ", № 1-2,2000, с.26-33.

5. Агроэкологический мониторинг мелиорируемых агроландшафтов. — В кн. Методическое пособие и нормативные материалы для разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия, Курск, 2001, Чу До, с. 156-160, (Коллектив авторов).

6. Manykyan D.A., Karpenko N.P. The prediction of an approach of droughty periods within large water catchment limits in condition of increasing antropogenic activity. - ICID CONFERENCE ON DROUGHT MITIGATION AND PREVENTION OF LAND DESERTIFICATION, April 21-25, 2002, Bled, Slovenia.

7. Айдаров И.П., Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Методология и количественная оценка экологической безопасности функционирования природно-антропогеиных систем. -Доклады РАСХН, 2003, № 2, с. 32-36.

8. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Экологический мониторинг и аудирование. - Экологический журнал «Планета Земля», М., 2003, № 7.

9. Karpenko N.P., Manukian D.A., Kireicheva L.V. SCIENTIFIC METHODS FOR ENSEMBLE FORECASTING OF THE STATE OF ENVIRONMENT-MELORATION SYSTEMS. - 19 - й Международный Конгресс по ирригации и дренажу, Москва, 2004.

10. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А., Кирейчева JI.B. Методология ансамблевого прогнозирования состояния природно-мелиоративных систем. - Мелиорация и водное хозяйство, 2004, № 4, с.44-46.

11. Карпенко Н.П. Повышение экологической надежности функционирования мелиоративных систем. - Мелиорация и водное хозяйство, 2004, № 5, с.30-32.

12. Карпенко Н.П. Регулирование природных процессов при мелиоративных воздействиях. - Доклады РАСХН, 2004, № б, с. 59-61.

13. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Энергетическая оценка состояния геосистемы при проведении комплексных мелиораций. В кн. - Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования. Научное издание. - М., 2006, с.27-37.

14. Карпенко H.II. Исследование структуры порового пространства почв и пород зоны аэрации. - Вестник РАСХН, 2006, № 2, с.61-63.

15. Карпенко Н.П. Повышение экологической безопасности функционирования техно-природных систем. .- Доклады РАСХН, 2006, № 3, с.59-62.

В сборниках научных статей и материалах международных конференций:

16. Манукьян Д.А., Карпенко Н.П. Определение миграционных параметров по данным опытных работ и режима эксплуатации. - Сб. Вопросы обоснования мелиорации и охраны природы. М„ ВНИИГиМ, 1983, с. 105-115.

17. Манукьян Д.А., Карпенко Н.П. Применение моделей равновесной химической термодинамики в задачах гидрогеоэкологии, - Сб. Экологические основы орошаемого земледелия. М., ВНИИГиМ, 1995.

18. Manykyan D.A., Chernodolya G.A, Karpenko N.P. Ecological-reclaimed monitoring of surface and ground water on the reclamed lands. - 2 -d International Congress and Technical Exhibition " ECWATECH-1996, 16-19 sept", Moscow, 1996.

19. Karpenko N.P., Manykyan D.A. Modeling of interaction of surface water and ground water flows on the water catchment area in condition of increasing antropogenic activity. - 2-d AlIRus-sian Congress from protect of nature 3-5 June, Saratov, 1999.

20. Karpenko N.P., Manykyan DA. Ecological-reclaimcd monitoring - the information base for development of reclamation. 2-d Allrussian Congress from protect of nature, 3-5 junc, Saratov, 1999.

21. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Научно-методические основы эколого-мелиоративного мониторинга и некоторые аспекты аудирования. -. Юбилейный сборник научных трудов «Современные проблемы мелиораций и пути их решения», Т. И, М., ВНИИГиМ,

1999, с. 199-212.

22. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Исследование различных сценариев антропогенной деятельности на основе моделирования природно-тсхнических процессов в границах водосборов. Тезисы докладов научно-технической конференции «Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации». - М., МГУП, 1999.

23. Карпенко Н.П. Monitoring and audition in problem of ecological safety natural-land-reclamation systems. - 4-th International Congress and technical exhibition ECWATECH - 2000, June

2000, Moscow, 2000.

24. Карпенко Н.П. Использование синергетического подхода при решении вопросов устойчивости природных геосистем. - Материалы научно-технической конференции "Экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации", М., МГУП, 2000, с.22-23.

25. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. К проблеме экологической безопасности природ-но-антропогепных систем. - Материалы научно-технической конференции "Природообустрой-ство сельскохозяйственных территорий", 24-27 апреля 2001 г., М., МГУП, 2001, с. 170.

26. Манукьян Д.А., Карпенко Н.П., Манукьян В.Д. Оценка экологически безопасного функционирования природно-антропогенных систем на основе эколого-экономических оценок. — Материалы научно-технической конференции "Природоохранное обустройство территорий", (23-25 апреля 2002), М., МГУП, 2002, с.127-128.

27. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Количественная оценка экологических рисков при функционировании природно-технических систем. - Материалы международной научной конференции (Костяковские чтения) "Экологические проблемы мелиорации" 27-28 апреля 2002 г., М.,ВНИИГиМ, 2002, с.31-33.

28. Манукьян Д.А., Карпенко Н.П., Манукьян В.Д. Эколого-мелиоративная типизация агроландшафтов Тверской области. - Третья международная Российско-Иранская конференция «Сельское хозяйство - природные ресурсы» 18-20 сентября, М., МСХА, 2002.

29. Манукьян Д.А., Карпенко Н.П., Кирейчева Л.В. Оценка допустимого уровня трансформации водосборов при антропогенной деятельности. - Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Экологическая устойчивость природных систем и роль приро-дообустройства в ее обеспечении», 22-24 апреля 2003 г., М., с. 34-36.

30. Карпенко Н.П. Экологическая надежность функционирования гидромелиоративных систем. - Тезисы докладов VI Международного Конгресса «ЭКВАТЭК», М., Сибико, 2004.

31. Карпенко Н.П. Управление функционированием мелиоративных систем. - (Материалы юбилейного сборника научных трудов ВНИИГиМ «Мелиорация и окружающая среда», Т. 1,2), М., ВНИИГиМ, 2004, 237-244.

32. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Оценка суммарных экологических ущербов при функционировании природно-технических систем. - Сб. Наукоемкие технологии в мелиорации (Костяковские чтения), М., ВНИИГиМ, 2005, с.34-38.

33. Карпенко Н.П. Термодинамическая оценка эффективности комплексных мелио-раций. - Материалы научно-технической конференции «Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем», 17-20 апреля 2006 г., М.: МГУП, 2006.

34. Карпенко Н.П., Кирейчева Л.В., Манукьян Д.А., Яшин В.М. Обоснование мероприятий по рекультивации загрязненньгх земель на основе экспериментальных исследований. -Мелиорация: этапы и перспективы развития. Материалы международной научно-производственной конференции. - М., ВНИИА, 2006.

В сборниках материалов совещаний и научно-технических конференций:

35. Карпенко Н.П., Сергеев В.И. Использование гелеобразующего раствора для определения влияния макропористости на процесс влагопсрсноса в связных грунтах зоны аэрации. -В кн. Тезисы докл. Ш Всесоюзн. межвед. совещ. по мелиор. гидрогеол., инж.геологии и мелиор. почвовед. М„ В1 ШИГиМ, 1976, с. 48-51.

36. Карпенко Н.П. Изучение гидрохимических особенностей водоносного комплекса Камышкурганской впадины. - В кн. Тезисы докладов IV Всесоюзн. межвед. совещ. по мелиор. гидрогеол., инж.геологии и мелиор. почвовед. М., ВНИИГиМ, 1980, с. 85-92.

37. Карпенко Н.П. Прогнозирование качества подземных вод, используемых при орошении земель межгорных впадин. - Сб. Тезисы докладов всесоюзной конференции "Гидрология 2000 года", М., ИВП АН СССР, 1986.

38. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Прогнозирование солевого режима подземных вод, используемых для орошения. - Сб. Тезисы докладов I Всесоюзного Съезда инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов, ч. 4, Киев, Наукова Думка, 1989.

39. Карпенко Н.П., Манукьян Д.Л., Фуругян М.Г. Количественные методы оценки экологической безопасности природной среды. - Материалы 9-й международной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем", М., ИПУ, 2001, с.312-316.

40. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Энтропийная оценка экологической безопасности открытых природно-техничсских систем. - Материалы 13-й международной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем", М.: ИПУ, 2005.

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак № Ь 72, Тираж о