ЗА Общие закономерности развития экологическиэкстремальных ситуаций

Развитие реальной ПТГ связано с непрерывно протекающими процессами взаимных превращений и функциональных изменений характеристик техногенного и антропогенного состава. Так как развивающиеся во времени процессы обусловливают последовательную смену состояний в пределах устойчивого равновесия экосистемы или за пределами такого равновесия, то возникает необходимость разработки теоретических методов определения характеристик экологической надежности экосистем с возможными дискретно-локальными или непрерывно накапливающимися нарушениями биогеоценозов и общего состояния природного ландшафта.

В качестве дискретно или непрерывно накапливающихся изменений в экосистеме будем считать такие, которые сопряжены с нарушением исходных устойчивых свойств объектов природы: еА , eG, eL, еИ, е?п, gHs ° ^ Ре" альных условиях развития ПТГ число накопившихся локальных изменений Ае}, а также последовательность их проявления являются случайными факторами, статистические характеристики которых функционально связаны с показателями экологической надежности (безопасности) системы.

Знание этих характеристик необходимо при оценке используемых методов организации защиты окружающей среды, экологического контроля и диагностики. Поэтому исследование процессов развития экосистем с точки зрения накопления происходящих в них антропогенных изуменений (как меры общего состояния) имеет важное практическое значение. Такое исследование может быть выполнено на основе теории марковских случайных про

цессов, в частности на основе классической схемы гибели, рассмотренной в работах А. М. Половко, В. С. Пугачева, А. Н. Скляревича и др.

Покажем принципиальную возможность разработки прикладных методов расчета надежности промышленных экосистем с позиций физического представления антропогенного изменения природного ландшафта и развития экологически экстремальных ситуаций.

Процесс накопления локальных антропогенных изменений -г происходит во временис некоторой интенсивностью. На определенной

стадии развития этого процесса происходит (или может произойти) наступление экологически экстремальной ситуации, обусловленной,

например, выходом единичного параметра et за пределы экологического допуска

Обозначим интенсивность переходов единичных показателей антропогенного состояния экосистемы через цеэ. Постоянным интенсивностям и реэ соответствует плотность вероятности момента появления локального изменения экосистемы

а условная плотность вероятности наступления экстремальной ситуации

где t, т — соответственно время появления локального антропогенного изменения и экстремальной ситуации в экосистеме.

Методологически функцию экологической безопасности P(t) целесообразно представить в виде двух слагаемых:

которое характеризует вероятность функционирования экосистемы при отсутствии антропогенных изменений, локально выводящих ее за пределы экологического допуска, и

которое характеризует вероятность функционирования экосистемы при наличии отдельных антропогенных изменений за пределами допуска.

В общих случаях экосистема рассматривается как функционирующая в доэкстремальном оежиме.

для исправнои неисправноработаю

щих линейных систем, устанавливаем, что в функционирующей экосистеме с вероятностью

отсутствует антропогенное изменение заданного значения , а с вероятностью

имеется

С увеличением продолжительности функционирования промышленной экосистемыприближается к пределу, равному, прии

единице приЭто означает, что начиная с некоторого достаточно

большого t вероятность наличия в экосистеме антропогенных изменений практически уже не зависит от времени ее функционирования. Зависимости вероятности наличия или отсутствия антропогенных изменений от времени функционирования экосистемы, построенные на основании экспериментальных данных, могут быть использованы на практике для отыскания характеристик

Предельно экстремальным состоянием ПТГ является случай ее полной деградации, когда свойства биогеоценозов, входящих в природные ландшафты экосистемы, утрачены практически безвозвратно.

Аналитической предпосылкой исследования таких катастрофических ситуаций служит математическая модель, известная под названием схемы гибели.

одно из состояний объекта соответствует экологически экстремальной ситуации экосистемы в целом, а другие могут находиться в пределах экологического допуска.

Из одного состояния ej нормального функционирования в другое е/+1

переход совершается в определенной последовательности, а переход в экологически экстремальное состояние всей системы возможен из любого промежуточного пои т. д.

При постоянныханализ экологической безопасности ПТГ,

описываемой схемой гибели, сводится к решению дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами при заданных начальных условиях. Модель с накоплением структурно-функциональных изменений является развитием схемы гибели. Это развитие заключается в дальнейшей диффе-

ренциации возможных состояний экосистемы и расширении множества допустимых переходов {е,}.

Как было показано, в экосистеме с накоплением антропогенных изменений общее состояние определяется не только комплексом накопившихся локальных изменений Aet, но и последовательностью их появления. Допустимыми в новой постановке задачи становятся переходы из заданного состояния функционирования экосистемы (по отдельным объектам природы) в несколько таких состояний (по совокупности объектов природы), отличающихся видом вновь появившегося изменения

Пронумеруем в произвольной последовательности от 1 до п нарушения, которые могут возникнуть в экосистеме. Будем считать, что система находится в состоянии ?/[yt], если в ней накопился комплекс антропогенных изменений ОД.

Для общности записи будем обозначать начальное состояние экосистемы, характеризуемое отсутствием изменений, через ?/[0].

пространство состояний также экологически экстремальное состояние еэ системы. Будем считать, что переход экосистемы в состояние еэ возможен из остальных ее состояний. Из-за случайности моментов времени, когда проявляются антропогенные изменения Aei, смена состояний экосистемы в ее фазовом пространстве описывается случайным процессом. Этот процесс характеризуют вероятности iнахождения экосистемы в момент t в состояниисоответственно.

Найдем эти вероятности при постоянных. Допустим, что к

моменту t в экосистеме накопился комплекс антропогенных изменений ОД (кgt; 2). Тогда вероятность появления в интервале (/, / + Д/) нового изменения вида i[k +1] равна

I

где— бесконечно малое приращение вероятности.

С такой вероятностью экосистема за время jперейдет из состояния

в состояние. За такое же время с вероятностьюэко

система из состояния ei[k] переходит в экстремальное состояние ?э.

Вероятности появления более одного антропогенного изменения в интервале, т. е. вероятности нескольких переходов за время At со

ставляют AP(At).

Следовательно, учтя все множество возможных индексов              , полу-

чим, что экосистема, бывшая в момент времени t в состоянии ew, в момент t + At останется в том же состоянии с вероятностью

Следует отметить, что приведенные выше вероятности перехода экосистемы из состояния в состояние справедливы в предположении возможности экспоненциального закона развития антропогенных изменений и моментов наступления экстремальных ситуаций.

Общее изменение состояний экосистемы описывается в этом случае марковским случайным процессом с конечным множеством зафиксированных состояний. Условия равновесия в промышленных геотехнических системах

Реальная ПТГ, в составе которой функционирует подсистема «объект — окружающая среда», проходит в своем развитии закономерные этапы накопления антропогенных изменений в биогеоценозах природных ландшафтов. В этой связи между искусственным объектом и окружающей природной средой происходит взаимодействие противоположных процессов: потока техногенных воздействий и реактивных функций защиты (как меры есте-

ственной самовосстанавливаемости природного ландшафта).

По мере накоплений антропогенных изменений в экосистеме, обусловленных постоянно действующим техногенезом (с возможными перегрузками, значительно превышающими допускаемые), происходит снижение естественных замкнутых функций природного ландшафта в результате чего в некоторый момент времени t = t3, наступает экстремальная ситуация — нарушение экологического равновесия в локальном или региональном масштабе. Взаимная противоположность в монотонном изменении функцийпозволяет сопоставить их с соответст

вующими монотонными функциями: экологической безопасности — P(t); экологической опасности — F(t) = 1 - P(t).

При переходе от отдельных единичных параметров ei9 rt к их совокупности для экосистемы в целом имеем взаимообусловленную систему характеристик              Тогда частные решения системы уравнений вида

где — масштабный коэффициент, определяют п-ю совокупность точек оптимальных соотношений между характеристикамиэкоси

стемы, образующими частную кривую ее оптимального равновесия а следовательно, и экологической безопасности.

3.6. Принцип цепных антропогенных связей и процессов

Техносферное развитие современной цивилизации имеет объективную обусловленность, связанную с необходимостью материального производства и потребления — жизнедеятельности. Вовлечение в хозяйственный оборот любых природных ресурсов неизбежно приводит к загрязнению в той, или иной степени окружающей природной среды отходами производства, а также — к непосредственному многофункциональному воздействию на все объекты биосферы планеты.

С этих позиций сегодня многими учеными констатируются факты всепроникающего влияния техногенных потоков на локальные природные геобиосистемы и на всю экосистему Земли. Причем, техногенные трансформации, которые при этом непрерывно претерпевают естественные экосистемы, или природно-технические геобиосистемы, как правило, связаны с развитием только начавшихся новых, либо уже продолжающихся сколько- то времени деградационных процессов техногенного и антропогенного происхождения.

Формирующие природно-техническую геобиосистему (можно охарактеризовать ее и наоборот, например: техноприродную биогеосистему, но первичными в происходящих процессах остаются в конечном счете природные геофакторы системы, поэтому и впредь будем придерживаться этой терминологии, т. е. сокращенно — ПТГБС) процессы строго говоря, никогда не являются локально замкнутыми и отвечают идее пространственно- временного континуума. Физической основой техногенно-антропогенных трансформаций ПТГБС служат процессы энергомассообмена и переноса, диссипативность которых может служить мерой интенсивности источни- ка(ков), а также абсорбционных (может быть релаксационных) и регенерационных свойств рассматриваемых ПТГБС (био- и химические процессы, сопровождающие эти явления на начальных стадиях наиболее интенсивно, здесь также рассматриваются в своих, в конечном счете определяющих, энергомассообменных эквивалентах).

Если принять, что единичный точечный источник техногенного воздействия обладает свойством сферической симметрии, то

где dR — техногенный (или антропогенный) поток, ориентированный под углом а к базовому направлению в единицу времени и в границах телесного угла dy; G — эффективное дифференциальное поперечное сечение диссипативности в пределах телесного угла; V — объем загрязнений, в общем случае — вредных техногенных воздействий, приходящихся в единицу времени на единицу площади поперечного сечения (по нормали к потоку вектора воздействия, загрязнения). Величина эффективного сечения распространения техногенного или антропогенного потока определяется в рамках теории поля и волновой механики.

Скалярное направление радиуса-вектора техногенного потока позволяет оценить интегрально-точечное значение суммарного техногенного эффекта для любого момента времени трансформации рассматриваемой ПТГБС, далее для простоты — экосистемы, т. е.

Ориентация результирующего техногенного потока по наиболее вероятному направлению трансформации экосистемы (gradUT) и диссипация потока (div Ry ) в заданном объеме V пространства, характеризуют общую за-

(3.1)

Процессы энергомассообмена и переноса, обусловливающие развитие техногенных потоков и трансформацию экосистем в общем случае могут быть смоделированы поступательно-вращательным перемещением физикохимических ингредиентов, их переносящих. Поэтому, к уравнениям (3.1) в строгой постановке задачи определения характеристик техногенной трансформации экосистемы должно быть соотнесено условие ротации

(3.2)

Уравнения (3.1) и (3.2) являются векторно-скалярным представлением техногенно-антропогенных связей и процессов, рассматриваемых в границах конкретного пространства (пространства техногенных состояний экосистемы).

В логико-аналитическом смысле характеристики экосистемы [см. уравнения (3.1) и (3.2)] отвечают дистрибутивному закону, вследствие чего суммарный эффект проявления техногенно-антропогенных процессов и связей формирует, в общем случае, новое количественное наполнение и, соответственно, новое качественное состояние этой экосистемы.

При заданном уровне насыщения экосистемы техногенными воздействиями, загрязнениями от известного(ных) источника(ков) теперь может быть построена качественная интерференционная картина (характеристика) техногенных потоков.

Фазовые характеристики таких потоков обусловливают корреляционные связи физически (и, или химически) однородных (а возможно и разнородных, но схожих по объектам влияния) полей техно- и антропогенеза. В общем случае, в результате, создаются объективные условия для изменения (усиления, ослабления) ожидаемого суммарного техногенного эффекта на условной границе действия заданного(ных) техногенного(ных) источни- ка(ков).

Обозначим черези черезисходные техногенные потоки от двух заданных источников Тх и Г2, находящихся на расстоянии Z. Тогда уравнение техногенно-антропогенной взаимосвязи в символической форме примет следующий вид:

(3.3)

где              — составляющие техногенных потоков на границе

взаимодействия источников; Q — энергетический эквивалент суммарного эффекта взаимодействия этих техногенных процессов (в данном случае +Q и -Q, соответственно, эффекты усиления и ослабления суммарного эффекта).

Считая, что наиболее опасен с экологической точки зрения, эффект усиления суммарного техногенного воздействия от двух и более источников техногенеза, правомерно говорить о кумулятивных цепных техногенноантропогенных процессах в границах рассматриваемой экосистемы.

Для построения аналитических моделей прогноза уровней суммарных воздействий от техногенных источников и экологической безопасности в границах заданной экосистемы, необходимо ввести следующие понятия: о критический уровень антропогенных изменений в заданной области (экосистеме)

о предельный уровень защиты экосистемы; о порог устойчивости экосистемы

Нарушение экологического баланса экосистемы в направлении развития цепных техногенных процессов обусловлено взаимосвязанным переходом:

(3.4)

Скорость развития цепных техногенных процессов (и соответственно, накопления цепных антропогенных изменений) в экосистеме с учетом формул (3.3) и (3.4) задается уравнением

(3.5)

где— интенсивности, соответственно, техногенного потока и реге

нерации экосистемы; Р — вероятность стабильности потока с фиксированной интенсивностью; Ф — функционал; , W3 — текущие значения параметров потока и, соответственно, его регенерации в экосистеме; t —время взаимодействия.

Исследование уравнения (3.5) позволяет установить особо опасные точки, участки развития цепных антропогенных процессов в экосистеме. Критические точки определяют по уравнениям:

Таким образом, рассмотренный принцип цепных антропогенных связей и процессов позволяет производить дифференцированный анализ экосистемы с позиций выявления критических точек и опасных зон в заданной системе ее техногенного нагружения, инициирующих ускоренное развитие в ней необратимых деградационных процессов, а также, имея достаточный объем статистических данных и получив на них систему эмпирических или аналитических уравнений состояния системы, осуществлять разработку комплекс-

ных или локальных инженерно-экологических решений, превентивных мер по стабилизации, приостановке, обращению этих негативных техногенных воздействий и антропогенных процессов в экосистеме.

Попытаемся проиллюстрировать сказанное на примере. Нагляднее всего явления кумулятивности техногенеза проявляются при физико-химических загрязнениях атмосферы и гидросферы. Так ряд известных веществ-загрязнителей (техногенного происхождения), таких как: ацетон, фенол, азот, винилацетат, диоксид азота и другие, для которых достаточно достоверно определены предельно допустимые концентрации (ПДК) как в воде, так и воздухе, при их совместном содержании в среде с рядом других веществ, например такие пары вредных веществ, как диоксид серы и фенол; диоксид азота и формальдегид; ацетон и фенол и т. п., проявляют гораздо более сильный санитарно-токсикологический эффект, чем это можно было-бы ожидать при расчете его по известной формуле для многокомпонентного загрязнения:

]

где с19 с2, ..., сп — фактические концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе; ПДКЬ ПДК2, ..., ПДК„ — предельно допустимые концентрации этих же вредных веществ в атмосферном воздухе. Вышесказанное подтверждается исследованиями токсикологов и для случая многокомпонентного загрязнения воды.

В данном примере, определив экспериментально коэффициенты «усиления» Ку техногенного воздействия для пар и для групп вредных воздействий и веществ, можно получить достаточно достоверные эмпирические зависимости пропорциональности усилительного эффекта от изменения уровней воздействий и концентраций, времени воздействия и других факторов, например, температуры.

Явления, физически и химически подобные кумулятивному техногеному эффекту, давно известны в физхимии, металлургии и других и называются «каталитическими» реакциями. В этих случаях, в большинстве своем используется «положительная» сторона кумулятивности совместного взаимодействия. Важно, что это объективно существующее явление требует специального подхода и исследования, так как не учитывание его значительно повышает риск гибели для экосистемы или ее элементов. Из рассмотренного вытекают следующие следствия:

1. Техногенные потоки, формируемые в границах ПТБГС, способны взаимодействовать таким образом, что их суммирование создает кумулятивный эффект, который обусловливает изменение (усиление или ослабление) во времени и пространстве масштабов антропогенных преобразований в экосистеме. Эффект цепного развития антропогенных процессов проявляется в: локальном масштабе — в границах конкретного ландшафта, региона, бассейна, природно-технического комплекса, или отдельных элементов, составляющих перечисленные локальные экосистемы; глобальном масштабе — в границах отдельно взятого элемента техносферы Земли (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы), либо во всей техносфере Земли.

Вопросы для самопроверки Общая характеристика инженерно-геологических процессов. Характеристика эрозионных процессов. Понятие индекса сухости территории. Антропогенная специфика разработки месторождений полезных ископаемых. Классификация лаццшафтов по степени технофильности. Понятие устойчивости геологической среды. Определение гео динамического потенциала. Классы геологической среды по факторам тепломеханической устойчивости. Основные условия сохранения устойчивости геологической среды. Критерий регионально-экологической устойчивости территории. Модель накопления локальных антропогенных изменений в экосистеме. Вероятность наступления экстремальной экологической ситуации. Условие равновесия ПТГ.

Темы самостоятельных работ Расчет экологической устойчивости природного ландшафта заданного класса. Оценка экологического риска по заданному развитию антропогенного процесса и переходу экосистемы в экстремальное состояние.