Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности

Вместе с тем постоянно возникающие конфликтные ситуации свидетельствуют о том, что эти возможности регулирования стока реализуются в недостаточной степени. Основная причина заключается в недостаточной разработанности научной базы управляемого техногенеза. На практике это, с одной стороны, обуславливает недоучет или игнорирование интересов отдельных стейкхолдеров, а с другой стороны, приводит к возникновению пробелов в законодательно-нормативных документах и просчетах в работе надзорных органов. Одним из примеров является проблема, возникшая в связи с повышением нормального подпорного уровня воды (НПУ) Чебоксарской ГЭС. В данном случае трудноразрешимый конфликт был вызван как раз утратой на определенном этапе связи между отдельными элементами водохозяйственной системы, а именно: недостаточной обоснованностью учета последствий для каскада ГЭС пониженного значения НПУ Чебоксарского водохранилища, а также недоучетом в проекте ГЭС вероятности подтопления территории Нижнего Новгорода и, наконец, выдачей местными органами власти разрешений на застройку затапливаемых участков. Эта и многие другие подобные конфликтные ситуации не возникали, если бы объекты гидроэнергетики на этапе их проектирования рассматривались в том числе и как регуляторы управляемых ПТС, обеспечивающие безопасные условия жизнедеятельности всех элементов этой системы, т.е. всех связанных с ГЭС стейкхолдеров.

2. Регулирование потока загрязнителей. Вода является универсальным растворителем, и по этой причине основная часть загрязнителей, попадая в окружающую среду различными путями, рано или поздно оказывается в водных системах. Миграция большинства агентов химического загрязнения во многом определяется движением водных потоков, в которые они попадают. На современном этапе многие водохранилища превратились в депозитарии загрязнителей (Авакян и др., 1994; Большая Волга …, 1994; Эдельштейн, 1998). Это дает возможность контролировать данный процесс, предотвращать распространение поллютантов и позволяет осуществлять очистку локализованных загрязненных вод, например, путем изъятия и переработки донных отложений или созданием биомелиоративных барьеров (Морозов, 2001).

Если бы ГЭС в современном мире отсутствовали, то уровень глобального загрязнения водной среды был бы, несомненно, существенно выше. Значительно худшими были бы и экологические последствия (Эдельштейн, 1998; Даценко, 2002). Например, если бы не существовало такой гидроэнергетической системы, как Волжско-Камский каскад, интенсивность процесса эвтрофирования Каспийского моря повысилась бы более чем в 2 раза. Кроме того, тысячи тонн тяжелых металлов, которые в настоящее время аккумулируются в донных отложениях водохранилищ, частично осаждались бы в биологически доступной форме на пойменных участках и включались затем в наземный биохимический цикл микроэлементов с прогрессирующим их накоплением в луговых травах, молоке и мясе скота.

Рассматривая вопросы регулирования потока загрязнителей, следует еще раз вспомнить о том, что в последние десятилетия количество природных и техногенных катастроф возросло в несколько раз (Осипов, 1995). По прогнозам специалистов, эта тенденция, скорее всего, сохранится и в ближайшем будущем (Осипов, 2009). Независимо от природы катастроф большинство из них сопровождается поступлением в окружающую среду огромных количеств различных загрязнителей. Как и в других случаях, их последующее распространение в окружающей среде осуществляется главным образом с водными потоками. Даже загрязнители, выбрасываемые во время катастроф в атмосферу, по большей части достаточно быстро осаждаются на земную поверхность и с поверхностным смывом также поступают в водные объекты. Единственный реальный путь локализации таких потоков - это эффективное использование существующих ГЭС, что собственно и делается при возникновении многих чрезвычайных ситуаций. Например, временное изменение режима их работы позволяет предотвратить распространение по течению «пятен» нефтяного загрязнения, организовать сбор нефтепродуктов с поверхности воды на приплотинных участках.

Экологическая оптимизация в данном направлении может заключаться в создании специальных ловушек-накопителей для аккумуляции загрязнителей, а также систем их извлечения из донных отложений с целью последующей утилизации и захоронения.

3. Интенсификация процессов самоочищения. Некоторые воздействия, сопутствующие эксплуатации ГЭС (аэрация, турбулентное перемешивание), интенсифицируют процессы самоочищения и способствуют значительному улучшению экологического состояния водных объектов. По этой причине качество вод, сбрасываемых из водохранилищ, часто существенно выше, чем в источниках их подпитки.

Данное направление экологической оптимизации ГЭС должно заключаться как в разработке мер, направленных на интенсификацию процессов самоочищения, так и в выработке проектных и эксплуатационно-технических решений, позволяющих избежать искусственного замедления этих процессов (образования застойных зон и др.).

В современной России проблема интенсификации процессов самоочищения вод в водохранилищах приобрела особую актуальность. Развитие многоукладной экономики привело к тому, что совокупный негативный эффект, оказываемый мелкими хозяйствующими субъектами на водные объекты, может быть весьма значителен и достигать уровня, сопоставимого с промышленным загрязнением (Суздалева и др., 2004). Ситуация усугубляется тем, что ранее построенные системы отведения поверхностного стока и его очистки постепенно выходят из строя, а многочисленные мелкие хозяйства очисткой вод не занимаются, поскольку не располагают ни достаточными для этого средствами, ни техническими возможностями. Результатом является закономерно возрастающий уровень загрязнения большинства российских водных бассейнов.

4. Внедрение на объектах гидроэнергетики природоохранного оборудования и технологий, то есть использование на практике инженерно-технических решений, способствующих целенаправленному улучшению состояния природной среды или предотвращению нанесения ущерба ее отдельным компонентам. В настоящее время на многих российских ГЭС успешно внедряются так называемые «Fish friendly» (т.е. буквально «дружеские рыбам») гидротурбины, которые, благодаря своим конструктивным особенностям, в меньшей степени травмируют рыбу, попадающую с током воды в гидроагрегаты.

5. Повышение средозащитной функции ГЭС, под которой мы понимаем все аспекты их эксплуатации, прямо или косвенно способствующие снижению риска нанесения ущерба окружающей среде в результате негативного воздействия природных и техногенных явлений и процессов, а также снижения размеров этого ущерба. В современном мире регулирование стока рек предотвращает как катастрофические наводнения, так и маловодья (Авакян, 2000; Эдельштейн, 1998). В обоих случаях именно благодаря наличию крупных гидротехнических систем удается не только защитить население огромных территорий, но и предотвратить массовую гибель животных, уничтожение многих биотопов вследствие размыва почв, их затопления, подтопления, отложения на их поверхности наносов. Как засухи, так и наводнения приводят к ухудшению санитарно-эпидемиологической и эпизоотической обстановки (Эльпинер, 2003). Кроме того, наводнения практически всегда сопровождаются сильным химическим и микробиологическим загрязнением среды в результате размыва промышленных и хозяйственно-бытовых объектов. При попадании в зону затопления радиационно-опасных объектов возникает угроза радиоактивного загрязнения обширных территорий. В период засух возникают трудности с очисткой сточных вод, нарушается функционирование систем водоотведения.

Основными направлениями повышения средозащитной функции ГЭС являются как регулирование водного режима рек и водохранилищ, так и разработка превентивных мер по предотвращению ЧС и снижению их последствий. Данное направление экологической оптимизации включает весьма широкий спектр мероприятий:

- разработку режима попусков половодий и паводков, минимизирующих сопутствующие негативные воздействия на окружающую среду (снижение площадей затопления и подтопления территорий, а также сокращение времени их затопления до срока, не вызывающего деградацию наземных экосистем и др.);

- санитарные попуски, обеспечивающие расходы воды в объеме, гарантирующем бесперебойную работу питьевых водозаборов, благоприятные условия для культурно-бытового водопользования населения;

- экологические попуски, т.е. регулярная, периодическая или эпизодическая подача воды из водохранилища в нижний бьеф в объемах, необходимых для поддержания естественного состояния наиболее ценных элементов природной среды. Разновидностью являются так называемые «нерестовые попуски» (Раткович и др., 2003), осуществляемые с целью создания благоприятных условий для нереста ценных пород рыб, и «санитарно-экологические попуски в маловодные годы», проводимые для обеспечения нормальной работы систем коммунально-бытового, промышленного, сельскохозяйственного водоснабжения, работы систем орошения, функционирования других хозяйственных и рекреационных объектов;

- разработку режима эксплуатации ГЭС, способствующего улучшению качества вод и условий существования водных организмов, например, дополнительные сбросы в зимний период, благодаря которым в нижнем бьефе образуется обширная полынья, препятствующая развитию заморных явлений (Тимченко, Оксиюк, 2002);

- разработку мероприятий по контролю за сбросом загрязненных вод из водохранилища при ЧС природного и техногенного характера с целью недопущения ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической ситуации на нижележащих участках речной системы (подразумевается не разработка программы по регулированию потока загрязнителей, а конкретные действия в период возникновения ЧС);

- ограничение скорости сработки уровня водохранилищ с целью недопущения ущерба землям прибрежной зоны в результате оплывания или сползания грунта в водохранилище, а также образования заторов и зажоров в хвостовой части водохранилища при быстрой сработке уровня и затоплении в зимний период прибрежных территорий.

6. Увеличение водохозяйственного и рыбохозяйственного потенциалов. Благодаря строительству ГЭС в современном мире возник большой дополнительный фонд водных ресурсов. В России суммарный объем водохранилищ превышает 400 км3 (Эдельштейн, 1998). Стационарные водные ресурсы водохранилищ, хотя и называются «мертвым объемом», на самом деле служат местообитанием многочисленных видов организмов, в том числе хозяйственно ценных, а также редких и нуждающихся в особой охране. На фоне сокращения запасов питьевой воды и биологических ресурсов водных объектов, которые ряд исследователей рассматривает как кризис в сфере водопотребления (Данилов-Данильян, Лосев, 2006), организацию водохранилищ, напротив, можно рассматривать как позитивное явление. Следовательно, разумное, сбалансированное увеличение водных ресурсов и запасов биологических ресурсов, происходящее вследствие строительства и эксплуатации ГЭС, представляет собой одно из важных направлений их экологической оптимизации.

7. Координация режимов ГЭС, входящих в состав комплексных гидроузлов (каскадов). Комплексные гидроузлы могут являться регулятором более обширной (региональной) ПТС, включающей в себя группу взаимосвязанных ПТС, каждая из которых регулируется отдельной ГЭС, входящей в данный каскад. Таким образом, с экологической точки зрения, комплексным гидроузлам свойственна эмерджентность, то есть наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. Следовательно, координация и интеграция программ экологической оптимизации ГЭС на уровне комплексных гидроузлов может дать принципиально иные результаты. Это один из реальных путей создания управляемых ПТС регионального масштаба (Федоров, Суздалева, 2014а).

В настоящее время наиболее актуальным является вопрос использования комплексных гидроузлов для снижения риска экстремальных и катастрофических явлений гидрологического характера (наводнений, паводков) (Федоров, Масликов, 2013). Вместе с тем, игнорирование принципа эмерджентности при разработке программ экологической оптимизации ГЭС может значительно снизить эффект от многих природоохранных и средозащитных мероприятий. Так, усилия, предпринимаемые на водохранилище отдельной ГЭС для интенсификации процессов самоочищения, во многом теряют свое значение, если в ходе эксплуатации нижерасположенных объектов гидроэнергетики, входящих в тот же каскад, уровень загрязненности вод вновь повышается (например, в результате образования застойных зон и аккумуляции в них сбросов сточных вод).

8. Улучшение видеоэкологического потенциала и социальной привлекательности территорий. Благоприятные условия для жизни людей - это не только набор физико-химических условий среды, подходящих для жизни. Весьма важным для человека является эстетическое восприятие условий, в которых он существует: вид из окна его дома, пейзаж, видимый им по дороге на работу, и др. Актуальность этой проблемы породила возникновение целой научной дисциплины - видеоэкологии (Филин, 1997), значение которой в условиях стремительной урбанизации, охватывающей все новые и новые территории, неуклонно возрастает. В современном мире в эксплуатацию ежегодно вводится от 300 до 500 водоемов-водохранилищ. Общее их число превысило 30 тыс., площадь водного зеркала - около 400 тыс. км2, а с учетом подпруженных озер - 600 тыс. км2 (Сухоруких, 2006). Берега большинства из них быстро заселяются. Процессы урбанизации и зарегулирования водных бассейнов взаимосвязаны и взаимообусловлены. Для населения многих индустриальных городов, расположенных, например, на берегах средней и нижней Волги, основным позитивным видеоэкологическим элементом являются водохранилища. Кроме того, они служат местом массового отдыха. Таким образом, от экологического состояния водохранилищ зависит социальная привлекательность региона в целом.

Рекреационный и видеоэкологический потенциал водохранилищ во многом определяется режимом эксплуатации ГЭС, а также специальными мероприятиями, проводимыми их силами и средствами. Следовательно, данный аспект может быть включен в программы их экологической оптимизации. Конечной целью подобной деятельности (например, обустройство пляжей и организация зон отдыха на берегах водохранилищ) является создание благоприятных условий для жизнедеятельности человека.

Изложенные в данном разделе материалы в краткой форме можно резюмировать следующим образом:

- в настоящее время большинство крупных водных бассейнов уже в той или иной степени зарегулировано и представляет собой не природные, а природно-технические системы;

- их превращение в управляемые природно-технические системы следует рассматривать как системный подход к сохранению благоприятной экологической ситуации и создание условий, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности населения.

4.4 Нарушение стратификации Мирового океана при освоении ресурсов его глубинных слоев

Водная толща морей и океанов стратифицирована, т.е. разделена на несколько слоев (водных масс), отличающихся по своим физико-химическим свойствам. Отличительной чертой современного этапа освоения ресурсов являются все возрастающие попытки освоить ресурсы не только прибрежных мелководных частей Мирового океана, но и его глубинных слоев. В них сосредоточены огромные запасы ценного сырья, которые на суше постепенно истощаются. Реализация таких проектов почти всегда приводит не только к изменению условий в придонных горизонтах. Происходит крупномасштабное нарушение стратификации всех лежащих над ними водных слоев. Иными словами, при освоении ресурсов глубин Мирового океана в процесс техногенеза вовлекается вся расположенная над ними толща вод. Как свидетельствуют события, ранее происходившие в геологической истории планеты, подобные явления неоднократно вызывали катастрофические изменения экологических условий глобального масштаба, сопровождавшиеся массовой гибелью существовавших в те эпохи организмов (Безносов, 1998б; 2000а). На современном этапе они в течение короткого времени могут превратиться в один из факторов неуправляемой деградации биотехносферы.

Происходившие в истории Земли процессы, обусловленные широкомасштабной дестратификацией, т.е. нарушением структуры слоев Мирового океана, носили сложный и многоэтапный характер (Безносов, 2000б). Их подробное рассмотрение не входит в цели монографии. Проиллюстрируем сказанное лишь одним из эпизодов в истории биосферы, изложив события в форме предельно упрощенной схемы, опускающей ряд важных деталей. Как свидетельствуют геологические материалы, в конце мелового периода на Землю упал крупный метеорит, при прохождении через атмосферу расколовшийся на несколько частей (Масайтис и др., 1990). Некоторые из них упали на поверхность суши, образовав гигантские кратеры-астроблемы, остатки которых еще сохранились. Другие, упав в океан, вызвали его дестратификацию. Одним из последствий стал подъем из его глубинных слоев накопившихся в них громадных количеств так называемых биогенных элементов, фосфора и азота, содержание которых в воде лимитирует интенсивность биопродукционных процессов. Их поступление в поверхностные, освещенные Солнцем слои (фотическую зону) вызвало возникновение «цветения воды» или «красных приливов», охвативших значительную часть акватории Мирового океана (Найдин и др., 1986). Глобальная вспышка фотосинтетической активности фитопланктона сопровождалась изъятием из атмосферы значительной части содержавшегося в ней углерода. Кроме того, микроскопические водоросли, вызвавшие это цветение, имели известковый скелет, при образовании которого углекислый газ включался в состав слаборастворимых солей - карбонатов. По окончании вспышки массового развития водорослей отмершие их остатки, оседая на дно, образовали мощные отложения, часть которых превратилась впоследствии в залежи писчего мела, по которым и получил свое название данный период истории Земли. Изъятие из атмосферы углекислого газа и захоронение углерода в осадочных породах вызвало глобальное похолодание. Произошел процесс, обратный наблюдающемуся сейчас парниковому эффекту Следует отметить, что, несмотря на интенсивное развитие парникового эффекта, содержание углекислого газа в атмосфере в обозримом будущем не сможет достигнуть уровня, существовавшего в мезозойскую эру до наступления описанных событий.. Его последствием стало вымирание динозавров и многих других групп организмов.

Следует обратить внимание на то, что техногенный подъем глубинных вод может спровоцировать крупномасштабное изменение условий, далеко выходящее за пределы района дестратификации вод и в отсутствие вспышки цветения фитопланктона. Вода обладает значительно большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому подъем холодных глубинных вод на относительно небольшом по площади участке океана может вызвать изменение гидрометеорологических условий, связанных с понижением температуры нижних слоев атмосферы, в значительно более крупных масштабах.

Таким образом, планируемые уже в ближайшем будущем различные проекты масштабного освоения ресурсов его глубинных слоев могут привести к весьма опасным экологическим и социальным последствиям даже в тех случаях, когда они не сопровождаются традиционными формами воздействия на окружающую среду. Оценка их последствий строится, прежде всего, на определении сопутствующих этой деятельности традиционных форм загрязнения морской среды и связанных с ними возможных воздействий на биоту. Как показывает приведенный выше пример из геологического прошлого Земли, подобный методологический подход, хорошо согласующийся с ограничительной парадигмой природоохранной деятельности, приводит к недоучету или даже игнорированию факторов, последствия которых могут стать несравненно более значимыми.

Виды человеческой деятельности, способные нарушить структуру толщи морских вод, к настоящему времени еще не достигли уровня, способного привлечь внимание общества. Но как показывает анализ существующих тенденций, подобные события могут произойти уже в ближайшем будущем. При этом в кратчайшие сроки последствия данного направления техногенеза окружающей среды могут принять не только глобальный, но и практически необратимый характер. Это один из случаев, подтверждающий широко известное суждение о том, что главная задача науки состоит не в объяснении уже произошедших событий и разработке мер по сдерживанию связанных с ними негативных явлений. Более важен их опережающий прогноз и выдвижение идей, реализация которых способна предотвратить возникновение нежелательных ситуаций.

Именно по этой причине мы сочли необходимым включить анализ возможных последствий освоения глубинных слоев океана в число наиболее значимых направлений техногенеза гидросферы. Своевременная разработка методов управления процессами техногенной дестратификации Мирового океана, использование которых смогло бы предотвратить катастрофические последствия, сопутствующие данной деятельности, является в настоящее время весьма актуальной задачей.

Условно все виды деятельности, приводящие к нарушению вертикальной структуры водных масс, можно разделить на две группы. К первой из них относятся те варианты, когда целью этой деятельности является непосредственно подъем к поверхности глубинных вод. Сюда относятся различные системы так называемого «искусственного апвеллинга» Это название возникло по аналогии с природным явлением вертикального подъема глубинных вод, наблюдающегося в некоторых районах Мирового океана. Зоны искусственных апвеллингов, обогащенные биогенами из глубинных слоев, отличаются высоким уровнем биологической продуктивности и являются районами интенсивного промысла морских биоресурсов. В отличие от техногенных подъемов глубинных вод, естественные апвеллинги являются одним из элементов исторически сложившейся системы океанической циркуляции. , использующие богатые биогенами глубинные воды для повышения продуктивности хозяйств морской аквакультуры (Paul et al., 1979; Gonzales-Rodriguez, Maestrini, 1984; Пшеничный, 1986; Toyota, Nakashima, 1987; Пшеничный, Шевченко, 1989). Как правило, объем глубинных вод, использующийся на объектах марикультуры, относительно невелик и способен вызвать сугубо локальные изменения в водной среде. Однако некоторые проекты в этой области предусматривали использование искусственного апвеллинга и в более широких масштабах (Leone, 1980; Wilcox, 1982; Suzuki, 1994). В значительно больших масштабах целенаправленный подъем глубинных вод осуществляется и на так называемых океанских термальных электростанциях (ОТЭС или ОТЕС), которые получают электроэнергию за счет разности температур поверхностного слоя и более глубоких горизонтов (Isaaks, Schmitt, 1980; Коробков, 1985; Thomas, 1988; Lui Clark, 1995). Имеющие постоянно низкую температуру глубинные воды представляют значительный интерес для использования в системах охлаждения различных промышленных и энергетических объектов (Суздалева и др., 1998/1999; Безносов, 2003). Кроме того, как правило, эти воды содержат значительно меньшее количество личинок организмов-обрастателей, что крайне выгодно при техническом использовании этих вод. В связи с этим, вероятно, объемы глубинных вод, использующиеся в промышленности, в ближайшее время будут неуклонно возрастать.

В другой группе видов человеческой деятельности подъем холодных глубинных вод является побочным явлением. Практически любое крупномасштабное гидротехническое строительство вызывает значительные изменения в гидрологической структуре моря. Разрушение вертикальной структуры моря также происходит во время прокладки кабелей, подводных тоннелей и особенно подводных взрывных работ. Следует иметь в виду, что в некоторых случаях для подъема весьма большого объема глубинных вод в поверхностном горизонте достаточно произвести небольшое локальное нарушение в структуре вод в зоне термопикноклина Слой на границе двух водных масс, в котором наблюдается резкое изменение температуры (термоклин) и/или плотности вод (пикноклин). (Stommel et al., 1956), например, при единичном взрыве. Через образовавшуюся в термопикноклине «дыру» к поверхности устремляется громадный «фонтан» глубинных вод. Причем этот «фонтан» может существовать достаточно долгое время. Само по себе наличие в толще воды каких-либо конструкций (например, опор нефтяных платформ) при взаимодействии с морскими течениями может вызвать образование восходящих потоков глубинных вод. Характер динамики вод может измениться и в результате строительства искусственных рифов (Гершанович, 1987). Аналогичные явления могут наблюдаться и при других формах изменения рельефа морского дна. Другим видом деятельности, вызывающим подъем большого количества глубинных вод в качестве побочного технологического продукта, является добыча различных видов морских полезных ископаемых (Ахмедов, 1985; Пилипчук, 2003). В связи с тем, что эта отрасль промышленности в настоящее время только начинает развиваться, невозможно даже приблизительно оценить ее роль в нарушении вертикальной структуры морских вод, однако имеющиеся тенденции свидетельствуют, что в ближайшие годы объем поднимаемых к поверхности глубинных сопутствующих вод, вероятно, будет весьма значительным. Нарушения стратификации моря могут быть вызваны также строительством и функционированием приливных электростанций (ПЭС) (Марфенин и др., 1995).

Нарушение гидрологической структуры морей может происходить и в результате сокращения стока рек, вызванного строительством водохранилищ или развитием орошаемого земледелия. Например, ожидается, что в первой половине XXI века уменьшение стока рек может привести к росту солености поверхностных вод Черного моря и к исчезновению в зимний период основного пикноклина (Виноградов, 1987). В результате возникнет угроза крупномасштабного подъема к поверхности глубинных вод. Крупномасштабные нарушения вертикальной структуры водных масс могут быть спровоцированы процессами, связанными с «парниковым» эффектом. (Manabe et al., 1994), который также большинством специалистов рассматривается как техногенный фактор. Так, потепление климата может вызвать интенсификацию прибрежных авеллингов в результате усиления сгонных ветров (Fraga, 1995).

Таким образом, самые различные виды человеческой деятельности прямо или косвенно приводят к нарушению вертикальной структуры водных масс. В связи с этим уже в настоящее время эти явления в целом можно квалифицировать как достаточно распространенную форму техногенеза, способную стать причиной ухудшения состояния окружающей среды и нарушения условий жизнедеятельности населения на значительных участках, вплоть до возникновения негативных последствий глобального масштаба (Безносов, 1998а). При этом стартовым событием таких процессов может стать относительно небольшое по своим масштабам нарушение стратификации, затрагивающее участок моря площадью в несколько десятков км2 (Безносов, Железный, 2000). Поэтому мы рассматриваем техногенные нарушения стратификации Мирового океана как один из факторов преобразования биосферы в биотехносферу, значимость которого в полной мере может проявиться уже в ближайшем будущем.

Подъем глубинных вод к поверхности может сопровождаться следующими явлениями, способными вызвать негативные последствия:

v Понижением температуры поверхностного слоя моря, которое может вызвать массовую гибель теплолюбивых видов рыб и планктонных организмов (Безносов, Суздалева, 2001а). В значительных масштабах этот фактор способен вызвать аномальное изменение гидрометеорологических условий, затрагивающих регионы, удаленные от участка подъема вод на весьма значительное расстояние. С экологической точки зрения искусственное понижение температуры воды может рассматриваться как разновидность физического загрязнения среды (Безносов, Суздалева, 2001б).

v Изменением химического состава поверхностных вод из-за резкого повышения концентрации биогенных элементов, что может спровоцировать процессы эвтрофирования. В ряде случаев глубинные воды могут содержать и высокотоксичные вещества (например, сероводород).

v Изменение физико-химических условий на участках техногенного подъема глубинных вод может спровоцировать нежелательные вспышки развития некоторых видов организмов, например, планктонных водорослей, вызывающих возникновение «красных приливов», сопровождающихся массовой гибелью морской биоты и представляющих собой угрозу для здоровья людей. При достижении крупных масштабов цветение вод Мирового океана начнет оказывать влияние на биогеохимический цикл углерода. Если этот процесс не будет управляемым, маловероятно, что он приведет к компенсации парникового эффекта. Скорее, эти явления лишь усилят масштабы и размах катастрофических климатических флуктуаций.

При оценке этих эффектов возникают трудности, связанные с их нормированием. Необходимо решить вопрос: в какой степени наблюдающиеся явления соответствуют действующим природоохранным нормативам и насколько они допустимы? Разрешить данную проблему можно рассматривая поступление в поверхностный слой водоема глубинных вод как разновидность его загрязнения - дестратификационное загрязнение (Безносов и др., 1998/1999). Главной его особенностью является то, что это загрязнение среды происходит только за счет пространственного перераспределения компонентов, присутствующих в этом же водном объекте. В качестве факторов, обусловливающих дестратификационное загрязнение, могут выступать физические, химические и биологические агенты, и эффекты, ими вызванные, по своей сути не отличаются от эффектов, которыми сопровождаются аналогичные виды химического, физического и биологического загрязнения. Поэтому для оценки отдельных воздействий, обусловленных нарушением стратификации вод, могут применяться уже разработанные и широко используемые нормативы (ПДК, ПДС и др.).

Отдельные эффекты, связанные с функционированием глубинных водозаборов, можно рассматривать как:

ь химическое дестратификационное загрязнение - эффекты, вызванные изменением химического состава среды в результате ее дестратификации. Увеличение концентрации биогенов в поверхностных слоях водоемов вследствие подъема глубинных вод можно рассматривать как один из видов эвтрофирования - дестратификационное эвтрофирование;

ь физическое дестратификационное загрязнение - изменение физических параметров среды, вызванное нарушением ее естественной стратификации. По-видимому, в этой группе наиболее важным является изменение температуры, которое можно рассматривать как дестратификационное термальное загрязнение;

ь биологическое дестратификационное загрязнение - аномальное массовое развитие отдельных видов организмов на участках нарушения стратификации.

Однако оценка эффектов, сопутствующих техногенной дестратификации вод, позволяет лишь создать базу для разработки природоохранных мер ограничительного характера. При интенсивном освоении глубинных ресурсов Мирового океана реальные возможности подобных действий будут быстро исчерпаны. Для выработки подходов, способных практически решить данные проблемы, необходим их анализ с позиций креативной парадигмы. С этой точки зрения любой искусственно спровоцированный подъем глубинных вод следует рассматривать как формирование природно-технической системы. Это происходит как при целенаправленном использовании различных устройств искусственного апвеллинга, так и при техногенной дестратификации, сопутствующей каким-то подводным работам. В обоих случаях морская экосистема начинает функционировать, испытывая воздействие не только природных, но и техногенных факторов.

Подобные природно-технические системы, как и любые другие, могут быть неуправляемыми и управляемыми. Стихийно складывающиеся в районах подъема глубинных вод, неуправляемые ПТС практически неизбежно будут вызывать различные формы деградации окружающей среды, описанные выше.

Иной сценарий развития ситуации может быть реализован при создании на участках подъема глубинных вод управляемых природно-технических систем, использующих холодные воды для получения электроэнергии и включающих комплексы аквакультуры, поглощающие из них избыток биогенов и токсичные вещества. В настоящее время в данной области уже реализован ряд проектов. Например, в США подобные энерго-биопродукционные комплексы уже в течение многих лет функционируют при экспериментальных ОТЭС (Taguchi et al., 1987; Thomas, 1988; Liu Clark, 1995).

Крупномасштабное управление биопродукционными процессами на основе контролируемого подъема глубинных вод может быть использовано как одно из средств борьбы с развитием парникового эффекта, а в перспективе - в качестве инструмента управления глобальными климатическими процессами (см. ГЛАВА 3, раздел 2).

ГЛАВА 5. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПЕДОСФЕРЫ

5.1 Общая характеристика современного состояния почвенного покрова, его экологические функции и степень деградации

Педосфера - это оболочка суши, образованная покрывающим поверхность суши почвенным покровом. Она возникла в результате длительного и сложного комплекса физико-химических и биологических факторов, протекавших на границе литосферы и атмосферы. Основным исходным материалом для образования почв послужили переработанные в процессе жизнедеятельности организмов остатки отмершей наземной растительности и подвергшиеся разрушению верхние слои горных пород, составляющие подстилающую ее литосферу.

Значительная часть почвенной массы состоит из живых организмов. Например, большая часть массы некоторых черноземов - это невидимые невооруженным глазом бактерии и другие организмы. Только в одном грамме плодородной почвы может содержаться несколько десятков миллиардов клеток микроорганизмов, а их общая сухая масса может достигать 60 - 65 тонн на гектар. Доля органического углерода в этой биомассе может составлять 50 - 70% всего углерода в почве (Полянская и др., 1995). По этой причине В.И. Вернадский, разделяя основные компоненты биосферы («природные физические тела») на живые (живущие организмы) и косные (горные породы и др.), рассматривал почву как особое образование - «биокосное тело природы» (Вернадский, 2012).

Вследствие разнообразия подстилающих горных пород, ландшафтных, климатических и биотических условий состав почв, формирующих педосферу, чрезвычайно разнообразен. Однако все виды почв обладают одним общим свойством - плодородием. Они являются субстратом, необходимым для развития подавляющей части наземной растительности, в т.ч. сельскохозяйственных культур. Поэтому состояние педосферы (плодородие почв и уровень их загрязненности) - это важнейший фактор, определяющий условия жизнедеятельности населения большинства стран.

Несмотря на то, что почвенный покров в масштабах планеты представляет собой тончайшую прерывистую пленку, его экологическое значение огромно (Ковда, Розанов, 1988; Добровольский, Никитин, 1990; 2006; Добровольский, 2002; Никитин и др., 2015). Педосфера играет не менее важную роль в функционировании планетарной экосистемы, чем значительно превосходящие ее по мощности другие оболочки Земли (геосферы) - атмосфера, гидросфера и литосфера, с которыми она находится в состоянии постоянного взаимодействия (Добровольский и др., 2010).

Так, состав континентальных водоемов и физико-химические характеристики приземного слоя воздуха в значительной мере зависят от процессов, протекающих в соприкасающихся с ними участках почвенного покрова. В одной из своих работ В.И. Вернадский (1960) отмечал: «Мы обычно не учитываем и не представляем себе то огромное значение, которое имеет в жизни и химических реакциях океана почвенный покров нашей суши. Почва и морская вода химически и генетически тесно связаны».

Не меньшее по своей значимости воздействие на верхние слои литосферы Земли оказывают протекающие в педосфере процессы (Добровольский и др., 2010). Их следует рассматривать не только как материнские породы почв - источники формирования почв, но и как результат процессов, протекающих в педосфере (Добровольский, 1969). Месторождения некоторых видов полезных ископаемых образовались под воздействием этих процессов.

Таким образом, экологическое значение почвенного покрова весьма многогранно и включает обширнейший комплекс физико-химических и биологических процессов (табл. 6).

Таблица 6 Глобальные функции почвенного покрова (по: Добровольский и др., 2010)

Так, альбедо - показатель, характеризующий способность поверхности Земли отражать падающее на нее излучение, во многом определяет климат значительных территорий. Он зависит не столько от характера почвенного покрова, сколько от состояния развивающейся на нем растительности, которое, в свою очередь, определяется качеством почвы.

Состояние почвенного покрова, плодородие почв - один из наиболее значимых факторов существования нашей цивилизации. В то же время именно человеческая деятельность (техногенез) уже давно стала основным фактором деградации почв. биотехносфера парниковый стратификация океан

Процессы, протекающие в педосфере, менее изменчивы во времени, чем в атмосфере и гидросфере Земли. Вместе с тем ее статичность весьма относительна. Постоянно какая-то часть почвенного покрова разрушается в результате естественной водной и ветровой эрозии (дефляции). Одновременно происходят процессы почвообразования, ведущие к пополнению почвенной массы, важнейшее значение в которых играет разложение и накопление растительных остатков. Баланс процессов разрушения почв и процессов почвообразования определяет сохранность почвенного покрова. При этом естественные процессы почвообразования происходят достаточно медленно, тогда как спровоцированная человеческой деятельностью деградация почв может идти весьма высокими темпами.

Смыв в процессе естественной эрозии 20 см почвы под пологом леса происходит за 174 тыс. лет, на лугу - за 29 тыс. лет (Чернова, Былова, 2007). В современном мире при сельскохозяйственном использовании почв этот же процесс происходит менее чем за 100 лет, а в некоторых случаях, например при бессменной монокультуре кукурузы, - всего за 15 лет.

Человек активно воздействовал на почвенный покров начиная с самых первых этапов развития цивилизации. Это приводило не только к трансформации структуры и состава почв на относительно небольших участках, занимаемых под поселения и посадки сельскохозяйственных культур. В ряде случаев эти процессы охватывали обширные регионы. Так, многие специалисты связывают возникновение пустыни Сахара и опустынивание ряда других территорий планеты с распашкой земель. Менее известна гипотеза о том, что «загадочная сельва» бассейна р. Амазонки, в некоторые участки которой «еще не вступала нога человека», также образовалась в результате этой деятельности (по сути - техногенеза). По мнению некоторых ученых, первопричиной являлась интенсивная эрозия почв, спровоцированная примитивными формами земледелия в верховьях р. Амазонки (Л.Гумилев, 2007). Это, в свою очередь, вызвало отложение мощных наносов в нижних частях ее бассейна, подпруживание ее стока и заболачивание огромной территории, что и привело к формированию современной амазонской сельвы.

Развитие человеческой цивилизации сопровождалось сельскохозяйственным освоением все новых и новых территорий и углублением техногенеза уже задействованных участков почвенного покрова, в т.ч. в процессе урбанизации. Для примера можно сравнить степень и масштабы трансформации почвенного покрова в современной Москве и Москве XVII века, когда даже в центральных частях города значительная часть почв, ныне почти полностью запечатанная асфальтобетонными покрытиями, еще сохраняла свои естественные черты и свойства и использовалась под сады и огороды.

Таким образом, техногенез почвенного покрова по своим масштабам и экологической значимости является одним из основных факторов трансформации естественной биосферы в биотехносферу.

Мировое сообщество уже давно обратило внимание на глобализацию процессов деградации почвенного покрова (Добровольский, 2002). В 1972 году на Первой Всемирной конференции Организации Объединенных Наций по окружающей среде было заявлено о необходимости охраны почв как о требующей незамедлительного решения мировой проблеме. В 1982 году Международная организация по продовольствию (ФАО) приняла Всемирную хартию почв, в которой призвала правительства всех стран рассматривать почвенный покров как всемирное достояние человечества.

В результате выполнения Международного научного проекта «Глобальная оценка деградации почв», осуществленного ЮНЕП в 1990 году, было установлено, что процессами деградации уже охвачено около 2 млрд гектаров. Из них 55,6 % подвержено водной эрозии, деградация 27,9 % почв обусловлена ветровой эрозией, 12,2 % - воздействием химических факторов (засоление, загрязнение, истощение элементами питания), 4,2 % - физическим воздействием на почвенный покров (уплотнение и подтопление почв).

Характеризуя масштабы деградации почв, необходимо указать, что за период развития человеческой цивилизации уже было утрачено около 2 млрд гектаров некогда плодородных почв. На ранее плодородных территориях образовались так называемые бедленды (дурные земли), непригодные для ведения сельского хозяйства, и антропогенные пустыни (Добровольский, 2002). Для сравнения следует вспомнить, что современное мировое земледелие осуществляется на существенно меньшей (на 25%) по размерам площади, составляющей всего 1,5 млрд гектаров.

Процесс утраты плодородных почв продолжается и в настоящее время. Ежегодно из сельскохозяйственного использования выбывает около 8 млн гектаров за счет отчуждения на другие хозяйственные нужды и около 7 млн гектаров - в результате различных процессов деградации. Таким образом, каждый год человечество в конце ХХ века теряло около 15 млн гектаров продуктивных угодий (Романова и др., 1993). При этом установлено, что процесс деградации почв идет с возрастающей скоростью: во второй половине прошлого века она увеличилась в 30 раз по сравнению со среднеисторической (Розанов и др., 1989).

Рассматривая проблемы техногенеза и деградации почвенного покрова, следует обратить внимание на принципиально иное отношение специалистов к способам их решения по сравнению с разработкой мер по предотвращению нежелательного изменения атмосферы и гидросферы. Земля издавна представляет объект, на который в значительно большей степени, чем на воду, и тем более на воздух, распространяются собственнические права. Вот почему в мерах по предотвращению деградации почвенного покрова доминирует не ограничительная, а креативная парадигма. В сознании людей не может сформироваться стереотип мышления о желательном ограничении негативного воздействия, приводящего к порче принадлежащей им собственности. Человек всегда предпринимал активные действия, направленные не на ограничение таких факторов, а старался по возможности активно бороться с ними, используя все доступные ему технические средства. С давних времен люди создавали различные инженерно-технические сооружения, препятствующие утрате принадлежащих им земель. Наиболее древними способами являются террасирование и защита земель от нежелательного затопления и размыва с помощью примитивных гидротехнических сооружений (насыпных дамб и др.).

На современном этапе сохранение, улучшение состояния и восстановление почвенного покрова - это важнейшие задачи, стоящие при создании большинства управляемых природно-технических систем.

Специалисты насчитывают более 30-ти типов деградации почвенного покрова (Орешкин, 2010). Столь большое количество форм, которые принимает данный процесс, обусловлено как многообразием видов деятельности, использующих ресурсы педосферы, так и широким спектром ландшафтно-климатических условий, в которых протекают эти процессы (Assessment…, 2010; Добровольский и др., 2010). Это вызывает неоднозначность понимания самого термина «деградация почв» различными специалистами (Добровольский, 2002). В монографии данный феномен трактуется в соответствии с его простым и одновременно достаточно емким определением, принятым в действующей на территории РФ нормативной базе: «Деградация почвы - ухудшение свойств и плодородия почвы в результате воздействия природных или антропогенных факторов ГОСТ 27593-88 «Почвы. Термины и определения», таблица 1, пункт 77..

Ограниченный объем монографии не позволяет проанализировать причины и последствия всех форм техногенной деградации почвенного покрова, поэтому мы ограничимся наиболее значимыми из них, к которым следует отнести:

- эрозию почвенного покрова;

- истощение почвы;

- запечатывание почв.

5.2 Эрозия почв как одна из форм техногенеза окружающей среды

Согласно общепринятому определению, эрозия почвы - это разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов почвы в результате действия воды и ветраТам же, пункт 78.. В соответствии с этим различают водную эрозию и ветровую эрозию (дефляцию). Эти процессы могут носить естественный характер. Но по мере развития человеческой цивилизации основной их причиной стала производственная деятельность человека, включая в это понятие и производство сельскохозяйственной продукции.

Количественно процесс эрозии почв характеризуется двумя основными показателями: интенсивностью смыва (или сдувания), выражаемой в т/га в год, и мощностью утраченного слоя почвы в единицу времени (мм/год) (Щеглов, Горбунова, 2011). С помощью этих же характеристик оценивают и скорость процесса почвообразования.

Степень опасности эрозии устанавливается на основе сопоставления интенсивности смыва (или сдувания) почвы со скоростью почвообразовательного процесса. Если интенсивность эрозии меньше скорости почвообразования, то ее принято считать нормальной. Если интенсивность потерь почвы больше скорости почвообразования, ее считают ускоренной. Эрозию, происходящую под воздействием техногенных факторов и приводящую к значимому изменению окружающей среды, в соответствии с принятыми определениями процесса техногенеза, следует рассматривать как одну из его форм - почвенный техногенез (Суздалева, Горюнова, 2014а). Под техногенной эрозией мы подразумеваем все формы разрушения почвенного покрова, прямо или косвенно спровоцированные человеческой деятельности. К последним можно отнести и процессы эрозии, причиной интенсификации которых являются глобальные климатические изменения, обусловленные развитием парникового эффекта.

В наибольшей степени эрозии подвержены почвы в самых развитых и в самых отсталых в промышленном отношении странах (State of the World..., 1994). В первом случае это вызвано высоким уровнем антропогенной нагрузки, во втором - низким уровнем противоэрозионных мер.

На современном этапе водная эрозия является основным по своей значимости фактором деградации почв. На ее долю приходится 83% от общей площади территорий с деградировавшим почвенным покровом (Добровольский, 2002). Она распространена на площади 1094 млн га, тогда как ветровая эрозия доминирует на площади в 549 млн гектаров. Области, подверженные этим видам эрозии почв, частично совпадают.

Водная эрозия традиционно подразделяется на два типа: плоскостную и линейную эрозию. Плоскостная эрозия представляет собой более или менее равномерный смыв со всей поверхности почвы. Линейная эрозия вызывает размыв почвы водными потоками, стекающими по образовавшимся в ней углублениям. На практике различие между этими явлениями носит достаточно условный характер. Вода никогда не стекает равномерно. На отдельных участках благодаря особенностям рельефа, распределению растительности и другим причинам размыв почвы даже при сплошном потоке воды идет более интенсивно. В результате водный поток быстро разделяется на отдельные струи, вызывающие линейную эрозию. Поэтому для окультуренных почв считается, что если следы эрозии исчезают в результате обычной обработки почвы, то это поверхностная эрозия, если нет - линейная (Щеглов, Горбунова, 2011).

Сравнительно меньшая распространенность ветровой эрозии ни в коей мере не позволяет рассматривать ее как нечто второстепенное. Опасность этого явления, спровоцированного воздействием техногенных факторов, уже давно осознана не только специалистами, но и населением, проживающим в районах интенсивной дефляции почв. Так, в 1934 году в США вследствие ветровой эрозии, вызванной широкомасштабной бесконтрольной распашкой прерий, возникли пыльные бури, затмевавшие небо над Вашингтоном и Нью-Йорком (Добровольский, 2008). Были разрушены пахотные горизонты почв на площади около 40 млн гектаров. Происшедшее было объявлено национальным бедствием. Президент США Франклин Рузвельт очень образно высказался, охарактеризовав последствия этих событий: «Народ, который разрушает свою почву, уничтожает сам себя». Именно по этой причине в 1935 году в США была организована Государственная служба охраны почв, а в 1939 году - принят закон о сохранении почв. Аналогичные по своим масштабам явления, однако не удостоившиеся упоминания в речах руководителей страны, имели место и в Советском Союзе в 60 - 70-х годах прошлого века после распашки больших площадей целинных земель на юге Западной Сибири, в Северном Казахстане и Поволжье.

Рассмотрим еще один аспект последствий ветровой эрозии. Обусловленные ею пыльные бури представляют собой угрозу для здоровья населения. Например, резко увеличивается заболеваемость астмой (State of the World..., 1994). Кроме того, распространение в воздухе почвенной пыли, в состав которой входят и споры бактерий, может служить причиной возникновения эпидемий (Добровольский, 2002). Еще большую опасность несет токсичная или радиоактивная пыль, источниками которой являются почвы загрязненных территорий, подверженные ветровой эрозии.