Создание управляемых природно-технических систем

Ш Содержащие загрязнители воздушные потоки должны контактировать с растительными насаждениями или массивами естественной растительности, на которых возлагается функция изъятия загрязнителей из воздушной среды. Для решения этой задачи необходимо детальное изучение динамики движения воздуха в приземном слое и разработка проектов компоновки растительных фильтров. Необходим также учет сезонности их функционирования. Активное поглощение загрязнителей из воздуха происходит только в вегетационный период.

Ш Концентрация загрязнителей в воздухе не должна оказывать негативное воздействие на жизнедеятельность растений. В зонах интенсивного загрязнения воздушной среды воздушно-растительные фильтры необходимо формировать из наиболее устойчивых пород, на других участках можно отдавать предпочтение видам растительности, наиболее эффективно поглощающим загрязнители. Таким образом, целесообразно зональное устройство воздушно-растительного фильтра, в каждой из зон которого происходит определенный этап очистки.

Ш Загрязнители, поглощаемые растениями, должны либо разрушаться в них, либо задерживаться в них на длительный срок. Для стойких загрязнителей, например тяжелых металлов, необходима разработка методов утилизации растительной массы, их накопившей, и периодической замены элементов растительно-воздушных фильтров.

Таким образом, снижение уровня загрязнения воздушной среды может быть достигнуто как созданием оптимизационных управляемых ПТС (на базе существующих растительных насаждений), так и специализированных (включающих технологические цепочки по обработке растительной массы с накопленными в ней загрязнителями). Сток атмосферных поллютантов в растительные сообщества интенсивно происходит на значительном удалении от источников их эмиссии. Это создает предпосылки для управления данным процессом не только на основе локальных ПТС, но также системами регионального и большего масштабов.

Глава III. Техногенез гидросферы

3.1 Основные части гидросферы и особенности изучения процессов их техногенеза

В отличие от атмосферы, гидросфера Земли, хотя и называется водной оболочкой, покрывает лишь часть поверхности планеты. Но в нее также входят многочисленные отдельные скопления воды. По своим масштабам, структуре и динамики протекающих процессов они принципиально различаются, что обусловливает необходимость различных методологических подходов к их изучению.

В качестве основных частей гидросферы рассматривают Мировой океан, континентальные поверхностные воды (включая ледники) и подземные воды. Совокупный объем вод объектов гидросферы, согласно современным расчетам, составляет 1390 млн км3 (Михайлов и др., 2007). Масса ее вод в 275 раз больше массы атмосферы. Океаны и моря составляют 96,4% объема гидросферы, воды ледников - 1,86%, подземные воды - 1,68%, а поверхностные воды суши - немногим более 0,02%. Несмотря на пространственную разобщенность и разнородность своих частей гидросфера представляет собой единую высоко динамичную систему. Слагающие ее элементы связаны интенсивно идущими вещественными потоками (воды и переносимых с ней различных соединений). В совокупности эти процессы обозначаются как круговорот воды.

Вода обладает высокой теплоемкостью, в ней растворима подавляющая часть присутствующих в биосфере химических веществ, скорость физико-химических процессов в водной среде существенно выше. Благодаря этим свойствам гидросфера является огромным буфером, сглаживающим амплитуду колебаний физико-химических условий на поверхности Земли. Способность воды растворять и переносить в своих потоках различные вещества обусловливает саму возможность существования практически всех биогеохимических циклов, обеспечивающих единство биосферы. Гидросфера играет основную роль в объединении в системное целое процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и педосфере.

Процесс техногенеза гидросферы весьма многогранен (Суздалева, Горюнова, 2014а). С одной стороны, это обусловлено тем, что вода является не только основой жизни, но и широко используется в качестве энергетического и сырьевого ресурса. С другой стороны, многообразие форм водных скоплений обусловливает принципиальные различия их использования и, следовательно, характера оказываемого техногенного воздействия. Для примера можно сравнить эксплуатацию ресурсов морских и континентальных водных объектов.

В настоящее время уже существует ряд аспектов техногенеза гидросферы, значимые проявления которых либо достигли глобальных масштабов, либо выйдут на этот уровень в обозримом будущем. Некоторые из них, например техногенные истощения ресурсов пресной воды, уже стали объектом пристального внимания специалистов. На основе обобщенного анализа обширных материалов выявлены основные тенденции развития этих процессов и разрабатываются меры по возможному предотвращению их негативных последствий.

Изучению других форм техногенеза гидросферы, экологические последствия которых могут проявиться на глобальном уровне уже ближайшие годы, уделяется значительно меньше внимания, а имеющаяся информация носит фрагментарный характер. Их примером может служить интенсивно развивающееся освоение ресурсов глубинных слоев Мирового океана.

Также как и в предшествующей главе, описание возможностей создания управляемых ПТС будет ограничено их использования для предотвращения отдельных негативных аспектов техногенеза гидросферы. Следует отметить, что круг проблем, описываемых в данной части монографии, не совпадает с областью научных исследований, считающихся в настоящее время наиболее актуальными направлениями в изучении гидросферы. Иной в ряде случаев является и позиция, с которой анализируются некоторые вопросы. Так, химическое загрязнение вод рассматривается не только как причина ухудшения экологической ситуации, но как фактор истощения запасов водных ресурсов, а миграция загрязнителей в водной среде - как один из биогеохимических процессов, в результате которых биосфера превращается в биотехносферу.

3.2 Использование управляемых ПТС для предотвращения истощения водных ресурсов

Определение, данное в статье 1 Водного кодекса РФ (от 03.06:2006 г. №74-ФЗ): «истощение вод - постоянное сокращение запасов и ухудшение качества поверхностных и подземных вод», обобщает большую группу разнородных процессов и, в целях дальнейшего изложения материалов монографии, нуждается в некотором уточнении. Подразумевается, что запасы воды - это та их часть, которая может быть использована человеком и непосредственно обеспечивает благоприятные условия среды его существования. Поэтому на практике данный термин обычно понимается более конкретно - как сокращение водных ресурсов, доступных для использования в бытовых и сельскохозяйственных целях (Вода для продовольствия…, 2007). Критическое снижение водных запасов, пригодных для использования в промышленном производстве, явление более редкое.

Таким образом, при употреблении термина «истощение вод» в первую очередь понимается их недостаток, вызывающий нарушение нормальных условий жизнедеятельности населения. Ухудшение экологической ситуации по причине истощения вод также рассматривается в большинстве случаев как один из факторов нарушения этих условий. В экологических исследованиях истощение вод описывается как возникновение негативных явлений, обусловленных дефицитом доступных для организмов водных ресурсов («нарушение влажностного режима», «опустынивание» и т.п.). Очевидно, что подобное расхождение в терминологии, используемой в водохозяйственных и экологических исследованиях, неоправданно. Нормальные условия жизнедеятельности современного человека включают и благоприятные условия его существования. В Российской Федерации это одно из конституционных прав ее граждан.

Значимость истощения вод и как водохозяйственного показателя, и как экологического фактора постоянно возрастает. В определении, приведенном в Федеральном законе, указывается, что истощение вод может появляться не только как тенденция уменьшения их объема, но и как закономерное ухудшение их качества. Это отражает тот факт, что некоторые из поверхностных и подземных водных объектов в настоящее время уже невозможно использовать в качестве источников водоснабжения не по причине уменьшения запасов, сосредоточенных в них вод, а из-за высокого уровня их загрязненности вредными веществами.

Учитывая изложенное выше, можно дать следующее уточненное определение: истощение вод - это сокращение количества пресной воды, сосредоточенной в поверхностных и подземных водных объектах, качество которой пригодно для обеспечения условий нормальной жизнедеятельности человека и благополучной экологической ситуации.

В соответствии с двумя описанными выше механизмами истощения вод, все формы данного явления можно разделить на две категории:

Ш Количественное истощение вод, то есть уменьшение объема запасов пресных вод.

Ш Качественное истощение водДанный термин был предложен А. В. Поддубным (2002)., причиной которого является их загрязнение, в результате которого часть водных запасов пресных вод становиться непригодными для обеспечения нужд человека и существующих на их основе природных объектов.

Важнейшим фактором количественного истощения вод является увеличение объемов водопотребления, что неизбежно при непрекращающемся росте народонаселения планеты. Объем поверхностных и подземных водных объектов, как и объем вод, поступающих из источников их пополнения, ограничены. В определенный момент возникает ситуация, когда расход вод начинает устойчиво превышать их поступление. Предотвратить количественное истощение вод можно, только контролируя баланс этих процессов. При этом необходим не только учет необходимых водохозяйственных потребностей, но обеспечение водой объектов окружающей среды в объемах, не допускающих их деградацию. Поэтому для обоснования допустимых норм расхода предложен термин «минимально допустимый сток» (Маркин и др., 2015), т.е. объем изъятия вод из водных объектов, не вызывающий ухудшения экологической ситуации. Превышение минимально допустимого стока рассматривается как начало процесса истощения водного объекта. Однако простое ограничение водопотребления в современных условиях становится все менее реальным. На практике это может стать причиной социальных конфликтов. Поэтому все большую значимость приобретают косвенные способы решения этой проблемы, заключающиеся во внедрении водосберегающих технологий. Несмотря на то что в ряде случаев получены обнадеживающие результаты, конечный эффект этих усилий в складывающейся ситуации представляется по меньшей мере спорным. Наилучший эффект водосберегающие технологии демонстрируют в экономически развитых странах. Этому способствует высокий уровень «экологической ответственности» граждан этих стран, а также развитая инфраструктура. Вместе с тем наибольшей остроты проблемы истощения вод достигают в регионах со слабо развитой экономикой, жители которых обладают иным менталитетом. В некоторых из них количественное истощение вод усугубляется глобальными климатическими изменениями, сопровождающимися сокращением количества атмосферных осадков и хронической засухой.

Основная причина качественного истощения вод заключается в прогрессирующем загрязнении водных объектов, происходящем на фоне утраты ими способности к естественному самоочищению (Суздалева, Горюнова, 2014а).

Обсуждая проблему истощения вод, нельзя обойти вниманием ожидающийся в ближайшие 10-15 лет так называемый мировой кризис водопотребления (Данилов-Данильян, 2009), в результате которого большие массы людей не будут обеспечены пресной водой, в объемах необходимых для их жизнедеятельности, в т.ч. и для удовлетворения потребностей сельскохозяйственного производства. Это, в свою очередь, резко усугубит нарастающий продовольственный кризис. Согласно статистическим данным ООН, в настоящее в условиях острого дефицита ресурсов пресной воды уже существует около 1,1 млрд человек и еще приблизительно 1 млрд человек находится в состоянии так называемого водного стресса, т.е. испытывают дефицит воды время от времени.

Значение истощения вод как фактора, нарушающего безопасность жизнедеятельности людей, постоянно усиливается. Как уже указывалось, наибольшей остроты данная проблема достигает в экономически слаборазвитых странах с высокой плотностью населения. В ряде случаев недостаток средств не позволяет этим государствам своевременно создавать дополнительные источники водоснабжения, например в форме водохранилищ. По этой же причине в этих регионах не получают необходимого развития системы водоотвода и водоочистки. В результате участки наиболее интенсивного количественного и качественного истощения вод нередко совпадают. Наложение этих процессов ведет к резонансному углублению социальных проблем и проявляется в резком ухудшении здоровья населения. Загрязненная вода, попадая в организм человека, вызывает 70-80% всех известных болезней (Маркин и др., 2015). По данным Всемирной организации здравоохранения (Глобальные .., 2015) в Африке и некоторых частях Юго-Восточной Азии большинство случаев смерти от желудочно-кишечных заболеваний (88%) вызывается непригодной для питья водой и низким уровнем санитарии и гигиены, также связанным с дефицитом воды.

Более того, уже существуют прецеденты, когда истощение водных ресурсов являлось причиной массовой гибели людей. Мало известен факт, что наибольшее количество человеческих жертв в природных чрезвычайных ситуациях ХХ века (51%) было связано не с землетрясениями или цунами, а с засухой в Восточной Африке (Осипов, 1995). Только в 1970-1974 гг. здесь погибло от вызванного засухами голода около 1,2 млн. человек. Если бы эти события произошли бы в странах Западной Европы, то по праву заняли бы место среди наиболее страшных исторических катастроф, типа «флорентийской чумы».

Истощение вод вызывает не только ухудшение условий существования человека. Это является причиной гибели наземных и водных экосистем, охватывающей целые регионы. Наиболее известен в этом отношении пример истощение стока крупных рек Средней Азии, вызвавший деградацию экосистем Аральского моря и прилегающих к нему обширных наземных территорий.

На современном этапе меры, направленные на предотвращение дальнейшего усугубления проблемы истощения вод, и усилия, предпринимаемые в других областях рационального использования природных ресурсов, осуществляются в рамках господствующей ограничительной парадигмы. Как и других случаях, успех этой деятельности в условиях прогрессирующего глобального техногенеза может носить лишь локальный и краткосрочный характер.

Для устойчивого развития необходимо активное вмешательство в процессы формирования водных ресурсов. Глобальные климатические изменения привели к перераспределению количества осадков и изменению водности в подавляющем большинстве участков планеты. Во многих случаях это уже в ближайшем будущем вызовет катастрофические социальные и экологические последствия (табл. 3.1). Повернуть развитие ситуации вспять нельзя. Никакие ограничения эмиссии парниковых газов уже не смогут восстановить влажностный режим, ранее существовавший в естественной биосфере. Не решит проблему в долгосрочной перспективе получившая в настоящее время широкое распространения идея поставки в районы, страдающие от истощения водных ресурсов, так называемых влагоемких продуктов.

Под влагоемкими продуктами подразумевается такие, изготовление которых требует затрат значительного количества водных ресурсов (Allan, 1998; Перелет, 2010). Но регионы, испытывающие водный дефицит, как правило, отличаются весьма высокими демографическими и одновременно крайне низкими экономическими показателями. Поэтому на практике поставки «влагоемких продуктов» неминуемо превратятся в разновидность экономической помощи.

Таблица 3.1. Воздействия, обусловленные развитием парникового эффекта и их прогнозируемые последствия (по Кокорин, 2014).

Подобное паллиативное решение проблемы, сдерживая до определенного момента наступление кризиса мирового водопотребления, только усугубляют его (Суздалева, Горюнова, 2015).

Разрешить данную проблему можно компенсировав дефицит водных ресурсов, возникший в одних регионах, переброской вод из регионов, страдающих от их избытка (наводнений). Реализация проектов по межбассейновой переброске вод уже начата в ряде стран (Литуев, 2008; Петраков, 2013)

Отказ экологов от конструктивного участия в этой деятельности приведет к весьма нежелательным результатам. По причине объективной необходимости проекты по межрегиональной переброске вод, невзирая ни на какую критику в плане нанесения вреда окружающей среде, будут осуществлены. Если экологи своевременно не разработают своих предложений, позволяющих снизить экологический ущерб, он будет максимален и может сопровождаться трансграничными эффектами (Суздалева, 2015а). Так, в Китае планируется осуществление проектов межбассейновой переброски вод, негативные экологические последствия которых могут проявиться на участках территории Российской Федерации (Болгов, Фролова, 2012; Говорушко, Горбатенко, 2013).

В настоящее время идея межрегионального перемещения значительных объемов водных ресурсов вступает в явное противоречие со сложившимися стереотипами экологического мышления (Суздалева, Горюнова, 2015). Многие экологи рассматривают ее как реанимацию отвергнутого в 70-е годы прошлого века проекта переброски части стока сибирских рек в Среднюю Азию. Но на современном этапе ситуация кардинально изменилась (Суздалева, Горюнова, 2014а). Да, строительство крупномасштабных гидротехнических систем по межрегиональной переброске водных ресурсов неизбежно будет сопровождаться комплексом негативных воздействий на окружающую среду. Но какова экологическая альтернатива? То есть, каковы экологические последствия отказа от реализации подобных проектов? Наибольшую угрозу из них представляют:

? уничтожение на обширных пространствах ранее существовавших природных экосистем в результате сокращения нормы осадков (интенсивно идущие во многих регионах процессы опустынивания);

? повышение риска гидравлических аварий (разрушение плотин) и «волны прорыва», вызванные аномальным повышением водности, влекущие за собой не только значительный экономический, но и экологический ущерб;

? изменение солености и гидрологической структуры морских бассейнов (опреснение вод Северного Ледовитого океана представляет собой не меньшую опасность, чем его осолонение, угрозы которого опасались зарубежные исследователи последствий «поворота» сибирских рек (Aagааrd, Coachman, 1975);

? резкое возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду в результате неизбежной массовой миграции людей в период «мирового кризиса водопотребления».

Обсуждая экологический аспект проблемы, следует вспомнить, что подавляющее большинство современных крупных речных бассейнов уже зарегулировано плотинами ГЭС и водохранилищами различного предназначения (Данилов-Данильян, Лосев, 2006; Сухоруких, 2006). Таким образом, создание систем переброски пресных вод будет представлять собой не превращение естественной речной экосистемы в природно-техногенный объект, а реконструкцию уже давно сформировавшихся ПТС. Вопрос заключается в том, останутся ли эти ПТС прежними, или станут управляемыми. В первом случае игнорирование экологических проблем на начальном этапе эксплуатации потребует их решения в последующий период. Во втором случае создание управляемых ПТС на основе систем межрегиональной переброски вод, напротив, позволит решить многие из перечисленных выше экологических проблем.

Краеугольным камнем оценки экологических последствий искусственного изменение водности рек является определение количества воды, изъятие которого из бассейна донора может рассматриваться как средозащитная и природоохранная мера. Этот объем вод, переброска которого за пределы речного бассейна ликвидирует угрозу нанесения экономического и экологического ущербов, можно обозначить как «мобильные водные ресурсы» (МВР) (Суздалева, 2015а). Очевидно, что определение их объема должно строиться на результатах серьезных гидрологических исследований. Следует подчеркнуть принципиальное отличие МВР от упомянутого ранее термина «минимально допустимый сток» (Маркин и др., 2015). МВР - это не объем воды, изъятие которого не приведет к ухудшению состояния природных объектов, это объем речного стока, который не будучи своевременно изъят (задержан), принесет значимый экологический и экономический ущерб. Расчет МВР должен строиться именно на этом принципе.

Основными элементами системы межбассейновой переброски МВР являются:

? доноры МВР;

? пути транспортировки МВР (каналы, трубопроводы и др.);

? накопители МВР, аккумулирующие запас вод в паводковый период и обеспечивающие равномерность их поставки в остальное время;

? реципиенты МВР.

Подобные системы могут быть как простыми, включающими один донор МВР, так и сложными, одновременно использующих избыток вод нескольких различных доноров, включаемых в единую систему транспортировки МВР.

Развитие экологически ориентированных систем межрегиональной переброски вод в конечном счете должно привести к созданию континентальных систем регулирования водных ресурсов, которые следует рассматривать как управляемые конструкционные ПТС межрегионального масштаба.

3.3 Зарегулирование речного стока как основа для создания региональных управляемых ПТС

Под регулированием речного стока понимается его искусственное перераспределениеСуществует также такое понятие как «естественное регулирование стока», происходящее путем временной аккумуляции воды в периоды паводков и половодий в поймах, прибрежных понижениях рельефа, болотах и проточных озерах (Железняков и др., 1984). В связи с этим необходимо подчеркнуть, что при употреблении термина «регулирование стока» имеется в виду его искусственное (точнее - техногенное) регулирование. в соответствии с нуждами водопотребления и водопользования (Иванов, Неговская, 1979; Железняков и др., 1984; Савичев и др., 2009). Как правило, это происходит в форме аккумулирования вод во время паводков и последующего контролируемого расхода накопленного водного объема в меженный период. Основными регуляторами речного стока служат водохранилища, создаваемые подпруживанием рек плотинами с гидротехническими сооружениями, осуществляющими контролируемый попуск вод. Регулирование стока крупных водотоков в большинстве случаев оказывает значимое влияние на всю гидрографическую систему, частью которой они являются. Так, зарегулирование основного водотока, как правило, вызывает изменение режима стока его притоков и уровенного режима гидравлически связанных с ним водоемов (озер и др.) Поэтому, анализируя экологические последствия этой деятельности, можно говорить о зарегулировании водных систем. Именно они являются объектом этой разновидности техногенеза гидросферы.

Как уже указывалось выше, в настоящее время сток большинства водных систем целенаправленно регулируется. Входящие в них водотоки и водоемы превратились из природных объектов в элементы ПТС, экологическое состояние которых определяется комплексом как естественных, так техногенных факторов (Суздалева, Горюнова, 2014а).

Интенсивное развитие гидроэнергетики, осуществлявшееся на протяжении ХХ века, в современной экологической литературе рассматривается как один из наиболее значимых факторов экологической деградации водных объектов (Данилов-Данильян и др., 1994; Большая Волга, 1994; Авакян, Подольский, 2002). Основанием для подобного заключения служит комплекс общеизвестных негативных последствий, обусловленных зарегулированием стока рек, возникновением труднопреодолимых препятствий на пути миграции ценных видов рыб, их массовой гибелью в турбинных трактах ГЭС (Павлов и др., 1999), а также затоплением и подтоплением обширных участков земель.

В искусственно созданных водохранилищах возникли особые условия, позволяющие одновременно существовать водным массам с различным генезисом, гидрологическими и гидрохимическими характеристиками (Буторин, 1969). В результате биота зарегулированных речных систем существенно изменилась (Мордухай-Болтовской, 1961; Кожевников. 1978; Водохранилища…, 1986). Численность многих мигрирующих видов катастрофически снизилась. На подпруженных участках водотоков также уменьшилось количество реофиловОрганизмы, живущие в водных объектах с постоянным течением.. Напротив, благодаря возникновению обширных водохранилищ, были созданы новые биотопы для эврибионтных видов озерно-прудового комплекса.

Существенные изменения претерпели и наземные экосистемы, расположенные на прибрежных, особенно пойменных участках (Влияние водохранилищ…, 1970; Шарапов, 1979; Петров, 1981; Водохранилища…, 1976; Пилипенко и др., 2006). Во многих случаях образование водохранилищ сопровождалось существенными изменениями почвенного покрова и рельефа береговой зоны, ее ландшафтной структуры и гидрогеологии. Зарегулирование стока рек вызвало значимые изменения и в состоянии некоторых морских водных объектов (Виноградов, 1987). Таким образом, границы зоны техногенеза далеко выходят за пределы самих зарегулированных водных объектов, приобретая в ряде случаев межрегиональные масштабы.

Следует отметить, что процесс техногенеза водных систем, обусловленный их зарегулированием, уже привел к практически необратимым последствиям. Восстановления исходного состояния водных объектов (существовавшего до зарегулирования стока) после устранения техногенных факторов, определяющих их современный гидрологический режим, произойти не может (Авакян и др., 2002; Раткович и др., 2003). Например, после спуска водохранилищ ГЭС осушенная площадь будет представлять собой заболоченное пространство, покрытое мощным слоем загрязненных отложений.

В сложившейся ситуации сохранение благоприятного состояния окружающей среды возможно лишь на основе повышение уровня управляемости ПТС зарегулированных водных систем и эффективности мер по их экологической оптимизации.

Основная часть крупных водохранилищ, выступающих в качестве регуляторов речного стока, создавалась при строительстве объектов гидроэнергетики (ГЭС и гидроэнергетических каскадов)Некоторые водохранилища создаются также для обеспечения водой оросительных систем. Но в большинстве случаев эта функция водохранилищ совмещается с их использованием для производства электроэнергии.. По этой причине в сознании людей сформировалось устойчивое мнение о том, что строительство и эксплуатация ГЭС - это один из видов деятельности, наносящих значительный ущерб природной среде. В свое время такой взгляд на проблему был в значительной мере оправдан, что стало причиной разработки многочисленных мер, направленных на ограничения негативных эффектов, обусловленных строительством и эксплуатацией объектов гидроэнергетики. Эти действия давали ощутимый результат лишь в отдельных случаях. Например, благодаря новым подходам к проектированию ГЭС, были значительно сокращены площади затапливаемых земель при организации водохранилищ, и повышена эффективность мер по защите их берегов от разрушительного воздействия эрозии и абразии (Асарин, 1982; Троицкий 2003; 2006). В других случаях, например при многочисленных попытках сделать плотины ГЭС проходимыми для мигрирующих видов рыб, удовлетворительного практического эффекта достичь не удалось.

Вместе с тем, ГЭС и гидроэнергетические каскады - это инженерно-технические объекты в наибольшей степени пригодные для использования в качестве экологических регуляторов (Безносов и др., 2007а; Федоров, Суздалева, 2014а, б). Работа по их по экологической оптимизации с целью создания управляемых ПТС может одновременно проводиться в нескольких различных направлениях (Суздалева Горюнова, 2014а). Среди них наиболее значимыми как с экологической, так и социальной точки зрения являются:

1. Формирование регулируемых водохозяйственных систем, обеспечивающих интересы всех групп водопользователей, включая в их число и природные объекты. Существование многих природных объектов в условиях происходящих климатических изменений становится возможным лишь при осуществлении мер по искусственному поддержанию их влажностно-водного режима.

Ранее уже неоднократно отмечалось, что для комплексного решения водохозяйственных проблем почти всегда требуется регулирование речного стока (Железняков и др., 1984). Иными словами, в современном мире зарегулирование стока постепенно превращается из негативного последствия организации гидроэнергетических каскадов в необходимое условие рационального водопользования. Следует обратить внимание на то, что так называемые неэнергетические участники водохозяйственных систем (предприятия промышленного и коммунального водоснабжения, рыбное хозяйство и др.) часто жестко лимитируют режим работы самой ГЭС (Асарин, Бестужева, 1986). При этом удовлетворение в полном объеме всех требований водопользователей в маловодных, а иногда даже и в средневодных условиях невозможно, поэтому режим эксплуатации ГЭС всегда в той или иной мере является компромиссным, основанным на учете и соблюдении интересов других заинтересованных лиц (Асарин, 1982; Вода России.., 2000), обозначаемых в современной литературе обобщающим термином «стейкхолдеры». Таким образом, существующие водохозяйственные системы отчасти являются реализацией на практике идеи управляемых оптимизационных ПТС, регуляторами которых, как правило, являются объекты гидроэнергетики.

Вместе с тем, постоянно возникающие конфликтные ситуации свидетельствуют о том, что эти возможности регулирования стока реализуются не в полной мере. Основная причина сложившейся ситуации заключается в недостаточной разработанности научной базы, необходимой для создания управляемых ПТС. Еще большие трудности возникают при попытках внедрить научные достижения в этой области в практическую деятельность. 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 НПУНПУ - нормальный подпорный уровень, т.е. наивысший уровень вод водохранилища у плотины ГЭС, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации. 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 Новгород и, наконец, выдачей местными органами власти разрешений на застройку затапливаемых участков. Эта и многие другие конфликтные ситуации не возникали, если бы объекты гидроэнергетики на этапе их проектирования рассматривались 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 попадает в водные системы. 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. Например, предотвращать распространение поллютантов и осуществлять очистку локализованных загрязненных вод 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 более чем в 2 раза. Кроме того, тысячи тонн тяжелых металлов, которые в настоящее время аккумулируются в донных отложениях водохранилищ, в значительной мере осаждались бы 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, временно 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, например, 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. Так, 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 наводнения приводят к ухудшению санитарно-эпидемиологической и эпизоотической обстановки (Эльпинер, 2003; 2009). 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 регулирование водного режима рек и водохранилищ и разработка превентивных мер по предотвращению ЧС и снижению их последствий. Данное направление экологической оптимизации включает весьма широкий спектр мероприятий:

? разработку режима пропусков 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 (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 затопления 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 создание 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, например, расположенных 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 потенциалы водохранилищ во многом определюется 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.

3.4 Создание управляемых ПТС при освоении глубинных ресурсов Мирового океана

Отличительной чертой современного этапа освоения ресурсов являются ширящиеся 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. В процесс техногенеза вовлекается вся расположенная над ними толща вод. Происходит крупномасштабное нарушение структуры слоев воды - техногенная дестратификация моря. Как свидетельствуют геологические и палеонтологические материалы, подобные события, ранее происходившие в силу различных естественных причин, вызывали катастрофические изменения экологических условий глобального масштаба, сопровождавшиеся массовой гибелью морских и наземных организмов (Безносов, 1998б; 2000а). Последствия крупномасштабной дестратификации 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 глубинных слоев океана накопившихся там 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 остатки водорослей, оседая на дно, образовали мощные отложения, превратившиеся 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 парниковому эффектуСледует отметить, что, несмотря на интенсивное развитие парникового эффекта, содержание углекислого газ в атмосфере в обозримом будущем не сможет достигнуть уровня, существовавшего в мезозойскую эру до наступления описанных событий., наблюдающемуся сейчас. Это событие рассматривается в качестве одной из возможных причин вымирания динозавров и многих других групп организмов, существовавших в конце мелового периода.