Потенциальная устойчивость водоема: от балльно-индексных оценок к интегральной оценке на основе композитных индексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Потенциальная устойчивость водоема: от балльно-индексных оценок к интегральной оценке на основе композитных индексов

Овсепян А.А., Панютин Н.А., Дмитриев В.В.

Целью исследования является разработка модели-классификации интегральной оценки потенциальной устойчивости водоема на основе построения композитных индексов. Приводятся: блок-схема модели, этапы получения интегральных показателей устойчивости, оценочные шкалы для расчета субиндексов и интегрального показателя в целом. Новизной исследования является сочетание многокритериальности и полииерархичности в построении интегральных показателей эмерджентного свойства системы. Потенциальная устойчивость (устойчивость к изменению параметров естественного режима) оценивается для теплого и холодного времени года по трем группам признаков: 1-морфометрия (4 показателя), 2-климатические и физико-географические особенности (4 показателя), 3-гидрологические условия и водный режим (7 показателей). При этом, для холодного времени года оценивается адаптационная устойчивость, а для теплого время года - регенерационная устойчивость к изменению параметров режимов. Принимается, что высокая устойчивость в холодный период года обусловлена адаптацией системы к низким температурам, наличию льда, система «спит». Физические процессы и процессы массообмена в системе проходят с низкими скоростями. Система не испытывает сильных изменений, но и слабо самоочищается. Высокая устойчивость в теплый период года обусловлена повышенными скоростями самоочищения (повышение температуры увеличивает «естественное» биохимическое самоочищение), изменчивостью климатических и гидрологических условий. Система самоочищается. На последнем уровне свертки определяется итоговое значение интегрального показателя устойчивости за год. Построение интегральных показателей выполнялось для равновесомых/неравновесомых условий внутри уровней (блоков) и между ними. Для апробации работы использовались результаты полевых исследований на ключевом объекте - малом оз. Суури в северо-восточном районе Карельского перешейка, собранные авторами в 2023 г. В расчетах выполнена проверка ряда рабочих гипотез для характеристики работоспособности модели и совершенствования технологии построения интегральных показателей. Выполнено сравнение результатов оценки устойчивости на основе разработанных ранее балльно -индексного подхода и других моделей- классификаций. Определены пути использования модели для построения интегральных показателей экологического статуса водоема.

Ключевые слова: адаптационная устойчивость, регенерационная устойчивость, интегральная оценка, интегральный показатель устойчивости, субиндексы устойчивости, модель-классификация

Potential stability of a reservoir: from point-index estimates to an integral assessment based on composite indices

Ovsepyan A.A., Paniutin N.A., Dmitriev V.V.

The aim of the study is to develop a model-classification of an integral assessment of the potential stability of a reservoir based on the construction of composite indices. The following are given: a block diagram of the model, the stages of obtaining integral stability indicators, evaluation scales for calculating sub-indices and the integral indicator as a whole. The novelty of the study is the combination of multi-criteria and poly-hierarchy in the construction of integral indicators. Potential stability (resistance to changes in the parameters of the natural regime) is estimated for the warm and cold seasons by three groups of signs: 1-morphometry (4 indicators), 2-climatic and physico-geographical features (4 indicators), 3-hydrological conditions and water regime (7 indicators). At the same time, adaptive stability is estimated for the cold season, and regenerative resistance to changes in regime parameters is estimated for the warm season. It is assumed that the high stability in the cold season is due to the adaptation of the system to low temperatures, the presence of ice, the system "sleeps". Physical processes and mass transfer processes in the system take place at low speeds. The system does not experience strong changes, but it is also poorly self-cleaning. High stability in the warm season is due to the increased rates of self-purification (an increase in temperature increases the "natural" biochemical self-purification), variability of climatic and hydrological conditions. At the last level of convolution, the final value of the integral stability indicator for the year is determined. The construction of integral indicators was performed for equilibrium/nonequilibrium conditions inside the levels (blocks) and between them. To test the work, the results of field research were used at a key object - the small lake. Suuri in the north-eastern region of the Karelian Isthmus, collected by the authors in 2023. In the calculations, a number of working hypotheses were tested to characterize the performance of the model and improve the technology for constructing integral indicators. The results of the stability assessment are compared on the basis of the previously developed point-index approach and other classification models. The ways of using the model for constructing integral indicators of the ecological status of the reservoir are determined.

Key words: integral assessment, integral indicator, ecosystem stability sub-index, classification model, sub-indices of sustainability

Введение

Актуальность исследования подтверждается высоким интересом к разработке методов оценки эмерджентных свойств и функций сложных систем в природе и обществе, факторов на них влияющих, и механизмов формирования системных свойств и функций этих систем [1,2]. Совершенствование гео- и гидроэкологического мониторинга, оценки и выявления экологических ситуаций и экологической обстановки водных объектов в наши дни сопровождается разработкой и развитием методов: 1 - наблюдения, отбора, хранения, обработки полевых и лабораторных данных; разноаспектной геоинформационной визуализации натурной информации о природных (водных) эко- и геосистемах, явлениях и процессах, в них протекающих; 2 - моделирования физико-механических и химико-биологических процессов, происходящих в водных объектах и водных экосистемах; 3 - выявления, анализа особенностей влияния факторов на скорости процессов разной природы, проявления системных эффектов в них; 4 - оценки реакции компонентов и систем в целом на естественные изменения (глобальное потепление) и антропогенные воздействия, выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне естественного функционирования водных объектов; 5 - выявления пределов воздействия и системного нормирования нагрузок на водные объекты.

Сложные системные (интегративные, эмерджентные) свойства характеризуют геосистему [2] или социосистему [3] в целом, а не отдельный компонент или процесс, выбранный исследователем для изучения. Для этого часто, но неправомерно используется термин «слабое звено». При этом исследователь выявляет слабое звено так, что им становится измеряемый компонент системы, реже процесс, который рассматривает автор. В отечественных публикациях основными методами оценки устойчивости и других сложных свойств природных систем в наши дни остаются методы балльного и/или балльно-индексного оценивания. Реже, предлагается использовать индикаторный (индикативный) подход, в котором авторы все исследуемые параметры, имеющие натуральные оценочные шкалы, переводят в баллы по правилам, определенным авторами метода, и далее, суммируют баллы с определенным весом или, чаще, без учета приоритетов. Полученный результат выдается за косвенную оценку устойчивости или другого системного свойства. Активно развивается балльная оценка потенциала экосистемных услуг водных ресурсов с точки зрения того, может ли выявленный автором потенциал реально способствовать устойчивости регионального развития или, например, насколько водная система удовлетворяет потребности человека и экономического развития региона [4].

Современные зарубежные исследованиях синтезируют знания того, как изменение климата влияет на экосистемы. Эти знания трансформируются в новые современные оценки, включая количественные воздействия изменения климата на свойства экосистем и все категории услуг [5,6]. Совершенствуются сложные динамические модели оценки устойчивости социо-эколого-экономических систем, предполагающие построение разных моделей: эконометрических, векторной авторегрессии и др., модель системы земледелия CropSyst, модель индекса стресса водоснабжения WaSSI, модель ToSIA для оценки воздействия на устойчивое развитие [4].

Целью исследования является разработка модели-классификации интегральной оценки потенциальной устойчивости (ИПУ) водоема на основе построения композитных индексов. Задачи: 1 - разработка блок-схемы, этапов получения ИПУ, оценочных шкал для расчета субиндексов и ИПУ в целом; 2 - выполнение расчетов ИПУ на основе моделей интегральной оценки и модели балльно-индексной оценки; 3 - проверка сформулированных гипотез для оценки работоспособности модели и совершенствования технологии построения ИПУ; 4 - проверка влияния задания приоритетов (весов) для учета субиндексов в оценочных исследованиях ИПУ. Новизной исследования является сочетание многокритериальности и полииерархичности в построении схем расчета ИПУ, использование в расчетах двух видов устойчивости (адаптационная и регенерационная), формирующих устойчивость системы в холодный и теплый сезоны года.

Материалы и методы

Оценочные исследования выполнены по натурным данным, полученным в период с 17 по 20 июня 2023 года в рамках полевой практики студентов кафедры Гидрологии суши СПбГУ. В результате были проведены наблюдения за химическим и биологическим составом и физическими свойствами воды малого озера Суури и их последующая обработка. Объект исследования находится на территории учебно-научной базы СПбГУ «Приладожская» (поселок Кузнечное, Ленинградская область). Карта района работ и результаты исследований приведены на рис. 1 и в другой нашей работе, заявленной на «Студенческий Форум 2024».

Для оценки экологического состояния водоема применялись: аксиология и аксиометрия, методы покомпонентного анализа состава и свойств водной экосистемы, статистические методы, методы комплексной и интегральной оценки на основе разработанных композитных индексов. Общая схема этапов построения ИПУ приведена на рис.2.

Рис. 1. Примеры результатов полевых исследований ключевого водоема и схема построения оценочных шкал интегральных показателей устойчивости оз. Суури в 2023 г в Ленинградской области: а) - район работ в северо-западном Приладожье; б) рабочие моменты отбора проб воды;

Рис. 2. Основные этапы построения субиндексов ИПУ1, ИПУ2, ИПУ3 и интегрального показателя устойчивости ИПУ.

потенциальная устойчивость водоем интегральный

Результаты исследования и их обсуждение

Выполнены расчёты ИПУ по данным 2023 года для озера Суури и этапам, приведенным на рис.2. Все параметры, необходимые для промежуточных и итоговых расчётов, собраны лично авторами в период полевых работ, некоторые параметры заданы по справочным или фондовым материалам. На первом этапе были рассмотрены два варианта оценки ИПУ экосистемы: 1) адаптационная устойчивость (Ма), характеризующая высокую устойчивость в холодный период года; 2) регенерационная устойчивость (Мр), характеризующая высокую устойчивость в тёплый период года. На втором этапе был определен набор параметров, которые составили перечни характеристик для расчета субиндексов. Второй этап заключался в формировании оценочных шкал к исходным параметрам. На третьем этапе обосновывался выбор нормирующих функций. Для нормирования исходных параметров использовались два вида функций: неубывающая степенная функция (1) и невозрастающая степенная функция (2) (рис. 2). Для моделей Ма и Мр использовались 3 группы критериев, формирующих субиндексы ИПУ1, ИПУ2, ИПУ3 и агрегирующие в себе различные признаки, обобщенные на рис.3.

Рассмотрим обоснование учета критериев и шкал в Ма и Мр. При оценке адаптационной устойчивости для субиндекса ИП1а высокая устойчивость в холодный период года обусловлена «стагнацией» процессов зимой (система «спит»). Физические процессы и процессы массообмена в системе проходят с низкими скоростями. Система слабо самоочищается. Большей площади водного зеркала водоема соответствует большая устойчивость водоема. Большему объему водной массы соответствует большая устойчивость водоема. Большей максимальной глубине соответствует большая устойчивость водоема. Большей площади водосбора соответствует большая устойчивость водоема. Принимается, что эта группа параметров не будет изменяться при переходе от холодного периода года к теплому. Для субиндекса ИП2а для водоема берем одну шкалу влияния ветрового режима. Для М1а - чем больше дней со штилями, тем выше адаптационная устойчивость. Меньшей средней температуре воды в холодный период года соответствует большая устойчивость водоема. Большей продолжительности ледостава соответствует большая устойчивость водоема. Более холодному периоду года соответствует большая устойчивость водоема. Сезоны года: зима (М1а) -1 балл. Для субиндекса ИП3а отсутствию сезонной стратификации соответствует один балл, наличию сезонной стратификации соответствует два балла. Наличию сезонной стратификации соответствует меньшая устойчивость водоема. По характеру регулирования многолетнему регулированию соответствуют 1 - 3 балла, сезонному регулированию - 3 - 4 балла, недельно-суточному регулированию - 4 - 6 баллов. Более сильному вертикальному перемешиванию соответствует меньшая устойчивость водоема. Большей внутригодовой амплитуде колебания уровня соответствует меньшая устойчивость водоема. Большему коэффициенту проточности соответствует меньшая устойчивость водоема. Большему коэффициенту водообмена соответствует меньшая устойчивость водоема. Большей скорости течения соответствует меньшая устойчивость водоема.

При оценке регенерационной устойчивости для ИП1р высокая устойчивость в теплый период года обусловлена повышенными скоростями самоочищения (повышение температуры в отсутствии антропогенного воздействия увеличивает «естественное» самоочищение). Большей площади водного зеркала водоема соответствует большая устойчивость водоема. Большему объему водной массы соответствует большая устойчивость водоема. Большей максимальной глубине соответствует большая устойчивость водоема. Большей площади водосбора соответствует большая устойчивость водоема. Эта группа параметров не изменяется при переходе от холодного периода года к теплому: изменяется шкала влияния температуры воды на устойчивость по сравнению с М1а. Большей средней температуре воды в летний период соответствует большая устойчивость водоема (большая регенерация и самоочищение). Более теплому сезону года соответствует большая устойчивость водоема. Сезоны года: лето-осень (М1р) - 2 балла. Для ИП2р для водоема берем другую шкалу влияния ветрового режима. Для М1р - чем больше дней с сильными ветрами, тем выше регенерационная устойчивость. Для ИП3р наличию сезонной стратификации соответствует большая устойчивость водоема (2 балла). По характеру регулирования многолетнему регулированию соответствуют 1 - 3 балла, сезонному регулированию - 3 - 4 балла, недельносуточному регулированию - 4 - 6 баллов. Более сильному вертикальному перемешиванию соответствует большая устойчивость водоема. Большей внутригодовой амплитуде колебания уровня соответствует большая устойчивость водоема. Большему коэффициенту проточности соответствует большая устойчивость водоема. Большему коэффициенту водообмена соответствует большая устойчивость водоема. Большей скорости течения соответствует большая регенерационная устойчивость водоема.

Иллюстративно (см. рис 3.) все рассмотренные группы представляют собой таблицы изменения выбранных характеристик по 5 классам устойчивости. В таблицах приводится псевдодробь, в которой в верхней строке приведены левая и правая границы класса по соответствующей характеристике (или их нормированные значения) для границ классов. В оценочных шкалах ИПУа, ИПУр, ИПУ в верхней строке даны границы нормированных значений ИПУ, ниже приводится Д - ширина диапазона для класса, еще ниже - ИПУ для середины класса.

Рис 3. Группы, классификации для субиндексов и оценочные шкалы для интегральной оценки адаптационной (Ма) и регенерационной (Мр) устойчивости.

В процессе работы были сформулированы и проверены три основные гипотезы, приведенные в табл.1.

Таблица 1.

Гипотезы, подлежащие проверке при выполнении исследований в 2023 г.

Оценочные шкалы для ИП1а, ИП2а, ИП3а, ИПУа; ИП1р, ИП2р, ИП3р и ИПУр и оценочная шкала последнего уровня свертки показателей ИПУ приведены на рис.4.

Рис 4. Второй (а) и третий (b) уровни свертки показателей для получения оценочных шкал ИПУа, ИПУр, ИПУ. На рис. приведены левая и правая границы нормированных значений ИПУ, ниже - ширина диапазона для класса (А), в последней строке - ИПУ для середины класса.

Также в рамках работы выполнена попытка учесть неравновесомость в задании различных приоритетов (весов) для ИПУа и ИПУр на последнем этапе свертки субиндексов. Поскольку тёплое время года на территории Приладожья по времени выражено дольше холодного, в расчётах больший вес в одном из расчетов был задан субиндексу регенерационной устойчивости (ИПУр). Как при одинаковых (ИПУа=ИПУр=0,5), так и при разных (0,20<ИПУа< 0,45; 0,55<ИПУр<О,8О) весах воды озера Суури в итоге попадают в IV класс устойчивости (левая граница). Среднее значение ИПУ=0,509. Среднее квадратическое отклонение в оценке ИПУ в этом варианте составляет 0,011. Расчёты и результаты представлены на рис. 4. Таким образом, точность оценки ИПУ=0,509±0,011. По минимальному значению ИПУ 0,509-0,011=0,498 мы попадаем в IV класс устойчивости. По максимальному значению ИПУ=0,509+0,011=0,520 мы также попадаем в IV класс устойчивости, ближе к левой границе класса.

Рис. 5. Заданные приоритеты (веса) для ИПУа и ИПУр в расчетах ИПУ и класс устойчивости при разных приоритетах (весах) в оценке ИПУ (фрагмент).

Заключение

Разработаны модели-классификации интегральной оценки ИПУ водоема на основе построения композитных индексов. Новизной исследования является сочетание многокритериальности и полииерархичности в построении ИПУ. Потенциальная устойчивость (устойчивость к изменению параметров естественного режима) оценивается дважды: для теплого и холодного времени года по трем группам признаков: 1-морфометрия (4 показателя), 2-климатические и физико-географические особенности (4 показателя), 3- гидрологические условия и водный режим (7 показателей). При этом, для холодного времени года оценивается адаптационная устойчивость, а для теплого время года - регенерационная устойчивость к изменению параметров режимов. Оценено сочетание факторов, определяющих первый и второй тип устойчивости на годовом этапе развития водоема. Построение ИПУ выполнялось для равновесомых и неравновесомых условий внутри уровней (блоков) и между ними. В расчетах выполнена проверка трех рабочих гипотез для характеристики работоспособности модели и совершенствования технологии построения ИПУ. Показано, что: 1- оценки устойчивости водоёма, выполненные в полевых условиях на основе метода балльно-индексной оценки и в стационарных условиях, при использовании метода сводных показателей по различным моделям-классификациям, построенным с использованием отличающихся критериев, не противоречат друг другу, но балльноиндексный метод дал ошибку в оценке +1 класс; 2- использование двух типов устойчивости в оценочных исследованиях (адаптационная и регенерационная), различающихся направленностью оценочных шкал в некоторых критериях, характеризуют причины формирования устойчивости в холодное время года (система спит и медленно адаптируется) и в теплое время года (система активно самоочищается и трансформируется, скорости процессов переноса, трансформации и самоочищения достигают максимальных значений с ростом температуры воды), дает возможность учесть изменение внутригодовых механизмов формирования устойчивости водоема на годовом этапе развития водной экосистемы; 3- учет ннн-информации при построении ИПУ дает возможность расчета (моделирования) вёса отдельных критериев в сводной оценке. Задание нечисловой (порядковой) информации для веса субиндексов ИПУа и ИПУр на последнем этапе оценки: w_p>w_a позволило реализовать переход к среднему значению ИПУ и получить точность оценки ИПУ ± S. По результатам интегральной оценки потенциальной устойчивости оз.Суури ИПУ=0,509±0,011 озеро во всех случаях отнесено к IV классу устойчивости (устойчивость ниже средней), ближе к левой границе класса.

Литература

1. Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования: Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции (Калининград, 25-30 июля 2011 г). - Калининград: Капрос, 2011. - 592 с.

2. Dmitriev, V. V., Terleev, V. V., Nikonorov, A. O., Ogurtsov, A. N., Osipov, A. G., Sergeyev, Y. N., Kulesh, V. P., Fedorova, I. V. (2020). Global Evaluation of the Status and Sustainability of Terrestrial Landscapes and Water Bodies. Landscape Modelling and Decision Support, 231-253. doi:10.1007/978-3-030-37421-1_12

3. Атаев, Д.М. Методические аспекты оценки уязвимости экономики регионов России для внешних угроз и ограничений / Д.М. Атаев // Вестник ПНИПУ. Социально-экономические науки. - 2022. - № 4. - С. 283-294.

4. Чернова О. А. Экосистемные услуги водных объектов в обеспечении устойчивого развития региона // Регионология. 2022 Т. 30, № 3 С. 586-601. doi: https://doi.org/10.15507/2413- 1407.120.030.202203.586-601

5. Андреас Фишлин, Г.Ф. Мидгли (2009) Риски для экосистем - ключевые выводы из Четвертого оценочного доклада МГЭИК. IOP Conf. Серия: Наука о земле и окружающей среде 6 (2009) 062014 doi:10.1088/1755-1307/6/6/062014

6. МГЭИК, 2021: Резюме для политиков. В: Изменение климата, 2021 год: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I. Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Массон-Дельмотт, М.П. Чжай, А. Пирани, С.Л. Коннорс, К. Пеан, С. Бергер, Н. Кауд, Ю. Чэнь, Л. Голдфарб, М.И. Гомис, М. Хуан, К. Лейтцелл, Э. Лонной, Дж.Б.Р. Мэтьюз, Т.К. Мэйкок, Т. Уотерфилд, О. Йелекчи, Р.Ю. и Б. Чжоу (ред.)]. Кембридж юниверсити пресс. 2021

7. Архипов Д.Э., Едемский К.Е., Кожевникова С.И., Дмитриев В.В. РАЗВИТИЕ МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТАТУСА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ // European Journal of Natural History. - 2022. - № 2. - С. 31-37.

Размещено на Allbest.ru