С социально-экологической точки зрения среда обитания человека может быть подразделена на две крупные части: природные условия как среда жизни человека и его хозяйственной деятельности; природные ресурсы, используемые или находящиеся в резерве.
Природные явления в окружающей среде, представляющие опасность для человека и его хозяйственной деятельности, называют неблагоприятными и опасными явлениями (НОЯ). При этом НОЯ могут иметь как естественные, так и антропогенные причины возникновения и характеризуются изменением состояния элементов природной среды, интенсивностью проявления, масштабом распространения и продолжительностью. По мнению С. М. Мягкова (1995), НОЯ — это результат не столько «несовершенства» природной среды, сколько неполной приспособленности размещения, средств и приемов производства к местным особенностям природы, а число и разнообразие НОЯ растут по мере усложнения производства и проникновения человека в районы нового освоения.
Неблагоприятные и опасные природные процессы и явления могут быть отнесены к следующим типам, носящим, однако, условный характер, поскольку возникновение НОЯ обусловлено обычно комплексом причин (Э. А. Лихачева, Д. А.Тимофеев, 2004):
— космические — солнечная активность, магнитные бури, падение метеоритов и др.;
— геологические — извержения вулканов, землетрясения, цунами;
— геоморфологические — оползни, сели, лавины, обвалы, просадки и т.п.;
— климатические и гидрологические — тайфуны, смерчи, штормы, абразия берегов, термоэрозия, эрозия почв, изменение уровня грунтовых вод и др.;
— биологические — массовое размножение сельскохозяйственных вредителей, кровососущих, ядовитых животных, эпидемии и др.
Анализ известных в настоящее время НОЯ позволяет создать карты неблагоприятных процессов и явлений как для территории отдельного государства, региона, области, так и для мира в целом. Степень детализации карт может быть разной — от обзорных карт, на которых лишь отмечены места проявления различных НОЯ, до средне- и крупномасштабных, подробно характеризующих один генетический тип (или даже одно явление).
Крайней формой проявления неблагоприятных и опасных природных процессов и явлений считаются стихийные бедствия, которые парализуют нормальную жизнедеятельность населения и наносят социально-экономический ущерб такого размера, который не может быть преодолен без внешней помощи, а иногда и при ее содействии. Самыми опасными, по данным ООН, считаются циклоны, особенно тропические (тайфуны), не менее опасны засуха и опустынивание. По числу жертв выделяют шесть категорий стихийных бедствий (СБ) (С.М.Мягков, 1995):
I категория (всемирное СБ) — от 30 млн. до 3 млрд. жертв;
II категория (континентальное СБ) — от 300 тыс. до 30 млн. жертв;
III категория (национальное СБ) — от 3 000 до 300 тыс. жертв;
IV категория (региональное, или краевое, СБ) — от 30 до 3 000 жертв;
V категория (районное СБ) — от 1 до 30 жертв;
VI категория (местное СБ) — жертв нет.
В то же время и сравнительно слабые виды НОЯ (природные неудобства вроде туманов, заболоченности, закарстованности и т.п.) приносят ощутимый ущерб. Таким образом, стихийно-разрушительные явления и природные неудобства могут быть объединены из-за способности удорожать производство (за счет затрат на восстановление разрушенного или на заблаговременное предупреждение сбоев в режиме производства) в общую категорию природных опасностей в социально-экологическом смысле.
Министерством Российской Федерации по гражданской обороне, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий ситуации, связанные с опасными природными явлениями (и с техногенными авариями), отнесены к чрезвычайным. Существует несколько шкал размеров чрезвычайных ситуаций (ЧС) (С. М. Мягков, 1995):
— по числу жертв (легкие ЧС — без жертв, ЧС средней тяжести — до 10 жертв, тяжелые ЧС — до 100 жертв, чрезвычайно тяжелые ЧС — до 1 000 жертв, катастрофические ЧС — более 1 000 жертв);
— по численности населения, находящегося под угрозой и нуждающегося в эвакуации (незначительная ЧС — до 100 чел., ЧС средней опасности — до 1 000 чел., опасная ЧС — до 10 тыс. чел., чрезвычайно опасная ЧС — более 10 тыс. чел.);
— по размеру пораженного участка и, соответственно, количеству и принадлежности сил быстрого реагирования на ЧС (частные и объектовые ЧС — охватывающие предприятие, местные ЧС — в пределах одной административной области, региональные ЧС — более чем в одной области, континентальные, глобальные);
— по тяжести последствий для территориальных комплексов, населения и хозяйства (легчайшие ЧС — потери, полностью восстановимые в срок до 3 суток; легкие, или слабые, — потери, полностью восстановимые в срок до 1 года; средние — потери, полностью восстановимые в срок до 5 — 7 лет; тяжелые, или сильные, — потери, не полностью восстановимые в срок более 5 — 7 лет; уничтожающие — потери невосстановимые, в экономически обозримые сроки).
Суммирование различных показателей опасных природных явлений позволяет провести анализ НОЯ для любой территории. Что наибольшее число чрезвычайных ситуаций природного происхождения на территории России связано с ветрами, на втором месте — ЧС, вызванные дождями и градом, на третьем — землетрясениями, на четвертом — наводнениями.
Природные факторы, обусловливающие распространение и режим основных видов неблагоприятных и опасных природных процессов и явлений, нашли отражение на обзорных картах различных видов НОЯ. Примером таких обзорных карт может служить карта повторяемости бедствий природного характера.
Сведения о стоимости защиты от физических параметров НОЯ позволяют создавать обзорные карты удорожания градостроительства за счет зашиты от региональных сочетаний НОЯ (вулканизм, сейсмичность, наводнения, оползни, лавины, сели, мерзлотные процессы, неблагоприятные климатические факторы, просадка и другие отрицательные инженерно-геологические свойства грунтов, закарстованность, заболоченность, состояние грунтовых вод, степень сложности рельефа). Для территории СССР такая карта была составлена в 1981 г. Ю. С. Кожуховым.
Изменения климата, влияющие на распространение и режим ураганов, наводнений и других видов НОЯ, увеличение численности населения и развитие производства в ближайшее время могут привести к росту природных опасностей, что делает картографирование современного и вероятного распространения опасных явлений и процессов особенно актуальным.
Оценка устойчивости природных геосистем, по мнению С. Е. Сальникова (1993), представляет собой важнейший и необходимый элемент содержания любой научно-справочной экологической карты. Вместе с тем карты устойчивости природной среды к антропогенным воздействиям являются наименее распространенными, составляя всего 2% общего количества экологических карт.
Такая ситуация обусловлена комплексом теоретических, методологических и методических трудностей, сопровождающих процесс составления карт устойчивости и связанных, прежде всего, с тем, что само понятие и механизмы устойчивости геосистем определены пока еще недостаточно четко.
Развивая представление об устойчивости природных систем, Н. П. Солнцева (1982) рассматривает устойчивость как особое специфическое свойство природных систем, определяющее характер их функционирования во времени. В отличие от морфологических, геохимических и других свойств ландшафта устойчивость нельзя непосредственно измерить. Она проявляется через поведение системы при воздействии на нее внешних природных или техногенных импульсов.
Устойчивость можно определить как потенциал сохранения данной природной системой исходного режима функционирования. Разные типы ландшафтно-геохимических систем обладают различной устойчивостью по отношению к тем или иным техногенным воздействиям.
В наиболее общем понимании устойчивость — это способность геосистем противостоять антропогенным воздействиям (Б. И. Кочуров, 2003). Устойчивость ландшафтов (геосистем) может быть определена также как способность противостоять физико-химическому разрушению (например, для элементов морфолитогенной основы, почвы), самовосстанавливаться после нарушений с определенной полнотой и скоростью (для биоты), «самоочищаться» от различных загрязнений (для элементов неживой и биокосной природы). Совокупность этих взаимосвязанных свойств и определяет общую устойчивость ландшафта (С. Е. Сальников и др., 1990).
Обобщение разных подходов позволяет рассматривать устойчивость ландшафтов с двух позиций. Согласно одной из них устойчивость определяется по отношению к тому или иному конкретному воздействию. В этом случае найденные показатели устойчивости оказываются в равной мере зависимыми как от свойств воздействий, так и от свойств самого ландшафта.
С другой стороны, довольно часто предметом исследований становится выявление относительной или потенциальной устойчивости ландшафтов по отношению к антропогенным воздействиям вообще, а не к каким-либо конкретным воздействиям. В этих случаях внимание исследователей целиком сосредоточивается на свойствах и состояниях ландшафта (как внешних, зависящих от влияния среды, так и внутренних, генетически обусловленных), которые могут сохраняться при самых различных воздействиях.
С. Е. Сальников (1993) уточняет область применения того или иного подхода. Устойчивость геосистем, подвергающихся постоянным или спорадическим воздействиям, оценивается по отношению к этим видам воздействий. Для геосистем природных или близких к природным устойчивость определяется по отношению к любым возможным воздействиям.
Есть и другой аспект проблемы: устойчивость можно определять по отношению к геосистеме (территории) в целом или для ее отдельных компонентов. В. 3. Макаров с соавторами (2002) считает, что в основном существующие подходы к оценке устойчивости построены на анализе способности отдельных компонентов природы сопротивляться каким-либо негативным процессам. Во многих практических исследованиях наиболее целесообразен именно такой частный подход.
Картографирование устойчивости геосистем или их компонентов проходит в два этапа:
1) отбор комплекса факторов устойчивости, который формируется в соответствии с природными особенностями территории и структурно-функциональной организацией геосистем;
2) оценка влияния каждого фактора на устойчивость.
Учитывая многообразие и связанную с ним несопоставимость показателей устойчивости, целесообразно их абсолютные значения в разных единицах измерения переводить в относительные. Наиболее приемлемо ранжирование абсолютных данных с их оценкой в баллах. Балльная система применима также для оценки факторов устойчивости, которые изначально определяются количественно, но при интеграции приобретают качественную форму (типы биологического круговорота, классы водной миграции и т. д.). Сумма баллов по всем показателям служит интегральным показателем устойчивости геосистем и их компонентов.
Другой подход к определению устойчивости не предполагает количественной (балльной) оценки отдельных факторов и заключается в их ранжировании и группировке в таблице-матрице. Каждая ячейка матрицы содержит набор признаков, характеризующих определенную степень устойчивости, которая и отражается на карте. Матрица, поясняющая принципы опенки устойчивости, как правило, прилагается к карте в качестве легенды.
В результате анализа имеющихся в настоящее время карт предложено выделять, во-первых, карты устойчивости ландшафта в целом и его отдельных компонентов (атмосферы, поверхностных вод, почвы, морфолитогенной основы), во-вторых, карты устойчивости по отношению к антропогенным воздействиям вообще и к конкретным видам воздействий.
Карты устойчивости атмосферы. Устойчивость атмосферы может зависеть от совокупности метеорологических и климатических условий, влияющих на рассеяние или накопление в атмосфере вредных выбросов. Существуют различные способы определения самоочищающей способности атмосферы. По методике Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромета), разработанной в Главной геофизической обсерватории, рассчитывается потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) в зависимости от климатических условий (Э. Ю. Безуглая, 1980). Составлена карта ПЗА на территории бывшего СССР, на которой по сочетанию климатических показателей (инверсии температуры, скорость ветра, высота слоя перемешивания и продолжительность туманов) выделены пять категорий районов по условиям рассеивания примесей.
Метод имеет ряд недостатков: не учитываются метеорологические факторы, характеризующие условия рассеивания в атмосфере, а также необходимо использовать данные аэрологических наблюдений, выполняемых в ограниченном числе пунктов.
Т. С. Селегей и И. П. Юрченко (1990) предложили понятие потенциала рассеивания атмосферы (ПРА), при определении которого принимаются во внимание метеорологические условия очищения и загрязнения атмосферы; кроме того, при его расчете используются параметры, определяемые на значительно большем числе метеостанций. Чем больше величина ПРА, тем хуже условия для рассеивания примесей в атмосфере. Доступность исходных данных и несложный расчет ПРА обусловили широкое применение этого показателя при изучении самоочищающей способности атмосферы.
Карты устойчивости поверхностных вод. Понятие «самоочищение природных вод» трактуется в литературе неоднозначно, пока не выработано единого мнения по этому вопросу. Наиболее распространено представление о самоочищающей способности воды как совокупности физических, химических и биологических процессов, приводящих к восстановлению качества воды до того состояния, которое было свойственно водному объекту до загрязнения.
Имеется опыт картографирования условий самоочищения поверхностных вод России в масштабе 1:15 000 000 (В. А. Скорняков и др., 1997). В качестве основных факторов, определяющих условия самоочищения рек, озер и водохранилищ, приняты интенсивность перемешивания воды, температура воды в летние месяцы и средний годовой расход воды. Сочетание характеристик перемешивания и температур позволяет выделить четыре категории условий самоочищения за счет трансформации загрязняющих веществ. На карте распространение рек различных категорий показано способом качественного фона с помощью штриховки. Выделены градации условий разбавления загрязняющих веществ, определяемых по среднегодовым расходам воды. Сочетание этих градаций с условиями трансформации загрязняющих веществ определяет категорию интегральных условий самоочищения, учитывающих как трансформацию загрязняющих веществ, так и их разбавление. Реки с наиболее быстрым самоочищением воды показаны сплошными линиями, другие категории условий самоочищения показаны пунктирными линиями разных видов.
Существуют разработки в области определения и картографирования устойчивости поверхностных вод по отношению к конкретным загрязняющим веществам. Так, В. В. Батояном (1983) выполнено районирование территории СССР по устойчивости поверхностных вод к загрязнению при нефтедобыче. Были отобраны наиболее информативные климатические, гидродинамические и гидрохимические показатели, которые характеризуют процессы миграции нефти и сточных вод в ландшафте и их разложения в водоеме: сумма годовых активных температур воздуха, годовой слой стока и окисляемость поверхностных вод. Все факторы устойчивости были ранжированы по шкале из четырех — семи градаций и сведены в матрицу. Ее анализ позволил оценить устойчивость поверхностных вод к нефтяному загрязнению по четырехбалльной шкале и выделить районы от чрезвычайно чувствительных до малочувствительных к нефтяному загрязнению.
Карты устойчивости почв и ландшафтов. Как считает М. А. Глазовская (1997), устойчивость почв к техногенным воздействиям является в значительной мере проблемой устойчивости к техногенезу природных ландшафтов в целом. Для геосистем и почв предложено выделять различные типы устойчивости: геохимическую, биологическую (восстановительные и защитные свойства растительности), физическую устойчивость литогенной основы (для почв — противоэрозионная устойчивость). Введено также понятие интегральной устойчивости, которое включает устойчивость геосистем ко всему комплексу антропогенных воздействий.
Вопросы устойчивости почв к техногенезу наиболее полно освещены в работах М. А. Глазовской (1978, 1988, 1997). Под геохимической устойчивостью она понимает, во-первых, потенциальный запас буферности исходных природных почв и ландшафтов. В этом случае устойчивость проявляется в их способности (до известного предела техногенного воздействия) нормально функционировать как биокосные системы. Во-вторых, устойчивость природных систем рассматривается как способность последних к восстановлению нормального функционирования после прекращения техногенного воздействия. В этом случае устойчивость проявляется через скорость самоочищения почв от продуктов техногенеза.
Факторы геохимической устойчивости почв включают щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, содержание гумуса, природный фон химических элементов, скорость разложения органических веществ (опало-подстилочный коэффициент), положение в каскадной ландшафтно-геохимической системе, наличие вечной мерзлоты и ряд других почвенных характеристик. Составлена схема почвенно-геохимического районирования Нечерноземной зоны России, на которой с помощью качественного фона и буквенно-цифровых индексов выделены типы районов, различающихся по степени устойчивости и характеру ответных реакций почв на химическое загрязнение.
Ландшафтно-геохимический подход использован М. А. Глазовской (1979, 1990) и другими исследователями при оценке и картографировании устойчивости почв к загрязнению определенными веществами (нефтепродуктами, пестицидами), а также к кислотным воздействиям.
К числу характеристик, на основании которых можно дать достаточно полную и многостороннюю оценку устойчивости почв к загрязнению, относится почвенно-геохимический потенциал (Б. И. Кочуров, 1983). При его определении необходимо выявить степень выраженности в почве ряда присущих ей свойств. Среди них — степень развитости почвенного профиля, его мощность, крутизна склона, каменистость, скелетность почв, механический состав, тип водного режима, содержание гумуса, реакция среды, емкость поглощения, буферность. Ранжирование изучаемых свойств по их выраженности позволило создать шкалу балльной оценки почвенно-геохимического потенциала и составить схему специального районирования территории бывшего СССР по устойчивости к определенным техногенным воздействиям.
Для оценки интегральной устойчивости В. Д. Васильевской (1990) выбран комплекс свойств почв и внешних факторов: тип геохимического ландшафта, рельеф, почвообразующие породы, условия увлажнения, теплообеспеченность, величина годичного прироста фитомассы, интенсивность разложения растительных остатков, запасы гумуса, кислотность, насыщенность основаниями и степень сельскохозяйственной освоенности. Все параметры оценены в баллах и затем по сумме баллов выделены группы почв, различающиеся по степени устойчивости. На основании балльной оценки с использованием почвенной карты составлена схематическая карта устойчивости почв бассейна р. Унжа в масштабе 1:1 500 000.
Анализируя исследования, посвященные определению показателей устойчивости ландшафта к каждому типу воздействий, необходимо прежде всего сослаться на разработки в этой области М. А. Глазовской (1979, 1988). Ею была создана концепция устойчивости ландшафтно-геохимических систем, объединенных в технобиогеомы, к техногенному загрязнению.
Степень геохимической устойчивости технобиогеомов определяется скоростью выноса и рассеяния загрязняющих веществ с воздушными и водными потоками, а также скоростью химических превращений техногенных веществ в почвах, водах и атмосфере. Был проведен тщательный анализ более чем двадцати естественных факторов среды, определяющих интенсивность самоочищения важнейших компонентов ландшафта — атмосферы, поверхностных вод и почв. В качестве таких факторов рассматривались, например, осадки и скорость ветра, свойственные изучаемой территории (поскольку они определяют характер рассеивания и выноса продуктов техногенеза из атмосферы); показатели солнечной и ультрафиолетовой радиации (так как от них во многом зависит скорость разложения продуктов техногенеза); щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия почв, влияющие на закрепление в них загрязняющих веществ и т.д.
Анализ активности процессов самоочищения, выявленной в ходе исследования для каждой из типологических групп технобиогеомов, дал возможность составить карты районирования территории СССР по геохимической устойчивости отдельных компонентов ландшафта: атмосферы, поверхностных вод и почв. Путем синтеза данных карт была создана прогностическая карта устойчивости технобиогеомов для оценки воздействия возможных техногенных загрязнений.
Ландшафтно-геохимический подход реализован при составлении карт устойчивости ландшафтов к загрязнению для всей территории России и отдельных ее регионов (М. А. Глазовская, 1979; В. А. Снытко и др., 1992 и др.).
Карты устойчивости морфолитогенной основы ландшафтов. При оценке устойчивости этого компонента геодинамическим процессам как факторам нарушения устойчивости уделяется больше внимания по сравнению с химическим загрязнением. В пределах России можно выделить две крупные части, различающиеся по направлению и особенностям рельефообразующих процессов, — мерзлотную и внемерзлотную области. Для территории, находящейся вне мерзлотной области, важно учитывать ее устойчивость к разрушительным геодинамическим процессам (овражной эрозии, оползневым и обвально-осыпным процессам, карсту и т.д.). При составлении карты «Охрана природы СССР» (1989) в основу дифференциации территории по степени устойчивости положено районирование СССР по ведущим факторам эрозии, размываемости покровных горных пород и современному проявлению овражной эрозии (С. Е. Сальников, 1993).
Оценка устойчивости геолого-геоморфологической основы ландшафтов в области распространения многолетнемерзлых пород производится исходя из потенциальной возможности эрозионно-просадочных деформаций. Предел возможного разрушения морфолитогенной основы определяется полным вытаиванием подземного льда. Поэтому наиболее опасны для освоения территории с мощными породообразующими подземными льдами и в основу оценки устойчивости поверхности к антропогенным воздействиям положена льдистость подстилающих многолетнемерзлых пород.
В исследованиях устойчивости морфолитогенной основы ландшафтов на региональном и локальном уровнях обычно рассматривается устойчивость к конкретным геодинамическим процессам. В качестве примера можно привести картографирование устойчивости территории г. Саратова к подтоплению, эрозионным процессам и просадкам. В основу оценки был положен анализ влияния определенных параметров на устойчивость городских территорий в рамках конкретной экологической проблемы (В. З. Макаров и др., 2002). Внутри каждого параметра выделены четыре градации по степени устойчивости территории к конкретному геодинамическому процессу в зависимости от уровня его влияния, выраженного в баллах. Интегральное влияние всех процессов оценивается суммой баллов. Чем меньше величина суммарного балла, тем более устойчивым считается данный участок. По отношению к каждому неблагоприятному процессу выделены четыре степени устойчивости: высокая, средняя, слабая, низкая.
Для оценки устойчивости ландшафтов города к подтоплению использовались три параметра: высота территории относительно местного базиса эрозии, коэффициент фильтрации грунтов и вертикальное расчленение территории. На устойчивость к эрозионным процессам оказывают влияние угол наклона рельефа, экспозиция склонов и характер почвообразующих пород. Наконец, устойчивость территории к просадкам зависит от пористости пород и содержания в них глинистых частиц, мощности просадочного слоя, минерализации грунтовых вод и влажности грунтов.
Картографирование интегральной устойчивости ландшафтов
Существенный вклад в развитие представлений об интегральной устойчивости ландшафтов к техногенезу был внесен Н. П. Солнцевой (1998). Ею проведена дифференциация факторов устойчивости в зависимости от масштаба картографирования. При мелкомасштабных оценках больших территорий наиболее важны показатели, отвечающие за зональные различия ландшафтов. Это, прежде всего, биоклиматический потенциал ландшафта и классы водной миграции. При среднемасштабных оценках необходимо акцентировать внимание на характеристиках природных систем, отвечающих за количественные показатели миграции и аккумуляции поллютантов в природных комплексах и определяющих закономерности внутриландшафтного перераспределения и метаболизма техногенных компонентов. К ним могут быть отнесены следующие показатели: крутизна склонов, уклоны русел водотоков, гранулометрический и минералогический состав субстратов. При любых масштабах картографирования устойчивости ландшафтов важнейшими показателями являются характеристики окислительно-восстановительных условий.
Менее изучены вопросы устойчивости ландшафтов к некоторым другим, столь же важным типам воздействий. Картографирование устойчивости ландшафтов криолитозоны Западной Сибири к механическим воздействиям проведено Н. А. Шполянской и Л. И. Зотовой (1994). Установлено, что главным результатом механического нарушения является оттаивание грунта, поэтому проанализированы именно те ландшафтообразующие факторы, которые в наибольшей степени влияют на этот процесс и таким образом определяют устойчивость ландшафтов. К таким факторам относятся расчлененность рельефа, субстрат (состав пород), температура грунтов, льдистость мерзлых пород, растительность, глубина сезонного протаивания — промерзания, криогенные процессы на поверхности.
Влияние каждого компонента на устойчивость ландшафта оценивается в баллах. Выделены четыре градации по степени данного влияния. Интегральное влияние всех составляющих оценивается суммой баллов: чем больше величина суммарного балла, тем менее устойчивым следует считать данный ландшафт.
Карта составлялась на основании ландшафтной карты региона. Каждый ландшафт, отраженный на карте, подвергся покомпонентному анализу с присвоением соответствующего балла каждой из семи составляющих и суммы баллов ландшафту в целом. В результате на карте с помощью качественного фона выделено четыре группы устойчивости: неустойчивые, слабоустойчивые, среднеустойчивые и устойчивые ландшафты.
Наряду с устойчивостью ландшафтов к конкретным видам воздействий может быть охарактеризована и собственная устойчивость ландшафтов, биоцентрическая по своему содержанию. Ее основной фактор — состояние биоты: условия существования и динамика составляющих ее популяций, т.е. устойчивость экосистемы (В. И. Стурман, 2003). Устойчивость экосистем определяется множеством факторов, основные из которых — величина биомассы и продуктивности, показатели биогеохимического круговорота. Существует методика расчета индекса устойчивости экосистем как отношения использованной растениями лучистой энергии к всей энергии, поглощенной на этой территории. На основе энергетического подхода выполнена оценка устойчивости экосистем по отдельным административным районам и составлены карты Московской и Ростовской областей (Т. А. Акимова и др., 1994; Экологический атлас Ростовской области, 2000).