ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ1

Основная задача комплекса дисциплин, всесторонне изучающих водоемы, – созда — ние теории функционирования водных экосистем, которая позволит прогнозировать их со — стояние и управлять ими. Среди внутренних водоемов особый интерес представляют во — дохранилища, число которых в мире в настоящее время превысило 60 тыс. [18] (в основ — ном это водоемы комплексного назначения). Можно утверждать, что водохранилище – это не нечто среднее между рекой и озером, а водоем, имеющий свою специфику. Экосистема водохранилища – самостоятельный тип водных экосистем [1392].

Водоемы вообще, и водохранилища в частности, – объекты чрезвычайно гетероген-ные. Части водоема можно выделять как по функциональному, так и по хорологическому принципу. Такая гетерогенность находит отражение в моделях экосистем, которые должны быть блочными (отражение функциональной неоднородности) и иметь распределенные значения параметров (отражение пространственной неоднородности). Выделенные по хо — рологическому принципу части называют районами в широком смысле, а процесс выделе — ния таких частей – районированием.

При решении задач комплексного использования водохранилищ необходимо по — следовательно осуществить акваториальное районирование, планировку и обустройство водоема [16]. Такой подход позволяет целенаправленно и интенсивно использовать от — дельные участки водоема в соответствии с их природными особенностями, характером хо — зяйственной освоенности и антропогенных воздействий. Эти процедуры соответствуют трем основным принципам стратегии использования природных объектов человеком: по — знанию природы объекта (районирование), представлению о его наиболее выгодной (оп — тимальной) для человека структуре (планировка) и, наконец, направленному воздействию на объект с целью получения нужного эффекта (обустройство).

Районирование служит информационной базой для принятия решений об управле-нии водоемами, так как направленное воздействие человека на природные объекты обычно пространственно локализовано. После создания схемы районирования может быть прове — дена бонитировка акватории, т. е. ее оценка с точки зрения пригодности к тому или иному виду использования. Для этого все показатели для каждого района переводятся в оценоч — ные категории по определенной шкале, затем выводится общая оценка для каждого района [1833]. На основании этих оценок рекомендуется такое целевое использование отдельных участков водоема, которое больше всего соответствует специфике природных процессов и режимов на этих участках. Указываются также инженерно-технические мероприятия, на — правленные на сохранение благоприятных и изменение неблагоприятных условий. В ре — зультате получается конкретная схема размещения, организации, режима функционирова — ния и воздействия промышленных, селитебных, рекреационных, биопродукционных, при — родоохранных зон, районов неблагоприятного антропогенного воздействия [17]. Такой

1 Опубликовано в журнале «Водные ресурсы». – 1997. – Т. 24, № 3. – С. 336-343 [226].

подход позволяет минимизировать затраты при максимизации хозяйственного эффекта.

Водохранилища как объекты районирования имеют некоторые специфические осо — бенности. Их экосистемы относятся к типу формирующихся систем, далеких от состояния климакса, в них наблюдаются переходные процессы разного характера [211], скорость сукцессии выше, чем в озерах. Поэтому прогнозы состояния экосистем водохранилищ ме — нее точны, схема районирования, составленная на данный момент времени, может потре — бовать существенных корректировок в будущем. Специфика водохранилищ в значитель — ной степени определяется уровенным режимом и характером n304>

ждения. Иногда (особенно при недостатке информации) территория не может быть разбита на районы целиком, в ней возможно существование «лакун», которые в данный момент не относятся ни к одному из районов.

При районировании используются два подхода [266]: региональный (совокупность всех сведений о районируемом объекте) и районологический (совокупность теоретических основ, принципов, методов и процедур районирования). При этом выделяются три концеп — ции районирования:

· описательная, в основе которой лежит следующее утверждение: обобщение всех дос — тупных материалов об изучаемом объекте позволяет мысленно воссоздать целостный образ объекта и логическим путем расчленить его на конечное множество пространст- венно локализованных целостностей более низкого порядка, выступающих в роли так — сонов районирования. В рамках этой концепции качество районирования определяется компетентностью исследователя (районирование в данном случае, скорее, искусство, чем наука);

· количественная, суть которой сводится к формализации исходных данных с после — дующим алгоритмическим выделением районов с помощью определенных статистиче — ских критериев. Но при этом часто теряется целостность объекта. На конечных этапах обычно используются и элементы экспертного подхода (логика их выбора не обосно- вывается);

· системная – синтез двух предыдущих концепций с подключением междисциплинарных разработок в области средств познания действительности. В основе ее лежит утвер — ждение, что все исследовательские операции, выполняемые в ходе районирования (а не только выделение районов), должны быть взаимосвязаны и взаимообусловлены, а их выбор осуществляется по модульному принципу. Это обеспечивает синтез любой ис — ходной информации и гарантирует обоснованное воспроизведение целостности рай — онов. Ключевыми являются: механизм синтеза формализованного (количественного) и содержательного (описательного) познания в экспертных системах, постулаты логиче- ского подхода [1874], модульная организация системы методов [2196], стратегия выбо — ра необходимого метода [1638]. Системная концепция находится сейчас в стадии раз — работки, но отдельные ее элементы будут рассмотрены ниже.

ВИДЫ РАЙОНИРОВАНИЯ

Существует несколько видов районирования [220], одно из которых общенаучное.

Цель его – познание территории. В тоже время оно имеет прикладное значение.

По тому, какой набор признаков (параметров, характеристик) территории использу — ется, выделяют частное, отраслевое и комплексное районирование. Частное районирова — ние – районирование по одному признаку. Им обычно занимаются узкие специалисты в рамках конкретной задачи. Это, например, создание карты распределения в водоеме от — дельных компонентов (бентоса, рыб, зон загрязнения и т. п.).

К отраслевому относится районирование по группе показателей, характеризующих

какой-либо компонент экосистемы с разных сторон (например, водная масса может харак — теризоваться рядом гидрологических, гидрохимических и иных показателей). Его также называют специализированным или компонентным. К этому виду относится, например, гидролого-морфометрическое районирование водоемов.

При комплексном районировании используется множество показателей, характери — зующих различные компоненты территории, близкие понятия – ландшафтное или ланд — шафтно-географическое районирование. Особый интерес представляет разновидность комплексного районирования – экологическое районирование, объект которого не водоем как физико-географическое тело, а экосистема водоема, включающая в себя абиотические и биотические составляющие (последние особенно важны). Результаты хозяйственной деятельности человека, влияние населенных пунктов, расположенных по берегам водоема, также учитываются при данном виде районирования, т. е. водоем рассматривается уже как

социально-экологический объект. В зависимости от типа функционирования этого объекта выделяют геоэкологическое, эколого-экономическое или же интегральное экологическое районирование [1350].

Если при районировании учитываются только признаки, характеризующие совре — менное состояние водоема, то такое районирование называется рецентным. Если же учи — тывается и история (происхождение, генезис) структур водоема, то районирование называ — ется генетическим.

Можно выделить районы трех типов [2244]: однородные (гомогенные), обладаю — щие внутренним относительным однообразием; коннекционные (функциональные), объе — диненные какими-либо связями (они могут быть внутренне неоднородными); конфигура — ционные, заключенные между физическими рубежами или очерченные сетью ранее выяв — ленных линий и точек.

Наибольший интерес представляют районы двух первых типов, которые выделяют-ся с помощью однородного и коннекционного районирования. Принцип деления террито — рии по однородности аналогичен принципу, лежащему в основе любой классификации, что позволяет рассматривать этот вид районирования как ее разновидность. При этом ис — пользуются критерии сходства. Коннекционное районирование – выделение взаимодейст — вующих территориальных элементов, объединенных потоками вещества, энергии и ин — формации. Критерием объединения участков в один район служат сила их взаимодействия, плотность связи, интенсивность потоков, выраженные в той или иной форме. Следова — тельно, коннекционные районы могут рассматриваться как системы. Пример коннекцион — ных районов – участки обитания различных видов рыб, включающие в себя триаду биото- пов: нагульный, нерестовый и зимовальный.

Предположим, что во многих точках (станциях) водоема выполнены определенные измерения и получены некоторые характеристики. Нанося эти точки на карту и экстрапо — лируя их характеристики на некоторую площадь, разбиваем водоем на ряд участков — пер — вичных единиц районирования. По наиболее важному признаку эти участки делятся на не — сколько групп, затем по другому признаку эти группы делятся еще раз и т. д., пока не оста — нутся участки, совпадающие по всем признакам. Каждая группа представляет собой так- сон, имеющий определенный ранг. Подобно тому, как это делается в биологической сис — тематике, низший таксон можно обозначить сначала как вид района, затем как род, семей — ство, класс и т. д. В каждый таксон объединены участки по сходству признаков, причем не имеет значения, где эти участки расположены. Такой вид районирования называют типо — логическим, поскольку здесь выделяются типы местности. Это своего рода классификация типологических единиц

Первичные единицы районирования можно объединять по принципу соседства, по — лучая также иерархическую структуру все большей площади. Например, для Рыбинского водохранилища объединяют сначала участки, расположенные на определенном протяже — нии затопленного русла Волги, затем участки право — и левобережной пойм. Эти три более крупных участка образуют район, названный верхней частью Волжского плеса. Плес со — стоит из верхней, нижней и средней частей, а все четыре плеса образуют Рыбинское водо — хранилище. Такое районирование называют индивидуальным (региональным). Его единицы имеют определенные пространственные координаты и в отличие от единиц типологиче- ского районирования могут иметь собственное имя – географическое название.

Однородность типологических районов, естественно, выше, чем региональных. Ти-пологическое районирование иногда удобнее начинать «сверху», а региональное – «сни — зу». Единицы типологического районирования не аналогичны единицам регионального, впрочем, разработаны схемы, совмещающие эти виды районирования [2241].

ВЫБОР ПРИЗНАКОВ

Как и всякий природный объект, участки изучаемой территории, имеют в принципе бесконечное число признаков, лишь часть из которых исследователь может описать и оце — нить. Из них отбираются те, которые считаются достаточно важными для характеристики водоема, отражающими его «сущность». Признаки могут считаться равноправными или же располагаться по степени важности; в таком случае им приписывается определенный

«вес».

Можно выделить следующие признаки:

· непосредственно измеряемые для отдельных компонентов;

· обобщенные и полученные путем соотнесения объекта с некоторой классификацией

(например, тип грунта, тип зарослей, качество воды);

· полученные из непосредственно измеряемых характеристик по определенным форму-лам (например, видовое разнообразие по методу Шеннона);

· связанные с отдельными компонентами или признаками (например, степень использо-вания кормовой базы рыбами);

· характеризующие отношения между признаками объекта и «субъектом», для которого эти признаки могут оцениваться (например, пригодность участка для того или иного вида хозяйственного использования).

Необходимо оценить точность всех показателей (найти систематическую и стан-дартную ошибки) и отбросить те из них, точность которых явно неудовлетворительна. На — пример, некоторые продукционные показатели и показатели использования кормовых ор — ганизмов рыбами имеют ошибку > 100 % [2089, 2494]. Желательно избавится от лишнего информационного «шума», для чего нужно выделить тренд и флюктуацию показателей с помощью различных методов (от графического сглаживания до построения квадратичной регрессионной поверхности или поверхностей более высокой степени [265]).

Иногда несколько несущественных, но скоррелированных показателей влияют на

результат сильнее, чем один существенный. Поэтому необходимо оценить информатив — ность отдельных показателей (например, путем вычисления их эмпирической дисперсии или относительной энтропии) с помощью корреляционно-регрессионного анализа, латент — но-структурного анализа или метода Меллера-Капекки [266].

Районирование водохранилищ обычно основано на морфометрических и морфоло — гических показателях, к которым добавляются гидрофизические и гидрохимические, а также гидробиологические. Роль последних возрастает при переходе от макро — к мезо — и микрорайонированию. Часто используется такой сравнительно легко измеряемый пара — метр, как концентрация хлорофилла. Особенно интересный показатель – качество воды, так как оно формируется в результате взаимодействия природных и антропогенных про — цессов в водоеме и на водосборе. Обязательно использование при экологическом райони- ровании характеристик распределения основных групп гидробионтов – планктона, бентоса и рыб. В противном случае районирование не будет экологическим, хотя в нем могут ис — пользоваться десятки разных характеристик [1281]. Для экологического районирования требуется использовать набор показателей, всесторонне характеризующих структурные и функциональные особенности экосистемы, включая такие интегральные показатели, как сложность, устойчивость, надежность.

ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ РАЙОНИРОВАНИЯ

Континуум природных условий неоднороден, в нем имеются участки, где характе — ристики меняются относительно медленно или даже остаются постоянными, а также уча — стки со сравнительно быстро меняющимися показателями. «Центры» участков отличаются друг от друга объективно, но они связаны плавными переходами, поэтому проведение гра — ниц между районами во многом субъективно. В зависимости от масштаба исследований границу можно изобразить в виде линии или полосы разной ширины. Широкие границы

представляют самостоятельный интерес как объект исследования, они называются экото — нами. Если район одного типа постоянно переходит в район другого типа, то граница меж — ду ними будет условной. Ее положение соответствует и среднему значению изменяющего свойства, или максимальному градиенту его. Она может соответствовать другому, субъек — тивно выбранному признаку.

По форме границы могут быть резкими, диффузными, каемчатыми или мозаично — островными [58]. Особые затруднения вызывает проведение границ в том случае, когда характер сообщества плавно меняется по градиенту факторов (клинальный тип общества). Границы районов выделенных по характеру изменений одного компонента, как правило, не совпадают с границами районов, выделенных по другим компонентам. Поэтому прихо — дится искать оптимальное компромиссное решение, в которое также включен элемент субъективности. В силу стохастичности ареалы распространения флоры и фауны не пол — ностью совпадают с границами районов, выделенных по экологическим факторам. Грани — цы могут быть постоянными или переменными (пульсирующими). Например, регулярно меняются границы глубинных зон при колебании уровня воды в водоеме.

Определение положения и ширины границ всегда связано с ошибками, имеет веро — ятностный характер и устанавливается для соответствующего уровня значимости (обычно от 0,8 до 0,99). Поскольку проведение границ – одна из самых сложных задач районирова — ния, то с целью большей достоверности, логичности и однозначности решения этой задачи разработана специальная инструкция, регламентирующая все операции по проведению границ для сухопутных ландшафтов [158]. В ней подробно излагается техника этой рабо — ты, указаны критерии выбора оптимальных решений.

В настоящее время не существует однозначного представления ни о числе иерархи-ческих таксономических единиц, ни об их названии. Низшую таксономическую единицу физико-географического районирования часто называют фацией. Это наименьший и наи — более просто построенный природный комплекс, различия внутри которого при решении поставленной задачи не имеют существенного значения. В почвоведении такой единицей признан педон, в лимнологии употребляется термин «акваном» – вертикальный столб, включающий в себя приводный слой атмосферы, водную толщу и грунт. Применяются также термины «элементарный географический ландшафт», «территориальный носитель информации», «элементарная операционная территория», «операционная таксономическая единица (ОТЭ)» и др. [1424].

Одно из важнейших требований, предъявляемых к низшей таксономической едини-це, заключается в том, что на внешние воздействия она должна реагировать как целое. Об — зор различных таксономических схем районирования дан в [219]. При региональном рай — онировании водохранилищ одна из возможных схем предусматривает наличие следующих единиц (сверху в низ): водохранилище – плес – район – участок – зона – подзона – стация

– биогеоценоз (биогидроценоз). При типическом районировании низшей таксономической единицей будет вид биогеоценоза. Несколько биогеоценозов объединяются в род. Можно считать, например, что все биогеоценозы серых илов с доминированием хирономид отно — сятся к одному роду биогеоценозов. Таким же путем можно строить типологические еди — ницы районирования и дальше, но эта задача пока не решена. Иногда рекомендуется типо — логические таксоны обозначать номерами [158].

МЕТОДИКА И ПРОЦЕДУРА РАЙОНИРОВАНИЯ

Процесс районирования представляет собой сложную систему, состоящую и ряда взаимосвязанных элементов, таких как выбор концептуальной модели, масштаба исследо — ваний, вида первичных объектов наблюдения, способов размещения и описания этих объ — ектов, последующей математической обработки данных и интерпретации результатов. Предложено несколько систем методов районирования. Здесь рассмотрены два наиболее разработанных.

 

Т. П. Куприянова [1423, 1424] под районированием понимает двуединый процесс: с одной стороны, это принятие последовательных решений, а с другой – многократный от — бор, «просеивание» сведений об объекте для получения искомого результата (схема). Обе составляющие тесно связаны между собой и испытывают влияние объективных факторов районирования. Левая и правая колонки элементов на этой схеме соответствуют творче — ской и стандартной частям работы. К творческим задачам можно отнести поиск, выбор и обоснование конкретных действий. Действия, отраженные в правой части, можно в значи — тельной степени формализовать, стандартизировать, представить в виде алгоритмов, вы — полнение которых можно поручить ЭВМ. Эти действия основаны на принципах формаль — ной логики, теории планирования эксперимента, автоматического сбора и обработки ин- формации.

Схема процесса районирования [1423].

Специальные математические методики районирования в данной работе не рас — сматриваются. Однако можно отметить, что в настоящее время, применяют несколько та — ких методик. Одна из них – районирование по ведущему признаку (фактору). В этом слу — чае выявляется ведущий фактор дифференциации территории и строится схема райониро — вания одного иерархического уровня.

Для построения следующего уровня может использоваться тот же признак, но дру-гие его градации или иные же признаки. При этом возникают три логические схемы рай — онирования [157]: районирование по единственному признаку, с чередованием или же с бифуркацией признаков. Главный концептуальный недостаток этого метода заключается в том, что познать объект, в котором сложно переплетается и взаимодействует много факто — ров, с помощью поочередного рассмотрения каждого фактора вне его многочисленных

связей невозможно, так как в результате не воспроизводится целостность объекта.

При способе сопряженного анализа компонентов сразу используется большое число признаков разных характеристик экосистемы. Перечисление схем районирования по от — дельным признакам образует ячейки, рассматриваемые как единицы районирования. Дан — ную процедуру называют также перекрестным районированием. При таком аддитивном подходе недостаточно выражается идея системности районов, они рассматриваются как механическая сумма признаков отдельных компонентов.

При районировании на ландшафтно-типологической основе используется ланд — шафтно-типологическая карта. Для выявления районов применяются либо условные пока — затели встречаемости определенных типов ландшафта, либо процент занимаемой ими площади, либо рисунок ландшафта [553, 1778].

На примере Рыбинского водохранилища показаны сильные и слабые стороны мето — дов многомерной статистики [2088]. Обзоры применения этих методов в районировании даны в [1424, 2494]. Для формализации работ могут быть перспективными алгоритмы ав — томатического анализа географических текстур, метод статистических испытаний и метод

«барьеров максимальных различий» [56, 99, 266].

В последнее время разработана более подробная система методов районирования

[266], которая должна:

· включать в себя все способы познания;

· обеспечивать взаимозависимость, взаимодополняемость и взаимоконтролируемость методов;

· основываться на синтезе качественных и количественных, описательных и формализо-ванных, экспертных и математико-статистических методов;

· ориентироваться на различные принципы и разнокачественную исходную информа-цию, обеспечиваться модульным принципом организации системы методов;

· обеспечить возможность перехода от последних этапов к начальным и проведения по-вторных решений задачи;

· корректироваться операциями выбора метода и проверки качества принимаемых реше-ний;

· предусматривать возможность включения методов районирования в другие системы анализа (прогнозирования, моделирования…).

Предлагаемая система методов районирования состоит из четырех подсистем (рис.

1): формирования концептуальной модели районирования, измерения параметров объекта

районирования, выделение районов, проверки полученных результатов. Каждая система состоит из модулей включающих в себя один или несколько методов. Например, модуль I может включать в себя метод интервью, контент-анализ, коллективную экспертную оцен — ку. Все они выполняют функцию создания понятийной модели. Предусмотрено дублиро — вание некоторых методов (И, К, Л и М, Н, О), они не объединены в один модуль в свя — зи с существенными различиями в подходах.

Возможность возврата к предыдущим методам введена для усиления гибкости сис — темы и повышения обоснованности получаемых результатов. В случае неудовлетвори — тельной оценки результатов работы какого-либо метода можно вернуться к любому пре — дыдущему методу и провести повторную обработку информации.

Система методов классификации исходных единиц районирования, построенная по тому же принципу, состоит из трех подсистем (рис. 2).

Работы по районированию завершаются текстовыми описаниями выделенных так-сономических единиц и нанесением их контуров, а также важнейших характеристик на

специальную карту (схему), которая служит образно-знаковой моделью водоема. При этом важно оптимально распределить полученную информацию между картой и прилагаемой к ней легендой. Существуют специальные приемы, в том числе и математические, дальней — шего анализа карт [336, 1778].

Рис. 1. Базовая система методов районирования [266].

I – формирование концептуальной модели, II – измерение параметров объекта районирования, III

– выделение районов. IV – проверка полученных результатов; А – уяснение задач районирования, Б – построение модели объекта районирования, В – построение модели процедуры районирования, Г – создание понятийной модели, Д – определение принципов районирования, Е – построение опе — рационной модели районирования, Ж – измерение характеристик, З – оптимизация набора показа- телей, И – эвристическое выделение районов, К – выявление районов в ходе коллективной экс — пертной оценки, Л – автоматическое выявление системы районов, М – логическая, Н – алгоритми — ческая, О – содержательная верификация результатов выделения районов, П – корректировка, Р – интерпретация результатов; 1 – поток информации; 2 – возвращение к предыдущим методам.

Рис. 2. Система методов классификации [266].

I – подсистема методов подготовки исходной информации, II – подсистема методов непосредст — венной классификации, III – подсистема методов оценки качества классификации; А – отбор необ — ходимых признаков, Б – устранение статистически незначимых признаков, В – определение наибо — лее информативных признаков (в – операция выбора подходящего метода), Г – определение значе — ния мер сходства между объектами (г – операция выбора мер сходства), Д – группировка объектов в классы (д – операция выбора метода группировки), Е – получение обобщенных характеристик классов, Ж – формальное оценивание (ж – операция выбора критериев качества), З – содержатель — ное оценивание (з – операция выбора способа содержательной оценки), И – итоговое определение качества классификации; 1 – выбор метода, 2 – представление результатов в виде карт, 3 – поток информации, 4 – возврат к предыдущим методам.

При завершении работы необходимо провести оценку выполненной схемы райони — рования водохранилища. Обычно это делается экспертным путем. Критерием правильно — сти выделения районов в ряде случаев может служить соответствие оконтуренной площа — ди предлагаемым мероприятиям по максимальному использованию ее естественных ре — сурсов. Разрабатываются и математические методы оценки схем районирования [1929].

В заключение можно сказать, что для проведения высококачественного райониро-вания водоемов необходимо дальнейшее совершенствование теории районирования, соз — дание соответствующих баз данных и привлечение на завершающем этапе высококвали — фицированных экспертов-экологов.

Материал взят из: Количественные методы экологии и гидробиологии (сборник научных трудов, посвященный памяти А. И. Баканова)