Методическое пособие 817

Рис. 1. схема техноприродного цикла хозяйственной эксплуатации экосистем

Стержневой особенностью фрактала является возможность описания структурной динамики экосистемы в связи с изменением сре ды обитания, что позволяет рассматривать такое описание, как инструмент и зучения морфологии, связывающий интегральные свойства экосистемы с дин амикой её локальных параметров [2, 6].

Применительно к задачам геоэкологии фрактальность отражает меру самоподобия взаимодейству ющих сред (техногенной и приро дной), ограничивающей развитость структуры экологической системы [7].

где: N(δ) – структура (размер) экосистемы, µδ – шаг масштабирования, D

–фрактальная мера самоп одобия техноприродных процессов.

Вматематическом плане оценка фрактальности техноп риродных процессов сводится к их воспроизводству через фрактальный шаблон, масштабированные копии которого в пределе исчерпывает геометрию об ъекта и сводится к

Соотношения (2, 3) формально обосновывают применен ие фракталов для описания техноприродны х объектов – фрактальный(δ) шаблон задает такой масштаб декомпозиции исследуемого объекта , при котором сохраняется его целостность N(δ) и качественные свойства в изменяемых ус ловиях окружающей среды.

Оценка экологических рисков на основе фрактальности техноприродных процессов может быть задана соотношением:

340

где: Re (0,1) – вероятность экологического риска, Q – предполагаемая величина ущерба от техногенного воздействия. D – фрактальная мера техногенного преобразования экосистемы .

Соотношение (4) формально задает следующую класси фикацию экологических рисков техноприродных процессов:

– оптимальные (случайные процессы), при которых экосистема полностью сохраняет свой биоресурс при утилизации поступающих извне з агрязнений. В этом состоянии обеспечивается наиболее продуктивный метаболизм экосистемы, определяющий максимально безопасную развитость структуры при минимизации экологических рисков D → 1.5; Re →0.

Рис. 2. Фрактал как математический инструмент описа ния техноприродных процессов

Примерами природных объектов с такими процессами могут являться заповедники и особо охраняемые природные ландшафты, антропогенная нагрузка на которые не приводит к нарушению естественных процессов обмена веществ

иэнергии внутри экосистемы [5].

–квазиоптимальные (саморегулируемые процессы) при которых экологическая система утилизиру ет поступающие извне поллютанты за счет частичных затрат своего биоресурса, восстанавливаемого естественным образом после

снятия нагрузки 1,2 < D < 1.7; 0 < Re<1. За счёт саморегуляции экосистема реализует основные функции развития и сохранения, которые определяю ее жизнеспособность в обновляю щейся среде существования [4, 12].

Такие процессы характерны для техногенно нагруженных ландшафтов или климатически/тектонически неблагоприятных зон, в которых экосистема наиболее уязвима [5].

341

–бистабильные (предельно-устойчивые процессы), возникающие в результате предельного сокращения экосистемы и утраты ее воспроизводства. Математически это выражается в том, что связь экосистемы с внешней средой, определяющей экологическую емкость среды, устанавливается лишь в одной точке фазового пространства. В этом случае ресурса экосистемы оказывается явно недостаточно, чтобы запустить саморегуляцию, а значит, утилизовать поступающие извне загрязнения [1, 13, 14].

Опасность бистабильности в том, что экологические риски здесь достигают максимума, и любые случайные флуктуации внешней среды неизбежно приводит к развитию экологического кризиса D → (1.2V1.7); Re →1.

–кризисные (катастрофные процессы), при которых наблюдаются качественные изменения экологической системы, несмотря на снятие внешней нагрузки. Математически это выражается в «размывании» границ экологической

системы во внешней среде или её разрушение в конечное время, D > 1,7; Re =1 [1, 8, 9].

Таким образом, установлено, что фрактальное описание техноприродных процессов важно для оценки возникающих рисков негативного развития экосистемы, поскольку сохранение ее целостности говорит о достигнутом гомеостазе, в котором обеспечивается динамически устойчивый цикл саморегуляции техноприродных процессов [4, 14].

Литература

1.Арнольд В. И. «Жесткие» и «мягкие» математические модели / В. И. Арнольд // Москва. Изд-во НЦНТМО.2004. 32 с.

2.Балханов В. К. Основы фрактальной геометрии и фрактального исчисления. Учебное пособие. / В. К. Балханов. Улан-Удэ. Изд-во Бурятского государственного университета. 2013. 224 с.

3.Воробьев Ю. Л., Малинецкий Г. Г., Махутов Н. А. Управление риском и устойчивое развитие. Человеческое измерение. / Ю. Л. Воробьев, Г. Г. Малинецкий, Н. А. Махутов // Общественные науки и современность. Москва. 2000. № 6. С. 150-162.

4.Гелашвили Д. Г., Иудин Д. И., Розенберг Г. С., Якимов В. Н., Солнцев Л. А Фрактальные аспекты структурной устойчивости биотических сообществ / Д.Г. Гелашвили, Д. И. Иудин, Г. С. Розеберг, В. Н. Якимов, Л. А. Солнцев // Биосфера. Санкт-Петербург. 2013. Т.5. № 2. С 143-159.

5.Здоровцов В. А., Пендюрин Е. А. Определение антропогенной нагрузки на особо охраняемой территории государственного природного заповедника «Белогорье» / В. А. Здоровцов, Е.

А.Пендюрин // Вектор ГеоНаук. Белгород. 2018. Т1. №1. С. 87-92.

6.Кульнев В. В. Структурное управление качеством лентических водных экосистем / В.В. Кульнев // Глобальные климатические изменения: региональные эффекты, модели, прогнозы. Материалы международной научно-практической конференции. Посвящается 85-летию факультета географии, геоэкологии и туризма ВГУ. Под общей редакцией С. А. Куролапа, Л. М. Акимова, В.

А.Дмитриевой. Воронеж. 2019. С. 431-436.

7.Кульнев В. В., Насонов А. Н., Цветков И. В., Король Т. С., Шаховская К. А. Биотестирование почв на основе фрактальных характеристик растений / В.В. Кульнев, А. Н. Насонов, И. В. Цветков, Т. С. Король, К. А. Шаховская // Принципы экологии. Петрозаводск. 2020. № 4 (38). С. 40-53.

342

8.Кульнев В. В., Насонов А. Н., Цветков И. В. О проведении экологического мониторинга водных объектов с применением методов мультифрактальной динамики / В. В. Кульнев, А. Н. Насонов, И. В. Цветков // Экологическая и техносферная безопасность горнопромышленных регионов. Труды VII Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор А.

И.Семячков. Екатеринбург. 2019. С. 130-136.

9.Малинецкий Г. Г. Курдюмов С. П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза. Доклад на заседании Президиума Российской академии наук. Журнал «Эксперт». № 27 (278) 2000. 106 с.

10.Насонов А. Н., Кульнев В. В., Цветков И. В. Фрактальные модели нормирования техногенной нагрузки по показателям устойчивости экосистем / А. Н. Насонов, В. В. Кульнев., И. В. Цветков // Управление развитием крупномасштабных систем MLSD'2019. Материалы двенадцатой международной конференции. Научное электронное издание. Под общей ред. С. Н. Васильева, А. Д. Цвиркуна. 2019. С. 1058-1059.

11.Насонов А. Н., Цветков И. В., Жогин И. М., Кульнев В. В., Репина Е. М., Кирносов С. Л., Звягинцева А. В., Базарский О. В. Фракталы в науках о Земле. Учебное пособие. Воронеж. Издво «Ковчег». 2018. 82 с.

12.Розенберг Г. С. Введение в теоретическую экологию. в 2-х томах. Тольятти. Изд-во «Кассандра». 2013. Т1 – 564 с. Т 2 – 445 с.

13.Трубецков Д. И. Феномен математической модели Лотки-Вольтерры и сходных с ней /Д. И. Трубецков // Известия Высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. Т.19. №2. 2011. С. 69-88.

14.Peter Turchin Evolution in population dynamics. Nature 424/ 257-258 (17 July 2003).

1Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия им. К. А. Тимирязева

2Центрально-Чернозёмное межрегиональное управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования, Россия, Воронеж 3Тверской государственный университет, Россия

A. N. Nasonov1, V. V. Kulnev2, I. V. Tsvetkov3

ECOLOGICAL SAFETY ASSESSMENT OF TECHNO-NATURAL PROCESSES BASED ON FRACTAL DYNAMICS

The method of assessing the ecological safety of techno-natural processes, based on a mathematical apparatus that allows you to assess the degree of ecological state of urban ecosystems in a retrospective and real-time aspect is presented. It is shown that the use of fractal dynamics is relevant and timely reflects the possibility of geo-ecological risks that can lead to the destabilization of the state of the ecological system.

1Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K. A. Timiryazev 2Central Black Earth interregional department of the Federal Service for Supervision of Natural Resources, Russia, Voronezh

3Tver State University, Russia

343

УДК 502.63(476)

М. А. Таратенкова, А. А. Волчек

ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ОБЩЕГО ЖЕЛЕЗА В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ НА ПРИМЕРЕ РЕКИ МУХАВЕЦ

В статье исследована динамика содержания общего железа на всем протяжении реки Мухавец методом регрессионного анализа. Зафиксированы превышения ПДК по данному показателю. Приведена карта-схема содержания общего железа на территории Бресткой области.

Введение

Развитие человечества неразрывно связано с появлением новых технологий и производств. Зачастую, такие новшества приносят пользу только в одностороннем порядке, нанося вред окружающей среде, в частности водным ресурсам. Поэтому в настоящее время актуальным являются вопросы обоснованного водопользования.

В настоящее время Брестская область не испытывает дефицита водных ресурсов, однако гидрохимический режим претерпевает значительные трансформации. Одним из таких показателей, который заслуживает особого внимания является общее железо.

Исходные данные и методы исследования

В работе использованы данные Национальной системы мониторинга окружающей среды в Республике Беларусь за период с 2013 по 2019 гг. по показателю общее железо [1]. Основным критерием для оценки физико-химического качества поверхностных вод Беларуси является предельно допустимая концентрация (ПДК) [2] химических веществ, устанавливаемая для водных объектов различной категории. Динамика содержания общего железа исследовалась методом регрессионного анализа. Аппроксимирующими функциями являлись полиномы разных степеней.

В качестве объекта исследования выбрана река Мухавец, которая является типичной рекой Брестской области. Анализ динамики содержания общего железа проводился на основании среднемесячных и среднегодовых значений по пяти створам: выше и ниже г. Кобрин, выше и ниже г. Жабинка и г. Брест. Морфологические характеристики рассматриваемой реки приведены в табл. 1.

Формирование гидрохимического режима природных вод происходит под действием естественных (природных) факторов и антропогенных воздействий. Сочетание природных условий формирует уникальность региона, со свойственным только ему химическим составом поверхностных вод. Данная особенность характеризуется фоновыми концентрациями компонентов природных вод, которые учитываются при определении качества этих вод.

Территория Брестской области входит в состав Белорусского Полесья, которое характеризуется повышенным содержанием железа (рис. 1). Концентрация общего железа увеличивается с запада на восток, что можно объяснить тем, что в восточной части области преобладает болотистая местность.

Рис. 1. Карта-схема распределения среднегодовой концентрации общего железа по территории Брестской области

Форма металла, в которой он находятся в поверхностных водах зависит от органических веществ, которые поступают с заболоченных территорий. Торфяники представляют собой геохимический барьер, на котором накапливаются многие химические элементы [3]. Большое количество гуминовых соединений, содержащихся в болотных водах, приводит к образованию труднорастворимых комплексов с ионами железа. Что в свою очередь, ведет к накапливанию их и переносу в водотоки и водоемы. За счет такого переноса происходит увеличение фоновых концентраций общего железа на рассматриваемом водосборе.

Что же касается факторов антропогенного воздействия, то основным источником поступления общего железа являются сточные воды. Так, например, масса загрязняющих веществ в сточных водах за 2019 год по Брестской области по железу общему составила 28,91 тонн, что по сравнению с предыдущим годом увеличилось на 5,46 тонн. [1]

345

Полученные результаты и их обсуждение

По пяти створам р. Мухавец по среднегодовым и среднемесячным данным были построены временные ряды в качестве примера приведем графики по створу г. Кобрин (рис. 2, 3). Как видно из рисунка 2 среднегодовые концентрации общего железа имеют ярко выраженные сезонные пики, причиной которого, как уже было сказано выше, являются взаимодействие гидрологического режима и антропогенного воздействия.

Динамика среднегодового содержания железа общего по всему течению реки варьируется в пределах от 0,389 до 1,00 мг/дм3. ПДК для бассейна р. Мухавец по общему железу составляет 0,315 мг/дм3 [2]. Превышения ПДК по общему железу наблюдаются почти за весь рассматриваемый период по всем створам.

Рис. 2. Динамика среднегодовых и среднемесячных концентраций общего железа в створе ниже г. Кобрин

Рис. 3. Динамика среднегодовых и среднемесячных концентраций общего железа в створе выше г. Кобрин

346

Тренды были получены при использовании полиномов регрессии разных степеней (от 3 до 6). Значимость трендов определялась коэффициентом детерминации, которые приведены в табл. 2.

Таблица 2 Коэффициенты регрессии рассчитанные по полиномиальным трендам

Анализ трендов показал незначительное отличие в уравнениях, построенных по среднегодовым и среднемесячным значениям. Так же выявлен тот факт, что описать одним уравнением динамику концентрации общего железа не протяжении всей реки не является возможным. Что подтверждает тот факт, что большое влияние при формировании гидрохимического режима оказывает антропогенный фактор.

Выводы

Проведенные исследования по многолетней динамике концентрации общего железа с использованием среднегодовых и среднемесячных концентраций позволяет сделать вывод о том, что для выявления тенденции возможно применение полиномиальных уравнений регрессии третей и четвертой степеней.

Так же в ходе анализа наблюдений за концентрацией общего железа на протяжении многолетнего периода установлено превышение ПДК на протяжении практически по всем створам р. Мухавец. Данный факт свидетельствует о необходимости проведения комплексных мероприятий по снижению поступления железа в поверхностные воды.

Литература

1.Государственный водный кадастр: Водные ресурсы, их использование и качество воды (за 2006-2019 гг.). – Минск, ЦНИИКИВР, 2020. – 172 с.

2.Постановление министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь от 30 марта 2015 г. №13 Об установлении нормативов качества воды поверхностных водных объектов.

3.Тайсаев Т. Т. Геохимия таежно-мерзлотных ландшафтов и поиск рудных месторождений. Новосибирск: Наука, 1981. 136 с.

Брестский государственный технический университет Республика Беларусь, Брест

347

M. A. Taratsenkava, A. A. Volchak

DYNAMICS OF TOTAL IRON CONTENT IN SURFACE WATER ON THE EXAMPLE OF THE MUKHAVETS RIVER

The article investigates the dynamics of the content of total iron throughout the Mukhavets River by the method of regression analysis. The excess of the MPC for this indicator was recorded. A schematic map of the total iron content on the territory of the Brest region is presented.

Educational establishment Brest State Technical University

Republic of Belarus, Brest

УДК 504.3.054

О. А. Спицина, И. А. Новикова, Е. П. Вялова

СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРОДА ВОРОНЕЖ

В данной статье рассматривается состояние атмосферного воздуха на примере города Воронеж. Выявлены главные источники, загрязняющие воздушный бассейн города. Осуществлен анализ статистических данных по выбросам загрязняющих веществ с 2015 по 2019 год. Определена зависимость увеличения количества автомобильного транспорта на состояние атмосферного воздуха города. Приведен перечень основных загрязнителей воздуха в черте города. Изложены выводы проделанной работы, а также предложены меры, способствующие минимизации загрязнения и повышению качества атмосферного воздуха города Воронеж.

Город - это особая форма отношений между человеком и природой. Крупные, экономически развитые города дают человеку возможность из-

бирать для себя наилучшие варианты получения образования, работы, медицинских и прочих видов услуг. Все это объясняет рост доли городского населения. Тем не менее, не смотря на положительные стороны городской жизни, выявляется важная зависимость - чем больше город, тем более остро выражены в нем экологические проблемы [5].

Проблема загрязнения атмосферного воздуха считается лидирующей среди современных городов. Ежегодно загрязнение воздуха приводит к более 7 миллионов смертей в мире. Наличие в атмосферном воздухе различных видов загрязнителей, превышающих нормативные значения, фиксирует 90 % городов России [1].

Загрязнение воздуха в Воронеже происходит преимущественно за счет автомобильного транспорта, на долю которого приходится 80 % выбросов. На территории города зафиксировано свыше 350 тысяч единиц транспортных средств. Не малый вклад в загрязнение воздушного бассейна вносят стационарные источники, выбрасывающие в атмосферу около 343 видов химических веществ [4].

348

На сегодняшний день проведено большое количество исследований по оценке и анализу состояния воздуха на территории страны. Но, не смотря на это, подобного рода работы по городу Воронеж за последние годы практически отсутствуют, что свидетельствует об актуальности тематики выбранного исследования.

Цель данной работы - проанализировать состояние атмосферного воздуха среды на примере города Воронеж, найти пути решения существующих проблем рассматриваемого объекта.Для достижения поставленной цели необходимо исследовать ежегодные экологические доклады, предоставленные Воронежским ЦГМС, Управлением экологии администрации городского округа город Воронеж. Определить наиболее загрязняющие атмосферный воздух вещества, проанализировать тенденцию роста валового выброса загрязнителей, сделать необходимые выводы.

По информации из доклада 2020 года о «Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2019 год» в пределах Воронежской области наблюдается тенденция роста концентрации NH3, СН2O (табл. 1). В столице Черноземья формальдегид в два раза превышает норму [2], [3]. Формальдегид - это опасное отравляющее вещество, влияющее большей степенью на зрение.

Таблица 1 Данные о выбросах загрязняющих веществ на территории Воронежской

области от автомобильного транспорта за 2019 г

Выбросы загрязняющих веществ, тыс. тонн

По данным 2019 года, валовый выброс загрязняющих веществ на территории города Воронеж от автомобильного транспорта составил свыше 80 % из общего процента всех загрязнителей, попадающих в воздушную среду от антропогенных источников.

Увеличение тенденции роста показателя загрязняющих веществ в атмосферу объясняется увеличением количества автотранспорта. По информации, представленной ГИБДД ГУ МВД России по Воронежской области, в городе ежегодно увеличивается число автотранспорта. Так, по состоянию на 2019 год, автопарк в Воронеже составил 411515 транспортных средств, это на 8221 единиц выше, чем на год ранее (табл. 2).

349