Экология почв военных полигонов - Дмитрий Александрович Пантелеев Страница 27

3.4 Оценка и прогноз деградации рельефа военного полигона

Разработана геоэкологическая энтропийная модель оценки уровня экологической деградации территорий, подверженных антропогенному воздействию, протестированная на полигоне «Погоново». На базе разработанной модели развита методика оценки и прогнозирования деградации рельефа военных полигонов.

Поскольку законы распределения экологических величин не чисто случайные, а квазидетерминированные, когда в различных сочетаниях взаимодействуют случайные и детерминированные факторы, связанные с целенаправленной деятельностью человека, то аддитивное сложение энтропий различных подсистем возможно лишь в случае идентичных законов их распределения.

В геоэкологии под рельефом понимают крупномасштабные природные неоднородности присущие географической территории, т.е. степень ее расчлененности. Мало изучены мелкомасштабные изменения рельефа, присущие всем военным полигонам. Размеры неоднородностей, в этом случае, существенно меньше природных, но их количество на единицу площади значительно больше, что приводит к большей экологической опасности деградации территорий военных полигонов, особенно авиационных.

Микромасштабные неоднородности с диаметром до 2м – это естественная рябь Земли и мелкие промоины – можно считать фоновыми неоднородностями рельефа. Неоднородности от 2 до 50 м в диаметре – мелкомасштабные. Это карстовые и суффузионные воронки, кратеры от ударов метеоритов. К этой же градации относятся воронки антропогенного происхождения на полигонах. На сегодняшний день методика экологической опасности мелкомасштабной деградации рельефа военных полигонов не развита, и не ясны возможности экономического использования таких территорий при прекращении деятельности полигонов.

Для изучения деградации рельефа на полигоне «Погоново» на первом этапе работ была создана фактическая база данных путем фотографирования территории с беспилотного летательного аппарата. Разрешенная способность аппаратуры составляла 0,25 м при высоте полета 1710 м (рисунок 27).

Рис. 27. Картографирование воронок на полигоне «Погоново»

Изучались несколько сцен с одинаковыми площадями, но с различным числом и диаметром воронок. Площадь одной сцены составляла 607500 м². Диаметры воронок на снимке измерялись с применением программного обеспечения Agisoft Metashape Professional. Отношение суммарной площади воронок к площади каждой сцены измерялось в пределах от 1,7% до 2,2% вследствие неравномерной антропогенной деградации рельефа исследуемой сцены. Этот показатель не может характеризовать уровень деградации рельефа полигонов, как вследствие геоэкологического разнообразия их территорий, так пространственно-неравномерной деградации их рельефа. Поскольку диаметр воронок случайная величина, то целесообразно для оценки уровня деградации рельефа сцены использовать статистический подход, имея ввиду достаточно значительную мощность исходной базы данных.

На первом этапе построены дискретные законы распределения случайной величины. Данные статистической обработки для трех изученных сцен и всего полигона в целом представлены в таблицах 17–20. Здесь средний диаметр каждой градации Diср определялся, как среднее диаметров воронок, попавших в соответствующую градацию. Повторяемости градаций Pi рассчитывалась как отношение числа воронок, попавших в i-ую градацию к общему числу воронок на сцене. Ki – число состояний каждой градации, определяемое как отношение Diср/Dф, где Dф – фоновое значение микромасштабных природных неоднородностей рельефа, принятых равными 2 м.

Таблица 17. Статические данные участка 1

Таблица 18. Статические данные участка 2

Таблица 19. Статические данные участка 3

Таблица 20. Статические данные участка 4

Используя закон распределения случайной величины, можно определить математическое ожидание по формуле:

С учетом того, что Ki – это ущерб, вносимый каждой градацией в геоэкологическое состояние территории, а Pi – опасность этой градации, то средневзвешенное значение <K> является экологическим риском территории. Однако этот показатель можно применить только для сравнительного анализа деградации рельефа различных территорий, т.к. он не является аддитивным и не ясна область его определения.

Модель оценки деградации почв

В работе Базарского О.В. [6] развита энтропийная модель оценки геоэкологической ситуации при антропогенном воздействии на окружающую среду. Она основана на нелинейном рекуррентном соотношении Ферхюльста, описывающем процесс нарастания динамического хаоса в статистической системе [30].

Модифицированное для описания состояний геоэкологической системы соотношения Ферхюльста принимает следующий вид:

Здесь P0 – устойчивость экологической системы при начальных условиях ее существования; Pn+1 – после n-ой итерации; выходные параметры системы после очередной итерации являются входными для следующей, то есть γ – число итераций; S – управляющий параметр, определяющий уровень беспорядка геоэкологической системы за счет антропогенного воздействия.

Таким образом, S – это энтропия геоэкологической системы. S принадлежит интервалу (0, 4), а Р – интервалу (0, 1). При Р=0 система абсолютно устойчива – фоновое состояние. При Р=1 – абсолютно неустойчивое хаотическое состояние системы (S→4). Одна итерация n=1 соответствует одному году.

Увеличение энтропии системы приводит к увеличению ее неустойчивости, зависящей от числа итераций n, т.е. времени развития геоэкологической ситуации. На рисунке 28 приведена бифуркационная диаграмма модели для n=50, что достаточно для оценки реального «горизонта прогноза».

Рис. 28. Диаграмма неустойчивых состояний экологической системы P в зависимости от текущей энтропии S и времени наблюдений

Первая точка на этой диаграмме – точка перегиба – возникает при S=0,88, когда наблюдается переход от фонового состояния системы при Р=0 к квазиустойчивому динамическому состоянию до уровней Р=0,1 и S=1,1. Это область экологической нормы (1), когда система самовосстанавливается.

Область 1,1<S≤2,0 при 0,1<Р≤0,5 является областью экологического риска (2), когда можно установить надежные статистические связи между уровнем энтропии системы и степенью ее экологической устойчивости. S=2 – вторая устойчивая точка, где наблюдается второй перегиб кривой, нарастание неустойчивости системы замедляется, но система продолжает движение в сторону увеличения антропогенного беспорядка с общим снижением устойчивости.

Следующая область диаграммы – область компенсируемого кризиса (3) перед наступлением первой бифуркации и переходу к хаотическому состоянию системы при условиях 2<S≤2,9 и 0,5<Р≤0,65. В этом случае еще возможен возврат системы в область экологического риска.

При 2,9<S≤3,5 возникает первая бифуркация, когда система самопроизвольно выбирает одно из двух направлений развития с увеличением или уменьшением устойчивости, при этом 0,5≤Р≤0,9. Это состояние динамического хаоса, наблюдается необратимый процесс возрастания и потери устойчивости системы – область некомпенсируемого экологического кризиса (4) с резким сужением «горизонта прогноза» развития геоэкологической ситуации.

При 3,5<S≤4 возникает хаотическое состояние системы, когда прогноз ее развития невозможен из-за возникновения множества бифуркаций. Эта область называется областью абсолютного хаоса или экологического бедствия (5).

Чтобы