ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 464, № 3, с. 356-360
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.46.072:51+574.5.001.57:51
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО РИСКА
ПРИ ОСВОЕНИИ ШЕЛЬФА
© 2015 г. Н. В. Соловьева, член-корреспондент РАН Л. И. Лобковский
Поступило 11.02.2015 г.
Представлен метод математического моделирования экологического риска на основе синтеза динамического моделирования и вероятностной оценки риска. Показана возможность оценки допустимой вероятности антропогенного воздействия с выходом на минимизацию экономических затрат. Приведен пример расчета зависимости допустимой вероятности антропогенного воздействия от экологического риска. В качестве входной информации в расчете использованы результаты моделирования состояния экосистемы по динамической модели. Результаты расчета на основе такого синтеза открывают возможности согласования эколого-экономических целей достижения безопасного освоения шельфа и удовлетворения вынужденным условиям снижения затрат на природоохранные мероприятия при сохранении приоритетности экологических требований.
Б01: 10.7868/80869565215270213
Согласование целей достижения экологической безопасности при освоении шельфа и минимизация затрат на эту безопасность вызывает существенные затруднения. Это обусловлено не только противоречиями требований задач экологии и экономики, но и сложившейся практикой самостоятельности подходов в каждом из этих направлений без учета целостного отражения реального объекта исследования. Совместный учет эколого-экономи-ческих требований безопасного освоения шельфа возможен на основе синтеза методов математического моделирования [1—3] и вероятностных оценок риска [4, 5]. Такой подход в различных объемах отрабатывали для шельфовых акваторий Черного, Каспийского морей [1—4, 6, 7].
Универсальная модель экологической системы морского шельфа основана на формализации связей между процессами различной природы (физической, химической, биологической, геологической), которые отражены системой нелинейных, нестационарных уравнений в частных производных [1—3]. Традиционный подход, связанный с математическим моделированием последствий антропогенного воздействия на экологическую систему, предполагает расчет концентраций и биомасс основных компонент экосистемы [1, 2]. В таком расчете в качестве внешних учитывают антропогенные воздействия на экосистему: сбросы загрязнений, строительство гидротехнических
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва E-mail: soloceanic@yandex.ru
сооружений, зарегулирование речного стока, добыча нефти и газа на шельфе и т.п.
Моделирование экологического состояния и риска морского шельфа [1, 5, 6] осуществляют в трехуровневой структуре иерархии процессов экосистемы. На первом уровне моделирования учитывают отдельные процессы. Чаще всего их устанавливают эмпирически. Это выражения для законов гидромеханики, оптики, термодинамики, закономерности химических реакций, фотосинтеза, роста биомассы организмов [1]. Взаимодействие процессов представлено моделями второго уровня: гидротермодинамический блок, гидробиологический блок, гидрохимический блок. Целостное представление о состоянии экосистемы шельфа возможно только с помощью модели третьего уровня, которая объединяет модели второго уровня в замкнутую систему. Реальный объект представлен моделью не одного какого-либо уровня, а иерархической последовательностью моделей, описывающих реальную систему с возрастающей степенью приближения к ее свойствам [1].
Математическая модель экологической системы шельфа [1—3] позволяет рассчитать годовой ход и поля основных компонент экосистемы при естественных и антропогенных воздействиях. Полученные результаты выявили внутригодовые подъемы, спады в значениях биомасс и концентраций основных компонент экологической системы, подверженной интенсивному антропогенному воздействию. Такие результаты представляют собой сотни численных экспериментов при вариациях коэффициентов, параметров, внешних воздействий [1] и являются входными для ве-
мг/м3 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.5
150
100
50
6000 5000 4000 3000 2000 1000
(а)
J__I_1_
Л
мг/м3 1200
1000
800
600
400
200
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
(в)
(г)
22 20 18 16 14 12 10 8 6
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 (д) 1400 (е)
1200 1000 800 600 400 200 0
_I_I_I_I_I_I_I
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Время в кварталах Время в кварталах
При коэффициенте скорости фотосинтеза фитопланктона: - 3.0
.................. 3.5
Рис. 1. Модельный расчет значений годового хода биомасс и концентраций основных агрегированных компонент экосистемы, мг/м3: а) фитопланктон, б) зоопланктон, в) нитраты, г) фосфаты, д) органическое вещество взвешенное и растворенное, е) нектон.
роятностных оценок экологического риска [4]. Приведем один из фрагментов полученных расчетов годового хода (рис. 1) [6].
Максимальные значения численности какой-либо популяции ^тах для каждой т-й вспышки и
т-го спада N 'тах , т = 1, М, где М — количество периодов "вспышка—спад" в течение года, являются входными данными для вероятностной модели риска. Значение М может меняться от года к году под воздействием естественных и антропогенных факторов.
В общем случае 2М внутригодовых состояний популяции "вспышка—спад" при К внутригодо-
вых вариантах антропогенного воздействия получена оценка внутригодового риска в следующем виде [4, 5]:
К М
У ^ X 9к X
РкшУ кт
к=1 т=1 КМ К
= X УкX (РатУат + РатУ'ат)к = X 9кУ«' (Х)
к=1 т=1 к=1
где Рат, Уат и Ра т, У'а т — вероятности пребывания биосистемы в т-м внутригодовом состоянии вспышки и спада и ее риск в них соответственно; qk — вероятность допустимой антропогенной на-
8 &
се <ч
св Л Н О
о £
о &
о
<ч «
св %
£
о ^
С
о
4Уа1 АУа1 &Уа3 уа = 1
Допустимая вероятность экологического риска
II
Уа = Утш Уа Уа = 1
Допустимая вероятность экологического риска
Рис. 2. Зависимость допустимой вероятности антропогенного воздействия (аварии) от вероятности экологического риска. Выделены диапазоны значимости а) по влиянию естественных или антропогенных факторов; б) по степени ценности экологических систем.
грузки в течение года; уа — экологическим риск в течение года;Рат = р'ат = Гт/+ Ст) = ?, где ¿т, ¡'т, ( — продолжительности вспышек, спадов и года соответственно в произвольных единицах измерения.
Для определения предельно допустимой антропогенной нагрузки на систему используются соотношения [5]
1 при Уа < уд, 2д = |Уд/Уа при Уд < у а < 1, (2)
Уд при у = 1, где уа определяется оценкой (1), уд — предельно допустимый риск.
Обобщение соотношений (1) на случай зависимости риска от времени дает [4, 5]
- < 1 - Еу /Мт
У а <
(1 - м_/^тах )2
(3)
Величины ^кр, ^тзх — видоспецифические "постоянные" для популяции, не зависящие от т-го состояния ее внутри года. Зависимые от времени величины — только Е\т, ЕV'т.
( м
Еу =
^ ратЕУт + ратЕ^ т
; Е\т, ЕV т - мате-
V т=1 У
матическое ожидание численности популяции на
вспышках и спадах соответственно.
Полагая первичным допустимый экологический риск для системы, оцениваем допустимую интенсивность антропогенной нагрузки на нее, а затем реализуем нужную степень экономических затрат. Если представить качественный вид зависимости допустимой антропогенной нагрузки от значений экологического риска уа (рис. 2а), то можно выделить три области. Две — соответствующие крайним состояниям максимального (гипербола 3) и минимального (гипербола 1) эколо-
гического риска и третья — переходная область (гипербола 2) (рис. 2а). При минимальном экологическом риске допустимую вероятность антропогенной нагрузки можно увеличить до максимума, а следовательно, снизить на этом этапе экономические требования к обеспечению экологической безопасности. Напротив, при максимальном уровне экологического риска допустимая вероятность антропогенной нагрузки должна быть сведена к минимуму, что требует увеличения экономических затрат. Таким образом, перераспределение экономических затрат в течение года будет обусловлено соответствующей меняющейся вероятностью экологического риска, что повысит их эффективность и оптимизирует их уровень.
Динамика экономических затрат на обеспечение экологической безопасности может варьироваться не только в зависимости от годового хода экологического риска, но и в зависимости от степени ценности различных объектов, испытывающих воздействия. Так, один и тот же экологический риск уа можно допустить с разной степенью вероятности, следовательно, так же и варьировать финансовые вложения для систем типа I, II, III (рис. 2б). Так, вероятность аварийного разлива нефти потребует соответствующих допустимым д , дд2, д экономических затрат в следующих случаях: если разлив произошел при транспортировке в открытых районах океана (рис. 2, III), в прибрежных малопродуктивных водах с высокой динамикой водного обмена (рис. 2, II), в высокопродуктивных районах шельфа с наличием ценных пород рыб, морепродуктов или в важных рекреационных областях (рис. 2, I). Это может касаться не только условий осуществления того или иного антропогенного воздействия, но и значимости тех популяций, которые подвергаются риску от этого воздействия.
В экономическом аспекте решаемой задачи возможно согласовать финансовые затраты в соответствии с понижением или повышением требований к допустимой вероятности антропогенной нагрузки дк По модели экологической системы проводятся расчеты годового хода биомасс и концентраций всех основных ее компонент (рис. 1). Затем по вероятностным соотношениям модели риска определяют соответствующий годовой ход экологического риска и на основе его — соответствующий уровень допустимой вероятности антропогенного воздействия. Возможно выделить наиболее существенные интервалы времени (например, на вспышке или спаде годового хода биомасс основных компонент экосистемы) антропогенного воздействия и соответственно им рассчитать вероятность допустимого воздействия, учитывая при этом вариации затрат (рис. 3). Значением последнего параметра воз-
Возможнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.