Введение
В соответствии с Водной стратегией Российской Федерации устойчивое водопользование является одним из важнейших показателей хозяйственной эксплуатации водных ресурсов. Водная стратегия Российской Федерации определяет основные направления деятельности по развитию водохозяйственного комплекса России, обеспечивающего устойчивое водопользование, включая охрану водных объектов и защиту вод от негативного воздействия.[1]
Вода — возобновляемый природный ресурс, поэтому главная задача водопользования связана с поддержанием этой возобновляемости, а именно с сохранением условий, при которых потребности людей удовлетворяются без нарушения функционирования экосистем речного бассейна. Очевидно, что для оценки эффективности и рациональности водопользования необходимо разработать систему формализованных показателей устойчивого развития [2], которые описывают водный объект как сложную неравновесную систему.
В качестве меры устойчивости экосистемы водного объекта предлагается использовать фрактальный индекс, отражающий характер ответной реакции гидробионтов на антропогенное воздействие и возникающие при этом потенциальные экологические риски, что отражает эффективность водопользования и сохранение качества поверхностных вод. [3]
В статье предлагается использование уравнения техноприродных процессов на основе мультифрактальной динамики (МФД), позволяющего прогнозировать наступление кризисных явлений в геоэкологии, связанных с достижением предельно-допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), являющейся маркером устойчивого развития.
Уравнение техноприродных процессов на основе МФД описывает процесс самоорганизации урбоэкосистемы, возникающий при антропогенном возмущении природной среды. Физически самоорганизация выражается через установление техноприродного цикла, состоящего из двух фаз — собственно фазы антропогенного возмущения и компенсирующей фазы структурирования (перераспределения биоресурса) в границах урбоэкосистемы. В условиях урбанизации и хозяйственного освоения геоландшафтов вопросы сохранения качества урбоэкосистемы, а, значит, техноприродного цикла, являются наиболее актуальными. [4;5]
Любое антропогенное возмущение, подающееся на вход урбоэкосистемы, приводит к нарушению сложившегося метаболизма с окружающей средой.
Самоорганизация восстанавливает нарушенный метаболизм через частичную деградацию биоресурса, восстанавливаемого естественным образом после снятия нагрузки. Если снятия нагрузки не происходит, система стабилизируется с определенными показателями устойчивости и приемлемыми экологическими рисками, выражаемыми индексом устойчивости. Таким образом, фазовая диаграмма отображает балансовую картину соотношения факторных нагрузок в процедурах оценки устойчивости водной экосистемы. Вариация режимов водопользования — это изменение антропогенных возмущений водной экосистемы, которое сразу отображается в изменении индекса устойчивости.
Результатом уравнения техноприродных процессов на основе МФД является оценка уклонения развития урбоэкосистемы от оптимума, выражаемая фрактальным индексом устойчивости. Физически фрактальный индекс устойчивости отражает вероятность перехода урбоэкосистемы к неустойчивому равновесию (бистабильности) в условиях конкуренции действующих факторов экзогенного (внешнего) и эндогенного (внутреннего) происхождения. [6;7;8]
Известно, что усиление антропогенной детерминированности урбоэкосистемы всегда сопровождается ее структурированием (перераспределением биоресурса) до тех пор, пока не достигнет предельно-допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), как маркера нарушения ее устойчивости. Особенностью уравнения техноприродных процессов на основе МФД является идентификация лимитирующих показателей развития урбоэкосистемы на фрактальной шкале D∈(1;2), в пределах которых она сохраняет свою устойчивость. Это позволяет по расчетному значению индекса устойчивости прогнозировать динамику развития урбоэкосистемы, потенциальные риски и необходимость внешнего управления сложившейся ситуацией.
Действительно, открытая экосистема существует за счет обмена с окружающей средой веществом и энергией. Такая система стремится к состоянию динамического равновесия, которое характеризуется минимальной диссипацией энергии в окружающую среду. Если же условия внешней среды меняются настолько, что экосистема не может самостоятельно справиться с внешними возмущениями, то она вырождается за конечное время. [9]
В соответствии с законом толерантности Шелфорда-Либиха рост сложности урбоэкосистемы всегда сопровождается увеличением экологической энтропии, что приводит к частичной деградации природного ресурса для сохранения устойчивости. Предел системной сложности, при котором нарушается устойчивость, ограничен лимитирующими факторами дефицита и избыточности развития.
Теоретическая часть
Для оценки лимитирующих факторов развития урбоэкосистемы введем непрерывную функцию фрактальной «температуры» техноприродных процессов на интервале D∈(1;2) следующим образом
Где: D — фрактальный показатель сложного объекта, n — размерность пространства, в которое вложен объект (в нашем случае n = 2).
Важной особенностью фрактальной «температуры» является ее непосредственная связь с экологической энтропией Sf — показателем необратимого рассеивания энергии экосистемой при взаимодействии с внешней средой. [10]
Где ∝ - поправочный коэффициент, определяемый корреляцией действующих факторов, D — фрактальный показатель урбоэкосистемы.
Из формул (1, 2) следует, что минимальной диссипации энергии соответствует состояние полного ресурсосберегающего равновесия с окружающей средой и фрактальным показателем Херста H=0,5, служащим индикатором условного оптимума — состоянием, к которому стремятся сложные системы, функционирующие в неравновесных условиях. Действительно, значения H=0,5:D=1,5 являются маркером случайных процессов, в которых отсутствует корреляция (а значит, тренд), что определяется из соотношения Херста,
Где K — мера корреляции действующих факторов; 0<H<1– фрактальный показатель Херста.
Появление тренда, способствующего уклонению развития системы от оптимума, определяется интервалом 0,5<H<1, и, чем выше значение постоянной Херста, тем сильнее выражена хаотичность поведения системы. Поэтому величина H трактуется как отношение силы тренда (степени детерминированности системы) к уровню шума (хаотичности) в системе. [11; 12]
Другими словами, чем сильнее выражена внешняя детерминированность (зарегулированность) сложной системы, тем более хаотичным и неуправляемым становится ее поведение. То есть усиление детерминированности (интенсивности хозяйственной эксплуатации) ведет к росту сложности урбоэкосистемы и повышению ее экологической энтропии.
В соответствии с законом толерантности Шелфорда-Либиха, предел системной сложности, при котором нарушается устойчивость, ограничен лимитирующими факторами дефицита и избыточности развития.