Моделирование техногенных ландшафтов

Н.Г. Решетов, Ю.И. Дудкин

На пороге XXI века становится все очевидней, что все науки, имеющие отношение к исследованию экологической среды, должны от ее традиционного описания и учета ресурсов переходить к ее проектированию и преобразованию в общих интересах биосферы. Другими словами, природосберегающие и природоохранные усилия человечества должны начать активно сочетаться, а затем и полностью смениться природосозидательной деятельностью общества. Но, конструирование ландшафтов заданного назначения, кроме экологических и технических трудностей сопряжено с отсутствием исчерпывающих и систематизированных знаний о функционировании их живых и костных компонентов. А это, в свою очередь, не позволяет разработать и адаптировать экологически демпферную и саморегулируемую модель сбалансированных и стабильных ландшафтов. Иначе говоря, общественные потребности в улучшении среды обитания многих городов, промышленных центров заметным образом обгоняют экологически безупречные предложения по их удовлетворению. Но одно бесспорно: вставшую задачу нельзя решать методом возврата к первозданной природе. Необходим нетрадиционный подход в создании новых, не имеющих природных аналогов, культурных и полностью контролируемых ландшафтов с заранее заданными параметрами функционирования.

Наибольшей остроты проблема восстановления и создания новых экологически оптимальных и биологически продуктивных ландшафтов достигла в районах горнодобывающей, обогатительной и перерабатывающей промышленности. По этой причине обширные техногенные пространства, например, отвалы КМА, сложенные различными литологически-ми породами вскрыши, могут служить идеальным полигоном для проведения модельных опытов ландшафтного построения в строго фиксированных условиях окружающей среды. Несмотря на большие капиталовложения и энергозатраты, технический потенциал горных предприятий КМА уже сегодня вполне способен создать новые, незнакомые в сегодняшней природе, экологически совершенные ландшафтные и почвогрунтовые конструкции, которые могут во многом (в сбалансированности, функциональности, самоорганизации, биопродуктивности и т.д.) превосходить естественные аналоги. Но для этого, исходя из технических средств и почволитологических возможностей, необходимо предварительно разработать системную модель эффективного функционирования биогеоценозов по элементам рельефа отвалов с заранее требуемыми параметрами. В тех случаях, когда перед рекультивацией поставлена цель создания высокоурожайных агроценозов, то основная задача ландшдфтно-го конструирования сводится к разработке модели эдафического слоя.

Возникая как, результат катастрофических техногенных "аварий" экосистемы первичные сукцесии на отвалах КМА длительное время представляет собой " биологический вакуум". Эти системы имеют строго известную точку отсчета своего развития и поэтому являются удобным объектом для слежения за скоростью и направленностью их генезиса. Понятно, что успех биоосвоения и оздоровления экологического состояния техногенных "пустынь" во многом будет зависеть от кинетики, векторности и масштабности почвообразования на отвалах КМА. Предварительная осведомленность о механизме и стадийности естественного педоногенеза на отвалах позволяет с минимальными экономическими, трудовыми и энергетическими издержками и максимальным экологическим эффектом управлять и ускорять этот процесс в угоду запросам рекультивации. Детальное изучение почвообразования в различных условиях рельефа отвалов дадут возможность создать модель биогеосистем с наиболее совершенными циклами функционирования и прогнозировать их долгосрочное поведение. 92

Известно, что общие законы природы едины. Однако, конкретные природные объекты, располагаясь в разных географических зонах, обладают индивидуальными, только им присущими свойствами. Это приводит к тому, что при конструировании этих объектов возникают определенные ограничения в применении их общих законов развития и функционирования. Иначе говоря, их единые законы генезиса преломляются в каждых конкретных ландшафтно-зональных условиях и приобретают неповторимые самобытные черты. По этой причине всякая наука о сложных экологических системах на каждом новом объекте вынуждена каждый раз заниматься выяснением особенностей и спецификой проявлений общих для них законов развития в каждой конкретной ландшафтно-зональной обстановке.

Что касается экологического оздоровления нарушенных земель КМА, то основной путь их биоосвоения состоит в таком изменении устройства и механизма самоорганизации верхнего их слоя, при котором заново создаются или коренным образом трансформируются его эдафические свойства и состав. Но на каждом конкретном отвале единый подход улучшения ризосферного слоя должен решаться индивидуально в согласии с его многочисленными свойствами. Задача моделирования систем "ландшафт-литооснова-гидрорежим-почва-биоценоз" будет сводиться к отысканию и учету того множества ее свойств, которые более всего играют роль в биосервисе экотопа отвалов. Главный блок модели экотопа должен охватывать показатели биопригодности и эдафические качества почвогрунтов, которые во многом определяются их строением, сложением, резервом и доступностью биофильных элементов, питания, физико-химическими и водно-физическими свойствами. Казалось бы, чем детальней и больше компонентов ландшафта и эдафическнх показателей будет задействовано в модель , тем выше ее возможности и четче обратные связи. Однако похвальное стремление охватить все входящие в систему компоненты, из-за невозможности строгого учета всех связей между ними, увеличивает неопределенность, инвариантность и энтропию модели. Это усложняет формализацию модели, ее использование, осмысление ответов и т. д.

Следовательно, при разработке модели ландшафта и экотопа надо придерживаться "золотой середины", т.е. стремиться отыскать строго ограниченный, но оптимальный круг необходимых параметров, которые полностью бы удовлетворяли модель в информации, но излишне не детализовали и без нужды не усложняли бы ее. Другими словами, нужен некий средний вариант работы модели, которая одновременно не будет перегружена малосущественными деталями и не слишком примитивна и упрощена.

При всем старании в ближайшее время не удастся создать полную информационную модель, которая будет способна предельно точно отражать реальную действительность всех взаимосвязей в ландшафте и поведение его компонентов во всем возможном разнообразии окружающей среды. Да это пока и не нужно. Для начала необходимы всего лишь частные модели, которые смогут с достаточной объективностью решать насущные задачи ландшафтного конструирования на месте конкретных техногенных пустошей. Этого можно добиться беря в расчет только ключевые показатели моделированной системы. При этом самое пристальное внимание должно уделяться приоритетным и крайне динамичным компонентам (даже в ущерб их общей численности). Тем самым удастся избежать загромождения модели вялыми и маловлиятельными деталями. А поэтому, при комплектовании любой модели информацией о ландшафтах, желательно начинать с критического подбора хорошо изученных и взаимно детерменированных (методически апробированных и малотрудоемких по определению) параметров имитационной системы.

Так например, для получения экологически чистой и биологически полноценной растительной сельскохозяйственной продукции на отвалах КМА необходим учет всех свойств ризосферного слоя, которые на прямую или опосредованно влияют на транслокацию токсичных элементов в биомассу растений. Среди множества свойств эдафотопа модель должна отсортировать и отбросить не нужные показатели и оперировать только теми из них, которые способны обезвредить или оградить растения от поступления в их биомассу биовраждебных веществ, тяжелых металлов, например. Как следует из теоретических знаний и эмпирических данных, информация должна ограничиться данными по минералогии и содержанию глин, показаниями реакцией среды, емкости поглощения, количества и соотношения биофильных элементов, их антогонизма и синергизма, аэрационного и водного режимов. Но на стадии адаптации модели и погружения ее в оболочку компьютерной программы, этот набор желательно сократить или попытаться отыскать пути учета одних параметров через другие. И только после того, как будут построена максимально простая в использовании модель, которой будет под силу давать приемлемые и заведомо известные (контрольные) ответы, есть смысл эту модель усложнить путем ввода в нее всю известную на сегодня информацию о ландшафтах.

В дальнейшем следует попытаться расширить ее сферу применения за счет обогащения информацией о трансформации компонентов ландшафта в меняющейся зонально-географической и ландшафтно-геохимической среде. Но главное то, чтобы с самого начала модель надежно работала как снизу вверх, так и наоборот, сверху вниз, т.е. напрямую и обратно. Говоря проще, она должна с одинаковым успехом и без потери информации менять на противоположный вектор расчета и хорошо укладываться в латеральных плоскостях. Необходимо предусмотреть случаи, когда за счет ограниченной базы данных и получении диффузных ответов модель могла бы запросить необходимый объем информации по конкретным параметрам экосистем.

Загрузив модель экотопа данными лито-шламмовых характеристик отходов производства КМА можно легко получить последовательную серию ответов по созданию, например, оптимального варианта экологически безопасного ризосферного слоя.Или наоборот, поставив перед моделью задачу построения почвогрунтовых композиций с атрибутами зональных черноземов, на выходе будет получен ответ о экологических изъянах этого проекта. Оперируя количественными параметрами систем можно будет отыскать вариант создания экотопа с минимальными затратами без ущерба его свойств.

Создав частные модели биоценозов, почв, гидрологии и геохимии ландшафта, позволительно будет их объединить одной общей моделью ландшафтного реконструирования. А уж ее попытаться слить с экономическими, техническими, энергетическими и другими модельными блоками. В результате этого можно получить всеобъемлющую эколого-соци-альную модель взаимоотношения человека и окружающей среды.