Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран бассейна Балтийского моря тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат географических наук Степанова, Елена Владимировна

• Степанова, Елена Владимировна
• кандидат географических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат географических наук Степанова, Елена Владимировна

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИИ И СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

1.1. Физико-географическая, гидролого-климатическая и гидрохимическая характеристики Балтийского моря

1.2. Характеристика речного стока в Балтийское море

1.3. Физико-географическая, социально-административная и хозяйственно-экономическая характеристики водосборного бассейна Балтийского моря

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМА ЭВТРОФИРОВАНИЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

2.1. Биогенные элементы, лимитирующие первичную продукцию в Балтийском море

2.2. Особенности биогеохимических циклов азота и фосфора в Балтийском море

2.3. Основные источники поступления соединений азота и фосфора в Балтийское море

2.4. Баланс биогенных элементов в Балтийском море

2.5. Влияние развития процесса эвтрофирования на экосистему Балтийского моря

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ НОРМИРОВАНИЯ УРОВНЕЙ ЭКСПОРТА АЗОТА И ФОСФОРА В БАЛТИЙСКОЕ 90 МОРЕ

3.1. План действий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю

3.2. Однопараметрический подход к оценке влияния характеристик водосборных суббассейнов на экспорт фосфора в Балтийское море

3.2.1. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от площади водосборных суббассейнов

3.2.2. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от относительной урбанизированности территорий стран ХЕЛКОМ

3.2.3. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от относительной аграрности территорий стран ХЕЛКОМ

3.2.4. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от относительной заселенности территорий стран ХЕЛКОМ

3.2.5. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от относительной облесенности и озерности территорий стран ХЕЛКОМ

3.3. Двухпараметрический подход к оценке влияния характеристик водосборных суббассейнов на экспорт фосфора в Балтийское море 119 3.3.1. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от площади и аграрности территорий стран XEJIKOM

3.3.2. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от площади и урбанизированности территорий стран ХЕЛКОМ

3.3.3. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от площади и заселенности территорий стран ХЕЛКОМ

3.3.4. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от урбанизированности и аграрности территорий стран ХЕЛКОМ

3.3.5. Оценка зависимости экспорта фосфора в Балтийское море от заселенности и аграрности территорий стран ХЕЛКОМ

3.4. Разработка метода расчета предельных уровней экспорта фосфора в Балтийское море с учетом отклонения его фактического поступления от теоретического

3.5. Разработка метода расчета предельных уровней экспорта фосфора в Балтийское море с учетом фоновых поступлений

3.6. Разработка методов расчета предельных уровней экспорта азота в Балтийское море

3.6.1. Оценка применимости однопараметрических линейных зависимостей для разработки принципов нормирования поступления азота в Балтийское море

3.6.2. Оценка зависимости антропогенной составляющей экспорта азота в Балтийское море от площади и заселенности территорий стран ХЕЛКОМ

3.6.3. Оценка зависимости антропогенной составляющей экспорта азота в Балтийское море от площади и аграрности территорий 149 стран ХЕЛКОМ

3.7. Расчет предельных уровней экспорта биогенных элементов на субакватории Балтийского моря

3.8. Предельно допустимые концентрации валового фосфора и общего азота в реках бассейна Балтийского моря

ГЛАВА 4. ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ ОЦЕНКА ВЫНОСА ФОНОВОЙ

И АНТРОПОГЕННОЙ БИОГЕННОЙ НАГРУЗКИ С ВОДАМИ РЕК БАССЕЙНА БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

4.1. Метод расчета антропогенной и природной составляющих биогенного стока рек по М. П. Максимовой

4.2. Разработка методики оценки выноса фоновой биогенной нагрузки с водами контролируемых рек на основе фоновых эмпирических коэф фициентов

4.3. Метод расчета антропогенной и природной составляющих биогенного стока рек по Дж. Дэвис и Дж. Цобристу

4.4. Расчет фонового стока фосфора с водами неконтролируемых рек

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоэкологическое обоснование предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран бассейна Балтийского моря»

Актуальность диссертационного исследования. Современное развитие Балтийского моря как элемента географической среды определяется принадлежностью его бассейна к числу наиболее густонаселенных и высокоразвитых районов мира с высокой концентрацией промышленности и интенсивным сельским и лесным хозяйством, что наряду с природными особенностями Балтийского моря является причиной его повышенной чувствительности к антропогенному воздействию.

Анализ состояния морской среды Балтийского моря в течение нескольких последних десятилетий привел экспертов Хельсинкской Комиссии по защите морской среды Балтийского моря (ХЕЛКОМ) к выводу о том, что основные негативные изменения в море связаны с процессом эвтрофирования, причем в многолетнем масштабе ведущей причиной эвтрофикации Балтийского моря является возрастание антропогенной нагрузки органического вещества и биогенных элементов, тогда как изменениями природных факторов определяются лишь фоновые межгодовые колебания, усиливающие или ослабляющие антропогенное воздействие.

15 ноября 2007 г. в г. Краков странами-членами ХЕЛКОМ был принят План действий по Балтийскому морю (ПДБМ), который является долгосрочным стратегическим документом, направленным на сокращение загрязнения морской среды и восстановление благополучного экологического состояния Балтийского моря к 2021 г. ПДБМ предусматривает снижение поступления соединений азота и фосфора в Балтийское море к 2016 г. на 135000 т и 15250 т соответственно. В 2010 г. страны-члены ХЕЛКОМ должны представить национальные программы по реализации достигнутых соглашений, оценка эффективности которых будет, проведена в 2013 г. Предполагается введение экономических санкций за невыполнение принятых странами обязательств.

Актуальность настоящего диссертационного исследования обусловлена необходимостью выполнения Российской Федерацией международного соглашения по снижению биогенной нагрузки; на Балтийское море.

Цель диссертационного исследования заключалась в геоэкологическом обосновании предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран ХЕЛКОМ в Балтийское море.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Собрать, обобщить и проанализировать данные литературы о современном геоэкологическом состоянии Балтийского моря и его водосборного бассейна.

2. Проанализировать основные причины и современные масштабы эв-трофирования Балтийского моря.

3. Выявить основные геоэкологические факторы, влияющие на поступление биогенных элементов в Балтийское море с территории водосборного бассейна.

4. Оценить относительную значимость выявленных факторов в их совокупном влиянии на формирование биогенного стока в Балтийское море.

5. Предложить метод обоснования предельно допустимых концентраций общего азота и валового фосфора для крупнейших рек бассейна Балтийского моря.

6. Разработать методы дифференцированной оценки фоновой (природной) и антропогенной составляющих биогенного стока с водами контролируемых рек бассейна Балтийского моря.

7. Предложить метод оценки фоновой составляющей биогенного стока с водами неконтролируемых рек бассейна Балтийского моря.

Материалы и методы исследования. В диссертационном исследовании были использованы данные ХЕЛКОМ и Северо-Западного Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (СЗ УГМС). В качестве методов исследования использовались современные средства математико-ста-тистической обработки данных.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Принципы,оценки предельных уровней экспорта биогенных элементов с территорий стран ХЕЛКОМ в Балтийское море.

2. Методы дифференцированной оценки фоновой и антропогенной составляющих биогенного стока с водами контролируемых рек бассейна Балтийского моря.

3. Метод оценки фоновой составляющей стока валового фосфора с водами неконтролируемых рек бассейна Балтийского моря.

Научная новизна работы:

1. Впервые сформулированы принципы оценки предельных уровней экспорта биогенных элементов в Балтийское море с территорий стран ХЕЛКОМ, позволяющие учесть неоднородность Балтийского бассейна.

2. Разработан метод оценки максимально допустимого биогенного стока с территорий стран бассейна Балтийского моря с учетом фоновой составляющей стока.

3. Впервые на основании величин допустимых нагрузок на субакватории Балтийского моря оценены предельно допустимые концентрации валового фосфора и общего азота для крупнейших рек бассейна с учетом площадей их водосборных бассейнов и средних многолетних расходов воды.

4. Разработан метод расчета фоновой составляющей стока валового фосфора с водами неконтролируемых рек бассейна Балтийского моря.

Практическая значимость работы. Результаты работы позволяют выработать рекомендации по корректному распределению уровней биогенной нагрузки на Балтийское море и его субакватории с территорий стран Балтийского бассейна.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом большого количества литературных источников и применением современных методов математико-статистической обработки данных.

Личный вклад автора заключается в-постановке проблемы, методическом обеспечении ее решения и анализе полученных результатов.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (Санкт-Петербург, 22 января 2008 г., 27 января 2009 г.), на IX и X международных экологических форумах «День Балтийского моря» (Санкт-Петербург, 11-13 марта 2008 г., 17-19 марта 2009 г.), на ежегодной межвузовской научно-методической конференции LXI Герценовские чтения «География и смежные науки» (Санкт-Петербург, 24-25 апреля 2008 г.), на региональной молодежной конференции «Современные экологические проблемы и их решение: взгляд молодежи» (Санкт-Петербург, 21 октября 2008 г.), на международной конференции «Гармонизация водосборов рек и эстуариев» (Шанхай, 26-30 октября 2008 г.), на всероссийской конференции с международным участием «Водные и наземные экосистемы. Проблемы и перспективы исследования» (Вологда, 24-28 ноября 2008 г.), на международной научно-практической конференции «Географическое образование и наука в России: история и современное состояние» (Санкт-Петербург, 3-4 декабря 2008 г.), на VII международном семинаре «Геология, геоэкология и эволюционная география» (Санкт-Петербург, 19-20 декабря

2008 г.), на заседании рабочей группы по мониторингу, оценке и прикладным исследованиям Совместной Российско-Эстонской комиссии по охране и использованию трансграничных вод (Псков, 16 июня 2009 г.), на V международной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 7-9 июля

2009 г.), на международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие и геоэкологические проблемы Балтийского региона» (Великий Новгород, 23-25 октября 2009 г.).

Публикации. Материалы изложены в 16 публикациях, в том числе в журналах «Вестник Санкт-Петербургского университета» (1) и «Молодой ученый» (2), рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 223 страницах, включает 83 таблицы, 51 рисунок. Список использованных источников включает 200 наименований, в том числе 85 иностранных.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Степанова, Елена Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что расчет величины необходимого сокращения поступления биогенного элемента с территории страны следует заменить расчетом величины его предельно допустимого поступления.

2. Выявлены основные геоэкологические факторы, влияющие на поступление биогенных элементов в Балтийское море с территории водосборного бассейна. На величину экспорта фосфора наибольшее влияние оказывают площадь территории и численность населения, на величину экспорта азота - площади территории и сельхозугодий.

3. Проведена оценка относительной значимости выявленных факторов в их совокупном влиянии на формирование биогенного стока в Балтийское море. Для величины суммарного экспорта фосфора значимость фактора заселенности почти в два раза превышает значимость фактора площади; для величины суммарного экспорта азота значимость фактора площади почти в два раза превышает значимость фактора аграрности. При переходе к величинам антропогенной составляющей биогенного экспорта возрастает значимость факторов, характеризующих интенсивность антропогенной деятельности на водосборе: фактора заселенности - более чем в 8 раз, фактора аграрности - более чем в 3 раза.

4. Разработан метод оценки максимально допустимого биогенного стока с территорий стран бассейна Балтийского моря с учетом фоновой составляющей стока.

5. Предложенный нами метод нормирования биогенного экспорта в Балтийское море с территорий стран ХЕЛКОМ позволяет учесть проводимую рядом стран эффективную природоохранную, политику. Для стран, характеризующихся низкими величинами антропогенной составляющей биогенного экспорта на, акваторию Балтийского моря, рассчитанные в рамках такого подхода относительные уровни требуемого сокращения биогенной нагрузки, обоснованно снижены.

6. Сформулированы принципы оценки предельных уровней экспорта биогенных элементов в Балтийское море с территорий стран ХЕЛКОМ.

7. Предложены индексы нормирования биогенного экспорта для расчета предельных величин экспорта биогенных элементов на субакватории Балтийского моря с территорий стран ХЕЛКОМ.

8. На основании величин допустимых нагрузок на субакватории Балтийского моря оценены предельно допустимые концентрации валового фосфора и общего азота для крупнейших рек бассейна с учетом площадей их водосборных бассейнов и средних многолетних расходов воды.

9. Разработан метод дифференцированной оценки фоновой и антропогенной составляющих биогенного стока с водами контролируемых рек бассейна Балтийского моря, основанный на применении эмпирических фоновых коэффициентов.

10. Предложен метод оценки фоновых концентраций биогенных веществ в реках бассейна Балтийского моря, основанный на зависимости концентраций растворенных веществ в реке от величин обратных расходов воды.

11. Разработан метод оценки фоновой составляющей стока валового фосфора с водами неконтролируемых рек бассейна Балтийского моря.

208

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Степанова, Елена Владимировна, 2009 год

1. АлекинО. А,, Драбкова В. Г., Коплан-Дикс И. С. Проблема эвтрофи-рования континентальных вод // Антропогенное эвтрофирование природных вод. Мат-лы Третьего всесоюзного симпозиума / Под ред. Буяновской А. А. — Черноголовка, 1985. — С. 25-34.

2. Алекин О. А., Ляхин Ю. И. Химия океана. — Л.: Гидрометеоиздат,1984.-344 с.

3. Алябина Г. А. Методические аспекты влияния почвенного покрова водосбора на формы фосфора, поступающего в озера // Методические аспекты лимнологического мониторинга. Л.: Наука, 1988. С. - 140145.

4. Алябина Г. А., Сорокин И. Н. Миграция фосфора и органического вещества в системе «водоем водосборная площадь» // Экологическая химия.-1997.- Т. 6. -№ 3. — С. 165-171.

5. Антонов А. Е. Крупномасштабная изменчивость гидрометеорологического режима Балийского моря и ее влияние на промысел. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

6. Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера /Под. ред. Петровой Н. А. М.-Л.: Наука, 1982. - 304 с.

7. Антропогенное эвтрофирование природных вод//Мат-лы Третьего всесоюзного симпозиума / Под ред. Буяновской А. А. — Черноголовка,1985.-312 с.

8. Бойченко 3. А., Чуян Г. А., Тур О. П. Прогнозирование содержания биогенных элементов в стоке с сельскохозяйственных угодий // Агрохимия. 1985. - № 5. - С. 73-79.

9. Бульон В. В. Эвтрофирование и деэвтрофирование озер как реакция на изменение фосфорной нагрузки с водосборной площади//Теория и практика восстановления внутренних водоемов/Под ред. Румянцева В. А., Кондратьева С. А. СПб: Лема, 2007. - С. 44-54.

10. Вельнер X. А. Регламентирование биогенных веществ для малых рек Балтийского региона // Антропогенное эвтрофирование природных вод. Тезисы докладов на Третьем всесоюзном симпозиуме / Под ред. Буяновской А. А. Черноголовка, 1983. - С. 130-132.

11. Вельнер X. А. Сток биогенных веществ и управление им // Антропогенное эвтрофирование природных вод. Мат-лы Третьего всесоюзного симпозиума / Под ред. Буяновской А. А. Черноголовка, 1985. - С. 222-234.

12. Вельнер X. А., Ярвеюольг А. А. Проблема эвтрофирования Балтийского моря и методы его защиты // Антропогенное эвтрофирование природных вод. Мат-лы Третьего всесоюзного симпозиума / Под ред. Буяновской А. А. Черноголовка, 1985. - С. 35-48.

13. Вернадский В. И. Биогеохимические очерки. M.-JI.: Изд-во АН СССР, 1940.-56 с.

14. Воронков П. П., Соколова О. К. Влияние облесенности водосбора на величину ионного стока//ДАН СССР. Нов. сер. 1951. - Т. 4. -С. 561-564.

15. Геринг Дж. Дж. Роль азота в эвтрофических процессах // Микробиология загрязненных вод. М.: Медицина, 1976. — С. 48-68.

16. Герлах С. А. Загрязнение морей: диагноз и терапия. — JL: Гидрометео-издат, 1985. 263 с.

17. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том П1. Балтийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия /Под. ред. Терзие-ва Ф. С. и др. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. — 450 с.

18. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том III. Балтийское море. Вып. 2. Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биологической продуктивности / Под. ред. Терзие-ва Ф. С. и др. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. — 436 с.

19. Глазовский Н. Ф. Техногенная миграция азота, фосфора, калия и серы на территории СССР // Вестн. МГУ. Сер. 5. Географ. 1976. - №4. -С. 32-43.

20. Гусаков Б. Л., Петрова Н. А. Антропогенное эвтрофирование и состояние озерной экосистемы // Пути совершенствования природопользования в бассейнах больших озер. — Л., 1990. С. 16-29.

21. ДрейперН. Р., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. — М.: Финансы и статистика, 1986. 366 с.

22. Дыскин Б. М. К проблеме оптимальной водоохраной лесистости // Антропогенное эвтрофирование природных вод. Тезисы докладов на Третьем всесоюзном симпозиуме / Под ред. Буяновской А. А. — Черноголовка, 1983.-С. 137-139.

23. Зернова В. В., Доманов М. М. Фитопланктон открытых вод Балтики и Финского залива летом 1995 и 1996 гг. // Доклады Академии Наук. — 1998. Т. 365. - № 5. - С. 715-717.

24. Интегрированное управление водными ресурсами Санкт-Петербурга и Лениградской области / Под. ред. Алимова А. Ф. СПб.: Borey Print, 2001.-420 с.

25. Исаченко А. Г. Основные вопросы физической географии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1953.-391 с.

26. Исаченко А. Г. Введение в экологическую географию. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003.-191 с.

27. Исследование экосистемы Балтийского моря / Под. ред. Изра-эля Ю. А., Цыбаня А. В. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. — 324 с.

28. Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. Женева, 1979.

29. Кондратьев С. А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. — СПб.: Наука, 2007. — 253 с.

30. Коплан-Дикс И. С. Эволюция антропогенного круговорота биогенных элементов и водные проблемы // Изв. АН СССР. Сер. Географ. 1978. - № 6. — С. 49-56.

31. Коплан-Дикс И. С., Назаров Г. В., Кузнецов В. К. Роль минеральных удобрений в эвтрофировании вод суши. — J1.: Наука, 1985. 182 с.

32. Короткова С. В. Геоэкологические особенности бассейна Балтийского моря // Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук. — М., 2008. — 20 с.

33. Кудеярова А. Ю. Формы миграции и аккумуляции фосфора в почвах в условиях антропогенеза//Естественная и антропогенная эволюция почв. Пущино, 1988. - С. 107-115.

34. Ладожское озеро критерии состояния экосистемы / Под. ред. Петровой Н. А., Тержевика А. Ю. - СПб.: Наука, 1992. - 328 с.

35. Ладожское озеро. Прошлое, настоящее, будущее / Под. ред. Румянцева В. А., Драбковой В. Г. СПб.: Наука, 2002. - 327 с.

36. ЛитХ. Моделирование первичной продуктивности Земного шара // Экология. 1974. - № 2. - С. 13-23.

37. Львович М. И. Элементы водного режима рек земного шара // Тр. НИУ. 1945. - Серия 4. - № 18. - 126 с.

38. Максимова М. П. Критерии антропогенного евтрофирования речного стока и расчет антропогенной составляющей биогенного стока рек // Водные ресурсы. 1979а. — №1. — С. 35-40.

39. Максимова М. П. Органическое вещество, биогенные элементы и их баланс в внутриматериковых морях. М.: ОНТИ ВНИРО, 19796. -31 с.46,47,48,49