Квотирование биогенной нагрузки на Балтийское море с учетом фоновой составляющей биогенного стока

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. Усиливается эксплуатация Балтики как источника биологиче­ских ресурсов, приемника сточных вод, транспортной артерии, рекреационной зоны, ис­точника полезных ископаемых.

Основные признаки эвтрофирования в Балтийском море были выявлены раньше, чем на других морских акваториях. Быстрому эвтрофированию Балтийского моря способ­ствует ряд причин, из которых важнейшими являются следующие две. Во-первых, это сравнительно небольшое море, окруженное экономически высокоразвитыми странами; во­досбор Балтийского моря занимает 1720270 км² и почти в 4 раза превышает площадь са­мого моря [5]. Годовой объем речного стока составляет свыше 2 % объема всего моря [1]. Несмотря на принимаемые водоохранные меры, в Балтийское море поступает значитель­ное количество органических загрязнений и биогенных элементов. Вторая причина, содей­ствующая эвтрофированию Балтийского моря, заключается в полузамкнутости этого водо­ема. Замедленный водообмен с Северным морем приводит к тому, что органические веще­ства, как аллохтонные, так и автохтонные, и питательные соли накапливаются в преобла­дающем большинстве в самом море.

Анализ состояния морской среды Балтийского моря в течение нескольких послед­них десятилетий привел экспертов Хельсинкской Комиссии по защите морской среды Балтийского моря (ХЕЛКОМ) к выводу, что основные негативные изменения в море свя­заны именно с процессом эвтрофирования [8]. При этом в многолетнем масштабе ведущей причиной эвтрофи­кации Балтийского моря является возрастание антропогенной нагрузки органическим веществом и биогенными элементами, тогда как изменениями природных факторов определяются лишь фоновые межгодовые колебания, усиливающие или ослаб­ляющие антропогенное воздействие [3].

15 ноября 2007 г. в г. Краков странами-членами ХЕЛКОМ был принят План действий по Балтийскому морю (ПДБМ) [7], который является долгосрочным стратеги­ческим документом, направленным на сокращение загрязнения морской среды и восста­новление благополучного экологического состояния Балтики к 2021 г. ПДБМ предусмат­ривает снижение поступления соединений азота и фосфора в Балтийское море  к  2016 г. на 135000 т и 15250 т соответственно. Величины необходимого снижения поступле­ний соединений азота и фосфора в Балтийское море были установлены на основе предло­женной шведскими учеными физико-биогеохимической  модели «Baltic NEST» [9], кото­рая позволяет учитывать тесную взаимосвязь различных субакваторий (рисунок 1) Бал­тийского моря. Необходимость такого системного подхода продиктована тем обстоятель­ством, что изменения в количестве поступающих биогенных элементов и связанные с ними изменения характеристик состояния одного из субрегионов будут оказывать влия­ние на все остальные субакватории моря.

Рис. 1.  Принятое районирование Балтийского моря [2]

 

1 – Ботнический залив; 2 – Ботническое море; 3 – Финский залив; 4 – Рижский залив; 5 – Центральная Балтика; 6 – Датские проливы; 7 – Каттегат

 

Распределение величин требуемого сокращения экспорта биогенных элементов  между странами-членами ХЕЛКОМ – Финляндией, Швецией, Данией, Россией, Латвией, Литвой, Эстонией, Германией и Польшей, – проводилось на основании двухэтапного подхода. На первом этапе было рассчитано, на какую величину может быть сокращен экспорт  биогенных элементов с территории каждой страны за счет улучшения очистки сточных вод по сравнению с уровнем 2004 г. до уровня требований существующих Рекомендаций ХЕЛКОМ 28Е/5, 28Е/6 и Директивы ЕС по очистке городских сточных вод [7]. На втором этапе проводилось распределение оставшейся доли требуемого сокращения поступления биогенных элементов между странами ХЕЛКОМ по субакваториям в зависимости от существующей нагрузки с территории страны на данную субакваторию [6].

Необходимо подчеркнуть, однако, что при таком подходе расчет величин требуемых снижений поступлений азота и фосфора с территорий стран бассейна Балтий­ского моря не учитывал в явном виде  физико-географические, социально-административ­ные и хозяйственно-экономические особенности водосборных суббассейнов Балтийского моря, относящихся к разным странам, а также величины фонового (природного) биогенного стока с территорий этих стран.

В настоящее время понятие «водный объект как составная часть ландшафта» получило всеобщее признание; трудно найти правильное объяснение процессов, происходящих в водных объектах, в отрыве от изучения их водосборных бассейнов. Морские водоемы представляют собой гидрологические системы, тесно связанные с водными ресурсами водосборов, и, таким образом, служат индикаторами состояния геосистем суши. Результаты современных исследований свидетельствуют о том, что первопричинами большинства морских экологических кризисов чаще всего бывают процессы, происходящие на их водосборах. Экологическая значимость водосбора для морских акваторий определяется суммой характеристик, отражающих его физико-географические, социально-политические и экономико-хозяйственные особенности [4].

Фоновые поступления для отдельно взятой страны следует воспринимать в качестве атрибутивного фактора ее физико-географических особенностей. Следовательно, фоновые поступления биогенного элемента, будучи объективной реальностью, не могут быть подвергнуты квотированию. Согласно [5] фоновые поступления фосфора составляют от 12 % (Дания) до 53 % (Германия), азота – от 11 % (Дания) до 57 % (Россия) общего экспорта биогенного эле­мента с территории страны. Очевидно, что при такой неоднородности распределения ве­личин фоновых поступлений квотированию должны подвергаться только антропогенные составляющие биогенного экспорта.

Величины антропогенного поступления биогенных элементов с территорий стран Балтийского бассейна, приходя­щиеся на душу населения, также сильно варьируют. Следует отметить, что по этому показателю Польша, на долю которой приходится около 1/3 общего поступления фосфора на акваторию Балтийского моря,  и которую принято считать главным источником экспорта этого элемента на рассматриваемую акваторию, по величине антропогенной составляю­щей экспорта фосфора, приходящейся на душу населения, находится на седьмом месте, опережая только такие страны, как Швеция и Германия (таблица 1).

Таблица 1.  Антропогенное   поступление   азота   q_N^А    и   фосфора   q_P^А   с   территорий стран Балтики,

приходящееся на душу населения

Страна     т·год-1·чел.-1	Польша	Финляндия	Швеция	Россия	Латвия	Литва	Дания	Германия	Эстония
qPА·104	2,5	6,0	1,7	4,1	7,1	4,6	3,5	0,7	4,5
qNА·103	3,8	9,2	12,5	3,8	18,7	11,0	11,2	3,9	13,4

 

В связи с вышеизложенным, цель данной работы заключалась в разработке метода квотирования биогенной нагрузки на Балтийское море, позволяющего учитывать неодно­родность водосборного бассейна и величины фоновых поступлений биогенных элементов с территории водосбора.

Для оценки влияния различных факторов, характеризующих страны водосборного бассейна Балтийского моря, на экспорт биогенных элементов нами был проведен корреляционный анализ зависимости величин общего и антропогенного поступлений соединений азота и фосфора с территорий стран Балтийского региона от таких характеристик, как площадь водосборного бассейна, занимаемая страной, площади сельскохозяйственных угодий, урбанизированных тер­риторий, количество проживающего населения и т.п. В связи с тем, что рассматриваемые пара­метры имеют разные размерности и области значения, использовались их относи­тельные величины. Было установлено, что на величину антропогенной составляющей экспорта азота и фосфора наибольшее влияние оказывают такие параметры, как доли площади водосбора Балтийского моря, относящиеся к странам Балтики (β_i) и относительные величины заселенности (η_i), определяемые как отношение численности населения на территории i-той страны к общей численности населения на водосборе Балтийского моря.

Антропогенная составляющая экспорта фосфора Q_Рi^А связана с введенными выше параметрами β и η со­гласно уравнению:

                                           Q_Рi^А = 1126·(1,00·β_i + 15,3·η_i + 0,510)                                             (1)

Согласно ПДБМ максимально допустимое поступление фосфора на акваторию Балтийского моря составляет  21060 т·год^-1, за вычетом фоновых поступлений (10963 т·год^-1  [5]) фактическое антропогенное поступление фосфора требуется сократить до величины 10097 т·год^-1. Квоты на антропогенную составляющую экспорта фосфора были нами распределены ме­жду странами пропорционально выражению в скобках в уравнении (1). При этом очевидно, что коэффициент перед переменной определяет относительную значимость введенного параметра. Следовательно, влияние на  экспорт фосфора, обусловленного антропогенной деятельностью, фактора заселенности в 15 раз более существенно, чем влияние фактора β.

Уравнение для расчета квот на антропогенную составляющую поступления фосфора Q_Рi^А_max имеет вид:

                                        Q_Рi^А_max = 483,5·(1,00·β_i + 15,3·η_i + 0,510)                                          (2)

Коэффициент пропорциональности перед выражением в скобках вычислялся исходя из условия равенства суммы квот для всех стран максимально допустимой величине антропогенной составляющей экспорта фосфора на акваторию Балтийского моря. 

Квоты на общее поступление фосфора Q_Рi^max были определены как сумма Q_Рi^А_max и заяв­ленного странами фонового поступления фосфора Q_Pi^ФОН  [5] (таблица 2).

 

Таблица 2.  Квоты   на   поступление   фосфора   и   требуемые   уровни   снижения  поступления  фосфора  ΔQ_Рi,  определенные  на  основании  параметров  β   и   η  c  учетом фоновых поступлений

Примечание. ^*Относительно фактического ежегодного поступления от страны по состоянию на 2000 г. [5].

 

Расчет квот на экспорт азота с учетом величин его фоновых поступлений осуществ­лялся на основе полученной зависимости антропогенной составляющей экспорта азота Q_Ni^А от выбранных параметров β, η:

                                          Q_Ni^А = 88134·(1,00·βi + 2,30·ηi + 0,245)                                         (3)

Фоновые поступления азота на акваторию Балтийского моря составляют величину 259518 т·год^-1  [5]. Согласно ПДБМ  [7] нагрузка на Балтийское море не должна превышать по азоту 601720 т·год^-1.  За вычетом фоновых поступлений антропогенное поступление азота требуется сократить до величины 342202  т·год^-1. Принимая, что квота на экспорт азота должна быть пропорциональна величине (1,00·β_i + 2,30·η_i + 0,245), с учетом величины максимально допустимой антропогенной составляющей для расчета квот на поступление азота с территорий стран Балтики нами было получено уравнение:

                                     Q_Ni^А_max = 62162·(1,00·β_i + 2,30·η_i + 0,245)                                           (4)    

Квоты на общее поступление азота Q_Ni^max были определены как сумма Q_Ni^А_max и заяв­ленного странами фонового поступления азота Q_Ni^ФОН  [5] (таблица 3).

 

Таблица 3. Квоты на поступление азота и требуемые уровни снижения поступления азота, определенные на основании параметров β и η c учетом фоновых поступлений

Примечание. ^*Относительно фактического ежегодного поступления от страны по состоя­нию на 2000 г. [5].

 

Полученные результаты (табл. 2 и 3) показывают, что учет величин фоновых поступлений и неоднородности водосборной территории приводит для ряда стран к величинам квот, которые могут существенно отличаться от заложенных в ПДБМ.  Наши расчеты показывают, что в отличие от приведенных в ПДБМ данных сокращение поступления фосфора с территории Германии и азота с территории Германии и России на акваторию Балтийского моря в целом не представляется необходимым. Величины квот на экспорт фосфора для таких стран, как Польша, Швеция, Россия, Литва, и на экспорт азота для Польши, Швеции, Эстонии на наш взгляд должны быть выше установленных в ПДБМ.

Следует подчеркнуть, что при расчете величин квот на поступление биогенных эле­ментов предложенным методом результаты в значительной степени определяются вели­чинами заявленных странами Балтики фоновых поступлений азота и фосфора.

 

Литература:

1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том III. Балтийское море. Вып. 1. Гид­рометеорологические условия / Под. ред. Терзиева Ф. С. и др. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 450 с.

2. Исследование экосистемы Балтийского моря / Под. ред. Израэля Ю. А., Цыбаня А. В. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 324 с.

3. Савчук О. П., Гутшабаш Е. Ш. Моделирование многолетней динамики веще­ства // Проект «Балтика». Проблемы исследования и математического моделирования эко­системы Балтийского моря. Вып. 4. Основные тенденции эволюции экосистемы / Под ред. Давидана И. Н., Айтсама А. М.– Л.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 125-144.

4. Фащук Д. Я., Сапожников В. В. Антропогенная нагрузка на геосистему море-водосбор и ее последствия для рыбного хозяйства (методы диагноза и прогноза на примере Черного моря). – М.: Изд-во ВНИРО, 1999. 124 с.

5. HELCOM, 2004.   The  fourth  Baltic  Sea pollution load compilation (PLC-4) // Balt. Sea Environ. Proc. No. 93. 189 p.

6. HELCOM BSAP EUTRO EXP/2007 // Expert Meeting for the Eutrophication Segment under the HELCOM Baltic Sea Action Plan. – Helsinki, Finland, 27-28 August 2007. 33 р.

7. HELCOM Baltic Sea Action Plan // HELCOM Ministerial Meeting. Krakow, Poland, 15 November 2007. 101 p.

8. HELCOM, 2009. Eutrophication in the Baltic Sea – An integrated thematic assessment of the effects of nutrient enrichment in the Baltic Sea region // Balt. Sea Environ. Proc. No. 115B. 149 p.

9. http://nest.su.se/nest/.