Экологическое зонирование территорий с учетом роли сохранившихся естественных экосистем (на примере г. Киева)

load, multidimensional statistical analysis.

al., 2015; Костина, 2017). Комплексное антропогенное влияние осуществляют промышленность, коммунальное хозяйство, транспорт, рекреация населения, масштабные выбросы загрязняющих веществ, в том числе не разлагаемых, чуждых биосфере, в окружающую природную среду (ОПС).

Ученые всего мира работают в сфере решения вопросов уменьшения антропогенного пресса на природу и тем самым, сохранения биосферы, например в сфере устойчивого развития (Лавров, 2009; Mikhailova, Pleshanov et al., 2011; Костина, Розенберг и др., 2014; Костина, 2017), сохранения ландшафтов (Лавров, 2003, 2009) и биоразнообразия (Лавров, 2003; 32

Venevsky, 2006; Pártl, Vačkář et al., 2017), экологической оценки, нормирования, контроля, прогнозирования антропогенных нагрузок на ОПС (Гелашвили, Басуров и др., 2003; Костина, 2017). Приоритетным направлением экологических исследований является оценка масштабов антропогенной нагрузки и границ устойчивости экосистем к ней. Ученые разрабатывают направления интегрального оценивания состояния урбоэкосистем, природных систем в условиях городов (Seidling, 2005: Venevsky, 2006; Mikhailova, Pleshanov et al., 2011); предотвращения экологических рисков для лесных и ур-боэкосистем (Mill, 2000; Graham, Quigley et al., 2000; Ji-yuan, Watanabe et al., 2002; Xu et al., 2015; McDonough et al., 2017; Pártl et al., 2017); изучение градиентов урбанизации (Veselkin et al., 2015; Вuyvolova, Trifonova, 2016); принципов индикации устойчивости экосистем (Лавров, 2003, 2009; Xu et al., 2015). Обоснованы интегральные оценки антропогенной нагрузки на урбоэкосистемы, сочетающие биоэкологиче-ские, эколого-экономические и социальные показатели (Гелашвили, Басуров и др., 2003; За-знобина 2007, 2008; Костина, Розенберг и др., 2014). Поэтому активизация исследований в сфере оценки состояния природных экосистем зеленых зон вокруг промышленных городов является весьма актуальной задачей.

В экологии город ряд ученых рассматривают как сложную открытую зависящую от человека экосистему и подразделяя на более простые либо сравнивая с некой «идеальной» или природной экосистемой, исследуют процессы и проблемы, в нем происходящие. Наиболее удачным на наш взгляд для анализа техногенного воздействия на ОПС городских агломераций является понятие города как гетеротрофной экосистемы у Ю. Одума (1986), с чем согласны и ряд других ученых (Лавров, 2003, 2009; Зазнобина 2007, 2008; Беднова, 2012). В связи с накоплением отходов в городской среде (атмосфере, гидросфере, почве) урбоэкосисте-мы крайне неустойчивы и не могут находиться в равновесном регулируемом состоянии, поэтому их относят к категории «экологических паразитов» (Pártl, Vačkář et al., 2017), а некоторые авторы, учитывая глубину преобразования природных экосистем – к катастрофическим. Природа не может справиться с последствиями урбанизации, поскольку теряет способность к саморегуляции и восстановлению (Беднова, 2012, Антомонов, Русакова и др., 2015; Pártl et al., 2017), что ведет к глобальным процессам опустынивания, потепления климата, перераспределения наземных экосистем и границ мирового океана.

Условием устойчивости и саморегуляции экосистем является сохранение функционирования и направленности биогеохимических циклов, потоков энергии, вещества, информации (Гелашвили, Басуров и др., 2003) и структурно-функциональной организации самой экосистемы (Лавров, 2003). В пределах урбоэкоси-стем оценки равновесности процессов, нарушения связей, состояния структурных компонентов, устойчивости, является сверхсложной и важной задачей эволюционной экологии. Остатки природных экосистем в пределах ур-ботерриторий являются стабилизирующими звеньями и требуют подходов к своему сохранению и использованию. Разработка системы методов оценки уровня антропогенного воздействия на их территории должна производиться с учетом роли сохранившихся естественных экосистем, как стабилизирующих компонентов; в условиях урбоэкосистемы ими могут выступать зеленые насаждения (Гелашвили, Басуров и др., 2003; Лавров, 2003, 2009).

Поскольку в сложных биологических системах трудно вести исследование процессов, явлений и взаимосвязей из-за сложности учитывания всех факторов влияния, учеными предложены интегральный (Костина, Розенберг и др., 2014; Рыбак, 2015; Костина, 2017) и системный подходы (Лавров, 2003, 2009; Беднова, 2012) в этом классе исследований биологических объектов (рис. 1).

Благодаря математическим и статистическим методам стало возможно компактно и информативно описывать и анализировать большое количество разнородных данных для максимально объективного отражения реального состояния исследуемого объекта, что особенно актуально для экосистем как сложных иерархических открытых структур. Важное место в анализе больших массивов данных занимают методы формирования интегральных показателей состояния исследуемых систем, являющихся способом информативной свертки множества исходных показателей в один. Несмотря на довольно сложную последовательность формирования, сам интегральный показатель позволяет исследователю с одной стороны существенно упростить работу с данными (скорость расчета и простота интерпретации), а с другой - повысить качество анализа, оценки, сравнения сложных систем по множеству исходных показателей, как каждую в отдельности, так и несколько вместе (Антомонов, Русакова и др., 2015). Интегральные показатели, как объединение многих исходных переменных в одну характеристику, могут быть инструментом критериальной оценки, сравнительного сопоставле-33

ния объектов между собой, выбора лучшей альтернативы, описания динамики изменения системы, прогнозирования ее состояния в будущем. Они обнаруживают, моделируют и объясняют законы поведения целых явлений в сложных системах, но их существенным недостатком является то, что агрегируя массив данных, они могут не учитывать некоторые важные параметры явлений, которые описывают, в результате чего возникают разногласия в оценках состояния исследуемых объектов по разным показателям (Антомонов и др., 2015), особенно в сложных биологических системах, для которых характерны явления аддитивности, эмер-джентности, инерционности, резистентности связей и процессов, протекающих в них. Известно, что сложные системы обладают простыми (аддитивными) и сложными (неаддитивными) свойствами (Костина и др., 2014). Как доказывает репрезентативная теория измерений, такие показатели сложных характеристик сложных систем являются, как правило, неаддитивными и их агрегирование нельзя проводить путем расчета средневзвешенных величин, поскольку имеет место проявление экологического принципа лимитирующих факторов и закона критических значений фактора, т.е. если лишь один из анализируемых параметров экосистемы превысил летально опасный уровень, а все остальные показатели находятся на безопасном уровне воздействия, то комплексный индекс, построенный с использованием гипотезы аддитивности, может оценить текущую экологическую обстановку как вполне стабильную, хотя она является катастрофической. Поэтому другим возможным вариантом синтеза комплексных показателей является метод оценки расстояния до критического звена, например, использование в качестве метрики пространства расстояния по Евклиду, тогда будет подчеркнуто влияние отдельных координат, имеющих аномально большие разности, поскольку они возводятся в квадрат (получается, своего рода, «мера диссонанса» (Брагазин и др., 2014; Костина и др., 2014) (рис. 2).

Объект исследования - Киев -□ крупнй-ший город, столица, промышленный, научный и культурный центр Украины; расположен в центре Восточной Европы, на севере Украины, на границе Полесья и Лесостепи по обе стороны реки Днепр, что определяет сложность и контрастность его ландшафтной структуры. Площадь города 836 км², включая зеленую зону (460 км2 или 55%), акватории (62 км2, 7%), искусственные урбоэкоситемы (314 км2, 38%), застроенные земли города - 364,0 км2 (43,5%) (Рішення КМР…, 2005; Статистичний щоріч- ник…, 2017). Совокупное население Киева, вместе с незарегистрированными гражданами -3,14 млн чел. (Статистичний щорічник…, 2017). Вместе с окружающими пригородами Киев образует Киевскую агломерацию с совокупным населением по разным оценкам от 3,4 до 5 млн жителей и является показательным объектом значительной антропогенной нагрузки. Мегаполис имеет мощную систему зеленых насаждений и объектов природно-заповедного фонда. Наибольшую долю зеленой зоны города составляют хвойные и смешанные леса - 327 км2 (39%), лиственные леса занимают площадь 42 км2 (5%), агроэкосистемы, парки и скверы охватывают 33 км2 (4%), на 1 городского жителя приходится 19 м2 зеленых насаждений в пределах селитебных территорий. Сеть парков, скверов, бульваров, озелененных улиц и других насаждений тесно связана за счет «зеленых клиньев» с насаждениями лесопаркового пояса, окружающего город (Святошинское, Пуща-Водицкое лесничества, лесопарковое хозяйство «Конча-Заспа»), а дальше, за пределами города, с периферийной частью зеленой зоны. Территория зеленых насаждений всех видов в пределах города составляет около 56,5 тыс. га или 67,4% всей площади (Рішення КМР…, 2005; Статистичний щорічник …, 2017). В то же время комплексное антропогенное влияние на экосистемы города осуществляется по трем векторам: промышленное загрязнение, автотранспорт, рекреация, и, следовательно, - высокие объемы твердых отходов. Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Киеве как одно из последствий урбанизации представляет угрозу здоровью населения и ОПС. Аэротехно-генное загрязнение города обусловлено выбросами стационарных (промышленные предприятия, ТЭЦ) и передвижных источников (речной и автотранспорт, авиационная техника). Объемы выбросов аэрополлютантов от стационарных и передвижных источников свидетельствуют о ежегодном росте вредных выбросов в атмосферу. В частности, самыми опасными для зеленых насаждений городов являются чрезмерные концентрации аэрофитотоксикантов NH3, NOх (NO, NO2, NO3), SO2, формальдегид, фенол, тяжелые металлы (Cu, Pb, Ni, Cr, Cd, Со, Zn), источниками поступления в ОПС которых являются промышленные предприятия, ТЭЦ и автотранспорт (Гончар, Гродзинська и др., 2016; Основні показники охорони …, 2017).

Наши исследования направлены на совершенствование методических основ интегральной оценки состояния парковых лесных экосистем в условиях больших городов (на примере г. Киева) и определения направления процес-34

сов, происходящих в них (Гончар, Гродзинська и др., 2016; Мірошник, Тесленко, 2018; Мірош-ник та ін., 2018), что позволяет оценить их состояние под влиянием комплексной антропогенной нагрузки, выявить наиболее острые экологические проблемы и предложить меры, направленные на их сохранение и поддержание. Для дальнейших исследований состояния парковых экосистем, как стабилизирующих структур урбоэкосистемы Киева, возникла необходимость оценить базовый уровень антропогенной нагрузки. Таким образом, цель работы - оценить экологическую ситуацию в административных районах г. Киева с помощью расчета интегрального индекса антропогенной нагрузки по (Зазнобина, 2007, 2008) и риск - оценки (Ємельянова, 2017), провести экологическое зонирование по степени экологического неблагополучия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для количественной оценки антропогенной нагрузки на административные районы Киева нами использован интегральный индекс антропогенной нагрузки ( J ан ), предложенный (Гелашвили, Басуров и др., 2003; Зазнобина, 2007, 2008; Брагазин, Маркелов и др., 2014) по формуле (1). Нормирование проводили путем деления текущего значения показателя для данного административного района на его суммарное значение в целом по городу. Для анализа антропогенной нагрузки на территорию г. Киева использовали официальные статистические данные (Основні показники охорони…, 2017; Статистичний щорічник…, 2017), а так же (Та-рабан, 2013; Ємельянова, 2017; Цимбалюк, 2017).

n

J ai = (а-д - к ) - -£ I i ,               (1)

n i = 1

где: а □ коэффициент нарушенное™ хозяйственной деятельностью территории;

р – нормированная плотность населения;

I i - нормированный базовый показатель, i = 7; к - размерный множитель, к =10;

n - число параметров .

Индекс антропогенной нагрузки рассчитан на основе семи базовых нормированных показателей:

• I 1    - суммарный показатель загрязнения атмосферного воздуха веществами (формальдегид, бенз/а/пирен, нитрозодиметиламин, нитрозоди-этиламин, кадмий, никель, свинец, хром) в разных районах г. Киева ( С/ПДК×k , где С - концентрация вещества, ПДК - предельно допустимая концентрация в воздухе, к - коэффициент, учитывающий класс опасности вещества:

для 1-го класса - 0,8; 2-го - 0,9; 3-го - 1,0; 4-го - 1,1) (Цимбалюк, 2017, с. 105);

• I₂    - количество предприятий, которые осуществляли выбросы в окружающую среду, единиц (Основні показники охорони…, 2017; Ста-тистичний щорічник…, 2017);

• I₃    - концентрации приоритетных канцерогенных веществ в атмосферном воздухе различных районов г. Киева (усредненные данные за год, мкг/м³) (Цимбалюк, 2017);

• I₄    - выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух стационарными источниками загрязнения по районам в 2016 году, тыс. т (Статистичний щорічник…, 2017);

• I₅    - забор, сброс и безвозвратное водопользование в 2016 году по районам, млн м³ (Статистичний щорічник …, 2017);

• I 6    - образование отходов по классам опасности в 2016 году по районам, тыс. т (Статистичний щорічник…, 2017);

• I 7    - насыщенность территории города уличнодорожной сетью в пределах районов, км/км² (Тарабан, 2013) (табл. 1).

Нормированная плотность населения (р) и нарушенность хозяйственной деятельностью территорий (α), фактически характеризуют их «экологическую емкость» (Зазнобина, 2008) и, таким образом, учитывают площадь сохранив- шихся естественных экосистем.

Коэффициент нарушенности хозяйственной деятельностью территории (α) вычисляли как соотношение ненарушенных и нарушенных земель, где в качестве ненарушенных территорий были взяты площади зеленых насаждений в каждом административном районе, а в качестве нарушенных – общая площадь каждого административного района (ф-ла 2).

sA - -S . s д - га         с. г.             ° с i а =-------— = 1--с

° д - ia              ° д - ia

где: S р-н - площадь административного района, км 2 ; S з.н. - площадь зеленых насаждений в данном районе, км².

При увеличении доли зеленых насаждений, когда значение S _з .н. приближается к таковому S р-н, нарушенность снижается и а стремится к 0. Напротив, при S з .н. стремящейся к 0, нару-шенность возрастает, при этом α стремится к 1, а J ан - к максимальным значениям (Зазнобина, 2008).

Нормированную плотность населения вычисляли по формуле:

д - га ^д =1, ^и агдгаа

(3),

где: Р р-н – плотность населения административного района, чел/км²; Р города – плотность населения города, чел/км².

Затем рассчитывали величину классового интервала по формуле (Зайцев, 1990):

C = ^[( X max - X min ) " ^lg 2 ^]                        (4)

lgN где: Xmax – максимальное значение индекса антропогенной нагрузки;

Х_min – минимальное значение индекса антропогенной нагрузки;

N – объем выборки, соответствует числу значений индекса антропогенной нагрузки в пределах интервала (min ÷ max).

Рис. 1. Схема оценивания экологической ситуации в пределах урбоэкосистемы г. Киева с учетом роли сохранившихся естественных экосистем с помощью интегрального индекса антропогенной нагрузки

Экологический риск ( Risk) для рассматриваемого состояния экосистем оценивали по вероятностной характеристике несоответствия для экосистемы в целом, где Risk = - I*ln (1-1) (5) (Сме-льянова, 2017). Таким образом определяем нагрузку на урбоэкосистемы, а дополнительное использование риск - □ анализа позволяет спро-гнозировать последствия антропогенного воздействия на ОПС (Ємельянова, 2017) (рис. 1).

Но учитывая, что значения J ан для условий Киева больше единицы, то формула была модифицирована: Risk = -I*ln (1/1) (6).

При увеличении значений риска возрастает вероятность дестабилизации урбоэкосистемы, что напрямую зависит от площади и состояния зеленых насаждений города и концентрации аэрофитотоксикантов в воздухе (табл. 2).

Расчеты проводили с помощью программ Microsoft Exel, Statistica 10. Для построения карты города, отражающей экологическую си- туацию использовали пакет графических редакторов Corel Draw.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

C помощью интегрального индекса антропогенной нагрузки ( J aн ) была оценена экологическая обстановка в каждом административном районе г. Киева по уровню загрязнения атмосферного воздуха, водных объектов, насыщенностью территории города улично-дорожной сетью и т.п. в 2016 г. (табл. 1, 2).

По формуле (4) рассчитана величина классового интервала, составившая 3,43, что позволило выделить пять классов экологической ситуации (табл. 3). На основе рассчитанных значений J aн и в соответствии с установленными градациями экологической ситуации построена карта экологического зонирования административных районов г. Киева (рис. 3).

Таблица 1

Значения базовых нормированных показателей индекса антропогенной нагрузки

Районы г. Киева	I 1	I 2	I 3	I 4	I 5	I 6	I7	ά	р
Голосеевский	0,85	0,15	0,57	0,14	0,935	0,05	0,11	0,93	0,45
Дарницкий	1,56	0,06	1,64	0,04	0,002	0,08	0,13	0,97	0,74
Деснянский	0,87	0,04	0,27	0,15	0,011	0,01	0,10	0,96	0,72
Днепровский	1,05	0,09	0,53	0,57	0,029	0,23	0,19	0,83	1,52
Оболонский	0,85	0,13	0,62	0,01	0,007	0,02	0,12	0,94	0,84
Печерский	1,20	0,05	0,98	0*	0,001	0,07	0,53	0,81	2,26
Подольский	1,17	0,10	1,14	0,02	0,001	0,01	0,45	0,94	1,68
Святошинский	0,84	0,10	0,90	0,02	0,003	0,01	0,17	0,97	0,95
Соломенский	0,83	0,16	1,71	0,02	0,002	0,06	0,53	0,93	2,61
Шевченковский	1,59	0,12	1,63	0,02	0,009	0,46	0,67	0,82	2,43

Примечание. * - нет данных официальной статистики.

Таблица 2

Экологическая ситуация в административных районах г. Киева в 2016 г. по значениям индекса антропогенной нагрузки и риска

Районы г. Киева	Индекс антропогенной нагрузки ( J ан )	Характеристика экологической ситуации	Risk - оценка
Голосеевский	1,66	Очень хорошая	0,84
Дарницкий	3,64	Хорошая	4,70
Деснянский	1,42	Очень хорошая	0,50
Днепровский	4,85	Хорошая	7,66
Оболонский	1,99	Очень хорошая	1,37
Печерский	7,39	Удовлетворительная	14,78
Подольский	6,49	Хорошая	12,14
Святошинский	2,69	Очень хорошая	2,66
Соломенский	11,54	Плохая	28,22
Шевченковский	12,82	Плохая	32,70

Проверку разбиения полученных для различных районов значений Jан на группы с различной антропогенной нагрузкой проводили с помощью кластерного анализа, используя Евклидовое расстояние, для объединения класте- ров пользовались методом Варда (Ward, 1963), в основе которого лежит дисперсионный анализ оценки расстояний между кластерами (рис. 2).

Рис. 2. Кластеризация 10 административных районов г. Киева по значениям индекса антропогенной нагрузки ( J ан ) в 2016 г.

Самыми неблагополучными являются центральные районы города - Соломенский, Шевченковский и Печерский (рис. 3). В Соломен-ском районе размещены наибольшие транспортные объекты столицы - железнодорожные станции Киев-Пассажирский и Киев-Товарный, аэропорт Киев (Жуляны). В районе около 65 промышленных предприятий, что составляет 7,2% от общей численности по Киеву. В Шев- ченковском районе 71 предприятие (7,9%), он занимает первое место по количеству твердых бытовых отходов (Основні показники охоро-ни…, 2017; Статистичний щорічник…, 2017), т.к. является густонаселенным застроенным районом. Печерский район - наименьший по площади, густонаселенный, с высоким процентом высотной застройки и автодорог, занимает третье место по выбросам твердых бытовых отходов. И хотя в нем находится всего 30 промышленных предприятий (3,3% от общей численности по городу), но высокая загруженность и плотность автодорог, населенность, плотность застройки, высокие концентрации канцерогенов, фитотоксикантов в воздухе и низкая насыщенность качественными зелеными насаждениями ставят его на третье место по неблагополучию экологической ситуации в городе. Хорошая экологическая ситуация по числовым значениям индекса в Дарницком, Днепровском, Подольском районах; очень хорошая

- в районах, которые размещены на окраинах города и граничат с его «зеленым поясом» лесопарков.

Таблица 3

Градации экологической ситуации по значению индекса антропогенной нагрузки г. Киева

Класс	Значения индекса	Характеристика экологической ситуации
1	<3,43	Очень хорошая
2	3,44÷6,86	Хорошая
3	6,87÷10,29	Удовлетворительная
4	10,30÷13,72	Плохая
5	>13,72	Очень плохая

Risk-оценка усиливает отражение экологической ситуации по районам, с увеличением ее значений ситуация иллюстрируется как более плохая, что указывает на нестабильность эко- систем в этих районах и интенсивные деграда ционные процессы под значительным антропо генным прессом (табл. 2).

Рис. 3. Экологическое зонирование территории г. Киева по степени антропогенной нагрузки в 2016 г. Цветом обозначена характеристика экологической ситуации согласно табл. 3

ВЫВОДЫ

Проведена верификация интегрального индекса антропогенной нагрузки на урбоэкоси-стему в процедуре экологического зонирования крупного промышленного центра на примере г.

Киева по степени антропогенной нагрузки с учетом роли сохранившихся естественных экосистем, что позволяет оценивать фактический масштаб их трансформации, временную и пространственную динамику. Выявлено, что са- мыми неблагополучными являются центральные районы города - Соломенский, Шевченковский и Печерский. Хорошая экологическая ситуация по числовым значениям индекса в Дарницком, Днепровском, Подольском районах; очень хорошая - в районах, которые размещены на окраинах города и граничат с его «зеленым поясом» лесопарков (Голосеевский, Деснянский, Оболонский, Святошинский районы). Количество сохранившихся зеленых насаждений, а так же плотность дорожнотранспортной сети района оказывают существенное влияние на величину индекса. Риск-оценка на уровне урбоэкосистемы является уточняющей операцией и подчеркивает направление деградационных процессов под значительным антропогенным прессом. Несколько нивелировать последствия агрегирования интегрального индекса для сложных экосистем позволяет использование кластерного анализа.

Результаты выполненного зонирования дают возможность оценить качество окружающей среды в каждом административном районе и проводить анализ временной и пространственной динамики экологической обстановки, что необходимо для принятия экологически корректных управленческих решений, осуществления контроля за состоянием атмосферного воздуха, почв, вод и зеленых насаждений в условиях крупных городов.