Иркутск

Иркутский филиал
сибирского отделения РАН

Новости

Оправа для жемчужины. В СО РАН разработали систему всестороннего мониторинга Байкала

26.12.2023

Необходимость сохранения уникальных природных объектов, таких как самое глубокое пресноводное озеро планеты, жемчужина Сибири Байкал, не вызывает сомнений ни у кого.
Вопрос в том, какие меры предпринять или какие ограничения ввести? И в разработке таких рекомендаций трудно переоценить роль научных организаций. Еще в 2002 году в Сибирском отделении Российской академии наук был создан Научный совет по проблемам озера Байкал, сейчас его возглавляет председатель СО РАН академик Валентин Пармон.

И декабрьское заседание совета стало, можно сказать, революционным. Обсуждались итоги масштабной и многолетней научно-исследовательской работы «Влияние изменений уровня воды в озере Байкал на состояние экосистемы озера, определение ущерба объектам экономики и инфраструктуры прибрежной территории Республики Бурятия, Иркутской области в зависимости от уровней озера и сбросов Иркутской ГЭС».

Стоит отметить, что до сегодняшнего дня таких комплексных системных исследований по проблеме влияния изменения уровня воды в Байкале на состояние экосистемы озера и окружающих его объектов, а также инфраструктуры не проводилось. Более того, сибирские ученые (а в проекте принимали участие 170 сотрудников из 13 институтов СО РАН, Росрыболовства и Росводресурсов вышли на конкретные практические рекомендации — разработан диспетчерский график управления режимами Иркутской ГЭС.

Комментирует заместитель председателя Научного совета, директор Института динамики систем и теории управления им. В. М. Матросова СО РАН, директор Иркутского филиала Сибирского отделения РАН академик РАН Игорь Бычков:

— Сегодня и от руководства страны, и от руководства академии идет запрос на крупные интеграционные комплексные проекты. Результаты только таких работ способны обеспечить решение сложных экономических и экологических проблем.
Уровень воды в Байкале, регулируемый режимом сброса воды через Иркутскую ГЭС в Ангару, всегда являлся, если так можно выразиться, яблоком раздора для окружающих озеро регионов. Когда он высок, затапливаются большие территории в Республике Бурятия, и крайне желательно от этого избавиться. Но тогда вся вода оказывается на территории Иркутской области, где происходят подтопления, соответственно, наносится ущерб объектам инфраструктуры вблизи Ангары.
Другая крайняя ситуация: при маловодье Бурятия предлагает сбрасывать воды поменьше, чтобы избежать засухи, ведущей к негативным последствиям и в экономике, и в экосистеме озера. Иркутская область, наоборот, предлагает сбрасывать больше, поскольку от этого зависят судоходство, благосостояние водопользователей, находящихся ниже по течению Ангары.

Достижимый оптимум

Есть в математике такое понятие — «парето-оптимальное решение», когда для двух или более участников соглашения вырабатывается оптимум, при котором суммарное благосостояние общества максимально, а распределение благ и ресурсов оптимально и любое его изменение ведет к ухудшению чьего-либо положения.
Собственно говоря, исследования и были посвящены поиску такого решения. Не следует забывать, что помимо хозяйствующих субъектов в Республике Бурятия и Иркутской области есть уникальная экосистема самого озера, которая страдает молча: размываются берега, гибнут флора и фауна прибрежной части Байкала.

Границы возможного регулирования озера Байкал с учетом открытости системы были предложены еще в исследовании 2015 года, проведенном Институтом водных проблем РАН с участием сибирских ученых.

— Конечно, уровень воды в Байкале зависит от природных условий, которые определяются ситу­ацией на юге (Монголия) и на севере (верхняя Ангара, ее основные притоки), — продолжает Игорь Бычков. — Мы убедили Министерство природных ресурсов, что такая работа должна быть длительной и не может опираться на данные только одного избранного года. За многие годы наблюдений успели зафиксировать и экстремальное многоводье, и предельное маловодье. Уверены: работу необходимо продолжать и в будущем. Нам удалось установить целый ряд ограничений по уровневому режиму, которые должны соблюдаться, если мы не хотим нанести вред уникальной экосистеме озера.
В частности, было выявлено, что для эндемиков Байкала критичен не сам уровень, с которого весной начинается сработка (наполнение водохранилища) Иркутской ГЭС, а скорость его изменения. Именно она наиболее болезненно воспринимается живыми организмами: соответствующие данные были получены на мальках северобайкальской желтокрылки (распространена на севере Байкала и на Ольхоне, основная пища омуля). Эти рыбы откладывают икру под камнями прибрежной зоны. И резкое изменение уровня воды губит икринки.
Мы рассмотрели динамику изменения уровня. Выяснилось, что и для экосистемы, и для объектов инфраструктуры, и для экономики прибрежной территории наиболее опасен повышенный уровень воды в озере. При превышении уровня в 457,20 м (уровень озера принято отсчитывать от уровня Тихого океана) возможен существенный рост ущерба в обоих бьефах.
К слову, нормативы регулирования работы Иркутской ГЭС действуют с 1988 (!) года. И впервые за время ее эксплуатации мы предложили снизить уровень при весеннем наполнении с тихоокеанской отметки 456,15 м до 455,8. И доказали, что такое снижение не вредит экосистеме. Вот это было по-настоящему революционное предложение! Дополнительные 30 сантиметров уровня, которые можно использовать при эксплуатации ГЭС, дают существенную экономию. И ученые продемонстрировали, что можно подобрать такие режимы работы гидроэлектростанции, при которых с вероятностью 98% в течение целого столетия уровень воды в озере не будет превышать критических значений.

Уникальность работы в том, что впервые найдено решение для множества пересекающихся интересов, включая требования сохранности экосистемы озера.
Ученые смогли решить не просто фундаментальные или прикладные задачи — например, подготовить предложения по долгосрочному прогнозированию полезного притока воды в Байкал с учетом изменений климата — но и рассчитать конкретные технические графики и технические ограничения для эксплуатации Иркутской ГЭС.

Это очень важный практический результат, он послужит основой для новых правил использования водных ресурсов в районе Байкала. Предыдущие, повторю, катастрофически устарели. Причем мы настаиваем, чтобы эти правила были каскадного типа, для всего существующего каскада ГЭС, с учетом интересов и экономики, и экологии.

Еще одно важное практическое предложение: проведено зонирование территорий около Байкала с учетом вероятности затопления. Для этого исследователи состыковали данные подземного и надводного рельефов, а также информацию с космических снимках прибрежной зоны.
Однако осталось немало важных для сохранения Байкала задач, требующих дальнейшего изучения.

Исчезающий остров

Есть на севере Байкала остров Ярки. От его возможного разрушения зависит состояние экосистемы всей северной части озера, которая сегодня отгорожена природной косой. У исследователей нет окончательного понимания баланса прихода строительного материала для Ярков, также требует изучения влияние уровня Байкала на деградацию острова. Необходимо продолжение изучения абразии берегов. Здесь, скорее всего, наиболее сильно влияют волновые процессы. Все взаимосвязано: волны смывают в озеро органические вещества, и это — дополнительное питание для биоты, которая там находится. Но размытие берегов ведет к разрушению прибрежной инфраструктуры. Нужно прогнозировать ситуацию и вести постоянный мониторинг.

— Необходимо продолжать исследование и прибрежной экосистемы. Введем новые режимы работы ГЭС, а как это воспримут байкальские эндемики? Здесь без науки никуда. И получаемые наукой результаты на порядки перекрывают затраты на проведение исследований, потому что помогут избежать возможных негативных последствий на Байкале — объекте Всемирного наследия ЮНЕСКО, — убежден академик Бычков.

Надо сказать, фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки на Байкальской природной территории были заложены в ходе выполнения крупного научного проекта (КНП), поддержанного Министерством науки и высшего образования РФ в 2020-2023 годах. В реализации КНП приняли участие более 200 исследователей под руководством академика И. Бычкова. В работу включились 16 институтов из сибирских городов (Иркутск, Ангарск, Улан-Удэ, Новосибирск, Томск, Чита, Красноярск) и Москвы.
Построена не имеющая аналогов в мире сеть комплексного мониторинга больших природных территорий, обеспечивающая регистрацию антропогенных выбросов в атмосферу, экстремальных природных (пожаров), геологических, эколого-геохимических, климатических, биологических процессов и гидрологических режимов водоемов с высоким временным разрешением: 5 направлений мониторинга, более 80 параметров, интервал регистрации — каждые 5 секунд.
Впервые разработана цифровая платформа экологического мониторинга, обеспечивающая сбор огромных массивов информации с распределенной сети станций. Причем система может быть использована и для других особо охраняемых природных территорий. В частности, планируется установить комплексную станцию мониторинга уровня и метеопараметров на озере Арахлей.

Байкал под присмотром

Проект включает шесть направлений мониторинга — от сейсмического до эпидемиологического.
— Очень важно, что в рамках проекта мы смогли обеспечить развитие системы мониторинга опасных геологических процессов: сейчас вокруг Байкала установлены 7 комплексных станций, позволяющих одномоментно в разных точках получать данные наблюдения и в дальнейшем работать над выявлением предвестников землетрясений, что представляет собой нерешенную на сегодняшний день проблему, — подчеркивает руководитель проекта.

Уже получены первые результаты изучения трех сильных землетрясений, произошедших в Прибайкалье в сентябре 2020 года — январе 2021-го с интенсивностью в 5 баллов.
Впервые их характеристика дана с использованием данных комплексного мониторинга, показавшего свою эффективность для решения ключевых проблем сейсмобезопасности Байкальской природной территории. Установлены предвестниковые явления в поле деформаций породного массива, эманациях радона и режиме подземных вод.
Сотрудники Института земной коры СО РАН запатентовали способ краткосрочного определения приближения сильного сейсмического события с использованием в качестве прогнозного параметра низкочастотных микросейсмических колебаний.

— Кроме того, были разработаны и смонтированы различные автоматические системы: определения нарастания льда, включая технологию георадарного исследования ледяного покрова, регистраторы повышения уровня рек, впадающих в Байкал, применения стационарных и подвижных лидаров для выявления загрязнения атмосферы в акватории озера, использования данных космического зондирования Земли, — продолжает Игорь Вячеславович. — Чтобы отслеживать антропогенные выбросы в атмосферу, в Иркутской области и Республике Бурятия созданы региональные центры приема и обработки данных онлайн-мониторинга количественного и качественного составов атмосферы на Байкальской природной территории.
В состав оборудования центров входят лазерные локаторы — лидары. С их помощью с разрешением от минут до суток получены суточные, сезонные и межгодовые вариации непрерывного автоматического мониторинга газовых примесей в атмосфере. Разработана технология классификации снимков из космоса на основе нейронной сети. Этот сервис позволяет оперативно проводить мониторинг больших территорий, в частности, отслеживать состояние лесных массивов.

В рамках нашего проекта впервые была проведена классификация прибайкальской территории по растительному покрову: с точностью до 95% выделены различные типы лесов и кустарников. Создана специальная сеть мониторинга биоразнообразия, учитывающая богатство ландшафтов, растительных сообществ и воздействие дестабилизирующих антропогенных и природных факторов.

И, наконец, трудно переоценить практическую пользу разработанной системы спутникового мониторинга лесных пожаров. В общем, нам удалось построить уникальную сеть комплексного экологического мониторинга больших природных территорий.
Результаты наших исследований нашли применение и апробируются организациями как государственного контроля, так и реального сектора экономики, например, ОАО «Российские железные дороги», МЧС.

Однако комплексный проект требует дальнейшего развития. Сибирские ученые считают, что настало время переходить к информационному и математическому моделированию состояния Байкальской природной территории в целом на основе данных разработанной системы мониторинга, которая сегодня соответствует современным требованиям.

Институты СО РАН готовы приступить к прогнозированию и оценке природных процессов, происходящих на Байкале, с учетом и изменений климата, и антропогенного воздействия.
Новый комплексный научный проект, заявка на который уже готова, предполагает развитие системы моделирования с использованием и нейронных сетей, и традиционных технологий.

— Развитие человеческой цивилизации не остановить, в том числе и на Байкале. Но оно должно идти с учетом уникальности этих мест, — считает Игорь Бычков. — Конечно, необходимо, чтобы коренное население, проживающее около озера, не оказывалось хронически пораженным в правах. Вводим какие-то ограничения — надо разрабатывать и систему компенсации. Баланс интересов развития и сохранения территории, конечно же, существует. И его надо добиваться. Чтобы эту жемчужину России, это богатство, доставшееся нам от предков, мы смогли передать будущим поколениям. В той же первозданной чистоте.

Ольга Колесова, газета «Поиск»
Фото Владимира Короткоручко

Новости по теме