«Сегодня Ладога чище, чем тридцать лет назад»

Профессор Леонид Руховец доказал: современная математика позволяет поверить формулами живую природу

Директор Санкт-Петербург-ского экономико-математи-ческого института РАН Леонид Руховец и его коллеги вот уже несколько десятилетий моделируют процессы изменения экосистемы Ладоги, от которых зависит качество воды в озере, а значит, и в Неве.

– Леонид Айзикович, учёные в разных странах мира давно прогнозируют, что в XXI веке пресная вода окажется в дефиците. Но наши учёные, похоже, так не считают?

– Проблема обеспечения человечества пресной водой сегодня острее, чем проблема углеводородов. Один иностранный гидролог предсказал, что между 2035 и 2045 годами количество экономически доступной пресной воды на планете сравняется с объёмом её потребления, а российский учёный Виктор Данилов-Данильян считает, что это может произойти уже к 2025 году. Сейчас на Земле примерно два миллиарда людей живут в условиях острого дефицита пресной воды. К счастью, по объёму пресноводного стока наша страна на втором месте в мире после Бразилии, а по водообеспеченности пресной водой на душу населения – на третьем, уступая только Канаде и той же Бразилии. У нас другая проблема – загрязнение рек и водоёмов.

– Два озера Северо-Запада России – Ладожское и Онежское – самые большие в Европе. Я знаю, что экологи много раз с тревогой говорили об их загрязнении.

– В одной только Ладоге около 908 кубических километров пресной воды. Это почти в 15 раз больше того, что потребляет ежегодно вся Россия! С середины прошлого века Ладожское озеро, как и многие озёра мира, подверглось процессу антропогенного эвтрофирования. В результате роста населения и воздействия экономики на природную среду в озере стали активно накапливаться биогены, прежде всего фосфор и азот. Основной их потребитель – фитопланктон, сообщество планктонных водорослей. В естественных условиях образование органического вещества в среднем незначительно преобладает над его разложением, но при антропогенном воздействии все процессы ускоряются. Уже к началу 1980-х годов концентрация биогенов в ладожской воде стала угрожающей. Виновниками были Волховский алюминиевый завод, который долгое время сбрасывал фосфор в озеро, а также целлюлозно-бумажные комбинаты, в том числе Приозерский ЦБК. К 1982 году поступление фосфора в озеро выросло в 3,5 раза, и качество воды стало ухудшаться. Благодаря усилиям общественности и академика Алексея Трёшникова, возглавлявшего тогда Институт озероведения РАН, Приозерский комбинат закрыли, а на Волховском заводе построили очистные сооружения. Экономический кризис 1990-х годов также снизил нагрузку на озеро. В итоге после 1995 года среднегодовое поступление фосфора в озеро стало в полтора раза меньше. Ситуация улучшилась, но полностью процесс загрязнения озера остановить не удалось.

– Как получилось, что вы, математик, занялись экологической темой?

– В начале 1970-х годов вышла книга группы учёных во главе с Деннисом и Донеллой Медоуз «Пределы роста». В ней говорилось об опасности возросшего давления человека на природу в планетарном масштабе. Тогда при разработке крупных проектов преобразования природы стали обосновывать их экологическую безопасность. В 1974-м Ленгорисполком попросил Ленинградское отделение Центрального экономико-математического института (ЦЭМИ) РАН, где я тогда работал, заняться обоснованием проекта защиты города от наводнений. Сначала мы с коллегами – Леонардом Оганесяном (руководителем работ) и Семёном Сивашинским – занимались моделями для Невской губы, а потом стали создавать модели для Ладоги, потому что качество воды в Неве определяется качеством воды в Ладожском озере и объёмом неочищенных городских стоков. Первые модели гидродинамики Ладожского озера были созданы ещё в 1980-е годы, и я в этой работе принимал активное участие.

– Что же позволяет узнать гидродинамика?

– Она изучает движение воды под воздействием разных факторов: стока впадающих рек, потока солнечного тепла, ветра, осадков и испарения. Вся циркуляция воды описывается математическими уравнениями. Например, с их помощью можно описать такие явления в озере, как термоклин и термобар. Плотность пресной воды зависит от температуры, и наибольшая её плотность – при плюс 4оС, что оказывает влияние на структуру течений. Так, весной в озере возникает пояс с вертикальным течением – термобар. Когда исчезает термобар, начинает развиваться и формируется термоклин – фактически горизонтальный слой воды с резким изменением температуры воды по вертикали. Вода наибольшей плотности оказывается внизу, а более тёплая – вверху.

Сотрудники Института озероведения поделили Ладожское озеро на несколько зон. Прибрежная зона глубиной до 15 метров составляет всего три процента объёма озера. Перепад температур между мелководной частью и глубоководной может достигать 15 градусов, и это способствует возникновению течений. Знание и умение рассчитывать течения очень важно. В 1998 году на Сясьском ЦБК произошла авария, и ядовитые стоки попали в Ладожское озеро. Возникла опасность заражения воды в городском водопроводе. Наш институт тогда провёл расчёты по гидродинамической модели, и мы доказали, что ничего плохого не произойдёт – ядовитые стоки не попадут в Неву.

– А какая связь между гидродинамикой и экосистемой озера и как здесь используются математические модели?

– Гидродинамические процессы сильно влияют на экосистему, в которой важнейшим элементом, повторюсь, является фитопланктон. В процессе фотосинтеза он образует органическое вещество и служит пищей для зоопланктона – мирного и хищного. Качество воды в озере зависит от количества фитопланктона и составляющих его видов. Сотрудники Института озероведения постоянно измеряют концентрацию биогенов для оценки состояния озера. А для прогнозирования изменений в экосистеме, в зависимости от антропогенной нагрузки или перемен климата, нужны математические модели.

Модели гидродинамики позволяют воспроизвести появление скоростей течений. С помощью моделей экосистемы воспроизводится перенос органического вещества течениями и его оседание, образование фитопланктона и зоопланктона, смертность, деструкция мёртвой органики. Определяется и количество вещества, выносимого вытекающей рекой, в данном случае Невой. Два раза в год Ладожское озеро перемешивается, и это тоже учитывается. Таким образом, модели экосистемы позволяют определить параметры экосистемы Ладоги: например, концентрацию фитопланктона в любой точке озера.

– Что ж, тогда задам главный вопрос: какова сейчас ситуация в Ладожском озере?

– Благодаря мерам, принятым в 1980-е годы, и снижению антропогенного воздействия в 1990-е качество воды улучшилось. Но в середине 2000-х обнаружилось, что, хотя фосфорная нагрузка упала почти до уровня 1962 года, продуктивность озера не снизилась. Оказалось, в озере произошла перестройка – заметно выросла численность организмов-деструкторов: бактериопланктона и водных грибов. При этом количество фитопланктона осталось на прежнем уровне. Модель ранее не учитывала такой активности организмов-деструкторов. Мы перестроили её, и тогда результаты моделирования совпали с измерениями лимнологов. В итоге с помощью модели было получено объяснение того, что произошло в водах Ладоги.

– Позволяют ли ваши модели давать рекомендации по сохранению водных ресурсов?

– С помощью моделей мы оценили границы ассимиляционного потенциала – границы уровня допустимых сбросов. Их соблюдение сохраняет озеро в состоянии, которое характеризуется низкой интенсивностью продукционных и деструкционных процессов и высоким качеством воды. При небольшом количестве загрязнений экосистема озера сама перерабатывает отходы и сохраняет устойчивость, но при увеличении их количества она не справляется.

В идеальном варианте надо было бы сделать так, чтобы поступление фосфора в Ладожское озеро не превышало уровень 1962 года – 2,5 тысячи тонн в год. Но сейчас добиться этого экономически невозможно даже из-за природного фона. Ежегодно в озеро поступает 3–5 тысяч тонн фосфора. Сейчас в нём умеренное содержание органических и биогенных веществ, и такой опасности, какая была в 1980-е годы, нет. Вода в петербургском водопроводе не очень хорошего качества не потому, что она плохая в Неве и Ладожском озере, а зачастую из-за плохой водопроводной системы.