Мониторинг окружающей среды

МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. Выполнил: Теппонен Е. С. СМИ-25 (СПБГУТ) Мониторинг
Специальные мероприятия по охране и защите окружающей природной среды необходимы, когда ее качество не соответствует нормативным требованиям, а экосистемы не компенсируют антропогенные нагрузки. Поэтому для принятия управленческих решений о природоохранной деятельности прежде всего нужна информация о фактическом состоянии природных объектов. Наблюдения за состоянием окружающей природной Среды.
Осуществляются человеком давно для определения оптимальных условий ведения хозяйства, принятия мер по предотвращению неблагоприятных воздействий на жизнь людей и т. д. В состав информации о качестве окружающей природной среды входят данные о существующем состоянии и прогнозы изменений природных условий.
Биосфера меняется под влиянием естественных процессов и антропогенных воздействий. После естественных изменений экосистемы обычно восстанавливаются и возвращаются в начальное состояние. Перепады температур, давления, сезонные колебания биомассы растений и животных – примеры естественных изменений, которые варьируют около относительно постоянных средних значений. Средние характеристики состояния биосферы (климата, круговорота воды, глобальной продукции и др. ) могут заметно изменяться в течение тысяч и миллионов лет. Антропогенные изменения происходят сравнительно быстро: за одно – два десятилетия и сопоставимы по масштабам с естественными, протекающими в течение тысячелетий. Естественные изменения изучаются геофизическими службами:
гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др. Чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных, необходимы специальные наблюдения. Систему наблюдений за изменением состояния окружающей природной среды называют мониторингом (лат. monitor , англ. Monitoring – надзирающий). Мониторинг – это система контроля, оценки и прогноза качества окружающей природной среды, включающая наблюдения за воздействием на нее человека. Первое Межправительственное совещание по мониторингу было созвано в Найроби (Кения) в 1974 г. На нем обсуждались основные положения и цели программы глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Большой вклад в развитие мониторинга внесли русские ученые: В. Д. Федоров, Ю. А. Израэль, К. С. Бурдин и др. В зависимости от целей и объектов наблюдений мониторинг можно подразделить на сани-тарно-гигиенический, экологический и климатический. Санитарно-гигиенический мониторинг касается, в основном, контроля за загрязнением окружающей среды и сопоставления ее качества с гигиеническими ПДК, разработанными для защиты здоровья населения. Экологический мониторинг имеет целью оценку и прогноз антропогенных изменений в экосистемах и ответной реакции биоты на эти изменения. Основной задачей современных наблюдений становится изучение совокупных ответных эффектов экосистем в целом, а не только реакций на воздействие отдельных организмов.
Климатический мониторинг – служба контроля и прогноза колебаний климатической системы; по схеме он похож на экологический, но охватывает только ту часть биосферы, которая влияет на формирование климата: атмосферу, океан, ледяной покров и др. Климатический мониторинг тесно смыкается с гидрометеорологическими наблюдениями.
Возможны и другие классификации мониторинга. Так, по одной из них, выделяют: базовый мониторинг (систему слежения за состоянием и прогнозирование изменений природных процессов);
глобальный мониторинг (систему слежения за изменением биосферных процессов, включая антропогенные воздействия); импактный мониторинг (наблюдения за локальными и региональными антропогенными воздействиями в опасных зонах) и др.
Мониторинг антропогенных изменений в природной среде не является принципиально новым. Это часть универсальной системы наблюдений и контроля за состоянием природной среды, давно развивающейся в России и других странах; он может быть частью Всемирной службы погоды. Всемирной метеорологической организации и других служб. Таким образом, мониторинг загрязнений -часть существующей системы наблюдений и контроля за состоянием Природной среды; использует их опыт, наблюдательные станции, телекоммуникации, центры обработки информации, совершенствуя старые и развивая новые элементы измерений. Мониторинг не подразумевает управление качеством окружающей среды. Однако очевидно, что необходимым условием такого управления качеством окружающей среды является правильная организация системы мониторинга. Структура системы мониторинга включает 4 основных блока:
“Наблюдения”, “Оценка фактического состояния”, “Прогноз состояния” и “Оценка прогнозируемого состояния” (рис. 11. 1).
Мониторинг должен включать наблюдения: за источниками и характером воздействия; состоянием окружающей природной среды экосистем и биосферы в целом (табл. 11. 1). Подразумевается также получение данных о фоновом состоянии наблюдаемых объектов.
Чтобы определить динамику изменений состояния биосферы, измерения должны проводиться через определенные интервалы времени, а по важнейшим показателям непрерывно. Наблюдения могут быть организованы в виде точечных измерений на сетке станций или площадных съемок для получения интегральных показателей. Возможна комбинация этих приемов. Важную роль играют авиационные и спутниковые наблюдения. Чтобы выделить антропогенные воздействия, надо знать первоначальное состояние экосистем. Для этого необходима информация о фоновом состоянии как биосферы (наблюдения в местах, удаленных от источников воздействия), так и каждого региона и района.
В Оценка фактического состояния окружающей природной среды позволяет определить тенденции изменений состояния
окружающей среды; степень неблагополучия и его причины; помогает принять решения по нормализации положения. Могут быть выявлены и благоприятные ситуации, указывающие на наличие экологических резервов природы. Экологический резерв природной экосистемы есть разница между предельно допустимым и фактическим состоянием экосистемы. Метод анализа результатов наблюдений и оценка состояния экосистемы зависят от вида мониторинга. Обычно оценка осуществляется по совокупности показателей или по условным индексам, разработанным для атмосферы, гидросферы, литосферы. К сожалению, нет унифицированных критериев даже для одинаковых элементов природной среды. Для примера рассмотрим лишь отдельные критерии.
В саиитарно-гигиеническом мониторинге обычно используют: 1) комплексные оценки санитарного состояния природных объектов по совокупности измеряемых показателей (табл. 11. 2, 11. 3) или 2) индексы загрязнений.
Общий принцип расчета индексов загрязнений следующий: вначале определяется степень отклонения концентрации каждого загрязняющего вещества от его ПДК, а затем полученные величины объединяются в суммарный показатель, который учитывает воздействие нескольких веществ.
Приведем примеры расчета индексов загрязнения, используемых для оценки загрязненности атмосферного воздуха (ИЗ) и качества поверхностных вод (ИЗВ). Расчет индекса загрязнения (ИЗ) атмосферного воздуха начинается с нахождения отношения измеренной концентрации i-го вещества С, к его ПДК. (А): АЎ= СЎ/ПДК, . (11. 1)
Величина А дает возможность оценивать действие концентраций различных веществ в сопоставимых единицах. Далее характер воздействия веществ учитывают введением весовых коэффициентов и выбором вида функцииj Вначале вычисляют средние
ассоциативные полученных показателей АЎ, затем – индекс загрязнения атмосферного воздуха ИЗ: (11. 2)
где j (Z) – строго монотонная функция (в приведенном примере целесообразно использовать возрастающую функцию); jЇ№ (Z) – обратная функция; k- число показателей, используемых в расчете. Функция j (Z) должна учитывать известные закономерности воздействия всех определяемых загрязняющих веществ на те или иные объекты. Частными случаями формулы (11. 2) являются: j’ (Z) = z -среднее арифметическое, j”(Z) = In z – среднее геометрическое, j”'(Z) = z2 – среднее квадратическое. Причем среднее геометрическое равно 0, когда хотя бы одно из слагаемых равно 0. Далее могут быть рассчитаны средние ассоциативные с дополнительным взвешиванием членов суммы с помощью весов аi: (11. 3) где a1 + a2 + …. + ak= 1, а, > О.
Таким образом, с помощью а, можно учесть разницу в характере воздействия различных веществ. Частным случаем взвешенного среднего можно считать использование максимального значения показателяА, из ранжированного ряда А1>A2>…. >Ak ИЗ=AЎ=Amax
При использовании в расчетах взвешенного арифметического среднего формула имеет вид (11. 4)
При квадратическом осреднении, которое подчеркивает вклад веществ с наиболее высокими по отношению к их ПДК концентрациями, расчет ведут по формуле (11. 5)
Существует методика расчета ИЗ, учитывающая класс опасности загрязняющих веществ. Часто в качестве ИЗ используют максимальный показатель из числа полученных: И3=(aЎ, AЎ)max. (11. 6) В США, например, распространен ИЗ воздуха, рассчитываемый по максимальному значению из измеренных показателей.
На рис. 11. 2 показаны значения индексов при арифметическом (j’) геометрическом (j”) и квадратическом (j”’) осреднении в случае присутствия в воздухе пяти примесей с различной концентрацией: A1(взвесь) = 0, 1; A2(СО) =0, 1; A3 (N0) = 0, 5; A4(SO2) = 0, 9; A5(N02) = 0, 9.
Расчеты индекса загрязнения природных вод (ИЗБ) также могут быть выполнены несколькими методами. Приведем в качестве примера метод расчета, рекомендованный нормативным документом, который является неотъемлемой частью Правил охраны поверхностных вод (1991) – СанПиН 4630-88.
Вначале измеренные концентрации загрязняющих веществ группируют по лимитирующим признакам вредности – ЛПВ (органолептическому, токсикологическому и общесанитарному). Затем для первой и второй (органолептический и токсикологический ЛПВ) групп рассчитывают степень отклонения(АЎ) фактических концентраций веществ (CЎ) от их ПДКЎ так же, как и для атмосферного воздуха (11. 1). Далее находят суммы показателей АЎ для первой и второй групп веществ: (11. 7)
где S – сумма АЎ для веществ, нормируемых по органолептическому (Sорг и токсикологическому Sтокс ЛПВ) n- число суммируемых показателей качества воды. Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворенного в воде кислорода и БПК20 (общесанитарный ЛПВ), бактериологический показатель – число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязнения воды определяется в соответствии с гигиенической классификациейводных объектов по степени загрязнения (табл. 11. 4). : |у Сопоставляя соответствующие показатели (Sор, Sтокс, БПК20 и т. д. ) с оценочными (см. табл. 11. 4), определяют индекс загрязнения, степень загрязнения водного объекта и класс качества вод. Индекс загрязнения определяют по наиболее жесткому значению оценочного показателя. Так, если по всем показателям вода относится к 1 классу качества, но содержание кислорода в ней меньше 4, 0 мг·лЇ№), (но больше 3, 0 мг·лЇ№), то ИЗВ такой воды следует принять за 1 и отнести ее ко II классу качества (умеренная степень загрязнения).
От степени загрязнения воды водного объекта зависят виды водопользования (табл. 11. 5). Таблица 11. 5
Возможные виды водопользования в зависимости от степени загрязнения водного объекта (по СанПиН-4630-88)
Степень загрязнения Возможное использование водного объекта Допустимая Пригоден для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений Умеренная Свидетельствует об опасности использования водного объекта для культурно-бытовых целей. Использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения без снижения уровня химического загрязнения на очистных водопроводных сооружениях может привести к начальным симптомам интоксикации у части населения, особенно при наличии веществ 1-го и 2-го классов опасности ВысокаяБезусловная опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Недопустимо использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за сложности удаления токсических веществ в процессе водоподготовки. Употребление для питья воды может привести ; к появлению симптомов интоксикации и развитию отдаленных эффектов, особенно при присутствии веществ 1-го и 2-го классов опасности Чрезвычайно
высокая Абсолютная непригодность для всех видов водопользования. Даже кратковременное использование воды водного объекта опасно для здоровья населения
В службах Минприроды РФ для оценки качества воды используют методику расчета ИЗВ только по химическим показателям, но с учетом более жестких рыбохозяйственных ПДК. При этом выделяют не 4, а 7 классов качества: I – очень чистая вода (ИЗВ = 0, 3); II – чистая (ИЗВ = 0, 3 – 1, 0); III – умеренно загрязненная (ИЗВ =1, 0 – 2, 5); IV – загрязненная (ИЗВ = 2, 5 – 4, 0); V – грязная (ИЗВ = 4, 0 – 6, 0); VI – очень грязная (ИЗВ = 6, 0 – 10, 0); VII – чрезвычайно грязная (ИЗВ более 10, 0).
На рис. 11. 3 приводится карта-схема оценки качества поверхностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области, выполненная в соответствии с данной методикой расчета ИЗВ.
Экологический мониторинг имеет особое значение в глобальной системе мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, в мониторинге возобновляемых ресурсов биосферы. Он включает наблюдения за экологическим состоянием наземных, водных и морских экосистем.
В качестве критериев, характеризующих изменения состояния природных систем, могут быть использованы: сбалансированность продукции и деструкции (см. рис. 10. 3); величина первичной продукции, структура биоценоза; скорость круговорота биогенных веществ и др. Все эти критерии численно выражаются различными химическими и биологическими показателями. Так, изменения в растительном покрове Земли определяются изменением площади лесов. Главным результатом экологического мониторинга должна быть оценка откликов экосистем в целом на антропогенные возмущения. Отклик, или реакция экосистемы – это изменение ее экологического состояния в ответ на внешние воздействия. Оценивать реакцию системы лучше всего по интегральным показателям ее состояния, в качестве которых могут использоваться различные индексы и другие функциональные характеристики. Рассмотрим некоторые из них:
1. Одним из наиболее распространенных откликов водных Экосистем на антропогенные воздействия является эвтрофирование (см. гл. 10). Следовательно, слежение за изменением показателей, интегрально отражающих степень эвтрофированности водоема, например рН1оо%, – важнейший элемент экологического мониторинга. 2. Откликом на выпадение “кислотных дождей” и другие антропогенные воздействия может быть изменение структуры биоценозов Наземных и водных экосистем. Для оценки такой реакции широко используют различные индексы видового разнообразия, отражающие тот факт, что при любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.
Десятки таких индексов предложены разными авторами. Наибольшее применение нашли индексы, основанные на теории информации, например, индекс Шеннона: (11. 8)
где N • общее число особей; S – число видов; N, – число особей Ў-го вида. На практике имеют дело не с численностью вида во всей популяции (в пробе), а с численностью вида в пробе; заменяя NЎ/N на nЎ/n, получим: (11. 9)
Максимальное разнообразие наблюдается, когда численности всех видов равны, а минимальное – когда все виды, кроме одного, представлены одним экземпляром. Индексы разнообразия (d) отражают структуру сообщества, слабо зависят от величины пробы и безразмерны.
Ю. Л. Вилмом (1970) были подсчитаны индексы разнообразия Шеннона (d)на 22 незагрязненных и 21 загрязненном участках разных рек США. На незагрязненных участках индекс колебался от 2, 6 до 4, 6, а на загрязненных – от 0, 4 до 1, 6.
Авторы учебника использовали этот же индекс для оценки изменения структуры фитоценоза в различных по степени трофности районах Невской губы (рис. 11. 4).
Оценка состояния экосистем по видовому разнообразию применима к любым видам воздействий и любым экосистемам. 3. Реакция системы может проявляться в снижении ее устойчивости к антропогенным стрессам. В качестве универсального интегрального критерия для оценки устойчивости экосистем В. Д. Федоровым (1975) была предложена функция, названная мерой гомеостаза и равная отношению функциональных показателей (например, рН юо% скорости фотосинтеза) к структурным (индексам разнообразия). Позже (1980) этот же автор считал возможным оценку эффекта вредного воздействия свести к подбору единственного обобщенного показателя состояния экосистемы, объединяющего отдельные отклики, так называемой функции желательности, для построения которой используется интервал значений от нуля до единицы 0 (11. 10)
Тогда при x=5 d=0, 993, при х=1 d=0, 37, а при х = -2 значение d близко к нулю. Оценка состояния экосистемы в целом проводится на основании подсчета обобщенного показателя желательностиD, который рассчитывается как среднее геометрическое из совокупности оценок d, (11. 11) где 0
В качестве критического значения неудовлетворительности предлагается D = 0, 37. Этот подход может быть использован и при определении приоритетности наиболее опасных воздействий
Особенностью экологического мониторинга является то, что эффекты воздействий, малозаметные при изучении отдельного организма или вида, выявляются при рассмотрении системы в целом.
Прогноз и оценка прогнозируемого состоянияэкосистем и биосферы опираются на результаты мониторинга окружающей природной среды в прошлом и настоящем, изучение информационных рядов наблюдений и анализ тенденций изменений. На начальном этапе необходимо прогнозировать изменение интенсивности источников воздействий и загрязнений, осуществлять прогноз степени их влияния: прогнозировать, например, количество загрязняющих веществ в различных средах, их распределение в пространстве, изменения их свойств и концентраций во времени. Для составления таких прогнозов необходимы данные о планах деятельности человека.
Следующий этап – прогноз возможных изменений в биосфере под воздействием имеющихся загрязнений и других факторов, так как уже возникшие изменения (особенно генетические) могут действовать еще много лет. Анализ прогнозируемого состояния позволяет выбирать приоритетные природоохранные мероприятия и вносить коррективы в хозяйственную деятельность на региональном уровне. Прогнозирование состояния экосистем – необходимое звено в управлении качеством природной среды.
В оценке экологического состояния биосферы в глобальном масштабе по интегральным признакам (осредненным в пространстве и времени) исключительную роль играют дистанционные методы наблюдений. Лидируют среди них методы, основанные на использовании космических средств. Для этих целей создаются специальные спутниковые системы (“Метеор” в России, “Лендсат”в США и др. ). Особенно эффективны синхронные трехуровневые наблюдения с помощью спутниковых систем, самолетов и наземных служб (см. гл. 2). Они позволяют получать информацию о состоянии лесов, сельскохозяйственных угодий, фитопланктоне моря, эрозии почв, урбанизированных территориях, перераспределении водных ресурсов, загрязнении атмосферы и т. д. Наблюдается, например, корреляция между спектральной яркостью поверхности планеты и содержанием гумуса в почвах и их засоленностью.
Космическая съемка предоставляет широкие возможности для геоботанического районирования; позволяет судить о росте населения по площадям поселений; потреблении энергии по яркости ночных огней; четко идентифицировать слои пыли и аномалии температуры, связанные с радиоактивным распадом; фиксировать повышенные концентрации хлорофилла в водоемах; обнаруживать очаги лесных пожаров и многое другое.
В России с конца 60-х гг. действует единая Общегосударственная система наблюдений и контроля за загрязнением окружающей среды. В ее основе лежит принцип комплексности наблюдений природных сред по гидрометеорологическим, физико-химическим, биохимическим и биологическим параметрам. Наблюдения построены по иерархическому принципу. Первой ступенью являются локальные пункты наблюдений, обслуживающие город, район и состоящие из контрольно-замерных станций и вычислительного центра сбора и обработки информации (ЦСИ). Затем данные поступают на второй уровень – региональный (территориальный), откуда информация передается местным заинтересованным организациям. Третьим уровнем является Главный центр данных, в котором собирается и обобщается информация в масштабах страны. Для этого сейчас широко используют ПЭВМ и создают цифровые растровые карты.
В настоящее время создается Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), назначение которой – выдача объективной комплексной информации о состоянии окружающей природной среды. ЕГСЭМ включает мониторинги: источников антропогенного воздействия на окружающую среду; загрязнения абиотической компоненты окружающей природной среды; биотической компоненты природной среды. В рамках ЕГСЭМ предусмотрено создание экологических информационных служб. Мониторинг ведет Государственная служба наблюдений (ГСН).
Наблюдения за атмосферным воздухом в 1996 г. проводились в 284 городах на 664 постах. Сеть наблюдений за загрязнением поверхностных вод РФ на 1 января 1996 г. состояла из 1928 пунктов, 2617 створов, 2958 вертикалей, 3407 горизонтов, расположенных на 1363 водных объектах (1979 г. – 1200 водных объектов); из них – 1204 водотока и 159 водоемов. В рамках Государственного мониторинга геологической среды (ГМГС) наблюдательная сеть составила 15000 пунктов наблюдения за подземными водами, 700 участков наблюдений за опасными экзогенными процессами, 5 полигонов и 30 скважин для изучения предвестников землетрясений.
Среди всех блоков ЕГСЭМ наиболее сложным и наименее разработанным не только в России, но и в мире является мониторинг биотической составляющей. Не существует единой методологии использования живых объектов ни для оценки, ни для регулирования качества окружающей среды. Следовательно, первоочередная задача – определение биотических показателей для каждого из блоков мониторинга на федеральном и территориальном уровнях дифференцированно для наземных, водных и почвенных экосистем. Для управления качеством окружающей природной среды важно не только владеть информацией о ее состоянии, но и определять ущербы от антропогенных воздействий, экономическую эффективность природоохранных мероприятий, владеть экономическими механизмами охраны окружающей природной среды.
ЛИТЕРАТУРА: учебник для технических ВУЗОВ. Авторы: Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев, Б. П. Усанов, Л. И. Жукова.