1.3 Определение экологического мониторинга и его задачи

Диагноз и лечение болезни любого живого организма должны опираться на определенную систему наблюдений и средств контроля параметров, отражающих состояние организма, развитие болезни эффективность мер по ее излечению.

Состояние биосферы, меняющееся под влиянием естественных причин, как правило, вскоре возвращается к исходному. Перепады температуры и давления, сезонное изменение биомассы растений и животных – это естественные вариации в состоянии биосферы, тогда как средние ее характеристики (климат, круговорот воды и других веществ, глобальная продуктивность живой природы и т.д.) могут заметно измениться лишь за тысячи и даже милионы лет.

В противоположность этому перемены в биосфере, вызываемые деятельностью человека (антропогенные изменения), идут чрезвычайно быстро.

Методологической основой определения условий формирования и функционирования природно-технических систем является принцип экологической безопасности. Под экологической безопасностью понимается состояние, при котором экосистемы, при взаимодействии с техническим объектом, находятся в пределах устойчивости. Устойчивость экосистемы определяется множеством связей между трофическими звеньями. Чем сложнее система, тем больше в ней связей и запас информации и тем менее она чувствительна к каким-либо помехам (например, к воздействию антропогенного фактора). Способность противостоять изменениям и сохранять состояние равновесия обеспечивается механизмами обратной связи, которые определяют ответ части системы на изменения, происходящие в ней самой. Проблема устойчивости, стабильности экосистемы ставит задачу получения количественной оценки тех воздействий, которые могут нарушать устойчивость экосистемы.

Определение экологической емкости, потенциала, мощности и резерва экосистемы связано со значительными методическими трудностями, возникающими при осуществлении измерений потоков энергии, вещества и информации, совершающих круговорот в исследуемой экосистеме. Поэтому в настоящее время эти величины, как правило, определяют косвенно. Установлено, что емкость экосистемы прямо пропорциональна способности данной системы к самоочистке. Самоочищение является следствием успешной адаптации экосистемы к функционированию в новых, изменившихся условиях. Чем быстрее идут в экосистеме процессы самоочистки, чем легче она приспосабливается к антропогенному прессу, тем больше ее экологическая емкость.

Схема организации экологических систем имеет свои особенности в различных частях биосферы. В соответствии с этим существенно изменяются их основные количественные характеристики – экологическая емкость, мощность, потенциал и резерв.

Главная проблема устойчивого развития человеческого общества – излишне высокий уровень потребления в промышленно развитых странах. Пока человек своей активностью не нарушал равновесия в природе, процессы саморегулирования уравновешивали последствия его деятельности. Однако рост энергетической и технической мощи общества, не подкрепленный научным предвидением, привел к загрязнению окружающей среды, которое, к сожалению, становится необратимым.

Больше, чем для других промышленно развитых стран мира, этот выводж соответствует ситуации в России. Так, уровни загрязнениявоздуха в 86 городах с численностью населения около 40 млн человек зачастую превышает допустимые нормы в 10 раз и более [5]. К сожалению, улучшения ситуации в ближайшее время вряд ли стоит ждать.

Важнейшая особенность процессов загрязнения состоит в том, что не всякий антропогенный выброс в биосистему приводит к загрязнению, а только такой, который существенно изменяет ее структуру.

Загрязнение – это привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение их естественного среднемноголетнего уровня в различных средах, приводящее к негативным воздействиям.

Изменения в природе контролируют и изучают многочисленные службы: гидрометеорологическая, сейсмическая, ионосферная, гравиметрическая, магнитометрическая и др. Но они не ставят своей основной целью выделение антропогенных сдвигов в природе на фоне естественных вариаций. Поэтому и появилась потребность в специальных наблюдениях за изменениями в окружающей среде, вызванными деятельностью цивилизации. Нужда в общем мониторинге человеческой деятельности непрерывно возрастает, так как только за последние 10 лет синтезировано более 4 млн новых химических соединений, ежегодно производится около 30 тыс. видов химических веществ. Мониторинг за каждым из веществ нереален. Он может вестись лишь обобщенно за интегральным воздействием хозяйственной деятельности человека на условия собственного существования и на природную среду.

Можно сказать, мониторинг, есть система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды.

Экологический мониторинг – это система регулярных наблюдений в пространстве и времени за источниками и уровнем загрязнений [2].

Мониторингом окружающей среды называют регулярные, выполняемые по заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности [1].

Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором, во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т.д.), а также оценка состояния и функциональной ценности экосистем, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

Все возрастающая опасность отрицательного воздействия интенсификации промышленного и сельскохозяйственного производств на здоровье людей и на состояние биосферы в целом приводит к необходимости разработки системы предупреждения, контроля и прогнозирования состояния, как отдельных объектов окружающей среды, так и всей биосферы. Такая информационная система наблюдения и анализа состояния природной среды, в первую очередь наблюдения уровней загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере, получила название мониторинга.

В систему мониторинга должны входить следующие основные процедуры:

– выделение (определение) объекта наблюдения;

– обследование выделенного объекта наблюдения;

– составление информационной модели для объекта наблюдения;

– планирование измерений;

– оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели;

– прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

– представление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Основные цели экологического мониторинга состоят в обеспечении системы управления природоохранной деятельности и экологической безопасности своевременной и достоверной информацией, позволяющей:

– оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем и среды обитания человека;

– выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются;

– создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

Экологический мониторинг должен быть ориентирован на показатели трех видов: соблюдения, диагностики и раннего предупреждения. Образно это похоже на медицину для человека.

Кроме приведенных выше основных целей экологический мониторинг может быть направлен на достижение специальных программных целей, связанных с обеспечением необходимой информацией организационных и других мер по выполнению конкретных природоохранных мероприятий, проектов, международных соглашений и обстоятельств государств в соответствующих областях.

В задачи входит сбор информации о состоянии среды и уровнях ее загрязнений в пространстве и во времени по определенной программе.

На Первом межправительственном совещании по мониторингу (Кения, 1974 г.), созванном Советом управляющих Программы ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП), были изложены основные цели глобальной системы мониторинга окружающей среды. Особое внимание было уделено контролю над изменениями в природе, вызываемыми ее загрязнением, а также предупреждению об угрозе здоровью людей, о стихийных бедствиях и экологических нарушениях.

Конечно, глобальная система мониторинга должна базироваться на подсистемах национального мониторинга, включать элементы этих подсистем. Тогда мониторинг станет многоцелевой информационной системой, оповещающей о состоянии биосферы, о степени антропогенного воздействия на среду, о факторах и источниках этого воздействия.

Как система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды, мониторинг состоит из трех ступеней: наблюдение, оценка состояния и прогноз возможных изменений.

На межправительственном совещании в Кении первоочередным направлением в системе глобального мониторинга были признаны наблюдения над загрязнением окружающей среды на импактном (уровень сильного локального загрязнения), региональном и фоновом уровнях.

По масштабам обобщения информации различают: глобальный, региональный, импактный мониторинг.

Глобальный мониторинг – это слежение за мировыми процессами и явлениями в биосфере и осуществление прогноза возможных изменений.

Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся от естественных по природному характеру или из-за антропогенного воздействия.

Импактный мониторинг проводится в особо опасных зонах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.

По методам ведения выделяют следующие виды мониторинга:

– биологический (с помощью биоиндикаторов);

– дистанционный (авиационный и космический);

– аналитический (химический и физико-химический анализ).

По объектам наблюдения выделяются:

– мониторинг отдельных компонентов окружающей среды (почвы, воды, воздуха);

– мониторинг биологический (флоры и фауны).

Особым видом мониторинга является базовый мониторинг, т.е. слежение за состоянием природных систем, на которые практически не накладываются региональные антропогенные воздействия (биосферные заповедники). Целью базового мониторинга является получение данных, с которыми сравниваются результаты, полученные другими видами мониторинга.

Важнейший элемент мониторинга – оценка состояния природной среды.

Экологические мониторинги окружающей среды могут разрабатываться на уровне промышленного объекта, города, района, области, края, республики в составе федерации.

Характер и механизм обобщения информации об экологической обстановке при ее движении по иерархическим уровням системы экологического мониторинга определяется с помощью понятия информационного портрета экологической обстановки. Последний представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределенных данных, характеризующих экологическую обстановку на определенной территории, совместно с картоосновой местности.

Разрешающая способность информационного портрета зависит от масштаба используемой картоосновы. При движении экологической информации от локального уровня (город, район, зона влияния промышленного объекта и т.д.) к федеральному масштаб картоосновы, на которую эта информация наносится, увеличивается, следовательно, меняется разрешающая способность информационных портретов экологической обстановки на разных иерархических уровнях экологического мониторинга. Так, на локальном уровне экологического мониторинга в информационном портрете должны присутствовать все источники эмиссий (вентиляционные трубы промышленных предприятий, выпуски сточных вод и т.д.). На региональном уровне близко расположенные источники воздействия имеют возможность «сливаться» в один групповой источник. Выделить каждый из них практически почти не возможно. В результате этого на региональном информационном портрете небольшой город с несколькими источниками эмиссии выглядит как единый источник, параметры которого определяются по данным мониторинга источников.

На федеральном уровне экологического мониторинга наблюдается еще большее обобщение пространственно распределенной информации. В качестве локальных источников эмиссии на этом уровне могут играть промышленные районы, достаточно крупные по территории. При переходе от одного иерархического уровня к другому обобщается не только информация об источниках эмиссии, но и другие данные, характеризующие экологическую обстановку.

Блок-схема мониторинга может быть представлена в следующем виде (Ю.А. Израэль, 1974 г.) (рис. 22).

Основные задачи экологического мониторинга:

– наблюдение за источниками антропогенного воздействия;

– наблюдение за факторами антропогенного воздействия;

– наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

– оценка фактического состояния природной среды;

– прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

Рисунок 22 – Блок-схема мониторинга

Этапами этой оценки являются выбор показателей и характеристик объектов окружающей среды и их непосредственное измерение. Набор параметров должен отвечать на вопрос, каково состояние природной среды.

Построение прогноза подразумевает знание закономерностей изменений уровня загрязнения и состояния объектов природной среды, наличие соответствующих моделей и возможностей численного расчета.

Для оценки состояния среды и прогноза возможных изменений: целесообразно выделить подсистемы наблюдений за абиотической (геофизический мониторинг) и биотической (биологический мониторинг) частью биосферы. Круг геофизических наблюдений весьма обширен: от реакции на то или иное воздействие в микромасштабе вплоть до реакций глобальных, например погодных и климатических изменений. Для этого необходимы сведения о загрязнении и мутности атмосферы, о других метеорологических и гидрологических характеристиках среды.

Особое внимание следует уделять переносу загрязняющих веществ из одной среды в другую.

Главная задача биологического мониторинга – выявление отклика биосферы на антропогенное воздействие на самых разных уровнях живого: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном уровне сообщества.

Здесь особенно важны наблюдения за воздействием окружающей среды на человека, за реакцией популяций, от которых зависит благополучие экосистем, на антропогенные воздействия, за особо чувствительными или критическими популяциями по отношению к тому или иному воздействию.

В биологическом мониторинге важная роль отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков у разных популяций, за жизнедеятельностью легкоранимых популяций-индикаторов, например за лишайниками.

Наблюдение осуществляется как за антропогенными изменениями, так и за фоновыми, природными, что необходимо для оценки антропогенной составляющей наблюдаемых изменений. Как правило, антропогенные воздействия накладываются на естественные изменения и разделить их не всегда удается.

Примером таких «накладок» может служить понижение уровня Каспийского моря в конце 50-х годов. Это понижение совпало с ростом масштабов использования воды в народном хозяйстве, с сокращением речного стока (главным образом р. Волги). Общественность забила тревогу, возникли даже «проекты века» по переброске в Каспийское море вод сибирских и северных рек. Однако в последующем, несмотря на продолжающееся потребление речного стока р. Волги, уровень Каспия стабилизировался и в последние годы начал резко повышаться.

Классификация состояний природных объектов, источников и факторов воздействия приведена в таблице 2.

Другой пример – в середине 70-х годов начала повышаться соленость Азовского моря, создалась угроза для рыбных ресурсов этого уникального природного водоема. Появился проект перекрытия плотиной Керченского пролива, чтобы прекратить доступ в Азовское море соленых вод Черного моря. Проект реализовать не успели – с конца 70-х годов соленость в Азовском море стала вновь понижаться, несмотря на продолжающееся интенсивное народнохозяйственное использование стока рек Дона и Кубани.

Таблица 2 – Система наблюдений за состоянием окружающей среды

Эти примеры показывают несовершенство прогноза природных явлений, в первую очередь климата, оказывающего первостепенное влияние на все процессы, протекающие в биосфере и отдельных экосистемах. Тем не менее, сама природа подсказывает, в каких направлениях антропогенная деятельность может приводить к значительным сдвигам в сложившемся естественном биогеохимическом равновесии в окружающей среде и каковы их вероятные последствия. Предвидение возможных отрицательных последствий, прогноз и ограничение наиболее опасных антропогенных воздействий и являются главной задачей системы мониторинга.

В настоящее время в мире развернута густая сеть станций наблюдения за состоянием окружающей среды. Например, в США наблюдения только за состоянием водных объектов ведутся на 10000 станциях.

В системе мониторинга различают три уровня: санитарно-токсикологический, экологический и биосферный.

Санитарно-токсикологический – наблюдение за состоянием окружающей среды, степенью загрязнения природных объектов вредными веществами, за влиянием этих загрязнителей на человека, животный и растительный мир, за наличием в окружающей среде аллергенов, патогенных микроорганизмов, пыли и т.д., за содержанием в атмосфере оксидов азота и серы, СО, тяжелых металлов, за качеством водных объектов, степенью их загрязнения органическими веществами, нефтепродуктами и минеральными солями.

Экологический мониторинг – наблюдение за изменениями в экологических системах (биогеоценозах), природных комплексах, за их продуктивностью, а также за динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных и растительных ресурсов.

Поскольку природа едина и расчленить ее на живую и неживую составляющие можно лишь условно, экологический мониторинг, как бы объединяет геофизический и биологический мониторинг, и задача экологического мониторинга – обнаружение в экосистемах изменений антропогенного характера (на фоне естественных флуктуаций).

Биосферный мониторинг – наблюдение за глобально-фоно-выми изменениями в природе: степенью радиации; наличием в атмосфере СО₂, О₃; ее запыленностью; циркуляцией тепла; газовым обменом между океаном и воздушной оболочкой земли; мировой миграцией птиц, животных, растений и насекомых; погодно-климатическими изменениями на планете.

В целях проведения фоновых наблюдений по всему миру создается сеть биосферных заповедников, на территории которых запрещается производственная деятельность, представляющая опасность для растительного и животного мира или сопровождающаяся значительным загрязнением окружающей воздушной и водной сред.

Фоновое глобальное состояние биосферы изучают на так называемых фоновых станциях, которые организованы в ряде стран на базе биосферных заповедников. Фоновое состояние среды в прошлом можно реконструировать с помощью анализа колец деревьев, годовых слоев ледников и донных отложений.

В настоящее время более или менее развита система санитарно-токсикологического мониторинга.

Важнейшей экотоксикологической характеристикой вещества, его экологической ПДК (предельно допустимой концентрацией) является пороговая концентрация, превышение которой приводит к отрицательным для экосистемы изменениям.

Наряду с величиной экологической ПДК важной характеристикой экосистемы служит ее ассимиляционная емкость в отношении данного загрязняющего вещества (ЗВ) или суммы веществ. Ассимиляционная емкость объекта окружающей среды – это максимальное количество ЗВ, которое может быть за единицу времени накоплено, разрушено, трансформировано или выведено за пределы экосистемы в результате совокупности процессов самоочищения без нарушения ее нормального функционирования. Ассимиляционная емкость экосистемы определяет допустимый уровень антропогенных воздействий на фоне естественной изменчивости и в интервале допустимых колебаний параметров состояния систем.

Экологическое нормирование призвано ограничить антропогенные воздействия рамками экологических возможностей и нацелено на оптимизацию взаимодействия человека с природой, на оптимизацию использования возобновляемых природных ресурсов.

В общем виде экологическое нормирование предусматривает:

1. Учет при оценке последствий антропогенного воздействия множественности путей загрязнения и самоочищения элементов биосферы.

2. Поиск «критических» звеньев биосферы и факторов воздействия.

3. Развитие подходов к нормированию воздействий с учетом их влияния на природные экосистемы.

Основным критерием при определении допустимой экологической нагрузки является отсутствие снижения продуктивности, стабильности и разнообразия экосистемы. Гибель отдельных организмов, особей в этом случае не представляется критической.

При нормировании антропогенных воздействий большое значение имеют приоритетные факторы и эффекты воздействия. Приоритетность с учетом экономических соображений определяет характер и срочность мероприятий по борьбе с негативными последствиями и по их предотвращению.

Кроме того, при оценке адаптационных возможностей биосферы необходимо опираться на понятие устойчивости экосистемы, ее экологического резерва. Экологический резерв определяет возможную долю возобновляемых природных ресурсов, которая может быть изъята из биосферы (либо ее элемента) без нарушения основных свойств среды. Устойчивость экосистемы достигается за счет сосуществования многих популяций, жизнедеятельность которых находится во взаимосвязи и взаимозависимости. Конкуренция за ареал обитания, симбиотические связи, отношения хищник – жертва, и все это на фоне изменчивости природной среды, не только ограничивает рост численности отдельных популяций, но и обеспечивает уровень развития экосистемы в целом.

Большое значение имеет выявление факторов, определяющих неустойчивость биосферы и отдельных экосистем, критических элементов, нарушение которых может привести к деградации или существенному ущербу для экологической системы. Устойчивое развитие биосферы в условиях антропогенного воздействия возможно лишь в определенных пределах таких воздействий, не подрывающих способность экосистемы в гомеостазу. Оценка пределов допустимой нагрузки на экосистему является важнейшей задачей мониторинга. При этом проблема регули­рования и управления качеством природной среды опирается на экологическое прогнозирование и требует построения соответствующих математических моделей.

В настоящее время в мире созданы мощные средства сбора данных об окружающей среде. Например, аэрокосмические аппараты, с помощью которых проводится анализ земного покрова, газового состава атмосферы, загрязнения океана и т.д. Аэрокосмические методы измерения геофизических и экологических параметров основаны на анализе спектральных характеристик собственного и отраженного излучений материковых покровов, акваторий, атмосферы и облачности. Создаются методики и алгоритмы организации измерений, их сортировки, обработки, что позволяет переходить к разработке других систем – геоинформационных. Уже есть примеры таких систем, используемых для оценки радиационной обстановки в Японии.

Геоинформационные мониторинговые системы могут быть локального, регионального и глобального масштабов. Системы локального характера основаны на стационарных средствах регистрации данных об окружающей среде. Для организации систем регионального масштаба используют само-леты, на которых размещена измерительная аппаратура. Создано большое число региональных геоинформационных систем для оперативной оценки степени аномальности климатических процессов. Создание же глобальных мониторинговых систем является качественно новым этапом в развитии мо-ниторинга и требует больших затрат. Работы над глобальными системами ведутся в рамках крупных международных программ, например программы изучения океанических процессов, разработанной НАСА, основная цель которой – понять роль океанов в формировании климата Земли. Опыт этой программы говорит о реальности создания глобальных мониторинговых систем, обеспечивающих накопление таких данных, как распределение темпе­ратуры поверхности, векторы скоростей ветра над водой, радиационный баланс, газовый обмен на границе с атмосферой и т.д. На основе этих данных могут создаваться модели, позволяющие прогнозировать состояние экосистем океана

В последние годы успехи информатики и вычислительной техники приоткрыли методам моделирования двери в такие области, как экология, биофизика, медицина. Но тут возникает сложность: модель должна как можно точнее описывать реальный объект, а живые объекты характеризуются множеством параметров, которые к тому же непрерывно меняются. Полную информацию о живом объекте получить практически невозможно, поэтому принципиально невозможно создать адекватную модель. Проблема катастрофически усложняется, если с помощью модели пытаться описать функционирование отдельных экосистем или всей биосферы.

Разработка теории мониторинга сталкивается и с другими серьезными трудностями. Чтобы сказать, какие данные об изучаемом природном процессе нужны для осуществления его мониторинга, требуется математическая модель этого процесса. А построение модели требует согласованного учета деталей процесса и его пространственных масштабов.

При построении математической модели, изучаемые природные процессы разбивают на три группы:

1) относящиеся к выбранному масштабу времени;

2) находящиеся в динамическом равновесии по отношению к выбранному масштабу времени (быстро протекающие процессы);

3) которые можно считать неизменяющимися по отношению к выбранному масштабу времени (медленно протекающие процессы).

С временными масштабами тесно связана и пространственная детализация.

Международный комитет при ЮНЕСКО определил перечень процессов и их характеристические времена (табл. 3).

Таким образом, систематизация природных ресурсов имеет, по меньшей мере, двухмерный характер. И структура системы экологического контроля должна учитывать эту двумерность. Программа, разработанная Международным комитетом при ЮНЕСКО, рекомендует набор моделей для этой системы, охватывающий различные проблемы направления:

– определение пространственной сетки для сбора данных о взаимо­связях климатических изменений с поведением экосистем;

– построение моделей с выделением неоднородностей вертикальных структур таких обобщенных переменных, как растительность и почва;

– изучение взаимосвязи климатических событий в прошлом и настоящем и выявление закономерностей этих взаимосвязей для отдельных территорий;

– создание моделей для описания динамики долго- и короткоживущих газов в атмосфере;

– организация экспериментальных исследований для получения данных, обеспечивающих понимание эффектов воздействия атмосферных газов на растительные сообщества;

– численное описание динамики прибрежных вод мирового океана в условиях поступления данных от источников наземного базирования и со спутников.

Таблица 3 – Природные процессы и характерные времена

их протекания

Необходимо расширять применение новых технологий измерения. Например, в области геоинформационного мониторинга слабо используется миллиметровый диапазон, который может применяться для определения примесных газов в атмосфере.

Практически невозможно по данным измерений установить истинные значения параметров, так как экологические системы непрерывно изменяются и нельзя сформировать статистически однородную выборку данных.

Совершенствуя технику измерения и развивая модели экосистем, нельзя забывать о методах обработки данных измерений и моделирования. Математическая модель может успешно выполнять свои функции только при наличии доступа к банкам данных. Поэтому один из центральных блоков глобаль-ной мониторинговой системы – это система сбора, сортировки и накопления результатов измерения и моделирования.