Лекция №10

Тема 6.1. Экологический мониторинг – комплексная система регулярных наблюдений.

1. Цель и задачи экологического мониторинга.

2. Глобальный экологический мониторинг.

3. Региональный экологический мониторинг.

4. Контактный экологический мониторинг.

1. Цель и задачи экологического мониторинга.

Термин «мониторинг» вошел в научный оборот из англоязычной литературы и происходит от английского слова monitoring – контрольное наблюдение.

Понятие «мониторинг» подразумевает постоянное контролирование чего-либо, проведение постоянного наблюдения за чем-либо. Это понятие было впервые введено Р. Менном в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН и с тех пор постоянно развивается и обсуждается на различных международных конгрессах.

У нас в стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабатывать Ю.А. Израэль, который уточнил определение мониторинга окружающей среды, сделав акцент не только на наблюдении, но и на прогнозе, введя в определение термина «мониторинг» антропогенный фактор как основную причину этих изменений. Мониторингом окружающей среды он называет систему наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды.

Объекты, основные элементы, цель и задачи экологического мониторинга

Объектами экологического мониторинга являются:

· атмосфера;

· гидросфера;

· литосфера;

· почва, земельные, лесные, рыбные, сельскохозяйственные и другие ресурсы и их использование;

· биота;

· природные комплексы и экосистемы.

Главными задачами мониторинга являются:

· организация широких наблюдений за изменением состояния биосферы, особенно за изменениями, обусловленными деятельностью человека;

· обнаружение источников воздействия, а также причин этих изменений;

· оценка наблюдаемых изменений, выявление антропогенных эффектов;

· прогноз и определение тенденций в изменении состояния биосферы.

Целями мониторинга являются

· наблюдение за происходящими в окружающей природной среде физическими, химическими, биологическими процессами, за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, последствиями его влияния на растительный и животный мир;

· обеспечение заинтересованных организаций и населения текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде, а также предупреждение и прогнозирование ее состояния.

Целью мониторинга не должна быть пассивная констатация фактов: кроме наблюдений, он должен включать эксперимент и моделирование как основу прогноза. Любая технологическая операция обеспечивает достижение определенной цели и, кроме того, оказывает влияние на всю биосферу в целом. Отсюда и возникла потребность в экологическом мониторинге, который можно определить, как систему наблюдений за изменениями состояния среды, вызванными антропогенными причинами, которая позволяет прогнозировать развитие этих изменений

2. Глобальный экологический мониторинг.

На совещании в Кении в 1974 г. были определены следующие цели ГСМОС:

1.Организация расширенной системы предупреждения об угрозе здоровью человека;

2.Оценка глобального загрязнения атмосферы и его влияния на климат;

3.Оценка количества и распределение загрязнителей биосферы, особенно пищевых цепей;

4.Оценка критических проблем, возникающих в связи с сельским хозяйством;

5.Оценка реакции наземных экосистем на загрязнение ОС;

6.Оценка загрязнения океана и его влияние на морские экосистемы;

7.Создание и усовершенствование системы предупреждения о стихийных бедствиях в международном масштабе.

Конечные цели ГСМОС:

1.Установление уровней выбросов загрязнителей в определенной среде, их распределение в пространстве и времени;

2.Понимание скоростей и величин потоков выбрасываемых загрязнителей и вредных продуктов их превращений;

3.Обеспечение сравнения отбора проб и анализов между странами, обмен опытом организации мониторинга;

4.Обеспечение информацией в глобальном и региональном масштабе для принятия решений при борьбе с загрязнениями.

В России и других странах национальная сеть станций по контролю за составом атмосферных осадков создана в 1957 г., а к концу 70-х годов она полноценно обеспечивала задачами ГСМОС.

Задачами системы ГСМОС являются:

- осуществление наблюдений за состоянием природной среды (ПС), в первую очередь за уровнем ее загрязнения;

- прогноз антропогенных изменений состояния среды в глобальном масштабе;

- оценка наблюдаемого и прогнозируемого состояния среды;

- оценка общих тенденций ее изменения под влиянием антропогенных факторов.

В рамках программы ЕМЕП станции наблюдения за атмосферой расположены вдоль государственных границ европейских государств на расстоянии более 150 км. На границе РФ в 90-х годах было создано 7 станций, а по всей Европе – 70. Промежутки между станциями контролируются самолетами-лабораториями в теплое время года.

При проведении глобального мониторинга загрязнители определяются в атмосфере, воде, почве и биоте. Приняты следующие перечни приоритетных загрязнителей, подлежащих определению в этих средах:

1.В воздухе – взвешенные частицы, оксиды серы, азота и углерода, озон, сульфаты, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие пестициды;

2.В атмосферных осадках – свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, сульфаты, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие пестициды, рН, главные катионы и анионы (катионы калия, натрия, магния, кальция, сульфат-, хлорид-, нитрат-, гидрокарбонат-анионы);

3.В пресных водах - свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие пестициды, биогенные элементы (фосфор, азот, кремний);

4.В донных отложениях и почве – те же, что и в пресных водах;

5.В биоте - свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие пестициды.

Одновременно проводятся гидрометеонаблюдения, составляющие основу климатического мониторинга. Климатический мониторинг является составной частью глобального.

Для понимания изменений климата необходима информация о состоянии климатической системы атмосфера – океан – поверхность суши (с реками и озерами) – биота. К этому направлению относятся:

1.Мониторинг состояния подстилающей поверхности, энерго- и массообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью.

2.Измерение площади морского, речного, озерного льда, ледников, зон вечной мерзлоты, площади и объема снежного покрова на суше.

3.Измерение поверхности и биомассы растительного покрова, площади зон опустынивания.

4.Измерение влагосодержания в почве и растительности, наблюдение за циркуляцией океана, оптических свойств атмосферы, состояния атмосферы.

Вторым направлением климатического мониторинга является мониторинг внутренних и внешних факторов по отношению к Земле. Внутренние факторы – это выбросы в биосферу, внешние – обусловлены влиянием Солнца.

Важное место в системе глобального мониторинга занимает мониторинг биоты. При этом важную роль играет периодическое картирование биосферы и определение площадей, занятых естественными и антропогенными экосистемами, изменение экосистем во времени. Большой интерес представляет картирование урбанизированных территорий, районов опустынивания, вырубки и насаждения лесов, динамики прибрежных зон, районов вечной мерзлоты и др.

Интегральные показатели состояния биоты следующие: сбалансированность биологической продуктивности, скорость образования биологической продукции, интенсивность круговорота биогенных элементов.

Ключевую роль при этом играют дистанционные методы мониторинга, особенно мониторинг с помощью космических средств наблюдения.

Глобальный мониторинг базируется на наблюдениях других уровней – импактном (локальном), региональном, фоновом.

Частота сбора информации определяется задачами данной станции, ее категорией, материально-техническими возможностями.

Информация собирается, анализируется и передается в вышестоящие инстанции в первоначальном или усредненном виде.

3. Региональный экологический мониторинг.

Предметом регионального мониторинга, как следует из самого его названия, является состояние окружающей среды в пределах того или иного региона. Региональный мониторинг — система наблюдений на региональном уровне за изменениями окружающей среды в процессе природопользования, особенно в интенсивно осваиваемых районах (его часто называют хозяйственным).

На региональном уровне экологический мониторинг и контроль обычно вменяется в обязанность:

Комитету по экологии (наблюдения и контроль за выбросами и сбросами действующих предприятий).

Комитету по гидрометеорологии и мониторингу (импактный, региональный и отчасти фоновый мониторинг).

Санитарно-эпидемиологической службе Минздрава (состояние рабочих, селитебных и рекреационных зон, качество питьевой воды и продуктов питания).

Министерству природных ресурсов (прежде всего, геологические и гидрогеологические наблюдения).

Предприятиям, осуществляющим выбросы и сбросы в окружающую среду (наблюдение и контроль за собственными выбросами и сбросами).

Различным ведомственным структурам (подразделениям Минсельхозпрода, МинЧС, Минтопэнерго, предприятиям водно-канализационного хозяйства и проч.)

Региональный мониторинг осуществляют работники гидрометеорологической, гидрохимической, агрохимической, лесоустроительной, сейсмологической и других служб. Объектами мониторинга служат исчезающие виды растений и животных, агро- и природные экосистемы. Характеризуемыми показателями регионального мониторинга являются — радиационный баланс, тепловой перегрев, глобальные балансы СО2 и О2 загрязнение атмосферы, больших рек и водоемов, загрязнения почв, функциональная структура природных экосистем и ее нарушения, популяционное состояние растений и животных, урожайность сельскохозяйственных культур.

При разработке проекта регионального экологического мониторинга необходима следующая информация:

- источники поступления загрязняющих веществ в окружающую природную среду — выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами; сбросы сточных вод в водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ в поверхностные воды суши и моря; внесение на земную поверхность и (или) в почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ вместе с удобрениями и ядохимикатами при сельскохозяйственной деятельности; места захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ и (или) разливу жидких загрязняющих и опасных веществ и т. д.;

-переносы загрязняющих веществ — процессы атмосферного переноса; процессы переноса и миграции в водной среде;

-процессы ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих веществ — миграция загрязняющих веществ по почвенному профилю до уровня грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтно-геохимическому сопряжению с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов; биохимический круговорот и т. д.;

- данные о состоянии антропогенных источников эмиссии — мощность источника эмиссии и месторасположение его, гидродинамические условия поступления эмиссии в окружающую среду.

В зоне влияния источников эмиссии организуется систематическое наблюдение за следующими объектами и параметрами окружающей природной среды.

Атмосфера: химический и радионуклидный состав газовой и аэрозольной фазы воздушной сферы; твердые и жидкие осадки (снег, дождь) и их химический и радионуклидный состав; тепловое и влажностное загрязнение атмосферы.

Гидросфера: химический и радионуклидный состав среды поверхностных вод (реки, озера, водохранилища и т. д.), грунтовых вод, взвесей и данных отложений в природных водостоках и водоемах; тепловое загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

Почва: химический и радионуклидный состав деятельного слоя почвы.

Биота: химическое и радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий, растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ, домашних и диких животных, птиц, насекомых, водных растений, планктона, рыб.

Урбанизованная среда: химический и радиационный фон воздушной среды населенных пунктов; химический и радионуклидный состав продуктов питания, питьевой воды и т. д.

Целесообразна и эффективна методология регионального экологического мониторинга, включающая использование данных, собранных на земле (сбор образцов, анализ химическими, спектральными, хроматографическими и другими методами), с воздуха (систематические разведывательные полеты на легких самолетах) и из космоса (передача визуальных, цифровых материалов спутниковыми системами). Для контроля за состоянием природной среды используют оптическую и радиолокационную аппаратуру, с помощью которой можно определить содержание в атмосфере на разных высотах СО, СО2, СН4 и др. Для исследования содержания аэрозолей в воздухе используют и лазерные устройства дифференцированного сканирования.

Структура региональной подсистемы ЕЭМ

- измерительная система;

- информационная система, включающая в себя базы и банки данных правовой, медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической направленности;

- системы моделирования и оптимизации промышленных объектов;

- системы восстановления и прогноза полей экологический и метеорологических факторов;

- система принятия решений.

Построение измерительного комплекса региональных подсистем ЕЭМ основывается на использовании точечного и интегрального методов измерений с помощью стационарных (стационарные посты наблюдения) и мобильных (автомобили-лаборатории и аэрокосмические средства) систем. Следует отметить, что аэрокосмические средства привлекаются лишь при необходимости получения крупномасштабных интегральных показателей о состоянии окружающей среды. Получение информации обеспечивается тремя группами приборов, измеряющими: метеорологические характеристики (скорость и направление ветра, температуру, давление, влажность атмосферного воздуха и пр.), фоновые концентрации вредных веществ и концентрации загрязняющих веществ вблизи источников загрязнения окружающей среды. Использование в измерительном комплексе современных контроллеров, решающих вопросы сбора информации с датчиков, первичной обработки и передачи информации потребителю с помощью модемной телефонной и радио связи или по компьютерным сетям, значительно повышает оперативность системы.

Региональная подсистема ЕЭМ предполагает работу с большими массивами разнообразной информации, включающими данные: по структуре энергопроизводства и энергопотребления региона, гидрометеорологических измерений, о концентрациях вредных веществ в окружающей среде; по итогам картографирования и аэрокосмического зондирования, о результатах медико-биологических и социальных исследований и др.

Одной из основных задач в этом направлении является создание единого информационного пространства, которое может быть сформировано на основе использования современных геоинформационных технологий. Интеграционный характер геоинформационных систем (ГИС) позволяет создать на их основе мощный инструмент для сбора, хранения, систематизации, анализа и представления информации. ГИС имеют такие характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления мониторинговой информацией. Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя, естественно, включают и все основные функции получения высококачественных карт и планов.

Защита окружающей среды - проблема общегосударственная. Но практические конкретные меры по ее решению ложатся главным образом на регионы. Ведь они непосредственно страдают от нару­шения нормального состояния среды обитания и, к тому же, обладают необходимой информацией для отслеживания обстановки и принятия мер. Наряду с этим, следует создавать региональные фонды. Они должны обеспечивать льготное кредитование и безвозвратное суб­сидирование строительства и реконструкции таких предприятий, по охране и защите окружающей среды, в частности и за счет поступлений в виде штрафных платежей за экологические нарушения, а также добровольных взносов предприятий, общественных организаций, местных органов власти, заин­тересованных в чистоте среды обитания. Поэтому говоря о системе экологической защиты, нужно прежде всего иметь в виду региональную организацию экологической службы.

Необходимость решения экологических проблем осознают все. Нужно постепенно вырабатывать меры экономического, административного и иного воздействия на загрязнителей окружающей среды. Сейчас подобные меры применяются во всех развитых странах. Успех экологической политики связывается с введением широкого комплекса мероприятий, главными из которых станут запреты на экологически вредные виды продукции промышленного и бытового назначения, ограничения на различные виды деятельности и др. У нас есть основания надеяться, что в дальнейшем экологическая политика России будет формироваться под растущим воздействием глобальных факторов, задавая новые приоритеты хозяйственного развития.

4. Контактный экологический мониторинг.

Контактные методы опираются на приемы аналитической химии. На базе средств аналитического приборостроения активно используются следующие физико-химические методы контроля и диагностики:

- оптические методы анализа и атомная и молекулярная спектроскопия (рефракто- и поляриметрический методы, фотоколориметрические методы анализа, спектрофотометрия, фотометрия водных сред, содержащих взвешенные и коллоидные частицы, люминесцентный анализ, эмиссионный спектральный анализ, методы атомной спектроскопии, атомно-эмиссионная и атомно-абсорбционная спектроскопия; атомно-флуоресцентная, УФ-, видимая и ИК-спектроскопия, нейтронно-активационныи анализ);

- электрохимические методы анализа - (капиллярный электрофорез, электрогравиметрический анализ, кулонометрические методы, полярография, потенциометрические методы анализа);

- масс-спектрометрия;

- электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), у-резонансная спектроскопия;

- хроматография, включающая методы газовой хроматографии и высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Аналитические методы в контактном мониторинге окружающей среды доминировали во всем мире до 1980-х годов. В настоящее время зарубежными и отечественными специалистами признана недостаточность проведения только химического контроля качества экосистем и биоценозов, поскольку эти приемы часто являются узко специфическими и не охватывают все системные особенности экосистем и биоценозов. Так, кроме веществ, выявляемых методами физико-химического анализа, в природных и природно-антропогенных средах могут присутствовать:

- кроме участвующих в технологических процессах сопутствующие или промежуточные вещества;

- вещества, образующиеся в результате ферментативного биохимического окисления живыми организмами и, возможно, неизвестной химической структуры;

- вещества с известной химической структурой, но не обнаруживаемые из-за отсутствия чувствительных аналитических методов (это относится ко многим органическим соединениям);

- вещества, для которых имеется соответствующая аналитическая техника, но она не достаточно точная, и результат анализа может быть приблизительным или даже неправильным.

Таким образом, физико-химические аналитические методы не дают исчерпывающей картины антропогенного воздействия на биосферу, поскольку:

- охватываются не все, а лишь часть реально присутствующих в исследуемой среде соединений, загрязняющих окружающую среду;

- использование все более сложного и дорогостоящего аналитического оборудования не гарантирует получения достоверных результатов;

- не может быть учтена степень вреда на человека и биоту комплексного воздействия загрязняющих веществ.

Очевидная недостаточность химического анализа качества окружающей среды привела к активному внедрению в последние десятилетии методик биологического анализа - биоиндикации и биотестирования.

Биоиндикация основывается на исследовании структуры экосистемы в естественной среде. При этом учитывается биологическое разнообразие, численность, биомасса, доминирование, количество видов-индикаторов и другие характеристики всех экологических групп организмов исследуемой экосистемы.

Особые задачи выполняет метод биотестирования. В отличие от биоиндикации биотестирование является лабораторным методом, может проводиться в любое время года и применяться не только к природным биогеоценозам, но и к антропогенным экосистемам. В его основу положено наблюдение за жизненными функциями определенных биологических объектов, помещенных в испытуемую среду. По их жизнедеятельности делается заключение о качестве исследуемой среды. В частности, биотестирование используется как метод токсикологического контроля, и в ряде развитых стран исследование качества среды предусматривает кроме химических показателей обязательный токсикологический контроль каждой пробы, в основном для определения качества воды.

Контрольные вопросы

1. Объекты мониторинга окружающей среды и их классификация.

2. Каковы цели и задачи мониторинга окружающей среды?

3. Каковы цели и задачи ГСМОС?

4. Дайте характеристику региональному мониторингу.

5. Назовите основные методы контактного мониторинга.