Поняття екологічного моніторингу та його завдання

Всебічний аналіз навколишнього середовища передбачає оцінку її екологічного стану та вплив на неї природних і антропогенних впливів. Характер цих впливів вельми специфічний.

Лімітуючим показником рівня природних і антропогенних впливів є гранично-допустима екологічне навантаження (ПДЕН), яка в багатьох країнах встановлена ​​в зв'язку з тим, що нормальне функціонування і стійкість екосистем і біосфери можливі при неперевищення визначених граничних навантажень на них.

Стан біосфери, безперервно змінюється під впливом природних факторів, зазвичай зайняв свою попередню. Наприклад, зміни температури і тиску, вологості повітря і грунту відбуваються в межах деяких постійних середніх значень. Як правило, великі екосистеми під впливом природних процесів змінюються надзвичайно повільно. Існуючі в світі екологічні служби (гідрометеорологічна, сейсмічна, іоносферних і ін.) Проводять контроль за зміною цих процесів.

Зміна стану біосфери під впливом антропогенних факторів відбувається в більш короткі часові терміни. Тому з метою вимірювання, оцінки та прогнозу антропогенних змін абиотической складової біосфери (в першу чергу забруднень) і відповідної реакції біоти на ці зміни, а також подальших змін в екосистемах в результаті антропогенних впливів створена інформаційна система екологічного моніторингу.

Екологічний моніторинг є комплексним моніторингом біосфери. Об'єктами моніторингу можуть бути природні, антропогенні або природно-антропогенні екосистеми. Він включає в себе контроль змін стану навколишнього середовища під впливом як природних, так і антропогенних факторів.

Основні завдання екологічного моніторингу антропогенних впливів:

• спостереження за джерелами антропогенного впливу;

• спостереження за факторами антропогенного впливу;

• спостереження за станом природного середовища і відбуваються в ній процесами під впливом факторів антропогенного впливу;

• оцінка фізичного стану природного середовища;

• прогноз зміни стану природного середовища під впливом факторів антропогенного впливу і оцінка прогнозованого стану природного середовища.

Термін «моніторинг» утворений від лат. «Монітор» - «спостерігає», «застережливий». Існує кілька формулювань визначення моніторингу.

Цей термін з'явився перед проведенням Стокгольмської конференції ООН по навколишньому середовищу (червень, 1972) на додаток до поняття «контроль». Секретаріат ООН по навколишньому середовищу визначив екологічний моніторинг як систему повторних спостережень за елементами навколишнього середовища в просторі і в часі з певними цілями відповідно до заздалегідь підготовленими програмами.

Великий внесок у розробку теорії моніторингу внесли І.П. Герасимов, Ю.А. Ізраель, В.Д. Федоров та ін.

Більш конкретне формулювання визначення моніторингу запропонована академіком РАН Ю. А. Ізраель в 1974 р Під моніторингом стану природного середовища, і в першу чергу забруднень і ефектів, що викликаються ними в біосфері, мають на увазі комплексну систему спостережень, оцінки і прогнозу змін стану біосфери або її окремих елементів під впливом антропогенних впливів.

Програма ЮНЕСКО від 1974 року визначає моніторинг як систему регулярних тривалих спостережень у просторі і в часі, що дає інформацію про минуле та сьогодення станах навколишнього середовища, що дозволяє прогнозувати на майбутнє зміна її параметрів, що мають особливе значення для людства.

2. Класифікація моніторингу

Моніторинг включає в себе наступні основні практичні напрямки:

спостереження за станом навколишнього середовища і факторами, що впливають на неї;

оцінку фактичного стану навколишнього середовища та рівня її забруднення;

прогноз стану навколишнього середовища в результаті можливих забруднень і оцінку цього стану (рис. 10.1).

Мал. 10.1

Об'єктами моніторингу є атмосфера (моніторинг приземного шару атмосфери і верхньої атмосфери); атмосферні опади (моніторинг атмосферних опадів); поверхневі води суші, океани і підземні води (моніторинг гідросфери); криосфера (моніторинг складових кліматичної системи).

По об'єктах спостереження розрізняють: атмосферне, повітряний, водний, грунтовий, кліматичний моніторинг, моніторинг рослинності, тваринного світу, здоров'я населення і т.д.

Існує класифікація систем моніторингу за ф а к т о р а м, і з т оч н і к а м і м а з ш т а б а м в о з д е і з тонн на і я (рис. 10.2).

Мал. 10.2

Моніторинг факторів впливу - моніторинг різних хімічних забруднювачів (інгредіентний моніторинг) і різноманітних природних і фізичних факторів впливу (електромагнітне випромінювання, сонячна радіація, шумові вібрації).

Моніторинг джерел забруднень - моніторинг точкових стаціонарних джерел (заводські труби), точкових рухомих (транспорт), просторових (міста, поля з внесеними хімічними речовинами) джерел.

За масштабами впливу моніторинг буває просторовим і тимчасовим.

За характером узагальнення інформації розрізняють наступні системи моніторингу:

• глобальний - стеження за загальносвітовими процесами і явищами в біосфері Землі, включаючи всі її екологічні компоненти, і попередження про виникаючі екстремальних ситуаціях;

• базовий (фоновий) - стеження за общебіосфернимі, в основному природними, явищами без накладення на них регіональних антропогенних впливів;

• національний - моніторинг в масштабах країни;

• регіональний - стеження за процесами і явищами в межах якогось регіону, де ці процеси і явища можуть відрізнятися і по природному характеру, і по антропогенних впливів від базового фону, характерного для всієї біосфери;

• локальний - моніторинг впливу конкретного антропогенного джерела;

• імпактних - моніторинг регіональних і локальних антропогенних впливів в особливо небезпечних зонах і місцях.

Класифікація систем моніторингу може грунтуватися і на методах спостереження (моніторинг за фізико-хімічними та біологічними показниками, дистанційний моніторинг).

Хімічний моніторинг - це система спостережень за хімічним складом (природного і антропогенного походження атмосфери, опадів, поверхневих і підземних вод, вод океанів і морів, грунтів, донних відкладень, рослинності, тварин і контроль за динамікою поширення хімічних забруднюючих речовин.

Глобальним завданням хімічного моніторингу є визначення фактичного рівня забруднень навколишнього середовища пріоритетними високотоксичними інгредієнтами, представленими в табл. 10.1.

Примітка: І- імпактних, Р - регіональний, Б - базовий, Г - глобальний.

Фізичний моніторинг - система спостережень за впливом фізичних процесів і явищ на навколишнє середовище (повені, вулканізм, землетруси, цунамі, посухи, ерозія ґрунтів і т.д.).

Біологічний моніторинг - моніторинг, здійснюваний за допомогою біоіндикаторів (т. Е. Таких організмів, за наявністю, станом і поведінкою яких судять про зміни в середовищі).

Екобіохіміческій моніторинг - моніторинг, який базується на оцінці двох складових навколишнього середовища (хімічного і біологічного).

Дистанційний моніторинг - в основному, авіаційний, космічний моніторинг із застосуванням літальних апаратів, оснащених радіометричної апаратурою, здатною здійснювати активну зондування досліджуваних об'єктів і реєстрацію досвідчених даних.

Залежно від принципу класифікації є різні системи моніторингу (табл. 10.2). Найбільш універсальним є комплексний екологічний моніторинг навколишнього середовища.

Комплексний екологічний моніторинг довкілля - це організація системи спостережень за станом об'єктів навколишнього природного середовища для оцінки їх фактичного рівня забруднення і попередження про створюються критичних ситуаціях, шкідливих для здоров'я людей та інших живих організмів. Розрізняють моніторинг локальний, регіональний і фоновий.

При проведенні комплексного екологічного моніторингу навколишнього середовища:

а) проводиться постійна оцінка екологічних умов середовища проживання людини та біологічних об'єктів (рослин, тварин, мікроорганізмів і т.д.), а також оцінка стану та функціональної цілісності екосистем;

б) створюються умови для визначення коригувальних дій у тих випадках, коли цільові показники екологічних умов не досягаються.

Система комплексного екологічного моніторингу передбачає:

виділення об'єкта спостереження;

обстеження виділеного об'єкта спостереження;

складання для об'єкта спостереження інформаційної моделі;

планування вимірювань;

оцінку стану об'єкта спостереження та ідентифікацію його інформаційної моделі;

прогнозування зміни стану об'єкта спостереження;

надання інформації в зручній для використання формі і доведення її до споживача.

Про з зв про в зв и е ц е л і комплексного екологічного моніторингу полягають у тому, щоб на підставі отриманої інформації:

оцінити показники стану та функціональної цілісності екосистем і місця існування людини (т. е. провести оцінку дотримання екологічних нормативів);

виявити причини зміни цих показників і оцінити наслідки таких змін, а також визначити коригувальні заходи в тих випадках, коли цільові показники екологічних умов не досягаються (т. е. провести діагностику стану екосистем і місця існування);

створити передумови для визначення заходів щодо виправлення виникаючих негативних ситуацій до того, як буде завдано збитків, т. е. забезпечити завчасне попередження негативних ситуацій.

У Російській Федерації функціонує кілька відомчих систем моніторингу, наприклад, служба спостереження за забрудненням навколишнього середовища Росгідромету, служба моніторингу водних ресурсів Роскомвода, служба агрохімічних спостережень і моніторингу забруднень сільськогосподарських земель Роскомзема і ін.

Для розумного управління природокористуванням необхідно перш за все у своєму розпорядженні дані про те, яка середовище є оптимальною для нормальних умов життя людини. Вихідним поняттям служить якість середовища, тобто така сукупність її параметрів, яка цілком задовольняє як екологічної ніші людини, так і науково - технічного прогресу суспільства.

Для отримання своєчасної інформації про зміни в екологічній системі необхідна так звана «точка відліку», тобто якесь певне значення параметра якості середовища, яке називається фоновим.

Параметри такого фонового стану не є постійними, а змінюються під впливом діяльності людини в межах деякого критичного рівня середовища, за межі якого сторонні впливи не повинні виводити цю систему, щоб уникнути необоротних змін. Такими вважаються гранично допустима екологічне навантаження (ПДЕН) або гранично допустимі концентрації чужих даній системі речовин-ксенобіотиків (ГДК).

При організації моніторингу виникає необхідність вирішення декількох завдань різного рівня, тому І.П. Герасимов (1975) запропонував розрізняти три ступені моніторингу (табл. 10.1).

Таблиця 10.3

При біоекологічна (синонім - локальний) моніторинг передбачається контроль за вмістом токсичних для людини хімічних речовин в атмосфері, природних водах, рослинності, грунті, схильних до впливу конкретних джерел забруднення (промислові підприємства, будівництва, рудники, меліоративні системи, підприємства енергетики і т.д. ). При цьому виявляють джерело забруднення і ступінь забруднення природних середовищ. Стан навколишнього середовища оцінюють з точки зору здоров'я людини, що служить найважливішим, ємним і комплексним показником.

Проводять локальний моніторинг гідрометеорологічні, водогосподарські та санітарно-епідеміологічні служби.

Геосістемний (синоніми - геоекологічний, регіональний, пріродохозяйственний) моніторинг повинен давати оцінку антропогенного впливу на природне середовище в ході звичайної господарської діяльності людини, яка обов'язково передбачає той чи інший вид взаємодії з природою (містобудування, сільське господарство, промисловість, енергетика, лісове господарство, рибальство , комунально-побутові діяльність і т.д.). Цей вид моніторингу передбачає оцінку взаємодії людини і природи у всіх напрямках і дає характеристику привноса і виносу з природного середовища речовини та енергії.

Регіональний моніторинг проводять агрослужба, гідрокліматичну, сейсмологічна і інші служби.

Біосферний (синоніми - фоновий, глобальний) моніторинг передбачає контроль за Загальнопланетарному змінами в біосфері, які пов'язані з діяльністю людини. Фоновий моніторинг проводять відповідно до Глобальної системою моніторингу навколишнього середовища, Міжнародною програмою «Спостереження за планетою», Програмою ЮНЕСКО «Людина і біосфера», Програмою ООН з навколишнього середовища ЮНЕП.

Основні завдання біосферного моніторингу визначені в одному з розділів Міжнародної програми «Людина і біосфера» і полягають у наступному:

- встановлення взаємозв'язку між забрудненням, структурою і функціонуванням екосистем, їх ланок, популяцій або окремих організмів;

- визначення переліку тих показників і вимірювань, які необхідні для спостереження і оцінки існуючого стану екосистеми і прогнозу зміни його в майбутньому;

- аналіз шляхів і швидкостей перетворення забруднюючих речовин в екосистемі;

- визначення критичних рівнів показників навколишнього середовища.

Програму робіт виконують на станціях фонового моніторингу. На території Росії ці станції діють в заповідниках: Березинском, Приоксько-Терасному, Центральному лісовому, Кавказькому, Астраханському, Баргузинском, Сіхоте-Алинском, Сари-Челекский, Чаткальского, Репетекський, Кроноцком, Борове, льодовику Абрамова. У пунктах - Сиктивкар, Ново-П'ятигорськ, Туруханск, Курган, Іркутськ.

Програма станцій фонового моніторингу передбачає регулярний відбір проб і визначення наступних показників:

- в атмосфері - зважені частинки, мутність, озон, діоксид вуглецю, діоксид сірки, оксиди азоту, вуглеводні, сульфати, 3,4-бензпірен, ДДТ;

- в атмосферних опадах - свинець, ртуть, кадмій, миш'як, 3,4-бензпірен, рН;

- в поверхневих, підземних водах, донних відкладеннях - свинець, ртуть, метил ртуть, кадмій, миш'як, ДДТ, 3,4-бензпірен, біогенні елементи;

- в грунтах - свинець, ртуть, кадмій, миш'як, ДДТ, 3,4-бензпірен, біогенні елементи.

Аналіз проб уніфікованими методами виконують в двох аналітичних центрах - в Санкт-Петербурзі і Ташкенті. Координує і узагальнює роботи по комплексному фонового моніторингу Лабораторія моніторингу природного середовища та клімату Госкомгидромета РФ.

Поряд з методами оцінки ступеня забруднення за допомогою приладів використовуються методи так званої біологічної індикації, засновані на обліку живих організмів (тест об'єктів), особливо чутливих до конкретних хімічних домішок. Такими біоіндикаторами можуть служити мохи, лишайники, чутливі до забруднення повітря; дафнії, інфузорії, чітко реагують на забруднення поверхневих вод; ґрунтова фауна (наприклад, дощові черв'яки) при забрудненні ґрунтів.

В даний час все більшого розвитку набуває система аерокосмічного моніторингу, який використовується в регіональному і глобальному масштабі. Картини Землі з космосу - це перш за все інтегральні зображення природних і господарських систем. Дослідник оперує зображеннями або цифровими даними про земну поверхню як у широкій зоні видимого спектру, так і в ультрафіолетовому, інфрачервоному і радіолокаційному діапазонах. До переваг космічного моніторингу відносяться можливість стеження за глобальними та регіональними особливостями природи Землі, комплексний характер інформації, що міститься на знімках з космосу, що дозволяє їх використання для вивчення складних компонентів природи і виявлення слідів антропогенного впливу.

Сучасні темпи і масштаби антропогенних змін в природі можуть призвести до незворотних негативних наслідків, запобігти яким можна лише за умови знання всіх процесів, що відбуваються на рівні екологічних систем і біосфери в цілому. Крім екологічного моніторингу для вирішення цього завдання в екології використовують моделювання та екологічну експертизу.

Під моделюванням в екології розуміється дослідження процесів і явищ, постановка різних експериментів не в живій природі, а на спеціально створених штучних об'єктах, найпростішим з яких є акваріум (тераріум), або графічних логічних або математичних схемах, більш-менш відображають властивості природних систем.

На відміну від звичайного експерименту при моделюванні більш розвинений теоретичний момент. Він стосується теоретичного обґрунтування аналогії між моделлю і реальним явищем і можливості на цій основі переносити на явище результати, отримані на моделі. Одне з головних вимог, що пред'являються до будь-якої моделі, - це її подобу з моделюється системою.

Найбільш прості і традиційні фізичні моделі тих чи інших пристроїв, що представляють собою зменшені копії цих пристроїв в цілому або їх підсистем.

Концептуальні моделі являють собою блокові схеми впливу підсистем і процесів в межах більш широких систем. Прикладом можуть служити схеми кругообігу речовин і ін. Ці моделі можуть бути ускладнені чисельної інтерпретацією.

Графічні моделі - це залежності між різними процесами, що подаються в системі прямокутних координат. Як правило, ці моделі характеризують зміну одного параметра в міру зміни іншої. У ряді випадків графічні моделі можуть бути представлені у формі табличних моделей, і навпаки.

Математичне моделювання полягає в формалізації і дослідженні поведінки систем і їх компонентів за допомогою математики. Існують два підходи до використання математичного апарату в описі біологічних процесів.

Перший - це формалізація свідомо відомих процесів, загальна специфіка і закономірності яких встановлюються практичним шляхом (спостереження або експерименти). Отримувані результати представляються у вигляді графіків, перетворюються далі в рівняння. Такі, наприклад, рівняння, що зв'язують в логарифмічною формі ПДК шкідливих речовин у воді і атмосфері з їх фізико-хімічними властивостями (молекулярною масою, розчинність і т.д.).

Інший підхід до моделювання полягає в тому, що висловлюється якесь гіпотетичне судження про ту чи іншу закономірності, наприклад про биоценотических процесах, і ця гіпотетична закономірність «накладається» на той чи інший відомий закон поведінки змінних в математичному рівнянні.

Дані моделі є ідеальними, мають методичне значення, але не відображають реальні ситуації. Тому при теоретичному моделюванні дослідники оперують більш складними моделями.

Реальні біологічні процеси на рівні популяцій і біогеоценозів настільки складні, що, в силу обмеженості доступної інформації і труднощів її формальної інтерпретації, задовільного аналізу на основі математичних моделей вони поки не піддаються.

Ефективніше моделювання фізичних процесів забруднення навколишнього середовища, розсіювання домішок у воді і атмосфері, наведені в розділах 7 і 8.

При математичному моделюванні на відміну від інших форм моделювання досліджуване явище замінюється його математичним описом, відтвореним обчислювальними засобами ЕОМ. Таким чином, експерименти проводяться не з реальними об'єктами, а з ЕОМ, в якій реалізована математична модель явища. Такі моделі називаються кібернетичними, так як процеси, що відбуваються в живих системах, можна розглядати як процеси управління зі зворотним зв'язком. Ці моделі можуть бути реалізовані як у вигляді рівнянь функціональної залежності, так і у вигляді програм для ЕОМ.

У Санкт-Петербурзькому технічному інституті целюлозно-паперової промисловості розроблений метод електронно-конвективно-дифузійної аналогії (ЕКДА). Сутність його полягає в використанні математичного ізоморфізму двох фізичних систем (трансформації речовин в природних середовищах і електричної). Метод є засобом імітаційного моделювання при обґрунтуванні норм ГДК шкідливих речовин, що скидаються із стічними водами у водойми, і викидів в атмосферне повітря. При цьому можуть бути враховані всі основні що визначають умови переносу і трансформації забруднюючих речовин, природні фактори і гідрометеорологічні режими.

Екологічна експертиза є особливим видом екологічного дослідження, спрямованого на отримання оцінки впливу на навколишнє середовище, природні ресурси і здоров'я людей комплексу промислово-господарських та інших об'єктів. Це організована діяльність екологів-експертів, що включає аналіз конкретних проблем природокористування з широким застосуванням методології системного підходу, постановку точного діагнозу і вироблення екологічно обгрунтованого висновку.

Промислово розвинені країни, раніше зіткнулися з проблемою погіршення стану природного середовища, були змушені почати розробку методики і системи експертиз. Вони почали проводитися з 1965 року в Японії, з 1970 року в США, з 1973 року в Канаді і т.д. У нашій країні експертні комісії при Держкомприроди були створені лише в 1988 році.

В даний час для оцінки впливу на навколишнє середовище антропогенних факторів використовується шість спеціальних методів: груповий експертизи, «контрольного списку», картографічного накладення, блок-схеми, матричний метод та моделювання.

Останні два методи широко використовуються при екологічну експертизу в зарубіжних країнах. Так, при матричному методі в матрицю включають наступну інформацію:

за компонентами середовища (кліматичні параметри - температура, вологість, вітер; земельні ресурси, водні об'єкти і т.д.),

за видами господарської діяльності (шахти, збагачувальні фабрики) із зазначенням індикаторів техногенного впливу.

Наприклад, в США при проведенні експертизи різних проектів господарських споруд використовуються матриці, в які вводяться більше 80 компонентів довкілля з урахуванням типів впливів (шум, вібрація, відвали, лісорозробки і ін.).

Екологічну експертизу підрозділяють на три основні групи:

- ретроспективна експертиза - вивчення наслідків реалізованих раніше проектів, підведення підсумків незапланованих промислових експериментів по впливу на навколишнє середовище;

- оперативна експертиза - розслідування екологічних проблем, пов'язаних з аварійними ситуаціями і необхідністю отримання конкретних даних по екологічній обстановці в різних пунктах і регіонах;

- перспективна експертиза - розгляд широкого кола проблем природокористування локального, регіонального та глобального рівнів.

Різні типи експертиз мають свої основні особливості, наприклад, експертиза технології передбачає маловідходних процесу в порівнянні з виробленими нормативами, а техніки - визначення ступеня її ресурсоємності і екосовместімості.

У таких країнах, як Японія, США, Франція, Канада, при проведенні експертиз точність прогнозів виявилася досить високою, лише 7% прогнозів повністю не виправдалося.

У нашій країні розглянуто близько 60 проектів комісіями при Держкомприроди Росії. Це експертизи по Туруханской ГЕС і водосховища, з розвитку міста Северобайкальска і ін.

Екологічна експертиза коштує дуже дорого (в середньому 1% від загальної вартості запропонованого проекту), але ці витрати значно менше, ніж ті, які можуть знадобитися для ліквідації наслідків здійснення помилкових рішень, не кажучи про можливі збитки, завдані здоров'ю людей або стійкості природних систем.

ВИСНОВОК

Екологія, що вивчає велике коло різноманітних явищ, тісно пов'язана з багатьма науками, в тому числі і з хімією. Екологічний підхід до проблем, що стоять перед будь-який з наук, пояснюється посиленням інтересу до питань охорони навколишнього середовища, збереження на землі всього живого в зв'язку зі збільшенням впливу людини на природу.

Екологічна хімія включає хімічні аспекти опису та управління динамічною рівновагою в екосистемі, що стосуються в основному обліку якісного і кількісного складу хімічних антропогенних забруднень природного середовища під впливом виробничої і сільськогосподарської діяльності людини і вивчення хімічних перетворень забруднюючих речовин в навколишнє середовище.

З усього кола питань, що розглядаються екологічної хімією, можна виділити чотири головні завдання:

1. Вивчення можливостей зниження рівня хімічного забруднення об'єктів навколишнього середовища найбільш небезпечними для екосистеми забруднюючими речовинами.

2. Удосконалення технологічних процесів переробки сировини і очищення відходів.

3. Прогнозування поведінки хімічного забруднення під впливом різних природних факторів і антропогенних впливів.

4. Розробка способів управління станом природного середовища.

Вирішення першого завдання пов'язане з розробкою нових технологій з урахуванням вимог охорони навколишнього середовища і модифікацією існуючих з метою підвищення їх «екологічності». Це досягається одночасно кількома шляхами: інженерно-організаційними (комплексне використання сировини, безвідходне виробництво, втовкмачувати схеми) і хіміко-технологічними (підвищення селективності процесів, розробка нових каталізаторів, оптимізація режиму, заміна окремих стадій на більш «екологічні»).

Для вирішення другої групи завдань необхідна організація очищення викидаються в атмосферу газів і що скидаються у водойми стічних вод від найбільш шкідливих речовин, що залежить від економіки виробництва.

Якщо перехід на безвідходні технології вимагає великих капітальних за- трат, то поточні витрати на очистку відходів залежать від необхідного ступеня очищення. Існує певний межа очищення, визначається економікою виробництва, після якого виробництво може бути нерентабельним.

Тут є пакет завдань, пов'язаних не тільки з локальним очищенням викидів цеху, підприємства, а й з очищенням міських стічних вод, утилізацією твердих і рідких відходів.

Третя група завдань пов'язана з оцінкою впливу на навколишнє середовище забруднюючих речовин. Тут є два аспекти:

з одного боку, - проблема токсичності того чи іншого речовини, що надходить в навколишнє середовище,

з іншого - міграція і трансформація речовин під впливом природних факторів.

Визначальна роль екологічної хімії - в оцінці швидкостей трансформації забруднюючих речовин в залежності від факторів середовища.