Тема 3. ПОНЯТИЕ И МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
3.1. Экологический мониторинг, понятие и функции
3.2. Управление экологическим мониторингом
3.3. Методы экологического мониторинга
3.1. Экологический мониторинг, понятие и функции
В конце 60-х г.г. многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия “мониторинг”. Решено было под мониторингом окружающей среды понимать комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Термин появился как дополнение к термину “контроль состояния окружающей среды”.
В настоящее время употребляют два основных термина, касающихся оценки качества окружающей природной среды: мониторинг и контроль. Мониторинг – система наблюдения, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия. Мониторинг не исключает задачи управления качеством окружающей среды, тогда как контроль подразумевает не только наблюдение и получение информации, но и управление состоянием среды.
Виды мониторинга различают как по характеру, так и по методам или целям наблюдения. В соответствии с тремя типами загрязнений различают:
мониторинг глобальный, региональный, импактный, базовый;
по способам – авиационный, космический, дистанционный,
по задачам – прогностический.
Глобальный мониторинг предусматривает слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и осуществление прогноза возможных изменений.
На практике цели глобального мониторинга определяются в ходе международного сотрудничества в рамках различных международных организаций, соглашений (конвенций) и деклараций.
Идея создания Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) была высказана на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. реальные основы ГСМОС были заложены на специальной встрече в Найроби (Кения) в 1974 г., где была уточнена роль агентов и государств – членов ООН.
Основы ГСМОС в бывшем СССР были разработаны академиком Ю.А. Израэлем и доложены на заседании Совета управляющих ЮНЕП в 1974 г. Отличительной особенностью концепции Ю.А. Израэля было слежение за антропогенными изменениями в окружающей природной среде.
Хорошо известно, что со временем происходят естественные, т.е. природные изменения климата, погоды, температуры, давления, сезонные изменения биомассы растений и животных. Эта информация давно используется человеком.
Природные изменения происходят сравнительно медленно, за большие отрезки времени. Их регистрируют различные геофизические, метеорологические, гидрологические, сейсмические и другие службы.
Антропогенные изменения развиваются гораздо быстрее, последствия их весьма опасны, так как могут стать необратимыми. Для их установления необходимо иметь информацию о первоначальном состоянии объекта окружающей среды, т.е. состояния до начала антропогенного воздействия. Если такую информацию получить невозможно, она может быть реконструирована по имеющимся данным, полученным за относительно большой промежуток времени, по результатам наблюдений за составом донных отложений в водных объектах, составом ледников, состоянием древесных колец, относящихся к периоду, предшествовавшему началу заметного антропогенного воздействия, а также по данным, полученным в местах, удаленных от источника загрязнения. Эти особенности определяют правомочность другого названия глобального мониторинга – фоновый мониторинг, или мониторинг фонового загрязнения окружающей природной среды.
В настоящее время создана мировая сеть станций фонового мониторинга, на которых осуществляется слежение за определенными параметрами состояния окружающей природной среды. Наблюдения охватывают все типы экосистем: водные (морские и пресноводные) и наземные (лесные, степные, пустынные, высокогорные). Эта работа проводится под эгидой ЮНЕП.
Станции комплексного фонового мониторинга Украины расположены в биосферных заповедниках (Черноморский, Аскания-Нова) и являются частью глобальных международных наблюдательных сетей.
Цель ГСМОС – изучение Земли.
Задача изучения Земли как целостной природной системы поставлена Международной геосферно-биосферной программой (МГБП) и решается на основе широкого применения космических средств наблюдений. МГБП, осуществление которой началось с 1990 г., предусматривает семь ключевых направлений разработок.
Проекты, выполняемые по этим направлениям, ставят целью, в частности, анализ влияния изменений содержания озона в стратосфере на проникновение к земной поверхности биологически опасного ультрафиолетового излучения, оценку влияния аэрозолей на климат и др.
Глобальные процессы являются объектом пристального внимания индустриально развитых стран и международного сотрудничества.
В рамках общего соглашения между странами “Большой Семерки” и России создан международный комитет по природно-ресурсным спутникам (IEOSC).
В рамках Российско-Американской комиссии подписан ряд документов: Заявление о реализации специальной экологической инициативы, Заявление о намерениях в совместном осуществлении мер, связанных с сокращением выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и др.
Примером программы глобального мониторинга может быть система Environmental Observance System (EOS) в США. Программа рассчитана на длительную перспективу – 15 лет, с началом в 1995 году. Она имеет междисциплинарный характер и работает на основе данных наблюдений с трех спутников, обслуживаемых персоналом постоянной орбитальной системы. В комплект аппаратуры входит около 40 приборов: видеоспектрометры, радиометры, лидарные зондировщики, радиовысотомеры и др. EOS планируется как всеобъемлющая информационная система, анализ данных которой позволит понять функционирование Земли как природного комплекса “атмосфера – гидросфера – криосфера – биосфера”, позволит выявить пределы его изменчивости, оценить направления будущей эволюции.
Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в пределах которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся по природному характеру или по антропогенным воздействиям от естественных биологических процессов.
Наиболее отчетливо критерии качества окружающей природной среды определены на локальном (импактном) уровне. Цель регулирования здесь – обеспечение такой стратегии, которая не выводит концентрации определенных приоритетных антропогенных загрязняющих веществ за допустимый диапазон, который является своего рода стандартом. Он представляет собой величины предельно допустимых концентраций (ПДК).
ПДК закреплены законодательно. Соответствие качества окружающей природной среды этим стандартам контролируется соответствующими органами надзора.
Задачей мониторинга на локальном уровне является определение параметров моделей “поле выбросов – поле концентраций”. Объектом воздействия на локальном уровне является человек.
Базовый мониторинг – это слежение за состоянием природных систем, на которые практически не накладываются региональные антропогенные воздействия. Для осуществления базового мониторинга используют удаленные от промышленных регионов территории, в том числе биосферные заповедники.
При мониторинге качественно и количественно характеризуется состояние воздуха, поверхностных вод, климатические изменения, свойства почвенного покрова, состояние растительного и животного мира. К каждому из перечисленных компонентов биосферы предъявляются особые требования и разрабатываются специфические методы анализа.
Методы химического и физико-химического анализа позволяют определить качественный и количественный состав загрязняющих веществ в окружающей среде (в воздухе, почве, воде). Оценка устойчивости природных экосистем к различным видам загрязнений проводится методом биоиндикации. Биоиндикация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ.
Объектами биоиндикационных исследований могут быть отдельные виды флоры или фауны, а также экосистемы.
Например, хвойные породы деревьев чувствительны к радиоактивному загрязнению, а многие представители почвенной фауны – к промышленному загрязнению. Хвойные леса используются для наблюдений в качестве критических экосистем.
Анализ наблюдений за такими объектами позволяет выявить экологические нарушения еще при таких уровнях загрязнения, которые не представляют опасности для населения, проживающего на окружающей территории.
3.2. Управление экологическим мониторингом
В государственной системе управления природоохранной деятельностью в Российской Федерации важную роль играет формирование единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ).
ЕГСЭМ включает в себя следующие основные компоненты:
1. мониторинг источников антропогенного воздействия на окружающую среду;
2. мониторинг загрязнения абиотического компонента окружающей природной среды;
3. мониторинг биотической компоненты окружающей природной среды;
4. социально-гигиенический мониторинг;
5. обеспечение создания и функционирования экологических информационных систем.
Технологии единого экологического мониторинга (ЕЭМ) охватывают разработку и использование средств, систем и методов наблюдений, оценки и выработки рекомендаций и управляющего воздействия в природно-техногенной сфере, прогнозы ее эволюции, энерго-экологические и технологические характеристики производственной сферы, медико-биологические и санитарно-гигиенические условия существования человека и биоты. Комплексность экологических проблем, их многоаспектность, теснейшая связь с ключевыми отраслями экономики, обороны и обеспечением защиты здоровья и благополучия населения требует единого системного подхода к решению проблемы.
Структуру единого экологического мониторинга можно представить сферами получения, обработки и отображения информации, сферами оценки ситуации и принятия решений.
Структурными звеньями любой системы ЕЭМ являются:
1. измерительная система;
2. информационная система, включающая в себя базы и банки данных правовой, медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической направленности;
3. системы моделирования и оптимизации промышленных объектов;
4. системы восстановления и прогноза полей экологический и метеорологических факторов;
5. система принятия решений.
Построение измерительного комплекса систем 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. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. При необходимости визуализировать имеющуюся информацию в виде карты с графиками или диаграммами, создать, дополнить или видоизменить базу данных пространственных объектов, интегрировать ее с другими базами — единственно верным решением будет обращение к ГИС.
Только с появлением ГИС в полной мере реализуется возможность целостного, обобщенного взгляда на комплексные проблемы окружающей среды и экологии.
ГИС становится основным элементом систем мониторинга.
Система единого экологического мониторинга предусматривает не только контроль состояния окружающей среды и здоровья населения, но и возможность активного воздействия на ситуацию. Используя верхний иерархический уровень ЕЭМ (сфера принятия решения), а также подсистему экологической экспертизы и оценки воздействия на окружающую среду, появляется возможность управления источниками загрязнения на основании результатов математического моделирования промышленных объектов или регионов. (Под математическим моделированием промышленных объектов понимается моделирование технологического процесса, включая модель воздействия на окружающую среду.)
Система единого экологического мониторинга предусматривает разработку двухуровневых математических моделей промышленных предприятий с различной глубиной проработки.
Первый уровень обеспечивает детальное моделирование технологических процессов с учетом влияния отдельных параметров на окружающую среду.
Второй уровень математического моделирования обеспечивает эквивалентное моделирование на основе общих показателей работы промышленных объектов и степени их воздействия на окружающую среду. Эквивалентные модели необходимо иметь прежде всего на уровне администрации региона с целью оперативного прогнозирования экологической обстановки, а также определения размера затрат на уменьшение количества вредных выбросов в окружающей среде.
Моделирование текущей ситуации позволяет с достаточной точностью выявить очаги загрязнения и выработать адекватное управляющее воздействие на технологическом и экономическом уровнях.
При практической реализации концепции единого экологического мониторинга не следует забывать: о показателях точности оценки ситуации; об информативности сетей (систем) измерений; о необходимости разделения (фильтрации) на отдельные составляющие (фоновые и от различных источников) загрязнения с количественной оценкой; о возможности учета объективных и субъективных показателей. Данные задачи решает система восстановления и прогноза полей экологических и метеорологических факторов.
3.3. Методы экологического мониторинга
Охрана окружающей среды и рациональное использование ее ресурсов в условиях бурного роста промышленного производства стала одной из актуальнейших проблем современности. Результаты воздействия человека на природу необходимо рассматривать не только в свете развития технического прогресса и роста населения, но и в зависимости от социальных условий, в которых они проявляются. Отношение к природной среде является мерой социальных и технических достижений человеческого общества, характеристикой уровня цивилизации. Сотрудничество между странами в области охраны природы осуществляется через такие организации как Европейский экономический союз (ЕЭС), Организация объединенных наций (ООН) в рамках "Программы ООН по окружающей среде" (ЮНЕП). К главным направлениям деятельности ЮНЕП относятся экологические проблемы населенных пунктов, а также проблемы здоровья и благосостояния человека, охрана наземных экосистем и борьба с распространением пустынь, деятельность, связанная с экологическим образованием и информацией, торговые, экономические и технологические аспекты по защите природы, защита Мирового океана от загрязнения, охрана растительности и диких животных, экологические вопросы энергетики. Экономическая проблема охраны окружающей среды заключается в оценке ущерба, нанесенного загрязнением атмосферы, водных ресурсов, разработкой и использованием недр. Экономический ущерб представляет собой затраты, возникающие вследствие повышенного (сверх того уровня, при котором не возникает негативных последствий) загрязнения воздушной среды, водных ресурсов, земной поверхности. Загрязненная природная среда может отрицательно воздействовать на "реципиентов" (людей, промышленные, транспортные и жилищно-коммунальные объекты, сельскохозяйственные угодья, леса, водоемы и т.п.). Эти отрицательные воздействия проявляются в основном в повышении заболеваемости людей и ухудшения их жизненных условий, в снижении продуктивности биологических природных ресурсов, ускорения износа зданий, сооружений и оборудования. В связи с вышеизложенным можно выделить следующие группы затрат: затраты, направленные на предотвращение вредного воздействия загрязненной окружающей среды на реципиентов, и затраты, вызываемые этим воздействием.
К первой группе относятся затраты на перемещение реципиентов за пределы зон локальных загрязнений окружающей среды, на озеленение санитарно-защитных зон, на сооружение и эксплуатацию систем очистки воздуха, поступающего в жилые помещения. Затраты, отнесенные ко второй группе, включают расходы на медицинское обслуживание заболевших от загрязненного воздуха, оплату бюллетеней, компенсацию потерь продукции из-за повышения заболеваемости, на компенсацию снижения продуктивности биологических земельных и водных ресурсов. Мониторингом окружающей среды называется 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. Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей 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 экосистемы, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.
В систему мониторинга должны входить следующие основные процедуры:
выделение (определение) объекта наблюдения;
· обследование выделенного объекта наблюдения;
· составление информационной модели для объекта наблюдения;
· планирование наблюдений;
· оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели;
· прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;
· представление информации в удобной для использования форме и доведения ее до потребителя.
Физико-химические методы.Современные методы контроля химических веществ, загрязняющих окружающую среду, – это по сути физико-химические методы. Иногда их объединяют термином "инструментальные методы анализа". Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды -хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.
Один из физико-химических методов мониторинга – ИК-спектрофотометрия. Инфракрасные спектры поглощения, отражения или рассеяния несут чрезвычайно богатую информацию о составе и свойствах пробы. Сопоставляя ИК спектр образца со спектрами известных веществ, можно идентифицировать неизвестное вещество, определить основной состав пищевых продуктов, полимеров, обнаружить примеси в атмосферном воздухе и газах, провести фракционный или структурно-групповой анализ. Методом корреляционного анализа по ИК спектру пробы также можно определить его физико-химические или биологические характеристики, например всхожесть семян, калорийность пищевых продуктов, размер гранул, плотность и т.д.
Люминесцентный методы характеризуются высокой экспрессностью и чувствительностью, что позволяет их использовать для систематического контроля за состоянием биосферы и гидросферы и для определения микроэлементов, а также суммарного содержания загрязняющих органических веществ и индивидуальных органических соединений.
Люминесцентный метод относят к числу наиболее чувствительных эмиссионных методов определения следовых количеств органических и неорганических примесей в воздухе. Люминесцентный анализ применяют при определении в воздухе полиароматических углеводородов и их производных. Если определяемое соединение не обнаруживается люминесцентным методом анализа, возможен перевод его в производное, обладающее эмиссией флуоресценции. Для количественного анализа используют также явление тушения люминесценции.
Полярография – одно из электрохимических методов анализа. Полярограмма – зависимость силы тока от величины приложенного напряжения на электроды. При этом методе не происходит физического разделения смеси на отдельные компоненты. В качестве катода чаще всего применяют ртутный капающий электрод (РКЭ), поверхность которого непрерывно обновляется, что позволяет получать полярограммы и проводить анализ с высокой воспроизводимостью результатов.
Прямое определение возможно лишь при наличии веществ, способных восстанавливаться на РКЭ: ионы металлов, органические соединения, содержащие галоид -, нитро -, нитрозогруппы, карбонильные соединения, пероксиды, эпоксиды и др. это несколько ограничивает возможности метода. Однако при определении полягрофических активных соединений позволяет достичь высокой селективности определения без предварительного разделения сложных смесей на отдельные компоненты.
Одним из важнейших этапов реализации экологического мониторинга является дистанционный мониторинг. Как способ получения информации дистанционный мониторинг условно может быть разделен на космический, авиационный, наземный, подземный и подводный. Дистанционный мониторинг, в частности аэрокосмический, применяется для контроля состояния природно-техногенных объектов нефтегазовой отрасли. Основными задачами дистанционного мониторинга являются: техническое состояние магистральных нефте и газопроводов: определение нефтяных загрязнений окружающей среды в местах добычи, переработки и транспортировки углеводородов; оценка масштабов загрязнений при аварийных ситуациях; определение нефтяных загрязнений водной поверхности; контроль ландшафтных изменений в районе расположения техногенных объектов; обнаружение мест и объемов утечек нефтяных углеводородов из наземных и подземных магистральных трубопроводов. Аэрокосмический мониторинг особенно важен для труднодоступных объектов, где проведение непосредственных измерений затруднено или невозможно.
Для решения задач промышленно-экологического мониторинга (ПЭМ) наибольшее распространение получили следующие методы:
- методы мониторинга средствами активного зондирования, к которым относятся лидары, работающие по методу комбинационного рассеяния, на резонансных эффектах и по принципу дифференциального поглощения. Наиболее пригодными для дистанционного контроля нефтяных загрязнений являются системы активного ИК- и УФ-зондирования, а также флуоресцентный лазер, позволяющий определять наличие нефти на поверхности: воды, почвы, снега, льда.
- методы мониторинга средствами пассивного зондирования, к которым относятся тепловизионные системы, много-спектральные сканеры, средства телевизионной и аэрофотосъемки, трассовые радиометры, видеоспектрометры. Многоспектральные сканеры являются наиболее универсальными системами пассивного дистанционного зондирования, так как они могут объединять функции телевизионных, тепловизионных и спектрометрических систем. В НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов ВНЦ “ГОИ им С. И. Вавилова” разработан многоспектральный сканер «Везувий ЭК», предназначенный для получения изображения в видимом, инфракрасном и тепловом диапазонах. Методы теплового контроля являются косвенными и основаны на регистрации теплофизических свойств загрязненной поверхности. Таким образом, тепловизоры, ИК-сканеры могут зафиксировать, как правило, факт наличия загрязнения, а не определять концентрацию;
- радиотехнические методы мониторинга–радиотепловые измерения в СВЧ-диапазоне и активное радиолокационное зондирование. Особенно эффективно применение СВЧ-радиометрии (миллиметровый диапазон) для обнаружения и контроля нефтяных загрязнений водной поверхности, а также измерения толщины пленки.