Система моделирования геосистем
Под моделированием в экологии понимается исследование процессов и явлений, постановка различных экспериментов не в живой природе, а на специально созданных искусственных объектах. Примером простейших искусственных объектов является аквариум (террариум), или графические логические или математические схемы, более или менее отражающие свойства естественных систем. Одно из главных требований, предъявляемых к любой модели, - это ее подобие с моделируемой системой. Наиболее просты и традиционны физические модели тех или иных устройств, представляющих собой уменьшенные копии этих устройств в целом или их подсистем.
Математическое моделирование заключается в формализации и исследовании поведения систем и их компонентов при помощи математики. Существуют два подхода к использованию математического аппарата в описании биологических процессов. Первый - это формализация заведомо известных процессов, общая специфика и закономерности которых устанавливаются практическим путем (наблюдения или эксперименты). Получаемые результаты представляются в виде графиков, преобразуемых далее в уравнения. Таковы, например, уравнения, связывающие в логарифмической форме ПДК вредных веществ в воде и атмосфере с их физико-химическими свойствами (молекулярной массой, растворимостью и т.д.). Другой подход к моделированию заключается в том, что высказывается некое гипотетическое суждение о той или иной закономерности, например о биоценотических процессах, и эта гипотетическая закономерность «накладывается» на тот или иной известный закон поведения переменных в математическом уравнении.
Данные модели являются идеальными, имеющими методическое значение, но не отражающими реальные ситуации. Поэтому при теоретическом моделировании исследователи оперируют более сложными моделями. Реальные биологические процессы на уровне популяций и биогеоценозов настолько сложны, что, в силу ограниченности доступной информации и трудностей ее формальной интерпретации, удовлетворительному анализу на основе математических моделей они пока не поддаются.
При математическом моделировании в отличие от других форм моделирования исследуемое явление заменяется его математическим описанием, воспроизводимым вычислительными средствами ЭВМ. Таким образом, эксперименты проводятся не с реальными объектами, а с ЭВМ, в которой реализована математическая модель явления. Такие модели называются кибернетическими, так как процессы, происходящие в живых системах, можно рассматривать как процессы управления с обратной связью. Эти модели могут быть реализованы как в виде уравнений функциональной зависимости, так и в виде программ для ЭВМ.
Контрольные вопросы:
1.Что такое мониторинг?
2.В чем заключается принцип экологического мониторинга?
3.Охарактеризуйте сущность геоэкологической информации?
Литература
1. «Охрана окружающей среды» А.С.Степановсих-Москва:«Юнити»,2000
2.«Экология» А.А.Демеген,Е.Т.Жаңбыршин,А.Д.Демеев Ақтау-2005
3.«Очисти природных и сточных вод» Я.Я.Кару,Я.Я.Пааль- Москва
Тема 2. Типы мониторинга и их взаимосвязь
1. Мониторинг-фоновый, долгосрочный и краткосрочный, геосистемный, биоэкологический, биосферный.
2.Организация общегосударственных систем контроля состояния природы (ОГСКП). Временная структура на структуре ОГСП
3.Методы повышения эффективности.
Цель лекции:Целью данной темы является раскрытие типов мониторинга, знакомство со структурой ОГКСП.
Ключевые слова:биоэкологическом (синоним - локальный) мониторинге, Биосферный (синонимы - фоновый, глобальный) мониторинг.
Виды мониторинга
Глобальный мониторинг предусматривает слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях (осуществление прогноза возможных изменений).
Для оценки критических проблем, связанных с практикой сельского хозяйства и землепользования, предполагается производить периодическое картирование городских районов, районов опустынивания, вырубки и насаждений лесов, прибрежных зон, орошаемых и неорошаемых сельскохозяйственных земель, районов вечной мерзлоты, заболоченных земель, открытых горных разработок. Очевидно, что районы опустынивания могут служить индикаторами климатических изменений.
Изменения состояния биосферы, проявляющиеся на больших территориях, в настоящее время отслеживаются с помощью спутниковых систем наблюдения.
Национальный мониторинг это мониторинг, объектами анализа которого, учитывая площадь и географическое положение государства, являются трансконтинентальные миграции ингредиентов в атмосфере, больших речных системах, морях и океанах.
Национальный мониторинг предусматривает осуществление оценки и разработки прогнозов состояния окружающей среды и воздействия на нее природных и антропогенных факторов в пределах страны. В задачи мониторинга входят: обеспечение единства измерений при получении данных мониторинга в национальном масштабе; подготовка и предоставление информации по результатам проведения мониторинга окружающей среды государственным органам; взаимодействие с международными информационными системами в области мониторинга окружающей среды.
Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в пределах которых наблюдаются процессы и явления, отличающиеся по природному характеру или по антропогенным воздействиям от базового фона (от естественных биологических процессов), характерного для всей биосферы.
При региональном мониторинге оценивают взаимодействие человека и природы в различных отраслях народного хозяйства, дают характеристику общего нарушения природной среды, привноса и выноса из природных систем веществ и энергии.
Региональный мониторинг проводят агрослужба, гидроклиматическая, лесоустроительная, сейсмологическая и другие службы.
Локальный мониторинг осуществляет контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ и других загрязнителей в атмосфере, природных водах, растительности, почве, подверженных воздействию конкретных источников загрязнения.
При локальном мониторинге состояние окружающей среды оценивается с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, емким и комплексным показателем состояния окружающей среды. Проводят локальный мониторинг природоохранные службы предприятий.
Импактный мониторинг обеспечивает наблюдения в особо опасных зонах и местах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.
Импактный мониторинг (мониторинг источников антропогенного воздействия) – мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.
Под источником антропогенного воздействия следует понимать источники эмиссии (выделения) веществ, энергии и излучений в природные среды, а также изъятие природных ресурсов, нарушение естественной структуры и их составляющих.
Фоновый мониторинг (синоним – базовый) – это слежение за общебиосферными, в основном природными, явлениями, слежение за состояние природных систем без наложения на них региональных антропогенных влияний. Для осуществления базового мониторинга используют удалённые от промышленных регионов территории, в том числе биосферные заповедники.
Биосферный мониторинг - это наблюдения за глобально-фоновыми 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.
ФОНОВЫЙ МОНИТОРИНГ
Целью фонового мониторинга является проведение долговременных систематических наблюдений за уровнем содержания ЗВ во всех объектах окружающей среды в районах, которые находятся на значительном расстоянии от источников вредных выбросов.
Таким образом, в результате проведения фонового мониторинга должны быть выявлены глобальные тенденции в изменениях, происходящих в биосфере на фоновом уровне загрязнений при антропогенном воздействии.
Антропогенному воздействию в природе подвергаются:
- Биотические компоненты, население, его здоровье,
а) элементы природных экосистем, используемые человеком (лес, сельхозугодья, сады, отдельные участки морей, рек, озер).
б) элементы природных экосистем, не используемые человеком.
- абиотические составляющие биосферы и отдельных экосистем.
а) крупные составляющие биосферы, климатические системы, воздействие на которые ведет к геодезическим изменениям крупного масштаба.
б) абиотические природные элементы небольшого масштаба, но подверженные значительному антропогенному воздействию (береговые зоны, опушки леса и т. п.),
в) созданные человеком (города, каналы, здания, машины).
Для осуществления фоновых наблюдений создана сеть станций, которые подразделяются на базовые и региональные. Базовые обеспечивают получение информации об исходном состоянии биосферы и располагаются в районах, где отсутствует антропогенное воздействие, в большинстве случаев в биосферных заповедниках.
На региональных станциях получается информация о состоянии биосферы в зонах, подверженных антропогенному влиянию. Они могут располагаться вблизи урбанизированных районов.
Считается, что для всего Земного шара достаточно 30-40 базовых станций на суше и до 10 на акватории Мирового океана. Каждая станция должна иметь наблюдательный стационарный полигон и химическую лабораторию.
Отбор проб проводится на наблюдательном полигоне.
Состав показателей гидрометеорологических наблюдений: температура и влажность, скорость и направление ветра, давление, облачность, атмосферные явления (туман, метель, гроза и т. п.), количество и интенсивность осадков, снежный покров, температура почвы (на глубине до 20 м), состояние поверхности почвы.
На водных объектах: уровень, расход, температура воды, волнение, течения, ледовый покров, распространение водной растительности, уровень грунтовых вод.
Программа наблюдений за загрязнителями на сухопутных фоновых станциях:
§ В атмосферном воздухе: взвешенные вещества, аэрозольная мутность, озон, СО, СО2, SОx, NОx, SO42-, углеводороды, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие хлорорганические пестициды, Pb, Cd, Hg, As. Определения проводятся ежедневно.
§ В атмосферных выпадениях и снеге определяют Pb, Cd, Hg, As, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие хлорорганические пестициды, рН, главные катионы и анионы. Частота наблюдений: влажные осадки - интегральные пробы за 10 дней и 1 месяц, сухие выпадения - интегральная проба за 1 месяц, снег - интегральная проба на всю глубину перед сходом снежного покрова.
§ В поверхностных и подземных водах, взвесях, донных отложения и почве определяют то же, что и по п. 2, кроме главных катионов и анионов, а также биогенные элементы. Частота наблюдений: вода и взвеси - в характерные гидрологические периоды (половодье, летняя и зимняя межень, дождевые паводки), донные отложения и почва - 1 раз в год.
§ В биологических объектах - Pb, Cd, Hg, As, 3,4-бенз(а)пирен, ДДТ и другие хлорорганические пестициды
Программа наблюдений за загрязнителями на морских фоновых станциях:
§ - определение ЗВ (нефтяные УВ, пестициды, тяжелые металлы, фенолы, СПАВ),
§ - определение показателей среды (H2S, pH, NO3-, NO2-, NH4+, P(V), и Робщ., Si),
§ - показатели гидрометеорологического режима (соленость, температура воды и воздуха, скорость и направление ветра и течений, прозрачность, цветность).
Частота наблюдений - 1 раз в сезон.
Формирование фонового загрязнения окружающей среды обусловлено природными и антропогенными источниками загрязняющих веществ.
Природные источники: выветривание, выщелачивание и вынос морской соли с поверхности Мирового океана, извержения вулканов.
Антропогенные источники: промышленность, энергетика, транспорт, сельское хозяйство и т. д. Антропогенная деятельность, с одной стороны ускоряет процесс переноса различных химических элементов из литосферы в атмосферу, а с другой стороны - поставляет в окружающую среду такие соединения, которых в ней ранее не было.