Поиск репетиторов

Выберите предмет
Все рефераты » Биология » Мониторинг окружающей среды
Эффективная подготовка к экзаменам по БиологииПодобрать репетитора

Мониторинг окружающей среды




МОНИТОРИНГ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.










Выполнил: Теппонен Е. С. СМИ-25

(СПБГУТ)





Мониторинг

Специальные мероприятия по охране и за­щите окружающей природной среды необхо­димы, когда ее качество не соответствует нормативным требованиям, а экосистемы не компенсируют антропогенные нагрузки. Поэтому для принятия управленческих решений о природоохранной деятель­ности прежде всего нужна информация о фактическом состоянии природных объектов.


Наблюдения за состоянием окружающей природной

Среды.

Осуществляются человеком давно для определения оптималь­ных условий ведения хозяйства, принятия мер по предотвращению неблагоприятных воздействий на жизнь людей и т. д. В состав информации о качестве окружающей природной среды входят данные о существующем состоянии и прогнозы изменений природ­ных условий.

Биосфера меняется под влиянием естественных процессов и антропогенных воздействий. После естественных изменений экосисте­мы обычно восстанавливаются и возвращаются в начальное состоя­ние. Перепады температур, давления, сезонные колебания биомас­сы растений и животных - примеры естественных изменений, кото­рые варьируют около относительно постоянных средних значений. Средние характеристики состояния биосферы (климата, круговоро­та воды, глобальной продукции и др.) могут заметно изменяться в течение тысяч и миллионов лет. Антропогенные изменения проис­ходят сравнительно быстро: за одно - два десятилетия и сопоста­вимы по масштабам с естественными, протекающими в течение тысячелетий.

Естественные изменения изучаются геофизическими службами:

гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметри­ческой, магнитометрической и др. Чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных, необходимы специальные наблю­дения. Систему наблюдений за изменением состояния окружающей

природной среды называют мониторингом (лат. monitor ,англ. Monitoring - надзирающий).

Мониторинг - это система контроля, оценки и прогноза качества окружающей природной среды, включающая наблюдения за воздействием на нее человека.

Первое Межправительственное совещание по мониторингу было созвано в Найроби (Кения) в 1974 г. На нем обсуждались основные положения и цели программы глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Большой вклад в развитие мониторинга внесли русские ученые: В. Д. Федоров, Ю. А. Израэль, К. С. Бурдин и др. В зависимости от целей и объектов наблюдений мониторинг можно подразделить на сани-тарно-гигиенический, экологический и климатический.

Санитарно-гигиенический мониторинг касается, в основ­ном, контроля за загрязнением окружающей среды и сопоставления ее качества с гигиеническими ПДК, разработанными для защиты здоровья населения.

Экологический мониторинг имеет целью оценку и прогноз антропогенных изменений в экосистемах и ответной реакции биоты на эти изменения. Основной задачей современных наблюде­ний становится изучение совокупных ответных эффектов экосистем в целом, а не только реакций на воздействие отдельных организмов.

Климатический мониторинг - служба контроля и прогноза колебаний климатической системы; по схеме он похож на экологи­ческий, но охватывает только ту часть биосферы, которая влияет на формирование климата: атмосферу, океан, ледяной покров и др. Климатический мониторинг тесно смыкается с гидрометеоро­логическими наблюдениями.

Возможны и другие классификации мониторинга. Так, по одной из них, выделяют: базовый мониторинг (систему слежения за состоянием и прогнозирование изменений природных процессов);

глобальный мониторинг (систему слежения за изменением био­сферных процессов, включая антропогенные воздействия); импактный мониторинг (наблюдения за локальными и региональными антропогенными воздействиями в опасных зонах) и др.


Мониторинг антропогенных изменений в природной среде не является принципиально новым. Это часть универсальной системы наблюдений и контроля за состоянием природной среды, давно развивающейся в России и других странах; он может быть частью Всемирной службы погоды. Всемирной метеорологической органи­зации и других служб. Таким образом, мониторинг загрязнений - часть существующей системы наблюдений и контроля за состоянием Природной среды; использует их опыт, наблюдательные станции, телекоммуникации, центры обработки информации, совершенствуя старые и развивая новые элементы измерений.

Мониторинг не подразумевает управление качеством окружаю­щей среды. Однако очевидно, что необходимым условием такого управления качеством окружающей среды является правильная организация системы мониторинга.

Структура системы мониторинга включает 4 основных блока:

«Наблюдения», «Оценка фактического состояния», «Прогноз сос­тояния» и «Оценка прогнозируемого состояния» (рис. 11.1).


Мониторинг должен включать наблюдения: за источниками и характером воздействия; состоянием окружающей природной среды экосистем и биосферы в целом (табл. 11.1). Подразумевается также получение данных о фоновом состоянии наблюдаемых объектов.




Чтобы определить динамику изменений состояния биосферы, измерения должны проводиться через определенные интервалы времени, а по важнейшим показателям - непрерывно. Наблюдения могут быть организованы в виде точечных измерений на сетке станций или площадных съемок для получения интегральных показателей. Возможна комбинация этих приемов. Важную роль играют авиационные и спутниковые наблюдения. Чтобы выделить антропогенные воздействия, надо знать первоначальное состояние экосистем. Для этого необходима информация о фоновом состоя­нии как биосферы (наблюдения в местах, удаленных от источников воздействия), так и каждого региона и района.

В Оценка фактического состояния окружающей природ­ной среды позволяет определить тенденции изменений состояния


окружающей среды; степень неблагополучия и его причины; помо­гает принять решения по нормализации положения. Могут быть выявлены и благоприятные ситуации, указывающие на наличие экологических резервов природы.

Экологический резерв природной экосистемы есть разни­ца между предельно допустимым и фактическим состоя­нием экосистемы.

Метод анализа результатов наблюдений и оценка состояния экосистемы зависят от вида мониторинга. Обычно оценка осущест­вляется по совокупности показателей или по условным индексам, разработанным для атмосферы, гидросферы, литосферы. К сожа­лению, нет унифицированных критериев даже для одинаковых элементов природной среды. Для примера рассмотрим лишь отдельные критерии.

В саиитарно-гигиеническом мониторинге обычно исполь­зуют: 1) комплексные оценки санитарного состояния природных объектов по совокупности измеряемых показателей (табл. 11.2, 11.3) или 2) индексы загрязнений.

Общий принцип расчета индексов загрязнений следующий: вначале определяется степень отклонения концентрации каждого загрязняю­щего вещества от его ПДК, а затем полученные величины объеди­няются в суммарный показатель, который учитывает воздействие нескольких веществ.

Приведем примеры расчета индексов загрязнения, используемых для оценки загрязненности атмосферного воздуха (ИЗ) и качества поверхностных вод (ИЗВ).

Расчет индекса загрязнения (ИЗ) атмосферного воздуха начинается с нахождения отношения измеренной концентрации i-го вещества С, к его ПДК. (А):

А¡= С¡/ПДК,. (11.1)

Величина А дает возможность оценивать действие концентраций различных веществ в сопоставимых единицах. Далее характер воздействия веществ учитывают введением весовых коэффициентов и выбором вида функции j Вначале вычисляют средние




ассоциативные полученных показателей А¡, затем - индекс загрязнения атмосферного воздуха ИЗ:

(11.2)


где j (Z) - строго монотонная функция (в приведенном примере целесообразно использовать возрастающую функцию); j¯¹ (Z) - обратная функция; k- число показателей, используемых в расчете.

Функция j (Z) должна учитывать известные закономерности воз­действия всех определяемых загрязняющих веществ на те или иные объекты. Частными случаями формулы (11.2) являются: j' (Z) = z -среднее арифметическое, j''(Z) = In z - среднее геометрическое, j'''(Z) = z2 - среднее квадратическое. Причем среднее геометри­ческое равно 0, когда хотя бы одно из слагаемых равно 0.

Далее могут быть рассчитаны средние ассоциативные с допол­нительным взвешиванием членов суммы с помощью весов аi:

(11.3)


где a1 + a2 + ... + ak= 1, а, > О.

Таким образом, с помощью а, можно учесть разницу в харак­тере воздействия различных веществ. Частным случаем взвешенного среднего можно считать использование максимального значения показателя А, из ранжированного ряда А1>A2>...>Ak

ИЗ=A¡=Amax


При использовании в расчетах взвешенного арифметического среднего формула имеет вид

(11.4)

При квадратическом осреднении, которое подчеркивает вклад веществ с наиболее высокими по отношению к их ПДК концентра­циями, расчет ведут по формуле



(11.5)


Существует методика расчета ИЗ, учитывающая класс опасности загрязняющих веществ. Часто в качестве ИЗ используют максималь­ный показатель из числа полученных:

И3=(a¡,A¡)max. (11.6)

В США, например, распространен ИЗ воздуха, рассчитываемый по максимальному значению из измеренных показателей.

На рис. 11.2 показаны значения индексов при арифмети­ческом (j') геометрическом (j'') и квадратическом (j''') осреднении в случае присутствия в воздухе пяти примесей с различной концентрацией: A1(взвесь) = 0,1; A2(СО) =0,1; A3 (N0) = 0,5; A4(SO2) = 0,9; A5(N02) = 0,9.


Расчеты индекса загрязнения природных вод (ИЗБ) также могут быть выполнены несколькими методами.

Приведем в качестве примера метод расчета, рекомендованный нормативным документом, который является неотъемлемой частью Правил охраны поверхностных вод (1991) - СанПиН 4630-88.

Вначале измеренные концентрации загрязняющих веществ группируют по лимитирующим признакам вредности - ЛПВ (органолептическому, токсикологическому и общесанитарному). Затем для первой и второй (органолептический и токсикологический ЛПВ) групп рассчитывают степень отклонения ¡) фактических концентраций веществ (C¡) от их ПДК¡ так же, как и для атмосфер­ного воздуха (11.1). Далее находят суммы показателей А¡ для первой и второй групп веществ:

(11.7)

где S - сумма А¡ для веществ, нормируемых по органолептическому (Sорг и токсикологическому Sтокс ЛПВ) n- число суммируемых показателей качества воды.

Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворен­ного в воде кислорода и БПК20 (общесанитарный ЛПВ), бактерио­логический показатель - число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязнения воды определяется в соответствии с гигиенической классификацией водных объектов по степени загрязнения (табл. 11.4).

:|у Сопоставляя соответствующие показатели (Sор, Sтокс, БПК20 и т. д.) с оценочными (см. табл. 11.4), определяют индекс загряз­нения, степень загрязнения водного объекта и класс качества вод. Индекс загрязнения определяют по наиболее жесткому значению оценочного показателя. Так, если по всем показателям вода отно­сится к 1 классу качества, но содержание кислорода в ней меньше 4,0 мг·л¯¹), (но больше 3,0 мг·л¯¹), то ИЗВ такой воды следует принять за 1 и отнести ее ко II классу качества (умеренная степень загрязнения).

От степени загрязнения воды водного объекта зависят виды водопользования (табл. 11.5).






Таблица 11.5

Возможные виды водопользования в зависимости от степени загрязнения водного объекта (по СанПиН-4630-88)

Степень загрязнения Возможное использование водного объекта

Допустимая Пригоден для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений

Умеренная Свидетельствует об опасности использования водного объекта для культурно-бытовых целей. Использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения без снижения уровня химического загрязнения на очистных водопроводных сооружениях может привести к начальным симптомам интоксикации у части населения, особенно при наличии веществ 1-го и 2-го классов опасности

Высокая Безусловная опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Недопустимо использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за сложности удаления токсических веществ в процессе водоподготовки. Употребление для питья воды может привести ; к появлению симптомов интоксикации и развитию отдаленных эффектов, особенно при присутствии веществ 1-го и 2-го классов опасности

Чрезвычайно

высокая Абсолютная непригодность для всех видов водопользования. Даже кратковременное использование воды водного объекта опасно для здоровья населения


В службах Минприроды РФ для оценки качества воды исполь­зуют методику расчета ИЗВ только по химическим показателям, но с учетом более жестких рыбохозяйственных ПДК. При этом выделяют не 4, а 7 классов качества:

I - очень чистая вода (ИЗВ = 0,3);

II - чистая (ИЗВ = 0,3 - 1,0);

III - умеренно загрязненная (ИЗВ =1,0 - 2,5);

IV - загрязненная (ИЗВ = 2,5 - 4,0);

V - грязная (ИЗВ = 4,0 - 6,0);

VI - очень грязная (ИЗВ = 6,0 - 10,0);

VII - чрезвычайно грязная (ИЗВ более 10,0).

На рис. 11.3 приводится карта-схема оценки качества поверх­ностных вод Санкт-Петербурга и Ленинградской области, выполнен­ная в соответствии с данной методикой расчета ИЗВ.


Экологический мониторинг имеет особое значение в гло­бальной системе мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, в мониторинге возобновляемых ресурсов биосферы. Он включает наблюдения за экологическим состоянием наземных, водных и морских экосистем.

В качестве критериев, характеризующих изменения состояния природных систем, могут быть использованы: сбалансированность продукции и деструкции (см. рис. 10.3); величина первичной продук­ции, структура биоценоза; скорость круговорота биогенных веществ и др. Все эти критерии численно выражаются различными хими­ческими и биологическими показателями. Так, изменения в рас­тительном покрове Земли определяются изменением площади лесов.

Главным результатом экологического мониторинга долж­на быть оценка откликов экосистем в целом на антропогенные возмущения.

Отклик, или реакция экосистемы - это изменение ее экологичес­кого состояния в ответ на внешние воздействия. Оценивать реакцию системы лучше всего по интегральным показателям ее состояния, в качестве которых могут использоваться различные индексы и другие функциональные характеристики. Рассмотрим некоторые из них:

1. Одним из наиболее распространенных откликов водных Экосистем на антропогенные воздействия является эвтрофирование (см. гл. 10). Следовательно, слежение за изменением показателей, интегрально отражающих степень эвтрофированности водоема, например рН1оо%, - важнейший элемент экологического монито­ринга.

2. Откликом на выпадение «кислотных дождей» и другие антропо­генные воздействия может быть изменение структуры биоценозов Наземных и водных экосистем. Для оценки такой реакции широко используют различные индексы видового разнообразия, отражающие тот факт, что при любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.

Десятки таких индексов предложены разными авторами. Наи­большее применение нашли индексы, основанные на теории информации, например, индекс Шеннона:



(11.8)


где N • общее число особей; S - число видов; N, - число особей ¡-го вида.

На практике имеют дело не с численностью вида во всей попу­ляции (в пробе), а с численностью вида в пробе; заменяя N¡/N на n¡/n, получим:

(11.9)

Максимальное разнообразие наблюдается, когда численности всех видов равны, а минимальное - когда все виды, кроме одного, представлены одним экземпляром. Индексы разнообразия (d) отражают структуру сообщества, слабо зависят от величины про­бы и безразмерны.

Ю. Л. Вилмом (1970) были подсчитаны индексы разнообразия Шеннона (d)на 22 незагрязненных и 21 загрязненном участках разных рек США. На незагрязненных участках индекс колебался от 2,6 до 4,6, а на загрязненных - от 0,4 до 1,6.

Авторы учебника использовали этот же индекс для оценки изменения структуры фитоценоза в различных по степени трофности районах Невской губы (рис. 11.4).






Оценка состояния экосистем по видовому разнообразию приме­нима к любым видам воздействий и любым экосистемам.

3. Реакция системы может проявляться в снижении ее устойчи­вости к антропогенным стрессам. В качестве универсального интеграль­ного критерия для оценки устойчивости экосистем В. Д. Федоровым (1975) была предложена функция, названная мерой гомеостаза и равная отношению функциональных показателей (например, рН юо% скорости фотосинтеза) к структурным (индексам разнообразия).

Позже (1980) этот же автор считал возможным оценку эффекта вредного воздействия свести к подбору единственного обобщенного показателя состояния экосистемы, объединяю­щего отдельные отклики, так называемой функции желательности, для построения которой используется интервал значений от нуля до единицы 0 < d¡<1, где единица соответствует максимальной желательности (полной безопасности действующего фактора л,), нуль - полной нежелательности (максимальной вредности) Функцию d = f(x¡) можно задать таким образом, чтобы обеспечить постепенный подход к значениям 0 и 1, например

(11.10)

Тогда при x=5 d=0,993, при х=1 d=0,37, а при х = -2 значение d близко к нулю.

Оценка состояния экосистемы в целом проводится на основании подсчета обобщенного показателя желательности D, который рассчитывается как среднее геометрическое из совокупности оценок d,



(11.11)

где 0 < d¡ <. 1

В качестве критического значения неудовлетворительности предлагается D = 0,37.

Этот подход может быть использован и при определении приоритетности наиболее опасных воздействий

Особенностью экологического мониторинга является то, что эффекты воздействий, малозаметные при изучении отдельного организма или вида, выявляются при рассмотрении системы в целом.

Прогноз и оценка прогнозируемого состояния экосистем и биосферы опираются на результаты мониторинга окружающей природной среды в прошлом и настоящем, изучение информацион­ных рядов наблюдений и анализ тенденций изменений.

На начальном этапе необходимо прогнозировать изменение интенсивности источников воздействий и загрязнений, осуществлять прогноз степени их влияния: прогнозировать, например, количество загрязняющих веществ в различных средах, их распределение в пространстве, изменения их свойств и концентраций во времени. Для составления таких прогнозов необходимы данные о планах деятельности человека.

Следующий этап - прогноз возможных изменений в биосфере под воздействием имеющихся загрязнений и других факторов, так как уже возникшие изменения (особенно генетические) могут действовать еще много лет. Анализ прогнозируемого состояния позволяет выбирать приоритетные природоохранные мероприятия и вносить коррективы в хозяйственную деятельность на региональном уровне.

Прогнозирование состояния экосистем - необходимое звено в управлении качеством природной среды.

В оценке экологического состояния биосферы в глобальном масштабе по интегральным признакам (осредненным в пространстве и времени) исключительную роль играют дистанционные методы наблюдений. Лидируют среди них методы, основанные на исполь­зовании космических средств. Для этих целей создаются специальные спутниковые системы («Метеор» в России, «Лендсат» в США и др.). Особенно эффективны синхронные трехуровневые наблюдения с помощью спутниковых систем, самолетов и наземных служб (см. гл. 2). Они позволяют получать информацию о состоянии лесов, сельскохозяйственных угодий, фитопланктоне моря, эрозии почв, урбанизированных территориях, перераспределении водных ресурсов, загрязнении атмосферы и т. д. Наблюдается, например, корреляция между спектральной яркостью поверхности планеты и содержанием гумуса в почвах и их засоленностью.

Космическая съемка предоставляет широкие возможности для геоботанического районирования; позволяет судить о росте насе­ления по площадям поселений; потреблении энергии по яркости ночных огней; четко идентифицировать слои пыли и аномалии температуры, связанные с радиоактивным распадом; фиксировать повышенные концентрации хлорофилла в водоемах; обнаруживать очаги лесных пожаров и многое другое.

В России с конца 60-х гг. действует единая Общегосударствен­ная система наблюдений и контроля за загрязнением окружающей среды. В ее основе лежит принцип комплексности наблюдений природных сред по гидрометеорологическим, физико-химическим, биохимическим и биологическим параметрам. Наблюдения построены по иерархическому принципу.

Первой ступенью являются локальные пункты наблюдений, обслу­живающие город, район и состоящие из контрольно-замерных станций и вычислительного центра сбора и обработки информации (ЦСИ). Затем данные поступают на второй уровень - региональный (территориальный), откуда информация передается местным заинтере­сованным организациям. Третьим уровнем является Главный центр данных, в котором собирается и обобщается информация в масштабах страны. Для этого сейчас широко используют ПЭВМ и создают цифровые растровые карты.

В настоящее время создается Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), назначение которой - выдача объективной комплексной информации о состоянии окружающей природной среды. ЕГСЭМ включает мониторинги: источников антропогенного воздействия на окружающую среду; загрязнения абиотической компоненты окружающей природной среды; биоти­ческой компоненты природной среды.

В рамках ЕГСЭМ предусмотрено создание экологических информационных служб. Мониторинг ведет Государственная служ­ба наблюдений (ГСН).

Наблюдения за атмосферным воздухом в 1996 г. проводились в 284 городах на 664 постах. Сеть наблюдений за загрязнением поверхностных вод РФ на 1 января 1996 г. состояла из 1928 пунктов, 2617 створов, 2958 вертикалей, 3407 горизонтов, расположенных на 1363 водных объектах (1979 г. - 1200 водных объектов); из них - 1204 водотока и 159 водоемов. В рамках Государственного мониторинга геологической среды (ГМГС) наблюдательная сеть составила 15000 пунктов наблюдения за подземными водами, 700 участков наблюдений за опасными экзогенными процессами, 5 полигонов и 30 скважин для изучения предвестников землетрясений.

Среди всех блоков ЕГСЭМ наиболее сложным и наименее разработанным не только в России, но и в мире является монито­ринг биотической составляющей. Не существует единой методологии использования живых объектов ни для оценки, ни для регулирования качества окружающей среды. Следовательно, первоочередная задача - определение биотических показателей для каждого из блоков мониторинга на федеральном и территориальном уровнях дифференцированно для наземных, водных и почвенных экосистем.

Для управления качеством окружающей природной среды важно не только владеть информацией о ее состоянии, но и определять ущербы от антропогенных воздействий, экономическую эффективность природоохранных мероприятий, владеть экономи­ческими механизмами охраны окружающей природной среды.




ЛИТЕРАТУРА: учебник для технических ВУЗОВ. Авторы: Л. И. Цветкова, М. И. Алексеев, Б. П. Усанов, Л. И. Жукова.




Поиск репетиторов

Выберите предмет