книги / Экологический мониторинг

Кроме поверхностных вод, регулирование которых в описываемый период достигло высокого уровня, началось активное использование ресурсов подземных вод, причем не только источников, выходящих на поверхность, но и относительно глубоко залегающих водоносных горизонтов. Поиск источников воды был сопряжен со знанием признаков расположенных близко к поверхности запасов воды, оценкой встречаемости и плотности популяций растений, выявлением особенностей поведения животных, характеристикой встречаемых минералов и почв.

Множество интересных сведений об экологическом мышлении того времени можно найти в древних египетских, индийских, тибетских и античных источниках, в трудах ученых античного мира – Гераклита (530–470 гг. до н. э.), Гиппократа (ок. 460–ок. 370 гг. до н. э.), Аристотеля (384–322 гг. до н. э.) и других. Аристотель в своей «Истории животных» описал более 500 видов животных и их поведение. Теофраст Эрезийский (372–287 гг. до н. э.) описал влияние почвы и климата на структуру растений, наблюдаемое им на огромных пространствах древнего Средиземноморья.

Блестящие образцы организации наблюдений за природной средой описаны еще в I в. н. э. в «Естественной истории» Гая Секунда Плиния (23–79 гг. н. э.). Тридцать семь томов, содержавших сведения по астрономии, физике, географии, зоологии, ботанике, сельскому хозяйству, медицине, истории, служили наиболее полной энциклопедией знаний до эпохи Средневековья.

Постепенная деградация земель в результате интенсивного и нерегулируемого выпаса скота, переувлажнение и заболачивание, засоление и истощение почв, вплоть до образования подвижных песков, деградация лесных почв при заготовке древесины, которая использовалась на строительстве деревянных судов, вели к сокращению естественных природных ресурсов уже освоенных территорий и были объективной причиной вымирания и миграций этносов.

Военные походы древних народностей (египтян, греков, римлян, викингов, монголов и других) служили для поиска плодородных угодий, захвата новых территорий, обеспечения ресурсной базой. В великих походах первых путешественников – Марко Поло (1272– 1295); Васка да Гамы (1497–1499), Америго Веспучи (1501–1502), Афанасия Никитина (1466–1472), Христофора Колумба (1492–1504), Ермака (1581–1584), Френсиса Дрейка (1577–1580) и других,

11

описание которых дошло до наших дней, были получены не только сведения о богатстве, достижениях и культурных традициях, но и данные об изменениях рельефа, водных объектах, климате, животных и, конечно, роли правителей в освоении и преобразовании своих территорий, получаемых урожаях и ресурсах.

Географические открытия в эпоху Возрождения, колонизация новых стран явились толчком к развитию биологических наук. Описание, накопление фактического материала, первичная систематизация данных – характерная черта естествознания этого периода.

Методы получения знаний о земле и природе отражены в культурных традициях и мифологии древних народов. В процессе развития сознания происходил постепенный переход от безличного одушевления всей природы к представлениям о душе тех или иных природных объектов – духах Земли, рек, гор, лесов, воды, воздуха. Так Гея – олицетворение Земли, Деметра – плодородия, Посейдон – Мирового океана, плодоносящие силы Земли, виноградарство и виноделие связано с мифологическими образами Диониса и Вакха. Описание характера мифологических героев построено на знаниях особенностей и изменчивости тех сфер, которые они олицетворяли.

Климатические и географические наблюдения были наиболее распространенными и востребованными в этот период, который характеризуется не только описанием наблюдаемых явлений и процессов, но и неразрывно связан с историей изобретений. Принято считать, что точные наблюдения начались сравнительно недавно. Наиболее ранние и продолжительные инструментальные наблюдения за климатическим характеристиками относят ко второму десятилетию XVII в. Например, в Италии и некоторых государствах Западной Европы проводились наблюдения за температурой воздуха, но они были не систематическими и проводились с использованием разных, несопоставимых приборов.

На территории России еще в XVI в. было выполнено подробное географическое описание Московского государства от Баренцева до Черного и Каспийского морей, от Финского залива до Оби и Енисея. В том же столетии русскими летописцами в Русском хронографе были собраны сведения об экстремальных природных явлениях за пятнадцать веков нашей эры. Позднее, по указу Ивана IV, они были включены в состав Лицевого летописного свода, иллюстрированного цветными миниатюрами.

12

В середине XVII в. по указу царя Алексея Михайловича были начаты ежедневные визуальные наблюдения за погодой, значительная часть которых дошла до нашего времени. Эти сведения заносились в «Дневальные записки Приказа тайных дел» и содержали более 2 тысяч записей за период 1657–1675 гг. Прообразом современных гидрологических наблюдений были отметки об уровне весеннего половодья, которые делались на стенах городских монастырей, часто выполненных из камня и служивших более долгое время, чем деревянные строения. Первый водомерный пост на Неве организован в 1785 г. В период царствования Петра I значительно расширились визуальные наблюдения за погодой, подъемом рек

âпериод наводнений, состоянием льдов в Финском заливе.

ÂXVII–XIX вв. русские люди обследовали и описали громадные пространства Сибири и Дальнего Востока вплоть до Сахалина, Курил и Берингова пролива. Были получены сведения не только об очертаниях земель Сибири и Дальнего Востока, но и о метеорологических условиях в этих суровых районах, о гидрологиче- ском и ледовом режимах сибирских рек, арктических морей, об осо-

бенностях климата различных регионов России и влиянии его на жизнь человека.

Путешественники из дальних стран привозили неведомых животных и семена неизвестных растений, чтобы разобраться во всем этом многообразии форм живых существ, необходимо было создать таксономическую систему и, таким образом, осмыслить это разнообразие. С первой половины XVIII в. эволюции животных и растений, влиянии климата и иных факторов, в том числе антропогенных, изучали К. Линней, Ж. Л. Бюффон, Ж. Б. Ламарк, А. ДеКандоль, А. Гумбольдт, Ч. Дарвин, Э. Геккель и другие. Большой вклад в развитие экологических представлений в это время внесли и российские ученые, такие как П. С. Паллас, И. И. Лепехин, С. П. Крашенинников, М. В. Ломоносов, А. А. Каверзнев, А. Т. Болотов.

Второй период природопользования характеризуется применением более точных инструментальных методов измерений и наблюдений, продолжением сбора и первыми попытками систематизации фактического материала, накопленного благодаря великим географическим открытиям и колонизации новых стран, анализом полученных результатов, крупными ботанико-географическими

13

открытиями, способствовавшими дальнейшему развитию методов использования представителей флоры и фауны для выявления особенностей почв, горных пород, подземных вод.

Третий период природопользования, начавшийся в эпоху промышленной революции и развития промышленного производства характеризуется научными открытиями на рубеже XIX–XX вв., развитием новейших технологий и формированием в настоящее время единого информационного пространства. Этот период неразрывно связан со становлением современных научных знаний о природе, Земле, природных ресурсах, роли человеческого общества в биосферных процессах.

Методы, применяемые в разных науках (биогеохимия, анатомия, физиология, физика, химия, геодезия, метеорология и др.), широко использовались для выявления видов и источников загрязнения, оценки содержания загрязняющих веществ в природных объектах и идентификации их воздействия. Совершенствование методов отслеживания изменений в компонентах окружающей среды явилось объективной необходимостью со времени начала промышленной революции, угрожающего серьезными изменениями многих жизненно важных параметров окружающей среды.

Под экологическим мониторингом понимается специальное длительное наблюдение за состоянием одних и тех же экосистем. Подобные исследования сопряжены с большими временными затратами, так как предусматривают детальное исследование всех компонентов биогеоценозов, что возможно лишь при организации стационарных работ на временных и постоянных пунктах наблюдения. К сожалению, изучение процессов трансформации сложных многокомпонентных систем, какими являются экосистемы, в том числе природно-техногенные, в настоящее время затруднено из-за отсутствия единых методических подходов, что не позволяет полу- чить достоверные и сопоставимые результаты.

Для преодоления антропоцентрического характера нормирования допустимых воздействий на объекты окружающей среды потребовались новые методы учета восприятия живыми организмами нарастающих антропогенных нагрузок. К этим методам можно отнести различные модификации биоиндикации, биотестирования, оценки аккумулирующей способности живых организмов. Направление биологического мониторинга развивается наряду с высоко-

14

эффективными методами современной аналитической химии и фи- зико-химических методов определения низких концентраций загрязняющих веществ в природных средах. Биоиндикационные исследования стали развиваться особенно интенсивно в начале XX в. И если в начале они, в основном, характеризовались качественной оценкой «присутствует – отсутствует» и описанием особенностей растительных организмов или биогеоценозов, затем исследования биоиндикационных закономерностей вышли на качественно новый уровень. В настоящее время для целого класса индикаторных видов растений и животных выявлена степень влияния и разработаны шкалы воздействий.

Разработанные методы и инструменты проведения системати- ческих наблюдений за объектами, имеющими сбросы, выбросы и отходы, содержащие загрязняющие вещества, и природными средами позволили приступить к разработке и реализации систем экологического мониторинга. Для выявления специфики экологи- ческих закономерностей принято различать полевые, лабораторные, экспериментальные, расчетные (математическое моделирование) методы.

Математические методы (математическая статистика, методы теории информации и кибернетики, теории чисел, дифференциальные и интегральные исчисления и др.) часто применяются в современных экологических исследованиях. В большей степени известно математическое моделирование распространения загрязняющих веществ от источников эмиссии в атмосферном воздухе и природных водотоках, имитационные модели миграции и трансформации поллютантов в твердых средах, моделирование биологических явлений, например, процессов самоочищения. Математи- ческие модели, особенно при наличии количественных характеристик, являются достаточно эффективными инструментами для прогноза изменения ситуаций в масштабах различных экологических систем.

В последние годы большое внимание уделяется развитию ретроспективного мониторинга. В состав работ ретроспективного мониторинга входит инвентаризация природных ресурсов и техногенных объектов с составлением комплектов тематических карт и материалов специализированного дистанционного зондирования. Они осуществляются на основе сопряженной обработки аэрокосмической

15

и традиционной геолого-геофизической и геохимической информации. Мониторинг в реальном масштабе времени на материалах ретроспективного мониторинга исследует системные взаимосвязи природных и техногенно-природных объектов и устанавливает закономерности пространственно-временного распределения опасных и экологически значимых изменений объектов. На этом уровне распределение задач мониторинга идет от космических методов к наземным. Наземный мониторинг технически ограничен отдельными пересечениями и расположенными в их пределах группами точек, профилями и т. д. Сочетание дистанционной площадной и наземной эталонной информации позволяет получать представительные и достоверные данные.

В последние десятилетия особенно быстро развиваются дистанционные методы экологического мониторинга, которые выделяют в самостоятельную отрасль наблюдений со специфическими проблемами, собственной теорией и методологией. Успехи освоения космического пространства, развития технологий получения информации с использованием искусственных спутников Земли позволяют выделить в программах мониторинга возможность использования космической информации.

Наиболее оперативно контроль экологической обстановки осуществляется средствами дистанционного зондирования Земли и ее атмосферы в оптическом диапазоне и радиодиапазоне спектра [6,9]. Оптические системы, применяемые для контроля загрязнения разделяют на пассивные, которые регистрируют солнечное или тепловое излучение исследуемого объекта, и активные, использующие искусственные источники излучения. Методы дистанционных исследований и контроля позволяют получить информацию о распределении концентраций аэрозольного загрязнителя по всей трассе зондирования и применяются для мониторинга приземного слоя атмосферы, оценки масштабов распространения эмиссий индустриального происхождения. В океанологии эти методы нашли применение в диагностике состояния прибрежных вод и контроле биологической активности морской среды по индексу цвета.

Развитие информационных технологий и достижений в создании последних поколений приборов и аппаратов для получения первичной информации, ее обработки и представлении позволили создать системы мониторинга в реальном масштабе времени.

16

PNRPU

Особенно заметны успехи использования автоматизированных систем контроля и наблюдения, сбора, обработки, импорта информации для оперативного мониторинга предотвращения чрезвычайных ситуаций.

В XX в. были разработаны и быстро усовершенствовались методы наблюдений за компонентами гидросферы в атмосфере, океанах и водных объектах суши. Были приняты меры по обмену данными наблюдений между уполномоченными органами и службами, осуществляющими мониторинг. По мере совершенствования средств телесвязи такой обмен становится более быстрым и надежным.

Влияние человеческого общества на среду обитания происходило всегда, но на рубеже XXI в. антропогенной нагрузки по силе своего влияния на природную среду сравнима с масштабными природными катаклизмами. Стрессовое состояние компонентов биосферы, источником которого является антропогенное действие, необходимо регулировать и снижать до приемлемых уровней. Решение экологических проблем стало настолько сложным, что зачастую оно становится невозможным на региональном и национальном уровнях и требует принятия решений на международном уровне.

Обсуждение экологических проблем, обоснование стратегии защитных мер, политики регулирования и снижения уровня воздействия, формирования массового экологического сознания происходило на следующих конференциях и симпозиумах – Стокгольм, 1972; Найроби, 1974; Рига, 1978; Рио-де-Жанейро, 1992; Киото, 1997; Давос, 1999; Йоханнесбург, 2002 и другие. Принятые на международном уровне решения способствовали дальнейшему развитию экологического мониторинга, унификация методических подходов и используемых инструментов, что позволило повысить его роль в оценке текущего состояния окружающей среды, прогнозирования возможных ее изменений и управления ее качеством.

Экологический мониторинг является важным элементом экологической безопасности, позволяющим прогнозировать изменения качества окружающей среды применительно к условиям жизнедеятельности человека, животного и растительного мира в локальных, региональных и глобальных масштабах.

17

1.2.МОНИТОРИНГ:

ТЕРМИНОЛОГИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Термин «мониторинг» происходит от английских слов «monitor» è «monitoring», имеющих значение – прибор (устройство) для наблюдения и (или) процесс постоянного контроля над чем или за кем-либо, применяемого в морском деле и процессе обучения разновозрастных учеников в одном классе; «to monitor» – советовать, производить контрольный прием; «monitory» – предостерегающий, предупреждающий.

В настоящее время термин широко используется в различных областях знаний и деятельности: широко известными являются словосочетания «финансовый мониторинг», «мониторинг успеваемости», «мониторинг состояния здоровья» и др.

Термин «мониторинг окружающей среды» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 г. Термин «мониторинг» использован в рабочих материалах Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (Стокгольм, 5–16 июня 1972 г.) при обсуждении предложений по организации Службы Земли (Earth watch). Компонентами Службы Земли должны были стать Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), а также элементы оценки получаемых результатов и обмена информацией. Рабочими группами на конференции велись дискуссии по мониторингу загрязнений; мониторингу природных ресурсов, обсуждались общие проблемы мониторинга. В целом, мониторингом была названа система повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой (Ð. Ìàíí, 1972).

Формирование системы мониторинга направлено на сбор, систематизацию и анализ информации:

•о состоянии окружающей среды;

•о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (источниках и факторах воздействия);

•о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

•о существующих резервах биосферы.

18

За период, прошедший с момента введения в науку и практику понятия «мониторинг» по настоящее время, исследованиями в области теории и методологии мониторинга окружающей среды занимались климатологи, биологи, географы, геологи, инженеры, экономисты и др.

В СССР теорию мониторинга объектов окружающей среды разрабатывали Ю. А. Израэль (1974, 1986), И. П. Герасимов (1975), Б. В. Виноградов, В. Д. Федоров, М. Е. Берлянд (1990) и другие ученые.

Наблюдения за состоянием окружающей среды осуществляются с целью обнаружения текущих изменений начального состояния, выявления направленности и динамики происходящих изменений. По определению И. П. Герасимова, мониторинг – это система наблюдения, контроля и управления состоянием окружающей природной среды, осуществляемая в различных масштабах, в том числе и глобальном [ 5 ].

Согласно Н. Ф. Реймерсу (1990), мониторинг – слежение за состоянием окружающей среды и «предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов». В словаре И. С. Щукина под мониторингом понимается слежение за какими-либо объектами и явлениями природной среды и предупреждение об их появлении, изменении и создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей, организмов, природных и антропогенных объектов.

Наиболее полно принципы, основные идеи и структура мониторинга изложены Ю. А. Израэлем, обобщившим международный опыт по этому вопросу. Уточняя определение мониторинга окружающей среды, Ю. А. Израэль сделал акцент не только на принципы организации наблюдений, но и на оценку получаемых результатов и возможность их использования для прогноза состояния наблюдаемых объектов. Кроме того, им было обосновано введение в определение «мониторинг окружающей среды» антропогенного фактора, как основной причины этих изменений [ 7 ].

В рабочих материалах совещания в Найроби (Кения, 1974 г.) и последующих международных симпозиумах по всестороннему анализу окружающей природной среды был предложен термин «мониторинг антропогенных изменений окружающей природной

19

среды». Мониторинг окружающей среды – система наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды.

Мониторинг, как функциональная система, включает в себя следующие основные направления деятельности (рис. 1.1):

•сбор информации, получаемой путем регулярных наблюдений за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и состоянием среды;

•оценка информации;

•прогнозирование изменений состояния компонентов природной среды и отклика экосистем на антропогенное влияние;

•рекомендации по управлению и регулированию уровня антропогенного воздействия.

Рис. 1.1. Блок-схема системы мониторинга (Ю. А. Израэль, 1984)

Прямые и обратные связи между структурными элементами системы направлены на достижение и сохранение качества окружающей среды, необходимого для сохранения здоровья людей, природных объектов и ресурсов; соблюдение требования рацио-

20