Текст книги "Геомониторинг в городском подземном строительстве"

1.2. Экологический мониторинг: классификация

Существуют различные подходы к классификации мониторинга: по характеру решаемых задач; по уровням организации; по природным средам, за которыми ведутся наблюдения.

И.П. Герасимов предложил подразделить мониторинг на три главных блока по масштабам и уровням воздействия:

• I блок – биоэкологический или санитарный, включающий наблюдения за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье человека;

• II блок – геосистемный или хозяйственный, подразумевающий наблюдения за изменением природных экосистем и преобразованием их в природно-технические;

• III блок – биосферный или глобальный, охватывающий наблюдения за параметрами биосферы в глобальном масштабе.

Г.С. Струмилин выделил следующие виды общего экологического мониторинга по основным требованиям к его созданию:

• обеспечение необходимой информацией о количественных и качественных характеристиках среды;

• анализ проявления различных видов деятельности людей, воздействующих на окружающую среду;

• анализ изменений окружающей среды, вызванных этими видами деятельности;

• влияние изменений в окружающей среде на жизнедеятельность людей;

• анализ действенности мер по сохранению и улучшению окружающей среды;

• сравнительный анализ показателей статистики окружающей среды как по отдельным регионам внутри страны, так и в международном масштабе.

По структуре системы мониторинга антропогенных изменений природной среды Ю.А. Израэль [44] предложил разделить его на блоки: «Наблюдения», «Оценка фактического состояния», «Прогноз состояния», «Оценка прогнозируемого состояния» (рис. 1.2). Блоки «Наблюдение» и «Прогноз состояния» тесно связаны между собой, так как прогноз состояния окружающей среды возможен лишь при наличии достаточно репрезентативной информации о ее фактическом состоянии в настоящем и в прошлом. В то же время специфика, целевое назначение прогноза определяют структуру и состав наблюдательной системы, а также требования к ней. Для того, чтобы определить, с одной стороны, возможный эффект воздействия и ущерб от него, а с другой – оценить возможности природной среды противостоять негативным воздействиям, то есть определить экологические резервы элемента биосферы, необходимо дать оценку воздействующих факторов и состояния этого элемента до и после воздействия. Под этими оценками подразумевается знание допустимых нагрузок на окружающую природную среду.

Рис. 1.2. Блок-схема системы мониторинга

Н.Ф. Реймерс выделяет следующие виды мониторинга [109].

Мониторинг базовый – слежение за общебиосферными, в основном природными явлениями без наложения региональных антропогенных влияний.

Мониторинг биологический – 1) слежение за биологическими объектами (наличием видов, их состоянием, появлением случайных интродуцентов и т. д.); 2) мониторинг с помощью биоиндикаторовв.

Мониторинг глобальный – слежение за общемировыми процессами и явлениями, включая антропогенные воздействия на биосферу.

Мониторинг импактный – мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и точках.

Мониторинг окружающей среды – слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.

Мониторинг региональный – слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по природному характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы.

Программой ООН по окружающей среде – организацией ЮНЕП – выделяется 5 основных видов мониторинга:

• климатические условия;

• крупномасштабный перенос и осаждение загрязняющих веществ;

• здоровье человека;

• возобновляемые природные ресурсы;

• океан.

Соответственно говорят о трех ступенях мониторинга:

• экологическом или санитарно-гигиеническом, исследующем вопросы климата, загрязнения экологических систем. Под экологическим понимается системным образом организованный мониторинг природных сред, природных объектов, геоэкосистем, источников антропогенного воздействия на них. Под источниками антропогенного воздействия следует понимать источники эмиссии (выделения) веществ, энергии и излучений в природные среды, а также изъятие природных ресурсов, нарушение естественной структуры природных сред и их составляющих. Под геоэкосистемой – материально-энергетическую систему, состоящую из взаимообусловленных природных компонентов, территориально-промышленных комплексов и систем расселения людей. Понятие геоэкосистема близко к понятию экосистемы, но оно включает как системное целое деятельность человека. Экологический мониторинг позволяет обеспечить постоянную оценку экологических условий среды обитания человека, выявить текущее состояние природных сред и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т. д.), а также функциональную целостность экосистем; определить корректирующие действия в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются; установить причины негативного воздейcтвия на природные среды, природные объекты, геоэкосистемы, а также источники их возникновения до того, как будет нанесен значимый ущерб. Таким образом, экологический аспект в наблюдении состояния окружающей среды проявляется в системной организации таких наблюдений;

• геосистемном или природно-хозяйственном, изучающем последствия эксплуатации природных ресурсов (истощение сырья);

• биосферном, занимающимся глобальными вопросами загрязнения всей планеты и его влияния на климат, погоду.

Приведенная ниже классификация (табл. 1.1) охватывает весь блок экологического мониторинга: наблюдения за источниками и факторами техногенного воздействия, абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем на эти изменения [12].

Таблица 1.1.

Классификация экологического мониторинга

Таким образом, экологический мониторинг включает как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении.

В соответствии с определенными признаками мониторинг также подразделяется на следующие типы.

По принципам организации:

• подземный;

• наземный;

• аэрокосмический;

• сопряженный (подземно-наземно-аэрокосмический);

• аварийных ситуаций.

По уровням:

• макроуровень;

• микроуровень.

По объектам:

• природные системы;

• антропогенные системы;

• природно-антропогенные системы.

По видам:

• биоэкологический (санитарно-гигиенический);

• геоэкологический (природно-хозяйственный);

• климатический;

• промышленный;

• транспортный;

• энергетический и т. д.

Также экологический мониторинг подразделяются на подвиды:

• ботанический,

• зоологический,

• антропологический и т. д.

Известна также классификация мониторинга, предложенная акад. И. П. Герасимовым, в которой он подразделяется на блоки, каждый из которых имеет свои задачи и базу обеспечения (табл. 1.2).

В 1982 г. В.К. Епишиным были выделены четыре основных аспекта, определяющих окружающую природную среду, и построена четырехмерная классификация подсистем мониторинга, приведенная в табл. 1.3.

Таблица 1.2

Система наземного мониторинга окружающей среды

Это следующие аспекты: компонентный, целевой, организационно-уровенный, методический. Четырем основным геосферам (компонентам биосферы): атмо-, гидро-, литосфере, живому веществу (биоте) – отвечают подсистемы первого порядка мониторинга окружающей среды, которые могут вступать во всевозможные комбинации на всех пространственно-временных уровнях (этот аспект вынесен за скобки классификации). Считается, что каждая подсистема мониторинга подразделяется еще на региональные и локальные, оперативные и долгосрочные подсистемы.

Таблица 1.3.

Классификация подсистем мониторинга по В.К. Епишину

В целевом аспекте выделены две подсистемы: мониторинг загрязнения биосферы и мониторинг ресурсов биосферы (возобновляемых и невозобновляемых). Далее выделены и закодированы цифрами (1, 2, 3, 4, 5) пять уровней организации вещества биосферы, по которым ведется контроль изменений ее состояния. Для каждого живого вещества (биоты) это следующие уровни: живое вещество – отдельный биоценоз – организм – ткань – ген (молекулярный уровень). Для литосферы: литосфера в целом – геологическая формация – горная порода – минерал – молекула минерала (молекулярный уровень).

В методическом аспекте В.К. Епишин выделяет четыре основных типа натурных наблюдений, увязанные с общей структурой мониторинга окружающей среды: экспедиционные; стационарные (наземные и морские); комплексные фоновые; дистанционные (космоаэрофотосъемка). Типы наблюдений закодированы в классификации с помощью позиционного кода: первую позицию занимают экспедиционные, вторую – стационарные, третью – комплексные фоновые и четвертую – дистанционные. Наличие данного типа наблюдения для конкретной подсистемы кодируется единицей (1), отсутствие – нулем (0).

Рассмотренная классификация дает возможность представить место геоэкологического мониторинга в глобальной системе мониторинга окружающей среды.

1.3. Глобальная система мониторинга окружающей среды

Идея о создании глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) была высказана на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. Однако до сих пор мониторинг на глобальном уровне (т. е. макроуровень) не имеет четко сформулированных целей.

Основные идеи ГСМОС еще в 80-х годах были сформулированы академиком Ю.А. Израэлем, причем отличительной особенностью его концепции было слежение за антропогенными изменениями в окружающей природной среде.

В постановочном аспекте концепция мониторинга была сформулирована в 1971 г. канадским ученым Р. Мэном, в работе которого отмечено, что «мониторинг – это система повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой».

Одним из мероприятий, намеченных Стокгольмской конференцией, было создание Глобальной системы наблюдения (или Оценки окружающей среды) в рамках ЮНЕП, функции которой состояли в оценке и обзоре информации, исследованиях и ведении мониторинга. Эта система была определена как система сбора, сопоставления и обобщения данных, на основе которых определяется экологическое состояние и тенденции его изменения под влиянием деятельности человека. Она может охватывать весь земной шар, регион, отдельную страну, какой-либо район, проект или вещество.

Под мониторингом (в Глобальной системе наблюдения) понималась система наблюдения, сбора и распространения информации с заранее определенными целями для выполнения одной или нескольких из следующих функций:

• установление факта значительного изменения в окружающей среде и обеспечение раннего оповещения о нем;

• изучение уровней и тенденций факторов окружающей среды с целью принятия соответствующих решений и планирования мер по защите окружающей среды;

• проверка соответствия фактического качества окружающей среды установленным критериям и нормам;

• проверка эффективности систем контроля и принимаемых мер;

• обзор и изучение влияния изменений окружающей среды, в частности, на здоровье человека, природные ресурсы и человеческую деятельность;

• изучение воздействия конкретных видов деятельности на окружающую среду с целью принятия решения о необходимости замены некоторых видов этой деятельности.

Позже Глобальная система наблюдения стала называться Глобальной системой мониторинга окружающей среды (ГС МОС). Первое межправительственное совещание по мониторингу состоялось в Найроби в 1974 г. На совещании были сформулированы семь основных целей:

• организация расширенной системы информации об угрозе здоровью человека; оценка глобального загрязнения атмосферы и его влияния на климат; оценка количества и распределения загрязнений в биологических системах, особенно в пищевых цепочках;

• оценка критических проблем, возникающих в результате сельскохозяйственной деятельности и землепользования;

• оценка реакции наземных экосистем на воздействие окружающей среды;

• оценка загрязнений океана и влияния загрязнений на морские экосистемы;

• создание усовершенствованной системы предупреждения стихийных бедствий в международном масштабе и выработка списка приоритетных поллютантов для систем.

Под мониторингом окружающей природной среды понимается система контроля, наблюдения, оценки и прогноза изменений природной среды, вызванных хозяйственной деятельностью человека, осуществляемая в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой.

Рис. 1.3. Глобальная система мониторинга окружающей среды

Общая структура ГС МОС показана на рис. 1.3. Работа ГС МОС в рамках ЮНЕП ведется по пяти основным направлениям:

• мониторинг климата;

• мониторинг крупномасштабного переноса и осаждения загрязняющих веществ;

• мониторинг для целей здравоохранения;

• мониторинг возобновляемых природных ресурсов;

• мониторинг океана.

Мониторинг климата осуществляется ГС МОС совместно со Всемирной метеорологической организацией (ВМО/ ООН). Он состоит из станций фонового загрязнения атмосферы Всемирной службы погоды (ВСП/ВМО) и Всемирного каталога ледников. С помощью ЮНЕП было создано 100 региональных и 10 базовых станций в разных частях земного шара. Программа наблюдений расширена за счет проведения систематического определения отражающей способности Земли (альбедо) и наблюдения за распространением и изменчивостью глобального снежного покрова и морских льдов. Составление Всемирного каталога ледников осуществляется ЮНЕСКО и Шведским Федеральным технологическим институтом на базе информации, поступающей с 750 ледниковых станций. Результаты измерений фонового загрязнения воздуха направляются в Климатический центр (ВМО) в Ашвилле (США), где ежегодно с 1971 г. они публикуются в специальных выпусках. В выпусках содержатся сведения о спектральных характеристиках солнечной радиации для целей оценки мутности атмосферы и сведения о химическом составе осадков по 15 показателям. Данные наблюдений за мутностью атмосферы поступают с 86 станций из 19 стран, о химическом составе атмосферных осадков – с 34 станций из 11 стран.

Мониторинг крупномасштабного переноса и осаждения загрязняющих веществ реализует Европейская программа по мониторингу окружающей среды в рамках Европейской экономической комиссии (ЕЭК/ООН). Наблюдательная сеть имеет 86 станций, расположенных в 22 европейских странах. Информация: содержание серы в аэрозолях, сульфатов и основных ионов в атмосферных осадках, серного ангидрида в газообразном состоянии, а также кислотности в атмосферных осадков – поступает в Норвежский институт атмосферных исследований и метеорологические центры в Осло для стран Западной Европы, в Москву для стран Восточной Европы.

Мониторинг для целей здравоохранения осуществляется под руководством Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и координируется ЮНЕП. Он состоит из трех взаимосвязанных частей. ВМО проводит контроль за загрязнением воздуха в городах на 180 станциях в 60 странах. ВМО совместно с ЮНЕСКО (организация ООН по вопросам образования, науки и культуры) контролирует качество воды на 300 станциях. ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН) осуществляет контроль продуктов питания. Первый ее проект предусматривает наблюдения за содержанием свинца в овощах и рыбных продуктах и хлорсодержащих углеродов в молочных продуктах.

Деятельность по мониторингу возобновляемых природных ресурсов осуществляется ФАО и ЮНЕСКО. В программу «Человек и биосфера» (МАБ/ЮНЕСКО) включены исследования по следующим проблемам: опустынивание – проект № 4, истощение и ухудшение тропических лесов – проект № 1, тропические лесопастбищные угодья – проект № 3.

Вопросы мониторинга загрязнения океана являются предметом изучения ряда национальных и международных программ в рамках ЮНЕП, ВМО и МОК. Межправительственной океанографической комиссией (МОК/ЮНЕСКО) были разработаны план Глобальных исследований загрязнения морской среды (ГИЗМС) и Объединенная глобальная система океанографических станций (ОГСОС). Работы по региональному исследованию Средиземного моря осуществляют 83 морских научных института от 16 стран и ЕЭК под руководством ФАО, МАГАТЭ, МОК, ВМО и ВОЗ. С 1979 г. в программу исследований включен мониторинг поступления загрязняющих веществ, переносимых по рекам и воздуху в Средиземное море. Оценка нагрузки от загрязнителей, вносимых большими реками, была начата в рамках проекта ЮНЕСКО по всемирной регистрации речных сбросов в океан.

В 1974 г. в Челси-колледже был создан Центр по изучению различных аспектов мониторинга окружающей среды. Работы проводятся Научным комитетом по проблемам окружающей среды (СКОПЕ/МСНС – Международный совет научных союзов) при поддержке ЮНЕП. Деятельность центра имеет четыре основных направления: изучение требований к мониторингу и оценке; изучение значения и возможностей регионального мониторинга; обоснование мониторинга через динамику процессов окружающей среды; исследование возможных будущих изменений окружающей среды.

Даже самый общий анализ основных целей программы ГС МОС и основных направлений ее реализации показывает, что мониторинг является сложной иерархической многоуровневой системой.

Как показано на рис. 1.3, функциональная часть ГС МОС включает две подсистемы: систему натурных наблюдений и автоматизированную информационную систему. Кратко остановимся на содержании и основных функциональных задачах перечисленных подсистем.

Система натурных наблюдений организована для получения информации о современном состоянии загрязнения окружающей среды, путях и скорости распространения этого загрязнения и слежения за изменением качества окружающей среды. Получение этой информации может осуществляться различными способами (методами). Экспедиционные наблюдения – это комплексные исследования изменений природной среды, выполняемые, как правило, с определенной периодичностью, а иногда носящие одноразовый характер. Стационарные наблюдения – это постоянное во времени изучение одного или нескольких изменяющихся компонентов природной среды, осуществляемое в различных масштабах, чаще всего в локальном, по определенной заранее методике и с помощью конкретно для этого разработанного технического средства. Комплексные фоновые наблюдения – это стационарные наблюдения, проводимые на территории биосферных заповедников с целью выявления естественной природной изменчивости окружающей среды. Сопоставление результатов стационарных и фоновых наблюдений позволяет выявлять техногенную составляющую изменений природной обстановки, т. е. определить количественные показатели изменяющегося компонента биосферы, вызванные процессами техногенеза. Особое место в системе натурных наблюдений занимают дистанционные наблюдения, основанные на широком использовании аэрофото– и космических снимков. В настоящее время на базе использования дистанционных методов создается аэрокосмический мониторинг, имеющий огромное значение для определения мест, степени и видов загрязнения среды в процессе освоения территории.

Автоматизированная информационная система предназначена для выяснения закономерностей протекания физико-химических, биологических, инженерно-геологических и других процессов, моделирования и прогнозирования загрязнений природной среды и расширения знаний относительно особенностей воздействия загрязнителей на экологические системы, что необходимо при разработке мероприятий по охране здоровья людей и для благополучия нынешнего и будущих поколений, а также для эффективного руководства и управления окружающей средой и рационального использования природных ресурсов.

Автоматизированная справочно-информационная система (АСИС) представляет собой совокупность баз данных, содержащих информацию, получаемую в процессе функционирования системы натурных наблюдений. Ведение АСИС осуществляется на ЭВМ с помощью системы управления базами данных (СУБД). Функционирование АСИС накладывает жесткие требования на представление информации натурных наблюдений для ввода ее в ЭВМ, т. е. требует высокого уровня стандартизации и унификации материалов.

Система обработки данных (АСОД) реализована в виде специализированных комплексов программ обработки материалов, которые либо подобраны из существующих стандартных программ, либо составлены исходя из задач, поставленных перед АСОД. Таким образом, АСОД представляет собой программный комплекс, необходимый для обработки материалов о загрязнении природной среды и позволяющий выявлять закономерности и тенденции развития этих загрязнений.

Прогнозно-диагностическая система (АПДС) – это комплекс проблемно-ориентированных программ, базирующихся на глубокой фундаментальной методологической проработке вопросов моделирования и прогнозирования загрязнений природной среды и выяснении особенностей воздействия загрязнений на различные типы экологических систем. Примером АПДС может служить разработанная и успешно функционирующая в ВЦ РАН концептуальная модель биосферы, которая состоит из трех групп моделей. Первая группа моделей описывает естественную циркуляцию веществ – геохимические циклы; вторая – климат; третья – человеческую активность.

И, наконец, система управления (АСУ) предполагает, исходя из наличия информации о современном состоянии биосферы и прогнозах ее изменения в результате освоения территорий, разработку комплекса природоохранных мероприятий, направленных на минимизацию ущерба, наносимого природе в процессе хозяйственной деятельности человека.

Естественные (природные) изменения климата, погоды, температуры происходят сравнительно медленно, за большие отрезки времени. Антропогенные изменения развиваются гораздо быстрее, и последствия их опасны, поскольку могут стать необратимыми. Поэтому для их установления необходимо иметь информацию о первоначальном состоянии окружающей среды, т. е. до начала антропогенного воздействия (либо статистическую, либо реконструированную по результатам наблюдений за донными отложениями в видных объектах, составом ледников и т. п.). Это логично приводит к другому определению глобального мониторинга – фоновому (или фонового загрязнения). Во всем мире на сегодня действует сеть станций фонового мониторинга, охватывающая все типы экосистем: водные (морские и пресноводные) и наземные (лесные, степные, пустынные и высокогорные). В России также имеются станции комплексного фонового мониторинга, расположенные в биосферных заповедниках и являющиеся частью глобальных международных наблюдательных сетей.

Основными направлениями глобального мониторинга в России являются:

• изучение глобального изменения климата вследствие загрязнения;

• изучение антропогенных воздействий на окружающую среду при распространении загрязняющих веществ на большие расстояния (например, закисления среды под влиянием выбросов серы в атмосферу);

• изучение воздействий загрязнителей, обладающих большой инерционностью, например, кумулятивного эффекта хлорорганических пестицидов.