С.В.Мордвинов, С.О. Медведев

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Лесосибирский филиал, Россия

Экологический мониторинг: проблемы и решения

 

В 21 веке вопросы экологии принимают первостепенное значение. Современные технологии позволяют определять экологические проблемы еще на стадии их возникновения, тем самым облегчая антропогенную нагрузку на окружающую среду. В мировой практике накоплен значительный опыт в области отслеживания вредных воздействий деятельности человека на среду обитания. В настоящее время в России появился как интерес, так и объективные возможности и потребности во внедрении различных технических и технологических новинок в области экологии. Таким образом, становится ясна актуальность научных разработок в данной области. Целью данной статьи является раскрытие современных направлений развития экологического мониторинга и отслеживания антропогенного воздействия на окружающую среду.

Двумя основными методами отслеживания воздействия на окружающую среду и изменений происходящих в ней являются мониторинг и контроль. Основное различие между ними состоит в динамичности первого и статичности второго. Наиболее интересным для анализа представляется мониторинг, который в отличие от контроля дает более широкие возможности исследований и не столь жесток в своих целях. Статичность контроля и динамичность мониторинга лишь внешние характеристики. В действительности в обоих случаях речь идет о специальных информационных технологиях.

Основными структурными элементами таких технологий являются:

1) система представительных точек наблюдения;

2) система необходимых и достаточных индикаторов;

3) система датчиков, обеспечивающих заданную индикацию;

4) сети съема и передачи сигналов;

5) периферические блоки обработки и архивирования данных;

6) центральный блок обработки и отображения информации;

7) геоинформационная и экспертная системы.

Все эти семь структурных элементов должны обеспечивать выполнение требований объективности, комплексности и целесообразности, налагаемых требованиями мониторинга на информационную систему в целом.

Основные объекты экологического мониторинга:

-     природные среды (атмосферный воздух, поверхностные воды суши, морские воды, почва и земной покров, ландшафты, геологическая среда)

-     источники антропогенного воздействия, приводящие к поступлению в окружающую среду токсичных, опасных и экологически вредных веществ (сточные воды, промышленные выбросы и т.д.), к изменению сложившегося или естественного состояния природных сред, изменению ландшафта территорий;

-     природные ресурсы (водные, земельные, лесные и прочие био­логические);

-     факторы воздействия среды обитания (шум, тепловое загрязне­ние, физические поля).

Экологический мониторинг является многоуровневой информационной системой, охватывающей слежение за всем циклом антропогенных воздействий от источников воздействия до реакции отдельных природных сред и сложных экологических систем. Для комплексного подхода к определению допустимых уровней воздействия на организм, популяцию, экосистему, биосферу в целом надо знать критические показатели и звенья, характеризующие состояние экосистем. Большое внимание при этом должно быть уделено методам математического моделирования. В основу такого моделирования закладывается принцип многоуровневости.

Принцип многоуровневости экологического мониторинга реализуется в двух направлениях. Прежде всего, это постепенный переход от простых датчиков к сложным, где на первой ступени работают простые и дешевые датчики, регистрирующие отклонение физико-химических параметров от статически определенной нормы. На каждом более высоком уровне контроля число включаемых одновременно работающих датчиков меньше, чем на предыдущем. Последняя ступень содержит малое число дорогих универсальных высокочувствительных аналитических приборов, работа которых может быть не автоматизирована, а обеспечиваться малочисленным квалифицированным персоналом.

Второй путь связан с реализацией многоуровневого мониторинга, действующего по принципу «космической этажерки», предусматривающему космический, самолетный (вертолетный) и наземный уровни наблюдений.

При организации экологического мониторинга должны учитываться определенные приоритеты. По территориям высший приоритет должен быть отдан городам, зонам питьевой воды и местам нерестилищ рыб; по средам — атмосферному воздуху и воде пресноводных водоемов; по ингредиентам воздуха — пыли, двуокиси серы и продуктам ее превращений (серной кислоте и сульфатам), тяжелым металлам (ртути, свинцу, кадмию, окиси углерода и окислам азота NOx, канцерогенным веществам, хлорорганическим пестицидам, нефти и т.д.; по источникам загрязнений в городах — автотранспорту, ТЭС, предприятиям цветной металлургии и т.д.

Основные проблемы организации мониторинга связаны с решением трех главных задач:

1     создание сети пунктов наблюдения;

2     возможность оперативного контроля объектов;

3     выбор контролируемых параметров и показателей состояния объектов и индивидуальных аналитических параметров, необходимых и достаточных для адекватного описания состояния экосистемы.

Концепция создания комплексной системы мониторинга природной среды в целом в настоящее время практически не может быть реализована, так как существующая система фактически состоит из отдельных подсистем мониторинга качества объектов природной среды (вода, воздух, почва), которые слабо методологически связаны между собой. Поэтому на первой стадии следует создавать системы мониторинга отдельных сред с последующей их методологической и метрологической увязкой. Вместе с тем, интегрирование систем мониторинга количественных и качественных показателей отдельных сред (загрязнения воды и гидрологии, загрязнение атмосферы и метеорологии) необходимо сохранять и развивать с самого начала, так как в противном случае не будет обеспечена правильная оценка их состояния.

Концепция комплексной системы экомониторинга опирается, прежде всего, на оперативный экологический контроль. Для построения системы такого контроля необходимо создание методологии и аппаратуры автоматического оперативного слежения за возможными экологическими правонарушениями на базе следующих приборов контроля:

-     приборы типа «химический сторож» для автоматического контроля возможных нелегальных залповых сбросов и отбора проб сбросов;

-     приборы типа «черный ящик» для автоматического непрерывного контроля и документирования состояния вод, сбрасываемых предприятиями или станциями очистки и воздушных выбросов предприятий промышленно-энергетического комплекса;

-     приборы типа «анализатор отпечатков пальцев» для идентификации виновников загрязнения путем сравнения состава веществ загрязнения и состава вещества в потенциальных (подозреваемых) источниках загрязнения;

-     приборы для автоматического отбора, хранения и подготовки к анализу пробы объектов окружающей среды в непрерывном (on line) режиме.

Подобная аппаратура обеспечивает возможность функционирования многоступенчатой системы контроля природной среды, представляющей собой открытую иерархическую структуру, где «на нижней ступени» установлена сеть простых датчиков, управляющих устройствами отбора пробы и включающих более сложные анализаторы старших ступеней в случае обнаружения аномалий состава и свойств контролируемой среды.

За рубежом созданы региональные мониторинговые геоинфор­мационные системы, особенно в мониторинге загрязнения атмосферы. Геоинформационная мониторинговая система (ГМС) выполняет комплекс функций по сбору информации о текущих зна­чениях параметров геосистем, обработке этой информации в рамках имитационных моделей экологических и климатических процессов и по принятию оптимальных решений. Различают ГМС локального (стационарные средства регистрации, опробования, анализа), регионального (авиационно-космические средства) и глобального (космические средства) масштаба.

Аппаратура, установленная на спутниках, обеспечивает регистрацию цифровой информации в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах электромагнитного спектра. Решаются задачи природопользования и экологического контроля:

-     классифицируются земные покровы, фенологические фазы и болезни растений, вызываемые антропогенными воздействиями;

-     оценивается газовый состав атмосферы;

-     выполняется слежение за водной и ветровой эрозией почв:

-     определяются границы снежного покрова, затопления и разливов рек;

-     идентифицируются многие антропогенные изменения в окружающей среде, например, лесные пожары;

-     контролируется состояние озонового слоя.

Аэрокосмические методы дистанционного измерения представляют широкие возможности для изучения естественной и сельскохозяйственной растительности, определения запасов биомассы и ее продуктивности. Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют установить по степени прозрачности факелов плотность частиц в них. Примеси, составляющие такой факел, можно определить по поглощению радиации в соответствующих зонах поглощения различными газами. Использование данных спутникового дистанционного зондирования открывает возможность обнаружения фактов нарушения природоохранного законодательства, локализации и установления источников загрязнения. Не исключено поэтому, что спутниковая информация станет доминирующей при контроле за аварийными и нелегальными разливами нефтепродуктов в условиях транспортных операций.

Методы дистанционного зондирования являются единственным средством получения экологической информации на больших площадях с высоким пространственным разрешением в реальном масштабе времени. Удовлетворение требований оперативности, обзорности и объективности оптимизируется путем сочетания многоспектральной космической съемки и сети фиксированных станций наземного базирования.

Контроль окружающей среды с помощью наземных средств измерений многообразен (автоматизированные системы контроля качества воздуха, стационарные посты пассивного мониторинга, лидары,  телеметрия). Таким образом, вырисовывается система мониторинга окружающей среды: «космос – воздух – земля», которая позволяет отследить изменения во всех сферах Земной оболочки.

Рассмотрение существующих возможностей для развития экологического мониторинга в России дает представление о значительных разработках в этой области. Однако практическое внедрение различных комплексов и систем на данном историческом этапе развития России осуществляется крайне медленно. Такой ситуации способствует комплекс сопутствующих проблем, охватывающий широкий перечень вопросов – от бюрократических до экономических. Преодоление главной из них – психологической, т.е. к внедрению в сознание населения России неизбежности и жизненной необходимости решения проблем экологии, становится краеугольным камнем в переходе России на более новый качественный уровень в области охраны окружающей среды и самой жизни.