2. Методы исследований в природопользовании

Изучение проблем взаимоотношения общества и природы осуществляется с помощью различных методов, разработанных естественными и общественными отраслями знаний.

Методологической основой дисциплины является диалектический материализм – всеобщая теория познания объективного мира, в т. ч. и экологических проблем. Диалектический метод означает, что взаимодействие общества и природы рассматривается с точки зрения их всеобщей связи, перехода количественных изменений в качественные, раскрытия внутренних противоречий. Подходит к изучаемым явлениям и исторически, рассматривая их в движении, изменении и развитии.

Традиционным методом исследований в географии является картографический. С помощью этого метода дают оценку природных ресурсов, прогнозируют природные явления в регионах, недоступных непосредственному наблюдению, определяют природоохранные мероприятия, направленные на предотвращение опасных явлений, сохранение и воспроизводство природных ресурсов.

Большое значение в исследовании взаимодействия общества и природы имеет космический метод – метод дешифрирования аэрофотоснимков. Научная и практическая значимость этого метода обусловлена значительной обзорностью космических снимков и хорошим отражением на них взаимосвязей между компонентами природной среды и отдельными видами производственной деятельности, что позволяет изучить экологические процессы в динамике, осуществить прогноз и разработать природоохранные мероприятия.

Важным методом исследований является системный анализ. Суть его состоит в том, что предмет исследования рассматривается в качестве целостной системы, состоящей из взаимосвязанных элементов, причем в центре внимания находится изучение взаимосвязей и взаимодействия между этими элементами. Системный подход к изучению природопользования позволяет исследовать сложные взаимосвязи отдельных процессов по эксплуатации и воспроизводству природных ресурсов, охране либо восстановлению качественного состояния окружающей среды.

Одним из главных методом в природопользовании является нормативный. Используются различные нормативы – предельно допустимые концентрации, предельно допустимые выбросы, нормативы отходов ресурсопотребления, экономической эффективности экологических затрат и др.

Основной величиной экологического нормирования содержания загрязняющих веществ в природных компонентах является ПДК. ПДК – это такое содержание вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека. При определении ПДК учитывается влияние загрязняющих веществ не только на здоровье человека, но и на животных, растения, микроорганизмы, а также на природные сообщества в целом.

В настоящее время установлены ПДК вредных веществ для воздушной и водной среды и сравнительно недавно начаты исследования по разработке ПДК загрязняющих веществ для почвы.

Для санитарной оценки воздушной среды используется ПДК для рабочей зоны (р. з.), максимально разовая (м. р.) и среднесуточная (с. с.). ПДК р. з. – предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны. Эта концентрация не должна вызывать у работающих при ежедневном вдыхании в течение 8 ч за все время рабочего стажа каких-либо заболеваний или отклонений от нормы в состоянии здоровья. При этом рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой расположены места пребывания работающих.

ПДК м. р. – максимально разовая концентрация вредного вещества в воздухе населенных пунктов, которая не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК с. с. – среднесуточная предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания.

В СНГ и сопредельных странах нет единых общегосударственных норм качества воды, т. к. ее пригодность определяется конкретными требованиями отдельных видов водопользования.

Особенности нормирования химических веществ в водной среде обусловлены следующими факторами:

1. С гигиенических позиций оценивается уровень загрязнения воды, предназначенной для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.

2. Нормативы качества воды распространяются не на весь водный объект, а только на пункты водопользования населения.

3. При нормировании учитывается непосредственное влияние химических веществ на организмы, а также влияние на органолептические свойства воды и процессы ее самоочищения.

4. Для водных объектов, используемых населением, устанавливаются единые гигиенические нормативы.

Качество поверхностных вод нормировано для хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Самые высокие требования предъявляются к питьевой воде. В воде определяют такие показатели, как вкус, запах, цвет, прозрачность, безвредность ее химического состава и эпидемиологическую безопасность. Вкус воды обусловлен растворимыми в ней веществами. Нередко неприятный привкус и запах сообщают воде продукты разложения животных и растительных организмов, например Н₂S, CO₂. Питьевая вода в любое время года не должна содержать менее 4 г/м³ O₂, а наличие в ней минеральных примесей (мг/л) не должно превышать: Cl – 350; сульфатов (SO₄^2-) –500; Fe (²⁺и³⁺) – 0,3; Mn²⁺ – 0,1; Cu²⁺ – 1,0; Zn²⁺ – 5,0; Al³⁺ – 0,5; метафосфатов (РО₃) – 3,5; фосфатов (PО₄^3-) – 3,5; сухого остатка – 1000. Общая минерализация воды не превышает 1000 мг/л.

Запах воды зависит от химического состава примесей и от растворенных в ней газов. Различают запахи естественного происхождения (от живущих и отмирающих организмов, воздействия почв и грунтов) и искусственного происхождения (от случайного попадания сточных вод, от реагентов, используемых для обработки воды). Интенсивность запаха воды оценивается по 5-балльной системе, причем для питьевой воды при температуре 20 – 60 ⁰C она не должна превышать 2 баллов.

Степень прозрачности воды зависит от количества содержащихся в ней взвешенных частиц. Взвеси портят вкус воды и служат благоприятной средой для развития болезнетворных бактерий. В водопроводной воде концентрация взвешенных веществ не должна превышать 1,5 мг/л.

Строго регламентированы реакция среды, которая в питьевой воде должна быть близка к нейтральной (рН 6,5 – 8,5), и температура воды. Содержание в питьевой воде большого количества растворимых солей Mg и Са ухудшает вкус воды и обуславливает ее жесткость. Допускается жесткость воды не выше 7 ммоль. Вопрос о доброкачественности питьевой воды решают путем определения количества кишечных палочек в 1 л воды. Согласно нормам, в 1 л питьевой воды может содержаться не более трех бактерий группы кишечных палочек.

Для водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях, также установлены нормативы качества воды применительно к двум категориям:

1. Использование водных объектов для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию О₂.

2. Использование водных объектов для других рыбохозяйственных целей.

Используемые в настоящее время методы оценки качества воды с помощью системы ПДК загрязняющих веществ не дают полного представления о состоянии природной воды. Различные вещества могут поступать в природную воду в количествах, соответствующих ПДК, но во много раз превышающих их естественные концентрации в водной среде. Современная промышленность ежегодно создает новые вещества, установление их ПДК запаздывает. Таким образом, существующие ПДК, разработанные санитарно-гигиенической службой, далеко не полностью отражают влияние химических веществ на водные экосистемы.

Нормирование загрязняющих веществ в почве проводят по трем направлениям:

1. Нормирование содержания средств защиты растений в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий.

2. Нормирование накопления токсичных веществ на территории предприятий.

3. Нормирование загрязненности почвы в жилых районах, главным образом в местах временного хранения бытовых отходов.

Загрязняющие вещества в пахотном слое почвы нормируются по двум показателям: предельно допустимым (ПДК) и временно допустимым концентрациям (ВДК).

Критерии выделения ПДК в почвах не разработаны. ПДК загрязняющих веществ в почвах определяются не только их химической природой и токсичностью, но и особенностями самих почв. Почвы изменяются по природным зонам. Поэтому не могут быть установлены унифицированные уровни ПДК.

При определении ПДК загрязняющих веществ в почве особое внимание уделяется тем соединениям, которые могут мигрировать в атмосферу, грунтовые или поверхностные воды или накапливаться в растениях.

Из почвы, из воздуха загрязняющие вещества могут поступать в продукты питания, а далее – в организм человека. К загрязняющим веществам в пищевых продуктах относятся тяжелые металлы, синтетические химические соединения, пестициды, нитраты, радионуклиды, токсины микроорганизмов. Они нормируются по нескольким показателям: предельно допустимым (ПДК_пр), временно допустимым (ВДК_пр) концентрациям, максимально допустимым уровням (МДУ).

На здоровье человека оказывают влияние вибрация, лазерное излучение, напряженность электромагнитного поля, шумовое загрязнение среды. Для нормирования указанных видов воздействий используют предельно допустимые уровни.

Широко используется для исследования антропогенного изменения природной среды мониторинг.

Геоэкологический мониторинг – это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов. Система мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию: о состоянии окружающей среды; об источниках воздействия; о допустимости изменений и нагрузках на среду в целом; о существующих резервах биосферы.

По масштабам обобщения информации различают глобальный, региональный и импактный мониторинг.

Глобальный мониторинг – это слежение за мировыми процессами и явлениями в биосфере и осуществление прогноза возможных изменений.

Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, которым присущи процессы и явления, отличающиеся от естественных по природному характеру или из-за антропогенного воздействия.

Импактный мониторинг проводится в особо опасных зонах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.

По методам ведения выделяются следующие виды мониторинга:

• биологический (с помощью биоиндикации);

• дистанционный (авиационный и космический);

• аналитический (химический и физико-химический анализ).

По объектам наблюдения выделяются:

1. мониторинг отдельных компонентов (почвы, воды, воздуха);

2. мониторинг биологический (флоры и фауны).

Особым видом мониторинга является базовый, т. е. слежение за состоянием природных систем в отсутствии регионального антропо-генного воздействия (биосферные заповедники). Целью базового мони-торинга является получение данных, с которыми сравниваются резуль-таты, полученные другими видами мониторинга.

В последнее время широко внедряются в практику научных исследований методы моделирования.

Моделирование – это составление моделей, в той или иной степени подобных оригиналу. Модели изменяют размеры природных систем, ускоряют или замедляют процессы, позволяют упростить сложные природные системы, вычленив ограниченное количество элементов. Модели классифицируются по назначению (теоретические и поиско-вые), по логическим путям построения (дедуктивному и индуктивному и их совмещению), по степени отражения динамических процессов (статические и динамические), по физической сущности моделируемых процессов (обмен веществом, энергией, информацией) и по другим признакам.

Модели принято делить на две группы: материальные (предметные) и идеальные (мысленные). Из материальных моделей наиболее широко распространены в природопользовании физические модели. Например, при создании крупных проектов, таких, как строительство ГЭС. Вначале строятся уменьшенные модели устройств и сооружений, на которых исследуются процессы, происходящие при заранее запрограм-мированных воздействиях.

Во второй половине ХХ в. большое значение приобретают идеальные модели: математические, кибернетические, имитационные, графические.

В качестве научной основы природопользования используется модель геосистемы. Эта модель применяется для прогнозирования, а также с целью управления природопользованием посредством воз-действия на один компонент для получения положительного эффекта от другого.

Природная геосистема рассматривается как простая географическая модель, саморегулирующаяся система. Ее целостность поддерживается взаимосвязью природных компонентов. Более сложными моделями являются природно-техническая геосистема и интегральная. В при-родно-технических системах техника и природа представлены как элементы одной системы. Используя данные модели, можно проследить цепочку: воздействия на природный комплекс – изменения комплекса – последствия изменения природы для человеческой деятельности – из-менение деятельности и т. д. Посредством таких моделей можно углу-бить представления о механизме взаимодействия техники на природу.

Интегральная геосистема в качестве своих элементов включает население и орган управления, который принимает и контролирует решения. Для рационального природопользования это очень важно, так как ставится задача выработки системы мер по сохранению целостности геосистемы.

Моделирование состоит из нескольких этапов. Первый этап моделирования – это качественный анализ. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Модель должна соответствовать двум требованиям: отражать те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания, и должна быть адекватна оригиналу. Второй этап моделирования – это математическая реализация логической структуры модели. С применением математических методов выводятся зависимости в модели. Третий этап моделирования предусматривает проверку соответствия модели оригиналу. Для этого проводится эмпирическая проверка – сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом. Четвертый этап моделирования – изучение модели, экспериментирование с моделью. Основная цель этапа – выявление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируемой системой, а также пригодность модели для прогнозирования.

Прогнозирование (экологическое) – предсказание возможного поведения природных систем, определяемого естественными процессами и воздействием на них человечества. Главной целью прогноза является оценка предполагаемой реакции окружающей среды на воздействие человека, решение задач будущего рационального использования природных ресурсов в связи с ожидаемыми состояниями окружающей среды.

Прогнозы классифицируют по времени, по масштабам прогнозируемых явлений и по содержанию. По времени различают следующие виды прогнозов: сверхкратковременные (до одного года), краткосрочные (до 3 – 5 лет), среднесрочные (до 10 – 15 лет), долгосрочные (до нескольких десятков лет), сверхдолгосрочные (на тысячелетия и более).

По масштабам прогнозируемых явлений прогнозы делятся на четыре группы: глобальные, региональные, национальные (государственные), локальные. По содержанию прогнозы относятся к конкретным отраслям наук: метеорологические, экологические и др.

Прогнозирование в природопользовании характеризуется следующими особенностями:

1. Природа развивается по своим законам, знание которых всегда относительное.

2. Вмешательство в природную среду большей частью обусловлено законами, которые действуют в человеческом обществе.

3. Природные ресурсы и объекты планеты взаимообусловлены, взаимосвязаны, в т. ч. с другими космическими телами. Это затрудняет прогноз.

4. Последствия антропогенного воздействия на природу сказываются на состоянии здоровья человека, которое зависит и от социально-экономических факторов. Учесть влияние каждого из этих факторов на здоровье населения сложно.

5. При прогнозировании последствий ухудшения состояния природной среды на человеческий организм возникают трудности учета сопротивляемости, устойчивости, приспосабливаемости организма как промежуточного звена природной среды.

6. Прогнозирование природопользования должно быть осуществлено на основе прогноза социально-экономического развития на всех уровнях (регион, страна и т. д.).

7. Прогнозирование природопользования непосредственно связано с прогнозом развития научно-технического прогресса.

8. Использование опыта и результатов международного разделения труда, территориальной организации производства.

Основными принципами прогнозирования в природопользовании являются следующие:

1. Системный принцип предполагает неразрывность прогнозирования во времени и пространстве.

2. Принцип объективности, научной обоснованности.

3. Принцип совпадения, адекватности: совпадение теоретических моделей с практическими проявлениями.

4. Вариантность, альтернативность. В процессе составления оценки воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду в проектах и решениях обычно требуется представление альтернативного варианта как предполагаемого решения, так и ожидаемых последствий.

Прогнозирование изменений природных систем производится раз-личными методами. По признаку информационного основания их можно разделить на три основных класса: фактологические методы, методы моделирования и экспертизы. В практике прогнозирования чаще используются фактологические методы, т. к. они позволяют качественно и количественно описать природные системы. К фактологическим методам относится метод экстраполяции, аналогий, функциональных зависимостей.

Метод экстраполяции – это продление существующих тенденций во времени. Сущность метода аналогий состоит в том, что закономерности развития процесса, изученные на первом природном комплексе (аналоге), переносятся с определенными поправками на другой комплекс. Прогнозирование возможно при наличии аналога и сходстве его с объектом прогноза.

Метод функциональных зависимостей состоит в использовании для прогноза количественных и качественных зависимостей, установленных между формирующими факторами и показателями прогнозируемого процесса. Они выражаются в виде графиков связей, уравнений регрессии, корреляционных таблиц. В последнее время широко применяются методы моделирования. Прогноз составляется на основе исследований моделей природных систем.

Методы экспертизы основаны на выявлении изменений природы путем изучения мнения экспертов.

Геоэкологические основы природопользования – это комплексная наука, которая использует факты и обобщения других естественных и общественных наук и заимствует приемлемые для нее методы исследования. Из всего разнообразия применяемых методов нами рассмотрены основные.