Мониторинг окружающей среды

ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И СХЕМА МОНИТОРИНГА

Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния используется человеком давно. Последние сто с лишним лет наблюдения ведутся регулярно — достаточно напомнить о метеоро­логических, фенологических и некоторых других наблю­дениях.

С развитием техники, когда у человека появилась большая возможность воздействовать на природу, преоб­разовывать ее, полнее использовать природные ресурсы, геофизическая информация становится для него все более важной, необходимой. С помощью такой информа­ции можно определять оптимальные природные условия для осуществления различных мероприятий, предсказы­вать как благоприятные, так и неблагоприятные факторы для ведения хозяйства, принимать меры для уменьше­ния влияния неблагоприятных условий на жизнь и дея­тельность людей. В состав такой информации входят данные наблюдений за фактическим состоянием окру­жающей среды, прогнозы изменений природных условий.

Известно, что длительное время наблюдения произ­водились лишь за изменениями состояния природной среды, обусловленными естественными (природными) причинами.

В последние десятилетия во всем мире резко воз­росло воздействие человека на окружающую среду, стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям. В связи с этим возникла еще большая необходимость в детальной информации о состоянии биосферы.

Состояние биосферы изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий. Однако есть существенное различие в результатах таких воздействий: состояние биосферы, непрерывно меняю­щееся под влиянием естественных причин, как правило, возвращается в первоначальное. Изменения темпера­туры и давления, влажности воздуха и почвы, колебания которых в основном происходят около некоторых отно­сительно постоянных средних значений, сезонные из­менения биомассы растительности и животных — все это примеры таких естественных изменений. Средние вели­чины, характеризующие состояние биосферы (ее клима­тические характеристики в любом районе земного шара, природный состав различных сред, круговорот воды, углерода и других веществ, глобальная биологическая продуктивность) существенно изменяются лишь в те­чение очень длительного времени (тысяч, иногда даже сотен тысяч и миллионов лет). Крупные равновесные экологические системы, геосистемы под влинияем при­родных процессов меняются также чрезвычайно мед­ленно. Эти постепенные эволюционные изменения проис­ходят только за промежутки времени, измеряемые исто­рическими эпохами.

В отличие от изменений состояния биосферы, вызы­ваемых естественными причинами, ее изменения под влиянием антропогенных факторов могут происходить весьма быстро; так, изменения, происшедшие по этим причинам в некоторых элементах биосферы за послед­ние несколько десятков лет, сравнимы с некоторыми естественными изменениями, происходящими за тысячи и даже миллионы лет.

Естественные изменения состояния окружающей природной среды, как кратковременные, так и длитель­ные, в значительной степени наблюдаются, изучаются существующими во многих странах геофизическими службами (гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др.).

Для того чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных (природных), возникла необходи­мость в организации специальных наблюдений за изме­нением состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности.

Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой было предложено называть мониторингом [Munn R. E. Global Environmental Monitoring System (GEMS).Action Plan for Phase 1. SCOPE, rep. 3, Toronto, 1973—130p.].

Термин «мониторинг» появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (Стокгольм, 5—16 июня 1972 г.). Первые пред­ложения по поводу такой системы были разработаны экспертами специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) в 1971 г. Упоминания об этой системе можно найти в рекомендациях Стокгольмской конференции. Сам термин «мониторинг», по-видимому, появился в противовес (или в дополнение) термину «контроль», в трактовку кото­рого включалось не только наблюдение и получение ин­формации, но и элементы активных действий, элементы управления.

Основы мониторинга были изложены Ю.А.Израэлем в докладе на совещании в Найроби ( I межправительственное совещание по мониторингу, Кения февр. 1974г.) и в докладах на I Советско-американском симпозиуме по всестороннему анализу окру­жающей природной среды (Тбилиси, март 1974 г.) и на первом совещании группы экспертов по проекту № 14 программы «Человек и биосфера» (Москва, апрель 1974 г.). В 1975 г. академик И. П. Герасимов в статье изложил научные основы современного мониторинга окружающей среды [Герасимов И. П. Научные основы современного мониторинга окружающей среды.—Изв. АН СССР. Сер. геогр., 1975, № 3,с. 13—25.]. Авторы работ [Израэль Ю.А. Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка изменений состояния окружающей природной среды. Основы мониторинга.— Метеорология и гидрология 1974 № 7,с. 3—8. Израэль Ю. А. Основные принципы мониторинга окружающей природной среды и климата.— См. [18], с. 5—14. Munn R. E. Global Environmental Monitoring System (GEMS).Action Plan for Phase 1. SCOPE, rep. 3, Toronto, 1973—130p.] использовали опреде­ление мониторинга в основном применительно к антро­погенным изменениям природной среды. На совещании в Найроби (1974 г.) термин «мониторинг» толковался в очень широком смысле, пред­лагалось уже существующие геофизические службы (их обязанности) объединить в систему мониторинга; ставился вопрос об «экономическом», «научном» мониторинге Там же были изложены основные положения и цели программы Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) [51], где было уделено внимание, с одной стороны, предупреждению об изменениях состояния природной среды, связанных с загрязнением, а с другой — предупреждению об угрозе здоровью человека, угрозе стихийных бедствий, а также экологическим проблемам, был определен список приоритетных загрязнителей для их учета при организации мониторинга; было решено также установить контроль за параметрами, необходимыми для интерпретации результатов измере­ния загрязнений.

Израэль Ю. А. В работе (Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка изменений состояния окружающей природной среды. Основы мониторинга.— Метеорология и гидрология 1974 № 7,с. 3—8. ] предлагатся : «Мониторингом называть систему наблюдений, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности». То есть такую систему следует называть мониторингом антропогенных изменений окружающей природной среды.

Таким образом, термин «мониторинг» не является лишь новым обозначением уже существующих геофизических служб, а будет относиться к системе, которая синтезируется для выявления антропогенных эффектов в окружающей среде с использованием информации и некоторых элементов существующих геофизических служб.

МОНИТОРИНГ — слежение за какими-то объектами или явлениями;

МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ (человека) СРЕДЫ — слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и др. живых организмов.

Дословный перевод английского слова "monitor" ~ наставник, советчик; "monitoring" переводится как контроль, подслушивание, дозировка. Имеются различные трактовки понятия "мониторинг". Происхождение этого термина связано с предупреждением людей об опасности. Шахтеры брали с собой канареек, которые предупреждали людей об опасном для жизни загрязнении воздуха («мониторили» крыльями). Ящерица-монитор предупреждала людей о появлении крокодила. В последующем смысловая нагрузка слова "мониторинг" была расширена, хотя подразумевавшиеся ранее контрольные функции мониторинга сохранились.

Ю. А. Израэль в 1974 г. определил мониторинг как систему наблюдений, позволяющую выявлять изменения биосферы под влиянием человеческой деятельности. В более широком смысле под мониторингом окружающей среды понимается система наблюдений, оценки и прогноза изменений окружающей среды под влиянием и антропогенных факторов для предупреждения возможных критических ситуаций, небезопасных для здоровья людей и других живых организмов, их сообществ, а также других природных объектов и процессов.

Следует отметить, что глобальная система мониторинга антро­погенных изменений природной среды не является принципиально новой системой, которая требовала организации сети новых наблюдательных станций, линий и телекоммуникаций, центров обработки данных и т. д. Она входит составной частью в универсальную систему наблюдений и контроля состояния природной среды, систему, уже существующую в странах многие годы (гидрометеорологические или метеорологические службы). Она является частью например, Всемирной службы погоды, Всемирной метеоро­логической организации и других служб.

Таким образом, система мониторинга загрязнений должна быть частью уже существующей службы наблюдений и контроля состояния природной среды, использовать ее опыт, систему наблюдательных станций (конечно, с включением измерений новых элементов), линий телекоммуникаций и центров обра­ботки данных с развитием некоторых элементов. |

Для обеспечения функциониро­вания системы наблюдений и контроля состояния окру­жающей природной среды, позволяющей выделить из­менения, вызванные антропогенными причинами, необходима детальная информация о естественных колеба­ниях и изменениях состояния среды; осуществление мониторинга предусматривает получение (или наличие) такой информации.

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности [8]:

1. наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

2. оценку фактического состояния природной среды;

3. прогноз состояния окружающей природной среды оценку этого состояния,

Таким образом, мониторинг — это система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды не включающая управление качеством окружающей среды. Однако очевидно, что для правильной организа­ции управления качеством окружающей природной среды совершенно необходимым условием является организация системы мониторинга.

Система мониторинга подразделяется:

Локальный мониторинга - охватывает отдельные районы, (оценки состояния в каком либо районе)

Глобальный мониторинг - охватывает земной шар в целом (оценки состояния биосферы в глобальном масштабе)

Национальный мониторинг - система мониторинга в рамках одного государства (отличается от глобального мониторинга не только масштабами, но и основной задачей - получение инфор­мации и оценка состояния окружающей среды в национальных интересах)

Глобальная система мониторинга основывается на подсистемах национального мо­ниторинга, включать элементы этих подсистем.

Иногда применяют термин «трансграничный», или «международный», мониторинг. Правиль­нее всего этот термин употреблять для систем монито­ринга, используемых в интересах нескольких государств (для рассмотрения вопросов трансграничного переноса загрязнений между государствами и т. п.).

Итак, мониторинг является многоцелевой информа­ционной системой.

основная цель мониторинга окружающей среды - контроль антропогенного воздействия на биосферу.

задачи: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состоя­ния; определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия, а также степени их воздействия.

Рассмотрим универсальную схему информационной системы контроля состояния природной среды, пригод­ную как для системы в целом, так и для любой службы мониторинга, входящей в эту систему (гидрометео­рологической службы или системы наблюдений загряз­нений — мониторинга загрязнений или мониторинга антропогенных изменений в биосфере).

Наиболее универсальным определением структуры системы мониторинга антропогенных изменений природной среды является его разделение на блоки:

Блок-схема системы мониторинга.

На рис. показаны отдельные блоки описываемой системы а также прямые и обратные связи между этими блоками. Все существующие службы (климатические, гидрологические, геофизические и т.д.) мониторинга строятся по такой же схеме и включают подблоки «Наблюдения», «Оценка фактического состояния», «Прогноз состояния», «Оценка прогнозируемого состоя­ния».

Блоки «Наблюдения» и «Прогноз состояния» тесно связаны между собой, так как прогноз состояния окру­жающей среды возможен лишь при наличии достаточно репрезентативной информации о фактическом состоянии (прямая связь). Построение прогноза, с одной стороны, подразумевает знание закономерностей изменений состояния природной среды, наличие схемы и возмож­ностей численного расчета, с другой — направленность прогноза- в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь).

Данные, характеризующие состояние природной среды, полученные в результате наблюдений или про­гноза, должны оцениваться в зависимости от того, в какой области человеческой деятельности они исполь­зуются (с помощью специально выбранных или выра­ботанных критериев). Оценка подразумевает, с одной стороны, определение ущерба от воздействия, с другой— выбор оптимальных условий для человеческой деятель­ности, определение существующих экологических ре­зервов. При такого рода оценках подразумевается зна­ние допустимых нагрузок на окружающую природную среду.

Информационная система мониторинга антропогенных изменений, являются составной частью системы управ­ления, взаимодействия человека с окружающей средой (системы управления состоянием окружающей среды), поскольку информация о существующем состоянии при­родной среды и тенденциях его изменения положена в основу разработки мер по охране природы и учитываться при планировании развития экономики. Результаты оценки существующего и прогнозируемого состояния биосферы в свою очередь дают возможность уточнить требования к подсистеме наблюдений (это и составляет научное обоснование мониторинга, обоснова­ние состава и структуры сети и методов наблюдений).

На рис..2 показано место мониторинга в системе управления (регулирования) состоянием окружающей природной среды [10]. На схеме условно совмещены энергетические и информационные потоки

Рис. 2. Место мониторинга в системе управления состоянием природной среды.

Элемент биосферы с уровнем состояния Б, подвер­гаясь антропогенному воздействию (А), меняет свое со­стояние (Б—Б'). С помощью системы мониторинга (М) получается «отражение» этого измененного (а по возможности и первоначального) состояния, производится обобщение данных, анализ и оценка фактического и прогнозируе­мого состояния. Эта информация передается в блок управления (У) (принятия решения), см. также рис. 1. На основании этой информации в зависимости от уровня научно-технических разработок (Я) и экономических возможностей (с учетом эколого-экономических оценок) (Э) принимаются меры по ограничению, прекраще­нию антропогенных воздействий, и оптимизации или восстановлению элемента биосферы.

Поскольку оценка фактического и про­гнозируемого состояния природной среды является со­ставной частью мониторинга (см. рис.1), некоторые авторы отождествляют эту часть мониторинга с элементом управления состоянием природной среды.

Наблюдения за состоянием окружающей природной среды должны включать наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т. п.), за состоя­нием элементов биосферы (в том числе за откликами живых организмов на воздействие, за изменением их структурных и функциональных показателей; см. рис. 1.3). Предполагается включение данных о первоначальном (или фоновом) состоянии элементов биосферы

Мониторинг источников		источники воздействия
Мониторинг факторов воздействия		факторы воздействия
		химические	физические	биологические
Природные среды
атмосфера	океан	Поверхность суши (с реками и озерами)	криосфера	биота

Геофизический мониторинг	Биологический мониторинг
Климатический мониторинг

Рис.3. Схема и классификация мониторинга.

Схему классификации последовательных «ступеней» мониторинга предложил Израэль Ю. А [Израэль Ю. А. Основные принципы мониторинга окружающей природной среды и климата]. Сама Классификация мониторинга и всех его направлений представляет сложную структуру и мы ее рассмотрим позже. Указанный подход охватывает слежение за всем циклом антропогенных воздействий — от источников воздей­ствия до влияния и реакций отдельных природных сред и сложных экологических систем (рис..3).

Оценка состояния природной среды подразумевает всесторонний анализ состояния, вызванного воздействием различных факторов в различных средах (часто одновременных и усиливающих эффект воздействия).

Для комплексной оценки состояния природной среды и выявления динамики этого состоя­ния одновременно должны вестись метеорологические, гидрологические и некоторые биологические наблюдения, позволяющие правильно интерпретировать и выделять антропогенные изменения на фоне природных процессов.

Этим требованиям отвечает задача создании сети Глобальной Системы Мониторинга Окружающей Среды наблюдения по программе которой выполняются в сочетании с существующими региональными системами фонового мониторинга. Важной составляющей ГСМОС является европейская система мониторинга, система мониторинга США и др стран.

Наблюдения за изменением состояния биосферы, источниками и факторами антропогенных воздействии

Для анализа и прогноза экологической ситуации как в глобальном, так и в региональном масштабах необходимо знание многих геофизических процессов, различных антропогенных эффектов и ситуаций их вызывающих. В первую очередь это относится к выявлению и изуче­нию антропогенных факторов воздействия.

Получение исходных данных и их первичный анализ обеспечивает система фонового мониторинга, создавае­мая в национальных рамках в ряде стран, и система глобального мониторинга, создаваемая под эгидой ЮНЕП.

Комплекс антропогенных факторов, влияющих на со­стояние биосферы, на здоровье населения, исключи­тельно разнообразен — сюда включается загрязнение природных сред различными химическими веществами, выброс инертного материала, физическое (в том числе механическое) воздействие, нарушающее естественный покров планеты, нагрев биосферы, биологическое воз­действие, изъятие возобновимых и невозобновимых ре­сурсов и т. п. [39].

Еще более разнообразны эффекты, результаты ан­тропогенных воздействий, которые ведут к изменению основных элементов биосферы, к геофизическим и эко­логическим изменениям значительного масштаба; антро­погенные воздействия непосредственно или путем ука­занных изменений влияют на здоровье и благосостояние населения, приводят к различным социально-экономиче­ским изменениям. ТАБЛИЦА

ТАБЛИЦА 1.

Классификация состояний природной среды и здоровья населения, реакций природных систем, источников и факторов воздействия, охватываемых системой мониторинга

Раздел наблюдений		Классификация
А	Источники и факторы воздействия	А.1. Источники загрязнений и воздействий
		А.2. Факторы воздействия (загрязняющие вещества, излучение и т. д.)
Б	Состояние окружающей природной среды	Б.1. Состояние среды, характеризуемое физическими и физико-географическими данными
		Б.2. Состояние среды, характеризуемое геохимическими данными, данными о со­ставе и характере загрязнений
В	Состояние биотической составляющей биосферы	В.1. Реакция биоты — отклики и последствия: а) у отдельного организма, б) у популяции, в) у сообщества и экосистемы
Г	Реакция крупных систем и биосферы в целом	Г.1 . Реакция крупных систем (погода и климат)
		Г.2. Реакция биосферы в целом
Д	Состояние здоровья и благосостояние населения

раздел А. Наблюдения за локальными источниками воздействий и загрязнений и факторами воздействий. Источники могут быть природными (извержения вулканов, самопроизвольный выход газов, нефти и т, д.) и антро­погенными (выбросы промышленных предприятий; сель­скохозяйственные источники — животноводческие фермы и поля после внесения химических удобрений и средств борьбы с вредителями растений; воздушный, водный и наземный транспорт, коммунальные источники загряз­нений и т. д.).

Наблюдения за факторами воздействий включены в раздел (Б), они характеризуют состояние среды (например, по геохимическим данным). Наблюдения за внеземными источниками различных воздействий (солнечные вспышки, солнечные и галакти­ческие потоки частиц), которые необходимо учитывать при оценке и прогнозе состояния природной среды, ве­дутся гелиогеофизической и астрономической службами.

Раздел Б включает наблюдения за состоянием и из­менениями среды по геофизическим данным, получаемым путем последовательных или непрерывных измерений соответствующих параметров, характеризующих мгно­венное состояние среды. Такие наблюдения уже прово­дятся службами мониторинга, наблюдения за сти­хийными природными явлениями катастрофического характера (вулканизм, землетрясения, цунами, засухи ураганы, наводнения, сели, снежные лавины, эрозия почв и др.).

Физико-географические данные, включая данные о распределении суши и воды, рельефе поверхности земного шара, природных ресурсах (минеральных, зе­мельных, растительных, водных, ресурсах фауны), народонаселении, урбанизации и др., также представ­ляют важнейшую информацию о состоянии природной окружающей среды.

В этот же раздел включены наблюдения за состоя­нием среды (и изменениями этого состояния), характе­ризуемым геохимическими данными, т. е. наблюдения за круговоротом веществ в природе, за составом инород­ных примесей в биосфере (в том числе радиоактивных веществ), за различными специфическими физическими характеристиками среды, включая наблюдения за шумо­вым, тепловым загрязнениями (понятия загрязнений в последних случаях являются условными, но общепри­нятыми) и различными излучениями (ионизирующими и неионизирующими). К разделу Б относятся также наблюдения за химиче­ским составом (природного и антропогенного происхож­дения) атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почвы, донных отложений, растительности, животных и наблюдения за основными путями распространения загрязнений. Именно эти наблюдения чаще всего относят к первостепенным по важности в системе мониторинга.

Раздел В включает наблюдения за реакцией биоты (живой составляющей биосферы) на различные факторы воздействий и изменений состояния окружающей среды; к этим наблюдениям относятся наблюдения за откликом (обратимые изменения) и последствиями (необратимые изменения) у биоты. Возможны наблюдения по функциональным (прирост биомассы в единицу времени, скорость поглощения различных веществ растениями и живот­ными) и структурным (численность видов растений и животных, общая биомасса) биологическим признакам. Наблюдения должны быть организованы на различных уровнях — от­дельного организма и популяции, сообщества и экосистемы

Особое место в природе занимает человек. Наблюдения за реакцией человеческого организма на различные воздействия должно быть выделено в отдельный раздел ввиду его важности и специфичности. Мониторинг факторов, связанных со здоровьем человека, включает также наблюдения и оценку условий среды, влияющих на здоровье человека, распространение различных заболеваний и т. д.

Раздел Г — наблюдения за реакцией крупных систем (погоды, климата) и биосферы в целом — включает всю систему наблюдений, перечисленных в разделах Б и В, наблюдений за состоянием климатической системы и требуют специальных обобщений и оценок.

Наблюдения, построенные по определенной системе могут осуществляться по физическим, химическим и биологиче­ским показателям. Для определения динамики состояния биосферы измерения должны повторяться через определенные интервалы времени, а по важнейшим показателям должны быть непрерывными. Система наблюде­ний может быть построена на основе точечных измере­ний (на станциях), включая дистанционные наблюдения, или на основе площадных съемок и получения интегральных показателей; возможно и целесообразно комбинированное использование этих принципов. Данные площадных съемок и интегральных показателей должны играть весьма существенную роль в системе мониторинга. Важная роль при организации наблюдений должна быть отведена также использованию авиацион­ных и спутниковых средств и методов. При рассмотрении и анализе результатов важно выделить изменения состояния среды, реакцию биоты на эти изменения, происходящие вследствие антропогенного воздействия. Для этого важно знать первоначальное состояние среды, т.е. состояние до существенного вмешательства человека. Это первоначальное состояние можно частично восста­новить по результатам наблюдений, ведущихся длительное время, а также по данным анализа состава донных отложений, ледниковых слоев, древесных колец, отно­сящихся к периоду, предшествующему началу замет­ного влияния человека на окружающую среду.

При изучении антропогенного влияния на биосферу следует определить глобальное фоновое состояние био­сферы в настоящее время в местах, удаленных от ло­кальных источников воздействия (загрязнения), и фоно­вое состояние, характерное для каждого региона (эти уровни могут существенно различаться.