2. Классификация мониторинга. Характеристика основных систем и подсистем мониторинга

Существует большое число различных систем классификации мо­ниторинга. Один из возможных вариантов классификации систем и подсистем мониторинга представлен в таблице (табл. 2). Приведенная классификация не исчерпывает всех существующих систем и подсис­тем мониторинга, однако дает общее представление о принципах классификации. Так, система мониторинга может охватывать как зем­ной шар в целом (глобальный мониторинг), так и локальные районы.

Таблица 2 Классификация систем (подсистем) мониторинга

Принцип классификации	Существующие или разрабатываемые системы (подсистемы) мониторинга
Универсальные системы	Глобальный мониторинг (базовый, региональный, импактный уровни), включая фоновый и палеомониторинг Национальный мониторинг Межнациональный «международный» мониторинг (монито­ринг трансграничного переноса загрязнителей)
Реакция основ­ных составляю­щих биосферы	Геофизический мониторинг Биологический мониторинг, включая генетический Экологический мониторинг (включая вышеназванные)
Различные среды	Мониторинг антропогенных изменений в атмосфере, гидро­сфере, почве, криосфере, биоте
Факторы и ис­точники воздей­ствия	Мониторинг источников загрязнений Ингредиентный мониторинг (покомпонентный)
Острота и гло­бальность про­блемы	Мониторинг океана Мониторинг озоносферы
Методы наблю­дений	Мониторинг по физическим, химическим и биологическим показателям Спутниковый мониторинг (дистанционные методы)
Системный подход	Медико-биологический мониторинг Экологический мониторинг Климатический мониторинг Варианты: биоэкологический, геоэкологический. биосферный мониторинг

Национальным мониторингом обычно называют систему монито­ринга в рамках одного государства. Такая система отличается от гло­бального мониторинга не только масштабами, но и тем, что основной задачей национального мониторинга является получение информации и оценка состояния окружающей среды в национальных интересах.

Экологический мониторинг является комплексной системой мо­ниторинга и включает в себя как биологический, так и геофизический аспекты. Экологический мониторинг включает в качестве подсистем мониторинг природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, источников антропогенного воздействия. Необходимым условием успешного функционирования экологического мони­торинга является требование, чтобы в качестве конечного результата выступала оценка и прогноз состояния экосистем, оценка экологиче­ского равновесия в экосистемах. Данное требование отличает систему экологического мониторинга от частных подсистем мониторинга.

Глобальный мониторинг (биосферный мониторинг). Обеспечи­вает наблюдение, оценку и прогноз возможных изменений биосферы в глобальном масштабе. В рамках биосферного мониторинга ведутся наблюдения за следующими параметрами: геофизические характери­стики (геомагнетизм, гравитация и т. д.); солнечная радиация как главный показатель энергетической базы всех биосферных процессов; содержание в атмосфере озона, парниковых газов (углекислый газ, метан, окислы азота) и аэрозолей; мировой водный баланс, глобаль­ный круговорот воды; радиоактивность; трансграничный перенос за­грязняющих веществ.

При решении задач биосферного мониторинга используются дан­ные существующих, сетей наблюдений: гидрометеорологической, санитарно-гигиенической и эпидемиологической, рыбохозяйственной, сейсмической и др. В систему биосферного мониторинга входят и биосферные заповедники.

Санитарно-гигиенический мониторинг - это система за состоя­нием окружающей среды с точки зрения оценки ее влияния на состоя­ние здоровья человека. Здоровье населения - наиболее важный крите­рий состояния окружающей среды.

Важной задачей при выборе и определении состава показателей са­нитарно-гигиенического мониторинга является установление связей между процессами и явлениями в окружающей среде и состоянием здоровья населения. Наиболее распространенными являются токсико­логические показатели загрязнения водной, воздушной среды и почв.

Санитарно-гигиенический мониторинг - это система за состоя­нием окружающей среды с точки зрения оценки ее влияния на состояние здоровья человека. Здоровье населения - наиболее важный критерий состояния окружающей среды.

Важной задачей при выборе и определении состава показателей са­нитарно-гигиенического мониторинга является установление связей между процессами и явлениями в окружающей среде и состоянием здоровья населения. Наиболее распространенными являются токсико­логические показатели загрязнения водной, воздушной среды и почв.

В первоочередной состав показателей санитарно-гигиенического мониторинга входят:

радионуклиды;

газовые загрязнители - оксиды и диоксиды серы, углерода и азота;

минеральные загрязнители - тяжелые металлы (ртуть, свинец, мышьяк, кадмий и др.), соединения фос­фора, фтора, нитраты, нитриты;

органические и полимерные загрязни­тели - ДДТ и другие пестициды,

различные производные нефти и др.;

физические явления - электромагнитные и шумовые возмущения, вы­зывающие психогенные заболевания. Имеются основания для вклю­чения в состав первоочередных показателей санитарно-гигиенического мониторинга ряда биологически активных веществ, вызывающих аллергические заболевания.

Геосистемный мониторинг (геоэкологический или природно-хозяйственный). Объектом является геосистема - структурная еди­ница геологического ландшафта, объединяющая геоморфологические, климатические и гидрологические элементы и экосистемы на опреде­ленном участке земной поверхности.

Геосистемный мониторинг заключается в наблюдениях над изме­нениями геосистем и их преобразованием в природно-технические (агросистемы, городскую среду, среду индустриальных районов).

Основные цели геосистемного мониторинга:

изучить естественные ресурсы окружающей среды, используе­мые в хозяйственной деятельности;

оценить происхождение и взаимосвязи процессов и явлений в окружающей среде;

предсказать неблагоприятные для людей и биоты в целом изменения окружающей среды.

При изучении естественных ресурсов одним из важнейших свойств экосистем является их биологическая продуктивность, поэтому в гео­системный мониторинг включены индикаторы биологической про­дуктивности как для природных экосистем, так и для преобразован­ных человеком природно-технических экосистем. Первоочередной за­дачей геосистемного мониторинга является также оценка самоочисти­тельного потенциала экосистемы, ее экологической емкости, экологи­ческого резерва, устойчивости, предельно допустимых экологических нагрузок.

Мониторинг состояния лесов.

Решает следующие задачи:

На уровне природных зон (глобальный уровень) - изучение об­щих тенденций изменения лесных экосистем и их элементов (леси­стость, породный состав).

На уровне природных регионов - изучение местных закономер­ностей динамики элементов лесных экосистем (особенности хода рос­ та и производительности лесных пород).

На уровне отдельных объектов (заповедник, лесхоз и др.) –

кон­троль и прогноз динамики лесного фонда с учетом почвенно-типологических условий;

изучение хода роста и производительности древостоев в зависимости от интенсивности антропогенного воздействия;

изучение санитарного состояния лесных насаждений;

изучение взаимосвязи лесной растительности с лесной фауной; изучение происходящих физиологических процессов; экономическая оценка лес­ных ресурсов;

ведение лесного кадастра.

Мониторинг сельскохозяйственных земель. Существует два под­хода к оценке состояния земель. Первый базируется на характеристи­ке конкретных показателей загрязнения; второй основывается на ис­пользовании признаков-индикаторов, с помощью которых можно су­дить об экологическом состоянии изучаемой территории.

В мониторинге земель важным является понятие элементарного земельного участка как элементарного объекта наблюдения. В почвенно-географических наблюдениях этому понятию соответствует оп­ределение элементарного ландшафта (почвенная, гидрологическая и геохимическая однородность), в землеустройстве (в рамках которого получается значительная часть земельно-учетной информации) оно близко к понятию экологически однородного рабочего участка.

Для мониторинга земель в соответствующих системах наблюдения предложены следующие показатели:

геодезическая характеристика элементарного участка (коорди­наты и отметки высот точек окружной границы элементарного участка);

географическое положение (тип природного или класс антропо­генного ландшафта, водосбора, экспозиция склона, к которым приурочен участок);

административно-территориальное деление (район, землепользование, поле);

общая оценка состояния земель (тип, подтип, род, вид и разно­ видность почв, степень увлажнения, эродированности, завалунен- ности, закустаренности, окультуренности, оценочный балл плодо­родия почвы, урожайность сельскохозяйственных культур);

динамика изменения содержания гумуса, элементов питания, площади эродированных дефлированных (развевание, раздувание) почв и интенсивность ежегодных потерь почв вследствие эрозии и дефляции, физическое состояние почв при осушении, а также при использовании машин и механизмов;

содержание в почве пестицидов и их метаболитов, тяжелых ме­таллов и других токсичных веществ;

территориальная организация использования (вид угодий, пло­щадь и конфигурация участка, средний уклон местности, расстоя­ние до сельскохозяйственного центра, пунктов сбыта продукции);

показатели состояния участка, посевов в течение сезона, а также температурный режим, влажность почвы, засоренность и др.

Указанная информация необходима для создания нормативно-справочной базы для оперативного контроля, анализа и прогнозиро­вания использования каждого элементарного участка.

Дальнейшее совершенствование этого направления состоит в разработке и внедрении автоматизированной системы мониторинга зе­мель на основе взаимосвязанной геодезической, географической, эко- лого-экономической и другой информации.

Мониторинг гидросферы можно разделить на две подсистемы: мониторинг поверхностных и мониторинг подземных вод. Монито­ринг поверхностных вод, в свою очередь, можно также разделить на две подсистемы:

1. мониторинг мирового океана

2. мониторинг конти­нентальных вод.

Мониторинг подземных вод включает показатели водоотбора, уровня подземных вод, физические показатели (температура, мут­ность, цветность и др.), химический состав и бактериологические ха­рактеристики. Осуществляется организациями коммунального хозяй­ства, санитарно-эпидемиологической и геологической служб.

Мониторинг поверхностных вой осуществляется на следующих стационарных сетях:

гидрологической,

гидрохимической,

санитар­но-эпидемиологической и гидробиологической.

Все сети взаимосвя­заны и интегрируются в единую целостную систему мониторинга поверхностных вод, которая дает полную картину состояния вод­ных объектов.

Гидрологическая сеть. На гидрологических постах ежедневно осуществляются визуальные наблюдения за состоянием водных объектов (ледостав, вскрытие, деформация берегов во время вскрытия, паводки, цветение, нагон и др.), а также измерение основных гидрологических (уровень воды и др.) и гидрофизических (температура и др.) параметров. Гидрохимическая сеть. На стационарной гидрохимической сети осуществляется наблюдение за широким спектром показателей и ин­гредиентов (в Беларуси - более 50), в том числе газовый (растворен­ный кислород, сероводород и др.) и основной солевой (калий, кальций, магний, железо и др.) состав, биогенные элементы и приоритет­ные загрязняющие вещества.

В качестве критерия для оценки загряз­ненности поверхностных вод используются ПДК химических веществ и ПДуровни по другим показателям, принятые для водоемов рыбохо-зяйственного назначения, которые предъявляют самые жесткие кри­терии к химическому составу природных вод.

Качество поверхностных вод устанавливается по индексу загрязне­ния вод (ИЗВ), рассчитываемому по формуле:

∑С/ПДК(У)

n

где С - среднегодовые величины приоритетных показателей, ПДК (У) - предельно допустимые концентрации химических веществ или уровни величин по соответствующим показателям, n - число при­оритетных показателей.

В системе мониторинга поверхностных вод Беларуси п = 6 (растворенный кислород, БПК5 , азот аммонийный, азот нитритный, нефтепродукты и фенолы). Степень загрязнения вод осуществляется с помощью единых критериев оценки (табл. 3).

Таблица 3

Классификация поверхностных вод по их качеству (нормативы Госкомгидромета Беларуси)

Величина ИЗВ	Степень загрязнения.	Класс качества воды
Менее или равно 0,3	очень чистая	1
Более 0,3 до 1,0	чистая	2
Более 1 до 2,5	Умеренно загрязненная	3
Более 2,5 до 4	загрязненная	4
Более 4 до 6	грязная	5
Более 6 до 10	очень грязная	6
Более 10	чрезвычайно грязная	7

Достоинство гидрохимического анализа качества вод - поингредиентное определение загрязнителей. Недостаток - результат химиче­ского анализа относится к моменту взятия пробы.

На санитарно-эпидемиологической сети осуществляются наблюде­ния за возбудителями заболеваний и ядовитыми веществами с исполь­зованием бактериологических и токсикологических методов. Голов­ной организацией санитарно-эпидемиологического мониторинга по­верхностных вод является Минздрав.

Гидробиологическая сеть. Биоценоз и его биотоп существуют в единстве и взаимообусловленности. На изменения в биотопе, в частности на антропогенное загрязнение биотопа, биоценоз реагирует (очень чутко) изменением интенсивности и характера своего метабо­лизма, своего видового состава и др. В водной экосистеме особенно­сти биоценоза определяют скорость и эффективность процессов само­очищения, условия формирования качества воды.

Особенности био­ценоза в полной мере отражают особенности биотопа, на чем и осно­ваны все методы гидробиологического анализа качества вод и донных отложений.

Донные отложения - это часть водной экосистемы, и о со­стоянии водной экосистемы нельзя судить без представления о со­стоянии донных отложений, без учета аккумулирующих свойств дна.

Преимущества гидробиологического анализа:

Комплексная оценка водной системы как среды обитания для биоты, в отличие от химического анализа, который дает представление об отдельно взятых загрязнителях.

Биологический метод позволяет обнаруживать воздействия, предшествующие времени анализа, химический и бактериологичес­кий - только во время отбора проб. Состав сообщества свидетельствует о среднем за длительное время составе воды. Причем разные ор­ганизмы и сообщества характеризуют отрезки времени разной про­должительности и обладают неодинаковой чувствительностью к различным загрязняющим ингредиентам и другим факторам. Для гидробиологического анализа качества вод могут быть использованы прак­тически все группы гидробионтов. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому в зависимости от обстоятельств и це­лей исследования необходимо выбирать объекты.

Прикрепленные сообщества - бентосные и перифитонные - обла­дают наиболее долгосрочной памятью. Кроме того, бентос и перифитон характеризует именно данный пункт, в отличие от планктонных организмов, которые могут быть занесены из других мест. Поэтому бентос и перифитон имеют первостепенное значение при гидробиоло­гическом анализе качества вод и донных отложений.

Водорослям принадлежит ведущая роль в биоиндикации эвтрофирования (сукцес­сия видов, содержание хлорофилла, продукционные характеристики).

Личинки насекомых являются хорошими индикаторами качества вод. Поденки и ручейники - надежные индикаторами чистых зон. При за­грязнении водоемов изменяется видовой состав, биомасса и продук­ция макрофитов, происходит смена видов-эдификаторов, причем из­менения легко регистрировать.

Бактерии - незаменимые показатели фекального загрязнения. Ихтиологические данные особое значение имеют при определении допустимых уровней зафязнения водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. Массовые заморы рыб часто являются сигналом залповых, аварийных сбросов загряз­няющих веществ, легко регистрируются неспециалистами.

При индикации биологических последствий закисления озер следу­ет учитывать, что уже на ранней стадии закисления нарушаются мик­робиологические процессы, а в кислых водоемах при рН ниже 5,0 от­мечается подавление бактериальной активности, доминирующие бак­терии и простейшие уступают место грибам, уменьшается видовое разнообразие и биомасса фитопланктона, что в свою очередь сказыва­ется на численности и биомассе зоопланктона и ведет к обеднению его видового состава. Начинают в массе развиваться зеленые нитча­тые водоросли.

Наиболее полную и достоверную картину дает наблюдение за раз­личными водными сообществами. Большое значение имеет надеж­ность данных, особенно точность определения видов.

Правильная интерпретация данных гидробиологического анализа -трудная задача. Специалист, применяющий гидробиологический ме­тод, имеет дело с системами очень высокой степени сложности, взаи­мосвязи в которой изучены далеко не достаточно! Для правильного истолкования результатов недостаточно инструкций. Никакая система анализа не может включить в себя все многообразие возможных си­туаций в различных водных экосистемах. Необходима прежде всего высокая квалификация специалиста, способность его индивидуализи­ровать каждый отдельный случай, способность понимать сложную за­висимость видового состава не только от степени загрязнения водо­ема, но и от многих других факторов среды.

Существует большое число систем биологического анализа качест­ва вод и способов оценки уровня загрязнения.

Многообразие - следст­вие отсутствия универсальной системы, адекватно отражающей дей­ствительность. Наиболее полный анализ существующих систем и ме­тодов дан А. В. Макрушиным в книге «Биологический анализ качест­ва вод» (1974), а также в «Руководстве по методам гидробиологиче­ского анализа поверхностных вод и донных отложений» (1983) и в книге «Методы биоиндикации и биотестирования природных вод» (1989). Учитывая важность гидробиологического анализа в монито­ринге поверхностных вод, остановимся на этом вопросе подробнее.

Оценка качества воды или степень загрязнения вод по гидробиоло­гическим показателям производится двумя путями:

последних-диатомовые, зеленые и сине-зеленые. Число бактерий в 1 см³ не превышает обычно ста тысяч. Многие макрофиты находят здесь оптимальные условия. Пример таких вод - нормально очищенные летние воды полей орошения.

Примером олигосапробных вод являются практически чистые воды больших озер. Число бактерий не более 1 тыс./ 1 см³.

Наиболее распространенные методы сапробиологического анализа - метод Кнеппа, Пантле и Букка, Зеленки и Марвана, Пантле и Букка в модификации Сладечека.

Имен­но метод Пантле и Букка в модификации Сладечека принят в качестве стандартного в системе Госкомгидромета Беларуси, а также и России. Этот метод дает возможность представить результаты биологического анализа численными значениями и обеспечивает тем самым возмож­ность сравнения состояния водоемов различных районов.

Индекс сапробности вычисляется по формуле:

где s - индикаторная значимость каждого вида (определяется по спи­скам сапробных организмов), h - величина, которая находится из шестиступеньчатой шкалы значений частоты и определяет относительное количество видов. Таким образом, для определения индекса сапробности необходимо знать значение индикаторной значимости каждого встреченного в пробе вида и его количественное значение в данной пробе. Индекс са­пробности вычисляют с точностью до 0,01. Индекс сапробности нахо­дится в пределах:

1) ксеносапробная зона (х, отсутствие органического загрязне­ния)- 0-0,50;

2) олигосапробная зона (о, чистые воды) - 0,51-1,50;

3) β-мезосапробная зона (воды умеренно загрязненные) - 1,51-2,50;

4) α-мезосапробная зона (тяжело загрязненные) - 2,51-3,50;

5) полисапробная зона (очень тяжело загрязненные) - 3,51-4,50.

Пример расчета индекса сапробности по методу Пантле и Букка приведен в табл. 4-5.

Таблица 4

Пример расчет индекса сапробности по методу Пантле и Букка.

Таблица 5

Соотношение значений относительного обилия и частоты встречаемости организмов

Частота	Количество экземпляров одного вида. % общего количества экземпляров	h
Очень редко	<1	1
Редко	2-3	2
Нередко	4-10	3
Часто	10-20	5
Очень часто	20-40	7
Масса	40-100	9

Вторая группа методов анализа качества вод - по видовому раз­нообразию населения обследованных водоемов. Для анализа исполь­зуют различные индексы, применяемые в популяционной экологии:

1. Индексы видового разнообразия (видовое разнообразие при за­ грязнении, как правило, уменьшается) - Фишера, Маргалефа и др.

2. Индексы сходства населения - Жаккара, Серенсена, Шорыгина и др.

3. Индексы, основанные на теории информации - Шеннона и др.

Третья группа методов анализа качества вод - оценка степени загрязнения по показательным организмам и по видовому разнооб­разию.

Наиболее широко применяемый метод Вудивиса. В системе Гид­ромета принят в качестве стандартного для анализа качества вод по зообентосу. Разработан в Англии для р. Трент. Этот индекс иногда так и называют «индекс р. Трент». В нем объединяются принципы индикаторного значения отдельных таксонов и принцип изменения разно­образия фауны в условиях загрязнения.

Определение биотического индекса по системе Вудивиса ведется по рабочей шкале, в которой использована наиболее часто встречае­мая последовательность исчезновения животных по мере увеличения загрязнения. Для учета разнообразия фауны предложено условное по­нятие «группа» животных, под которым для одних животных пони­маются отдельные виды, для других, трудно определяемых, - более крупные таксоны. По сумме групп и качественному составу населения рассчитываются значения биотического индекса р. Трент.

Пример расчета дан в «Руководстве по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений» (1983).

Широко применяется, особенно для рек, индекс Гуднайт-Уитлея -относительная численность малощетинковых червей (% общего коли­чества донных организмов).

В заключение следует отметить, что в системе Гидрометеослужбы бывшего СССР, а теперь России и Беларуси, принят классификатор качества вод, содержащий 6 классов (табл. 6).

Таблица 6 Классификатор качества вод суши по гидробиологическим показателям

Класс вод	Воды	Зообентос		Фитопланктон, зоопланктон, перифитон(индекс сапробно-сти по Пантле и Букку в моди­фикации Сладечека)
		относительная численность олигохет, % обшей численно­сти бентоса	биотический индекс
1	Очень чистые	1-20	10-8 (10)	< 1
2	Чистые	21-35	7-5 (7-9)	1,10-1,50
3	Умеренно загряз­ненные	36-50	4-3(5-6)	1,51-2.50
4	Загряз­ненные	51-65	2-1 (4)	2,51-3,50
5	Грязные	66-85	1-0 (2-3)	3,51-4,00
6	Очень грязные	86-100 или макробентос отсутствует	0(0-1)	>4

Класс вод определяется на основании данных о состоянии зообентоса, перифитона, фитопланктона, зоопланктона и бактериопланктона в тех случаях, когда этот показатель используется.

Окончательная экспертная опенка качества вод осуществляется с учетом других важнейших показателей: численности и биомассы ор­ганизмов, общего числа видов, соотношения различных групп орга­низмов в отдельных сообществах, состояния макрофитов, интенсив­ности продукционно-деструкционных процессов, активности микро­биологических процессов. Общая оценка качества вод в каждом кон­кретном случае дается по совокупности гидробиологических показа­телей, с учетом экологических и зоогеографических особенностей водного объекта. При этом принимаются во внимание особенности за­грязнения различных биотопов (дно и толща воды).

Допустимо также оценивать класс вод как промежуточный между вторым и третьим, третьим и четвертым, четвертым и пятым классами.