Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мониторинг среды обитания. Учебное пособие
.pdf
11
В настоящее время под термином «экологический мониторинг»
Наблюдения
Прогноз
состояния
Оценка
фактическог
о состояния
Оценка
прогнозируемо
го состояния
Регулировани
е качества
среды
понимается система наблюдения, контроля, оценки, прогноза состояния
окружающей природной среды и информационного обеспечения процесса
подготовки и принятия управленческих решений (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Блок-схема экологического мониторинга
Цель экологического мониторинга – информационное обеспечение
управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью
(рис. 1.2).
Для достижения поставленной цели необходимо дать ответы на
следующие вопросы:
• каково состояние природной среды в рассматриваемый отрезок
времени в сравнении с предшествующим техногенезу состоянием (в
относительной или абсолютной форме) и какие изменения (положительные,
отрицательные) ожидаются в природной среде в прогнозируемый отрезок
времени;
• какие воздействия на данную локальную природную среду,
определяемые исходя из выработанной для данного случая критериальной
основы оценок функции «полезности – вредности», являются вредными
(нежелательными или недопустимыми);
• в чем причины происшедших изменений и возможных изменений в
будущем (в том числе нежелательных, губительных, критических) и что
явилось, является или будет являться источником этих изменений (как
правило, вредных техногенных воздействий);
• какой уровень техногенных воздействий, в том числе в совокупности с
естественными или стихийными процессами и воздействиями,
происходящими в рассматриваемой природной среде, является допустимым
для природной среды и отдельных ее компонентов или комплексов (ценозов)
12
и какие резервы имеются у природной среды для саморегенерации состояния,
адекватного исходному, принятому за состояние экологического баланса;
• какой уровень техногенных воздействий на природную среду,
отдельные ее компоненты и комплексы является недопустимым или
критическим, после которого восстановление природной среды до уровня
экологического баланса является неосуществимым.
Объекты экологического мониторинга — это окружающая среда в
целом и отдельные ее элементы; виды деятельности, оцениваемые
законодательством как представляющие потенциальную угрозу для
окружающей среды, здоровья людей и экологической безопасности
территорий; негативные изменения качества окружающей среды, способные
оказать отрицательное влияние на здоровье и имущество людей,
безопасность территорий; оборудование, технологии, производственные и
иные технические объекты, существование, использование, преобразование и
уничтожение которых представляет опасность для окружающей среды и
здоровья людей; чрезвычайные и иные внезапно возникшие физические,
химические, биологические и иные обстоятельства (аварии, инциденты, иные
нештатные ситуации), способные оказать негативное воздействие на
окружающую среду и здоровье людей; обладающие особым правовым
статусом территории и объекты (например, заповедные). Законодательством
могут быть установлены порядок регистрации объектов экологического
мониторинга, ведение Единого реестра таковых, ограничения на доступ к
экологической информации и другие правила, регулирующие организацию и
осуществление мониторинга.
По уровню накопления и обработки полученной информации
выделяют глобальный, национальный, региональный и локальный
мониторинги.
Глобальный (биосферный) мониторинг осуществляется на основе
международного сотрудничества, позволяет оценить современное состояние
всей природной системы Земли. Наблюдение ведут базовые станции в
различных регионах планеты (30 – 40 сухопутных и более 10 океанических).
Нередко они располагаются в биосферных заповедниках.
Национальный мониторинг осуществляется в пределах государства
специально созданными органами.
Региональный мониторинг осуществляется за счет станций системы,
куда поступает информация в пределах крупных районов, интенсивно
осваиваемых народным хозяйством и, следовательно, подверженных
антропогенному воздействию.
К локальному мониторингу относятся наблюдения за воздушной средой
различных зон города, промышленных и сельскохозяйственных районов и
отдельных предприятий.
Локальный мониторинг осуществляется с помощью стационарных,
передвижных или подфакельных постов. Такая система имеется в
большинстве крупных городов России.
13
Система
натурных
наблюдений
Автоматизированная
информационная
система
Система
натурных
наблюдений
Автоматизированная
информационная
система
Экологический мониторинг
Система
натурных
наблюдений
Каналы
связи
Автоматизированная
информационная
система
Экспедиционные наблюдения
Стационарные (наземные и морские) наблюдения
Комплексные фоновые наблюдения (биосферные
заповедники)
Дистанционное наблюдение
(космоаэросъ
ѐ
мка)
Информационное-поисковая система (АИПС)
Система обработки данных (АСОД)
Система комплексной
интерпретации данных (АСКИ)
Прогнозно-диагностическая система (АПДС)
Система управления (АСУ)
Рис. 1.2 Схема экологического мониторинга
По объектам наблюдения экологический мониторинг можно разделить
на геофизический и биологический мониторинг.
Геофизический мониторинг включает в себя элементы наблюдения,
контроля, оценки, прогноза состояния и изменений геофизической среды (как
совокупности физических процессов и свойств определѐ нного участка
земли), то есть изменений абиотической составляющей биосферы как в
микро-, так и в макромасштабе, а также реакции крупных систем – погоды и
климата.
Биологический мониторинг решает задачи определения состояния
биотической составляющей биосферы, еѐ отклика, реакции на
антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения
этой функции от нормального естественного состояния на различных
уровнях организации биосистем.
14
По методам ведения мониторинга выделяют биоиндикационный (с
помощью биоиндикаторов), контактный приборный (опробование),
неконтактный дистанционный (авиационный, космический).
По целям мониторинга выделяют: научно-исследовательский,
диагностический, фоновый, контрольный, прогнозный и др.
Различают также мониторинг состояния природных ресурсов и
мониторинг источников и факторов антропогенного воздействия.
Объектами глобального мониторинга являются атмосфера, гидросфера,
растительный и животный мир и биосфера в целом как среда жизни всего
человечества. Разработка и координация глобального мониторинга
окружающей природной среды осуществляется в рамках ЮНЕП (орган ООН)
и Всемирной метеорологической организации (ВМО).
3. Методы и средства наблюдения за состоянием окружающей
среды
Для получения объективной информации о состоянии и об уровне
загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо
располагать надѐ жными средствами и методами экологического
мониторинга. Повышение эффективности контроля за состоянием природной
среды может быть достигнуто повышением производительности,
оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата
одновременным контролем; автоматизацией и оптимизацией технических
средств контроля и самого процесса.
В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить
при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению,
процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных
финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга.
Основными методами экологического мониторинга являются:
1. Дистанционные методы.
Аэрокосмические.
Компьютерные методы обработки спутниковых данных.
Наземные.
2. Физико-химические методы.
3. Методы биологического мониторинга.
4. Методы статистической и математической обработки данных.
5. Географические информационные системы.
Дистанционные методы
Одним из основных источников данных для экологического
мониторинга являются материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Они
объединяют все типы данных, получаемых с носителей:
космические (пилотируемые орбитальные станции, корабли
многоразового использования, автономные спутниковые
съемочные системы и т. п.);
15
авиационного базирования (самолеты, вертолеты и
микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют
значительную часть дистанционных данных (remotely sensed
data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов
съемок, способов получения данных измерительными системами
в условиях физического контакта с объектом съемки;
к неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо
аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского
(наводного) и наземного базирования, включая, например,
фототеодолитную съемку, сейсмо, электромагниторазведку и
иные методы геофизического зондирования недр,
гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью
гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на
регистрации собственного или отраженного сигнала волновой
природы.
Аэрокосмические методы
Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического
мониторинга включают систему наблюдения при помощи самолетных,
аэростатных средств, спутников и спутниковых систем, а также систему
обработки данных дистанционного зондирования.
Для космического экологического мониторинга целесообразно
ориентироваться прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические
спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан»
и «Ресурс»), так и на американские спутники серий NOAA, Landsat и SPOT.
Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены
многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром
высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer).
Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой
порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов.
Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти
спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с
пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора
шириной 2700 км.
Российские спутники серии «Ресурс» принадлежат Федеральной
службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды
(Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической
информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров
видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.
Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также
принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический
мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»:
приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной
аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения
облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном
диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре
16
морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг
озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса
спутника входят несколько сканирующих ИК-радиометров и сканирующая
ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального
обзора и передачи данных на АППИ. Российская космическая система
«Океан» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и
оптических изображений земной поверхности в интересах морского
судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана.
Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в
Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых
условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита
высотой 600—650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое
время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора
информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав
комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧрадиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта-2,
трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс
оптической сканирующей аппаратуры.
Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать
следующие задачи контроля состояния окружающей среды:
1. Определение метеорологических характеристик: вертикальные
профили температуры, интегральные характеристики влажности,
характер облачности и т. д.);
2. Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт
крупных стихийных бедствий;
3. Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный
контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;
4. Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных
предприятий;
5. Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;
6. Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в
лесах;
7. Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных
производств и ТЭЦ в мегаполисах;
8. Регистрация дымных шлейфов от труб;
9. Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
10.Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;
11.Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного
покрова в зонах влияния промышленных предприятий.
12.Определение метеорологических характеристик: вертикальные
профили температуры, интегральные характеристики влажности,
характер облачности и т. д.);
13.Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт
крупных стихийных бедствий;
17
14.Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный
контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;
15.Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных
предприятий;
16.Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;
17.Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в
лесах;
18.Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных
производств и ТЭЦ в мегаполисах;
19.Регистрация дымных шлейфов от труб;
20.Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
21.Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;
22.Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного
покрова в зонах влияния промышленных предприятий.
Компьютерные методы обработки спутниковых данных
Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является
получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и
геометрическими характеристиками. В общем случае обработка данных
дистанционного зондирования включает три этапа:
1. предварительная обработка — прием спутниковых данных, запись их
на магнитный носитель, декодировка и корректировка, преобразование
данных непосредственно в изображение или космический снимок или в
форматы, удобные для последующих видов обработки;
2. первичная обработка — исправление искажений, вызванных
нестабильностью работы космического аппарата и датчика, а также
географическая привязка изображения с наложением на него сетки
координат, изменение масштаба изображения и представление
изображения в необходимой географической проекции
(геокодирование);
3. вторичная (тематическая) обработка — цифровой анализ с
применением статистических методов обработки, визуальное
дешифрирование и интерпретация в интерактивном или полностью
автоматизированном режиме.
Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть
выполнены на борту космического аппарата.
Многозональная съемка ведется многие годы, и исследователи
накопили большой объѐ м эмпирических данных. Уже хорошо известно,
какие соотношения яркости в различных зонах спектра соответствуют
растительности, обнаженной почве, водным поверхностям,
урбанизированным территориям и другим распространенным типам
ландшафта, существуют библиотеки спектров различных природных
образований. Выразив эти соотношения в виде линейных комбинаций
различных зон, можно получать так называемые индексы. Так как многие
современные системы дистанционного зондирования Земли осуществляют
съемку в видимой красной и ближней инфракрасной частях спектра, то
18
распространенным методом является вычисление нормализованного
вегетационного индекса (NDVI). Нормализованный вегетационный индекс
показывает наличие и состояние растительности по соотношению
отраженных энергий в 2 спектральных каналах. Вычисляется по следующей
формуле: NDVI=NIR-RED/NIR+RED, где NIR — отражение в ближней
инфракрасной области спектра; RED — отражение в красной области
спектра. Эта зависимость основана на различных спектральных свойствах
хлорофилла в видимом и ближнем ИК диапазонах. Вегетационные индексы
можно рассматривать как промежуточный этап при переходе от
эмпирических показателей к реальным физическим свойствам растительного
покрова. Часто вычисляют универсальные и территориально-привязанные
индексы: LAI — индекс листовой поверхности или FPAR — индекс
фотосинтетической активной радиации, поглощаемый растительностью и пр.
Индекс LAI можно измерить в натурных условиях. В настоящее время в
Интернет ежемесячно публикуются растровые изображения LAI
(пространственное разрешение 250 м) на весь мир. Эти данные в сочетании с
методами классификации мультиспектральных изображений могут
значительно повысить достоверность при обработке изображений в
экспертных системах, учитывающих множество различной информации.
Как известно, антропогенное воздействие на окружающую среду
приводит к возникновению масштабных трудноразрешимых противоречий
между интересами развития производства и сохранением природы,
поскольку в результате интенсивного использования природных ресурсов
происходит разрушение природных систем и интенсивное загрязнение среды.
Ещѐ в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке
состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое
состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не
только здоровью населения, но и самому существованию человечества.
Решение этих проблем, возникающих в связи с катастрофическим
ухудшением окружающей природной среды, занимает сейчас центральное
место при выработке стратегии экологически устойчивого социальноэкономического развития промышленно развитых стран, в том числе и
России. В последние годы в круг фундаментальных исследований проблем
экологии территории России широко вовлечены космические методы
контроля состояния экосистем.
Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка
передовых информационных технологий открыли новый этап развития
космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа
является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а
также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий,
которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге
состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема
интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей
среде, создание региональных баз данных и расширение электронных
коллекций по результатам космического экологического мониторинга.
19
Развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур
спутникового экологического мониторинга регионов России наряду с
разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени
призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей
среды и устойчивого развития экономики России.
В связи с этим создаются Центры космического мониторинга (ЦКМ),
которые осуществляют оперативный контроль состояния окружающей среды
и природных ресурсов (например, Институт солнечно-земной физики СО
РАН, г. Иркутск), создают многоуровневые информационные системы
пространственно-временного мониторинга состояния окружающей среды,
включающие технические и программные средства сбора, обработки, анализа
и хранения спутниковой информации.
Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают
всеобъемлющий характер. Наиболее информативным методом для решения
задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является
использование и тематический анализ изображений, полученных
приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных
на космических аппаратах. Целый ряд спутников, оснащенных приборами
дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами,
радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для
получения разносторонней геофизической информации, необходимой для
оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных
исследований.
Наземные методы экологического мониторинга.
К наземным методам экологического мониторинга относятся
геофизические методы исследований, которые применяются для изучения
строения, состава и состояния массивов горных пород, в пределах которых
могут развиваться те или иные опасные геологические процессы. К ним относятся: магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная
съѐ мка (фото-, теле-), ядерная геофизика, сейсмические и геоакустические и
другие методы.
В программу наземных инструментальных геофизических наблюдений
в системе мониторинга включаются:
районы размещения дорогостоящих, ответственных и особо
опасных объектов промышленного и гражданского
строительства;
территории, занятые топливно-энергетическими комплексами;
территории с мульдами оседания земной поверхности;
промышленные зоны, в которых ведѐ тся добыча полезных
ископаемых, откачка (закачка) подземных вод, рассолов
(промышленных стоков), места складирования отходов и т. п.;
территории занятые промышленными предприятиями, на
которых выполняются прецизионные работы в различных сферах
производственной деятельности;
20
территории с неблагоприятной и напряжѐ нной экологической
обстановкой;
территории расположения уникальных архитектурных
сооружений и исторических памятников.
Физико-химические методы
Количественные методы. Позволяют оценивать количественные
характеристики вещества в пробе.
Качественные методы. Позволяют определить, какое вещество
находится в испытуемой пробе. Например, на основе хроматографии.
Гравиметрический метод. Суть метода состоит в определении массы и
процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического
соединения, находящегося в испытуемой пробе.
Титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа
взвешивание заменяется измерением объѐ мов, как определяемого вещества,
так и реагента, используемого при данном определении. Методы
титриметрического анализа разделяют на 4 группы:
а) методы кислотно-основного титрования;
б) методы осаждения;
в) методы окисления-восстановления;
г) методы комплексообразования.
Колориметрические методы. Колориметрия — один из наиболее
простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении
оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации.
Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию
и фотоколориметрию.
Экспресс-методы. К экспресс методам относятся инструментальные
методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени.
Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в
системе мониторинга воздушной и водной среды.
Потенциометрические методы основаны на изменении потенциала
электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в
растворе. Их разделяют на:
а) прямую потенциометрию (ионометрию);
б) потенциометрическое титрование.
Методы биологического мониторинга
1. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии
окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям
развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — организмы,
присутствие, количество или особенности развития которых служат
показателями естественных процессов, условий или антропогенных
изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью
биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.
2. Биотестирование — метод, позволяющий в лабораторных условиях
оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых
организмов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]