Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мониторинг среды обитания. Учебное пособие
.pdf
21
3. Оценка компонентов биоразнообразия — является совокупностью
методов сравнительного анализа компонентов биоразнообразия.
Методы статистической и математической обработки данных
Для обработки экомониторинговых данных используются методы
вычислительной и математической биологии (в том числе и математическое
моделирование), а также широкий спектр информационных технологий.
Географические информационные системы
Геоинформационная система (ГИС) — система сбора, хранения,
анализа и графической визуализации пространственных (географических)
данных и связанной с ними информацией о необходимых объектах. Термин
также используется в более узком смысле — ГИС как инструмент
(программный продукт), позволяющий пользователям искать, анализировать
и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об
объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.
ГИС включают в себя возможности cистем управления базами данных
(СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств
и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве,
экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и
многих других областях.
По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS),
субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус
государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и
локальные, или местные ГИС (local GIS).
ГИС различаются предметной областью информационного
моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС
(urban GIS), ГИС недропользователя, горно-геологические ГИС,
природоохранные ГИС (environmental GIS) и т. п.; среди них особое
наименование, как особо широко распространѐ нные, получили земельные
информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется
решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них
инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг,
управление и планирование, поддержка принятия решений.
Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают
функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки
изображений (данных дистанционного зондирования) в единой
интегрированной среде.
Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS)
основаны на множественных, или полимасштабных представлениях
пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation),
обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на
любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного
набора данных с наибольшим пространственным разрешением.
Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют
пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных
проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает
22
этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение
требований пользователя (user requirements) и функциональных
возможностей используемых программных средств ГИС, техникоэкономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»
(costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая
стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); еѐ
тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом
участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или
прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и
использование. Научные, технические, технологические и прикладные
аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются
геоинформатикой.
Рассматривая методы экологического мониторинга, частично
показывались и средства. Средств мониторинга создано множество.
Целесообразно рассмотреть наиболее широкую группу средств наземного
мониторинга.
Общая структура аппаратных средств сети наземных измерений в
системе экологического мониторинга включает:
1. Для низового уровня мониторинговой сети:
стационарные посты по воздуху и воде;
передвижные станции контроля выбросов и сбросов;
передвижные и стационарные лаборатории по
состоянию атмосферы, воды, почвы, снега;
инспекционные службы;
службы получения данных от населения.
Число стационарных и передвижных станций и постов определяется в
результате проведения исследований, расчѐ тов на имеющихся моделях
конкретной природно-технической геосистемы (или природно-территориального комплекса), а также на основании накопленного опыта наблюдения
за окружающей средой.
2. Для среднего уровня сети:
центры сбора и обработки информации, полученной в
низовых сетях, отличающиеся друг от друга
спецификой и сложностью решаемых задач.
3. Для высшего уровня сети:
пользователи информации, полученной в центрах ее
сбора и обработки.
Непосредственными пользователями данных являются инспектора по
охране окружающей среды.
К числу основных составляющих сети мониторинга относятся датчики
и анализаторы; устройства загрузки данных; устройства передачи данных и
др.
В иерархически построенной сети наземных измерений
вычислительные средства обработки информации используются практически
23
на всех уровнях сети. В стационарных и передвижных постах загрузчик
данных не только управляет работой анализаторов, но и производит
первичную обработку собранных данных. В локальных и центральном
вычислительных центрах вычисляются по моделям уровни загрязнения
среды по основным и дополнительным ингредиентам, строятся карты
изолиний, рассчитываются прогнозы, вычисляются вероятные источники
загрязнений и т. п.
Вычислительный центр сети мониторинга загрязнений выполняет
следующие функции:
управление работой сети наземных измерений в оперативном,
штормовом режимах и режиме проверки работоспособности;
сбор информации от стационарных постов и передвижных
лабораторий контроля загрязнений;
обработка информации для получения общей картины загрязнений
для вычисления прогнозов, интегральных оценок экологического
состояния среды и др.;
ведение банков данных оперативного и долговременного хранения
информации с обеспечением надежности хранения информации и
защиты от несанкционированного доступа;
подготовка и выдача информации о загрязнениях в плановом
порядке в виде сводных таблиц, картографического материала и т.
п.;
передача информации в автоматическом режиме в главный
вычислительный центр.
Сеть передачи данных наземных измерений со станций экологического
мониторинга решает следующие задачи:
регулярная (один раз в 10 мин, 30 мин, 1 ч и т. п.) передача данных
измерений от стационарных постов и передвижных лабораторий;
передача данных, поступающих от населения о тревожных и
аварийных ситуациях;
передача данных по каналам связи от вычислительного центра
пользователям информации (исполнительной власти, населению и
т. п.).
Данные, передаваемые от стационарных постов и передвижных
лабораторий, невелики по объему (сотни байт), но передаются достаточно
часто. Скорость передачи данных невелика — сотни бит в секунду.
Требования к надежности передаваемых данных не предельно жесткие, так
как протекающие процессы в атмосфере и воде имеют скорость
распространения десятки минут, часы.
Данные от вычислительного центра пользователям должны
передаваться 1—2 раза в сутки, объем их достаточно велик (единицы и
десятки килобайт). Поэтому скорость передачи и требования к надежности
передачи данных должны быть достаточно высоки.
24
Информационное обеспечение системы комплексного экологического
мониторинга должно содержать:
упорядоченную структуру информационных потоков (входных,
внутренних, выходных);
инфраструктуру собственно информационной базы данных;
методики сбора данных от стационарных и передвижных постов;
методики передачи данных, полученных от постов различного
уровня, включая лидары;
методики обработки данных и расчета интегральных показателей
состояния окружающей среды;
методики определения источников выбросов;
структуру пользовательских организаций сети и
эксплуатационных служб.
Программное обеспечение сети комплексного экологического
мониторинга должно включать:
развитые операционные системы;
стандартные базы данных;
картографическое и графопостроительное обеспечение;
мониторы для управления сбором данных;
Базой данных называют совокупность хранимых операционных
данных, используемых прикладными системами некоторого потребителя.
Основополагающим при проектировании или выборе структуры базы данных
является модель представления данных.
По способу организации баз данных различают реляционные,
иерархические и сетевые базы данных.
Реляционные базы данных строятся на основе реляционной модели
данных, использующей математическое понятие теоретико-множественного
отношения. База данных при этом представляется в виде совокупности
таблиц.
Иерархические базы данных строятся на основе иерархической модели
данных, в которой данные имеют структуру простого дерева. База данных
представляется при этом в виде совокупности деревьев.
Сетевые базы данных строятся на основе сетевой модели данных, в
которой данные имеют структуру ориентированного графа. База данных
представляется ориентированной сетью.
Выбор конкретной базы данных зависит от характера выполняемых
задач. В соответствии с общей структурой сети наземных измерений должны
быть созданы следующие основные базы данных: по воздуху, выбросам и
отходам, водным объектам, картографии и др. Большинство из них
целесообразно строить как реляционные. В то же время, скажем, для
картографических систем могут быть использованы базы данных
иерархического типа [1].
25
4. Система глобального мониторинга
В настоящее время, когда влияние хозяйственной деятельности че-
ловека охватывает практически всю биосферу, возникла необходимость
разработки природоохранных мероприятий не только локального и регионального, но и глобального характера. Решение этой задачи потребовало
создания системы глобального мониторинга состояния и изменения
природной среды.
Общие принципы организации службы глобального мониторинга были
рассмотрены еще на Стокгольмской конференций ООН по окружающей
среде в 1972 году. В последующие годы вопросами мониторинга биосферы
занимались различные международные организации. Под эгидой Всемирной
метеорологической организации (ВМС) начались фоновые наблюдения за
состоянием загрязнения атмосферы и атмосферных осадков. В рамках
Международной океанографической комиссии совместно с ВМО
организованы работы по изучению загрязнения морской среды. Большая
работа по научному обоснованно глобального мониторинга была проведена в
рамках программы ЮНЕСКО "Человек и биосфера".
В 1986 г. Международный совет научных обществ принял Междуна-
родную геосферно-биосферную программу "Глобальные изменения", нацеленную на познание причин и механизмов изменений природы и поиск
путей научного прогнозирования этих процессов в XXI веке. В ней особое
внимание уделено получению современной информации о состоянии
биосферы в целом. Осуществление программы началось в 1991 г. и будет
продолжено в следующем столетии (Меняющийся мир..., 1991).
Глобальный мониторинг - это регулярное слежение за планетарными
процессами и явлениями в биосфере с целью оценки и прогноза их
изменений под влиянием антропогенных и естественных факторов. В
качестве объектов слежения выступают геосферы Земли, которые рассматриваются в глобальном масштабе. Этот вид мониторинга необходим для
решения планетарных проблем природопользования и охраны окружающей
среды, овладения приемами и механизмами управления региональными
природно-антропогенными процессами и биосферой в целом. Материалы
наблюдений позволяют выявить масштабы и характер антропогенных
изменений природных систем, определить негативные последствия
хозяйственной деятельности в различных ландшафтных зонах и при разных
способах общественного производства.
Основная задача глобального мониторинга - наблюдения и контроль за
главными параметрами современной биосферы с целью достоверной
фиксации их периодических и направленных изменений, экологической
оценки ответных реакций природных систем на антропогенные воздействия,
охватывающие крупные части биосферы. В их число должны входить
наиболее важные геофизические, геохимические и биологические показатели
- характеристики радиационного и теплового балансов, глобального
влагооборота Земли; данные о состоянии озонового слоя, загрязнении
26
географических сфер и по антропогенному преобразованию круговорота
главнейших химических элементов; показатели структуры и биологической
продуктивности наиболее репрезентативных наземных и океанических
экосистем. Кроме того, в задачи мониторинга необходимо включить
наблюдения над изменением глобальных уровней радиоактивности,
связанной с использованием ядерной энергии (Герасимов, 1985).
По данным глобальных наблюдений рассчитываются фоновые
показатели - усредненные параметры, характеризующие естественное
состояние компонентов биосферы. Они используются как "точки" отсчета
или исходные отметки при оценке направлений и степени антропогенных изменений окружающей природной среды.
Оценка антропогенных изменений природной среды осуществляется с
помощью двух групп критериев - показателей загрязнения среды и
структурно-функциональных характеристик биосферы.
Первую группу критериев составляют загрязнители, оказывающие
существенное негативное воздействие на природные системы. Согласно
И.М.Назарову (1977), к ним относят:
а) вещества, воздействующие на геофизические системы в атмосфере
(углекислый газ, аэрозоли, вещества, влияющие на содержание озона и др.);
б) мутагенные ингредиенты глобального значения - радионуклиды,
пестициды, бенз(а)пирен и другие;
в) вещества регионального распространения, способные переноситься
на большие расстояния и вызывать суммарный эффект глобального масштаба
(двуокиси серы и азота, нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы и др.).
При оценке загрязнения среды важное значение имеет выявление
степени «антропогенности» различных загрязнителей, в частности
элементов, распространяющихся с аэрозолями. Для ее определения
предложен коэффициент обогащения или фракционирования (Кi). Он
рассчитывается по отношению к некоему опорному элементу по следующей
формуле (Израэль, 1984):
где Ci и С0 - концентрация соответственно исследуемого и опорного
элементов; Рi и Р - кларковое содержание соответственно исследуемого и
опорного элементов. В качестве опорных выбраны рассеянные элементы,
выброс которых в атмосферу приближается к их кларковому содержанию. К
ним относятся торий, цезий, скандий.
Расчет коэффициента обогащения (Кi) позволяет учесть количество
выброшенных в атмосферу веществ, связанных с хозяйственной деятельностью человека, а также определить их способность к распространению
на значительные расстояния.
Структурно-функциональные характеристики отражают изменения в
составе природных систем и интенсивности протекающих в них естественных процессов (изменения видового состава, соотношения различных
27
трофических групп, скорости деградации экосистем и др.). Особое значение
имеют интегральные характеристики - величина первичной продукции
биогеоценозов, соотношение фактической и потенциальной продуктивности
для данных физико-географических условий, интенсивность биологического
круговорота и другие. Их определение дает возможность установить
нарушения взаимосвязей внутри природных комплексов, степень
трансформации последних, выявить тот продел антропогенного воздействия,
при котором системы теряют свои средо- и ресурсовоспроизводящие
функции.
При оценке геоэкологического состояния территории необходимо
учитывать как площади проявления негативных процессов (например,
площади, деградации сельскохозяйственных земель, изменения лесистости и
др.), так и скорости трансформации природных и природно-антропогенных
систем во времени и пространстве (например, скорости деградации земель,
уменьшения продуктивности экосистем и др.). Скорости трансформации
целесообразно рассчитывать по 5-10-летним и более продолжительным
рядам наблюдений. Анализ таких рядов необходим для выявления тенденций
развития измененных систем и прогноза экологической обстановки в целях
разработки мероприятий по ее стабилизации и улучшению.
Определение названных характеристик состояния биосферы (в том
числе фоновых показателей) связано с проведением наземных стационарных
наблюдений и использованием методов дистанционного зондирования.
Наземные наблюдения за состоянием и изменением биосферы.
Наземные наблюдения за состоянием и изменением биосферы ведутся на
специальных стационарах, которые в зависимости от назначения
подразделяют на базовые, (фоновые) и региональные станции.
Базовые станции служат для получения информации о фоновом
(исходном) состоянии биосферы и поэтому должны располагаться в районах
с заведомо полным (насколько это вообще возможно в современном мире)
отсутствием антропогенного влияния не только в настоящее время, но и в
ближайшем будущем. Их необходимо размещать в специально выбранных
точках, как на суше, так и в пределах акватории Мирового океана.
Региональные станции создаются с целью получения информации о
состоянии биосферы в зонах, подверженных влиянию хозяйственной
деятельности человека. Они могут размещаться как вблизи крупных городов
и промышленных центров, так и на их границах. Региональные станции
служат для фиксации сравнительно быстрых изменений природной среды,
базовые станции предназначены для выявления медленных негативных
процессов, характеризующих состояние биосферы в целом и поэтому
наиболее опасных с точки зрения своих последствий.
В нашей стране базовые станции организованы и функционируют
главным образом в составе биосферных заповедников. Биосферными
заповедниками называют репрезентативные (представительные для данных
физико-географических условий) слабоизмененные и строго охраняемые
природные территории, в пределах которых ведутся мониторинговые
28
наблюдения за антропогенными изменениями биосферы. Они имеют
зонированную структуру и, как правило, включают; а) зону, находящуюся
вне сферы хозяйственного использования и защищаемую от вмешательства
со стороны человека (в ее границах проводятся фоновые наблюдения); б)
переходную (буферную) территорию с ограниченной хозяйственной
деятельностью; в) территорию, испытывающую антропогенное воздействие.
Таким образом, биосферные заповедники как бы совмещают в себе признаки
базовых и региональных станций, хотя программа наблюдений в них
является более широкой прежде всего за счет проведения экологических и
биологических исследований.
Важной задачей глобального мониторинга является выбор местопо-
ложения фоновых станций и биосферных заповедников, разработка
программ и унификация методов проведения мониторинговых наблюдений.
Согласно Е.В. Милановой и Л.М. Рябчикову (1986), основными критериями
выбора территорий под биосферные заповедники являются:
репрезентативность (наличие черт, характерных для данного биома),
разнообразие природных условий (включение по возможности
максимального числа экосистем, сообществ и организмов, характерных для
биома), естественность (предпочтение отдается участкам, не испытавшим
существенных антропогенных преобразований), эффективность территории
как природоохранной единицы (размер, форма и положение территории
должны обеспечивать максимальную степень саморегулирования и слабое
воздействие внешних нарушающих факторов). По данным В.Е .Соколова и
Ю.Г. Пузаченко (1991), наибольшее разнообразие природных условий
приурочено, к экотонам (переходным зонам), где проявляется и наибольшая
неустойчивость экосистем к антропогенному воздействию. Неустойчивость
объясняется тем, что большинство элементов систем в пределах экотонов
располагается вблизи своих экологических границ и соответственно обладает
повышенной чувствительностью к внешним воздействиям. Поэтому
территории с большим разнообразием экосистем наиболее удобны для
организации сложных научных исследований.
Программа глобальных мониторинговых наблюдений строится так,
чтобы получить необходимую информацию как о ходе естественных
процессов, так и о последствиях антропогенного вмешательства в природу.
Она включает (Израэль, 1984):
а) мониторинг загрязнения природной среды;
б) мониторинг откликов биоты на воздействие человека;
в) наблюдения за изменением структурно-функциональных
характеристик (соотношения годичной первичной и вторичной
биологической продукции, интенсивности биологического круговорота и др.)
природных (эталонных) экосистем и их антропогенных модификаций.
Результаты мониторинга необходимо сопоставлять с данными
метеорологических, гидрологических и других геофизических наблюдений.
Программа глобальных наблюдений предусматривает измерение
потока веществ из атмосферы на подстилающую поверхность, в процессе
29
миграции с поверхностным и подземными водами, по трофическим цепям в
Геосферы и их
компоненты
Загрязняющие вещества
Периодичность
наблюдений
Атмосфера
Аэрозоли, озон, окись и
двуокись углерода, окислы
азота, углеводороды,
бенз(а)пирен, хлорорганические
соединения (ДДТ и др.)
От суточной до
пятисуточной
Атмосферные
осадки и
выпадения,
снежный покров
Свинец, ртуть, кадмий,
мышьяк,
ДДТ, бенз(а)пирен, анионы и
катионы (по стандартной
программе), радионуклиды
Осадки - один раз в
декаду, месяц. Выпадения
- один раз в месяц.
Снежный покров – один
раз в год перед началом
снеготаяния
экосистемах. При выборе ингредиентов приняты во внимание такие
критерии, как способность веществ распространяться на большие
расстояния, их устойчивость и мобильность в окружающей среде, способность к воздействию на экологические и геофизические системы (в том
числе на климат). Среди измеряемых показателей следует выделить
вещества, определяемые во всех сферах (бенз(а)пирен, хлорорганические
соединения, тяжелые металлы и др.) и ряд загрязнителей (окись углерода,
окислы азота, озон, аэрозоли и др.), которые определяются в атмосфере
(табл. 1.3).
Помимо наблюдений за основными параметрами загрязнения среды
мониторинг должен включать наблюдения за изменением ультрафиолетовой
радиации, радиационного и теплового балансов, изучение изменений свойств
почв и их разрушения под влиянием эрозии, выявление реакции биоты на
загрязнение (в частности, расчет баланса по важнейшим загрязнителям на
"входе" и "выходе" для биологических систем разного типа и уровня
организации), исследование динамики процессов, протекающих в
антропогенных ландшафтах.
Особую роль играют наблюдения за содержанием озона в атмосфере,
поскольку стабильность озонового слоя является важным фактором
сохранения биосферы, В естественных условиях в стратосфере наблюдается
равновесие между процессами фотохимического образования и разложения
озона, однако поступление в атмосферу различных веществ (прежде всего
окислов азота, хлорированных и фторированных углеводородов) может легко
нарушить это равновесие. В связи с этим актуальной задачей мониторинга
является расширение сети озонометрических станций, позволяющей
регулярно измерять содержание озона в стратосфере (до высоты 30 км) и в
приземном слое атмосферы, а также определять концентрацию веществ,
способных разрушить озоновый слой в разных точках нашей планеты.
Таблица 1.3
Программа мониторинга загрязняющих веществ в биосферных заповедниках
30
Поверхностные и
подземные воды,
донные
отложения и
взвеси
Свинец, ртуть, метилртуть,
кадмий, мышьяк, ДДТ,
бенз(а)пирен,
биогенные элементы
Вода и взвеси - 6
раз в год
в характерные
гидрологические
периоды. Донные
отложения – I раз в год в
летнюю межень
Почва
Свинец, ртуть, кадмий,
мышьяк, ДДТ, бенз(а)пирен,
биогенные элементы
1-2 раза в год
Биота
Свинец, ртуть, кадмий,
мышьяк, ДДТ, бенз(а)пирен,
биогенные элементы
2 раза в год
В настоящее время под эгидой ЮНЕСКО в рамках международной
программы "Человек и биосфера" развернута сеть пунктов наблюдений, в
которую входит более 300 биосферных заповедников и фоновых станций. На
территории Российской Федерации функционируют 16 биосферных
заповедников (Кавказский, Приокско-Террасный, Сихотэ-Алинский,
Байкальский, Центрально-Черноземный, Центрально-Лесной и др.). Их
основная задача состоит в сохранении репрезентативных ландшафтов,
обеспечении полигонов для проведения геоэкологического мониторинга и
долгосрочных исследований структуры, функционирования и динамики
природных систем в сравнении с системами, измененными человеком.
В качестве примера мониторинга рассмотрим программу наблюдений,
которые проводятся в Приокско-Террасном биосферном заповеднике,
расположенном в южном Подмосковье.
Заповедник включает в себя три функциональных зоны:
а) территорию, исключенную из хозяйственного использования
(собственно заповедник площадью 5 тыс. га);
б) территорию с типичным для данной природной зоны лесным
ландшафтом, слабо измененным деятельностью человека;
в) территорию, интенсивно используемую в сельском хозяйстве.
В основу организация наблюдений положен ландшафтно-
геохимический бассейновый подход, который признан наиболее
результативным при слежений за состоянием природных систем. Для
изучения процессов миграции вещества, происходящих в геохимических
ландшафтах, были выбраны два модельных водосбора - один расположен в
границах заповедника, другой - в условиях типичной сельскохозяйственной
территории. В пределах водосборов изучаются следующие потоки вещества:
а) поступление химических элементов с атмосферными осадками; б) приток
твердых аэрозолей на территорию сельскохозяйственного использования и
лесных массивов, химический состав аэрозолей и содержание поступающих с
ними элементов; в) ионный и твердый стоки с водосборов, фиксируемые
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]