Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
номенологических и топологических характеристик, представление
результатов исследования в виде тематических карт стандартизированного масштаба;
– создание методологии оценок экологического и санитарного состояния жилой, промышленной, лесопарковой и пригородной зон,
водоемов и рек, теплотрасс и продуктопроводов, транспортных и
электросетей;
– исследование сезонной и суточной динамики характеристик
мест складирования бытовых и производственных отходов, источников загрязнения земных покровов, воздушного и водного бассейнов;
– решение обратных задач и разработка статистических критериев
подобия применительно к локальным антропогенным и геофизическим особенностям городской и пригородной территорий, приземной
атмосферы, облачности и озонового слоя, динамики загрязнения и их
элементов.
Системы мониторинга, базирующиеся на ГИМС-технологии,
должны реализовываться на основе данных следующих пяти взаимодополняющих друг друга ступеней, обладающих необходимым техническим, методическим и метрологическим обеспечением:
Съемка с борта космических аппаратов:
– оценки глобальных экологических характеристик исследуемого
региона (с учетом интересов рассматриваемых ниже уровней экологического мониторинга);
– оптическая прозрачность, состояние малых газовых и аэрозольных составляющих атмосферы Земли;
– интегральная характеристика техногенного загрязнения воздушного и водного бассейнов, состояния озонового слоя;
– состояние земных покровов и градостроительных объектов.
Исследование с борта многоцелевых и специализированных самолетов-лабораторий:
– экологические характеристики окружающей среды региона
(с учетом интересов третьего и четвертого уровней мониторинга);
– энергетические и поляризационные характеристики микроволновы
полей излучения и отражения элементов городского и других пейзажей;
– радиотепловые и радиолокационные изображения территории
города, мегаполиса, участка леса и других территорий;
– изображения и параметры теплового поля ландшафта в ближнем
и дальнем ИК-диапазонах;
х
101
– оптическая прозрачность, влагосодержание и другие характери-
стики атмосферы при ее зондировании в надирном и зенитном направлениях.
Вертолетные и легкомоторные самолетные лаборатории. Они
обеспечивают данными маловысотный (80…500 м) уровень мониторинга в плане фиксации параметров:
– локальных экологических характеристик региона (с учетом интересов передвижных и стационарных наземных или плавающих
пунктов наблюдения);
– загрязнения приземного слоя атмосферы газообразными загрязнениями и твердыми аэрозольными частицами;
– фона и аномалий радиоактивности окружающей среды; тепловых полей (ИК- и СВЧ-диапазонов) отдельных участков региона;
Автомобильные, судовые и стационарные пункты наблюдения.
Эти пункты определяют и уточняют в пределах отдельных маршрутов и секторов региона местоположения и структуры локальных экологических аномалий.
Пятый уровень мониторинга обеспечивается непосредственно
ГИМС-технологией:
– сбор, аннотирование и хранение данных всех четырех уровней мониторинга в единой пространственно-временной системе координат;
– экспресс анализ, обработка и привязка к характерным точкам на
местности и на карте экспериментальных и рассчитанных оценок состояния элементов окружающей среды с выделением их особенностей;
– идентификация источников загрязнения и других изменений окружающей среды, оценка динамики и прогнозирование последствий
их влияния на экологическую и санитарно-гигиеническую обстановку, выявление путей миграции и концентрации вредных веществ по
территории региона;
– подготовка информации для потребителя в стандартизованных формах, обеспечивающих воссоздание объективной картины экологической
и санитарной обстановки, а также обосновывающих пути рационального
решения текущих и перспективных природоохранных проблем.
Авторы работы также отмечают, что в настоящее время наиболее
распространенным является стандарт GEODAS (Geophysical Data
System), устанавливающий девять уровней пространственного разрешения (от одного градуса до полсекунды по широте и долготе).
При этом обеспечивается семь масштабов картографического воспроизведения данных (табл. 2.9).
102
Таблица 2.9
Масштабы представления картографической информации
Пространственное
разрешение, км
0,5×0,5 1:1250 40×40 1:50000
1×1 1:2500 250×250 1:25000
5×5 1:10000 500×500 1:625000
10×20 1:25000
Масштаб
Пространственное
разрешение, км
Масштаб
Получение данных в указанных масштабах возможно путем синтеза спутниковых данных и данных национальных систем мониторинга.
Последние важны, так как они конкретизируют предметную область и
выделяют характерные для данного региона приоритеты. Например,
для развитых стран важны оперативные оценки качества атмосферного воздуха в зонах мегаполисов и крупных промышленных предприятий. Для развивающихся стран принципиальными являются контроль
трансграничных переносов загрязнителей и оценка возможного изменения атмосферного воздуха в связи со строительством промышленных предприятий. Наряду с задачей выбора масштабов пространственного разрешения, требуется их согласования с масштабами времени. Эта задача важна для формирования структуры математических
моделей, обеспечивающих описание динамики загрязнителей в атмосфере. Совместное описание динамических процессов, имеющих разные масштабы времени, порождает в математическом описании параметры, относящиеся к разным процессам и весьма существенно (на
порядки величин) отличающиеся друг от друга. Это позволяет разбить
рассматриваемые процессы на три группы:
– относящиеся к выбранному масштабу времени;
– квазистационарные (быстропротекающие процессы);
– статические (медленнотекущие процессы).
Моделирование – это исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (живых и неживых систем, инженерных конструкций, разнообразных процессов – физических,
химических, биологических, социальных и др.) и конструируемых объектов (для
определения, уточнения их характеристик, рационализации способов их построения
и т.п.). Следовательно, методы моделирования являются важнейшим инструментом
исследования окружающего нас мира, позволяющим проникнуть в сущность изучаемых процессов и явлений (рис. 2.5).
Экологическая наука и прикладные ее области не являются исключением и широко используют моделирование для решения многочисленных задач, связанных с
оценкой и прогнозом развития тех или иных ситуаций в экологических системах
различного уровня.
103
Рис. 2.5. Виды моделей объектов (процессов)
Процесс моделирование сводится к следующим четырем этапам [26]:
– формулировка положений и законов, связывающих основные объекты модели,
завершается составлением математических уравнений выбранной модели;
– исследование математических задач, к которым приводят математические модели (на этом этапе важную роль приобретают математический аппарат и вычислительная техника – мощное средство для получения количеств, выходной информации как результата решения сложных математических задач);
– оценка того, удовлетворяет ли принятая гипотетическая модель критерию
практики, т.е. выяснение вопроса о том, согласуются ли результаты наблюдений
с теоретическими следствиями модели в пределах точности наблюдений;
– последующий анализ модели в связи с накоплением данных об изучаемых явлениях и модернизация модели. В связи с этим возникает необходимость построения
новой, более совершенной модели.
Отметим также, что методы математического моделирования, приводящие процесс исследования явлений окружающего нас мира к математическим задачам, занимает ведущее место среди других методов исследования, особенно в связи с развитием компьютерных технологий, позволяющих проводить в режиме реального
времени обработку и анализ огромных по объему и масштабам информационных баз
данных [27].
Характерные временные интервалы изменчивости для большинства природных процессов хорошо известны. Из их числа отметим
следующие:
– процессы осаждения – минуты, часы;
– транспирация растений – часы, дни;
– формирование биомассы растений – дни, месяцы;
– изменения в сообществах растений и животных – месяцы, годы;
– формирование почвы – годы, столетия;
– геоморфологические процессы – века, тысячелетия.
Как отмечают авторы вышеуказанной работы, синтезу системы
моделей должна предшествовать систематизация временных шкал,
принимаемых к рассмотрению процессов. В результате удается расставить приоритеты среди моделей (их блоков) и тем самым определить структуру программного обеспечения ГИМС.
104
Библиографический список
1. Федеральный закон «Об охране окружающей среды». М.: Изд-
во Экзамен, 2002.
2. Mann R.E. Global Environmental Monitoring System (GEMS). Ac-
tion Plan for Phase 1, (Scientific Committee on Problems of the Environment – SCOPE, rep.3). Toronto, 1973. P. 130.
3. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля
окружающей среды. Ч. 1 и 2. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998, 2001
4. Экология, охрана природы и экологическая безопасность / Под
общ. ред. проф. В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997.
5. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-
аналитический мониторинг супертоксикантов. М.: Химия, 1996.
6. Школьный экологический мониторинг, Учебно-методическое
пособие под ред.Т.Я. Яшихминой. М.: Изд-во Агар, 1999.
7. Герасимов И.П. Научные основы современного мониторинга
окружающей среды // Изв. АН СССР. Серия география. 1975. № 3.
С. 13–25.
8. Рыков А.С. Модели и методы системного анализа: принятие
решений и оптимизация. М.: Изд. дом «Руда и металлы». МИСиС,
2005.
9. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системно-
го анализа. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997.
10. ГОСТ 8.437-81 Системы информационно-измерительные. М.:
Изд-во стандартов, 1987.
11. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учеб.
пособие. М.: ЗАО «Книга сервис», 2003. С. 109.
12. Крапивин В.Ф, Потапов И.И. Методы экоинформатики / Под
ред. акад. Ю.М. Арского. М.: ВИНИТИ РАН, 2002.
13. Арский Ю.М., Захаров Ю.Ф., Калуцков В.А. Экоинформатика.
М.: Гидрометеоиздат, 1992.
14. Арский Ю.М., Крапивин В.Ф., Потапов И.И. На пути к гло-
бальной экоинформатике // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1998. № 9. С. 2–18.
15. Контроль химических и биологических параметров окружаю-
щей среды / Под ред. Л.К. Исаева/ С-Пб.: Изд-во «Крисмас+», 1998.
16. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В.И. Экологическая химия: Пер.
с нем. / Под ред. Н.Б. Градовой. М.: Мир, 1996.
105
17. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Бингам Ф.,
М. Коста М., Эйхенбергер Э. и др.: Пер. с англ. / Под ред. С.Л. Давыдовой. М.: Мир, 1993.
18. Беккер А.А., Агаев Т.Б. Охрана и контроль загрязнения при-
родной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.
19. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и
растениях: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
20. Майстренко В.Н., Клюев Н.А. Эколого-аналитический монито-
ринг стойких органических загрязнителей. М.: Изд-во БиноМ.: 2007.
21. www.mosecom.ru
– официальный сайт ГПУ «Мосэкомонито-
ринг». Москва.
22. Экологический атлас Москвы. М.: Изд-во «АБФ/ABF», 2000.
23. Крапивин В.Ф., Потапов И.И. // Экологические системы и
приборы. 2003. № 2. С. 8–10.
24. Арманд Ю.М., Крапивин В.Ф., Шутко А.М. ГИМС-технология
как новый подход к информационному обеспечению исследования
природной среды // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 1997. № 3. С. 31–50.
25. Арманд Ю.М., Крапивин В.Ф., Мкртычан Ф.А. Методы обра-
ботки данных радиофизического исследования окружающей среды.
М.: Наука, 1987.
26. Экология, охрана природы и экологическая безопасность /
Под ред. В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997.
27. Алексеев В.В., Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Физическое и ма-
тематическое моделирование экосистем. СПб.: Гидрометеоиздат,
1992.
106
ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Современные методы экологических измерений, используемые
для обнаружения, идентификации и определения компонентноконцентрационного состава загрязнений в объектах окружающей
среды, можно разделить на следующие три самостоятельные, хотя в
некоторой степени и взаимосвязанные группы:
– лабораторные методы, основанные на отборе проб и исследовании (анализе) контролируемого объекта в условиях специализиро-
ванной лаборатории;
– методы экспресс-контроля (или полевые методы), выполняе-
мые с помощью переносных приборов в «полевых условиях», т.е. непосредственно в том месте, где располагается объект контроля;
– дистанционные методы, основанные на принципах прямых измерений, когда используемый прибор (измерительный комплекс) на-
ходится на некотором удалении от объекта контроля.
Наиболее представительной является группа лабораторных методов, с помощью которых в настоящее время проводится подавляющее большинство исследований по обнаружению, идентификации и
количественному определению загрязняющих веществ в окружающей среде.
Рассмотрим современное состояние и потенциальные возможности этих методов. Но вначале определимся с терминологией и дадим
краткую характеристику широко распространенных аналитических
методов. Эти материалы, хотя и не претендуют на оригинальность,
тем не менее отражают точку зрения автора и его представления о
методологических основах аналитической науки и содержании ее
фундаментальных положений, они изложены в объеме, необходимом
для понимания последующих разделов книги.
3.1. Терминология и общая характеристика методов
Проблемы, связанные с изучением химического состава разнообразных объектов материального мира, являются предметом аналити-
ческой химии – одной из главных составных частей многогранной
химической науки. Аналитическая химия – одна из древнейших наук.
Примитивные методы химического анализа были известны еще до
нашей эры. В XVI–XVII веках в связи с появлением и становлением
107
различных ремесел, горного дела, металлургического производства
методы и способы (методики) анализа получили дальнейшее развитие и признание в качестве самостоятельной области знаний, науки.
Основоположником аналитической химии считается английский химик Р. Бойль, разработавший целый ряд новых методов и предло-
живший называть эту область исследований химическим анализом.
Аналитическая химия – это наука о методах и средствах химиче-
ского анализа вещества. Под методами анализа понимаются методы
разделения, обнаружения и определения компонентов анализируемого вещества, а также и методы изучения химического строения соединений [1–3].
В последнее время в связи с дифференциацией самой химической
науки и возрастающей роли современных инструментальных методов исследования состава и свойств вещества аналитическую химию
предложено называть аналитикой, не выделяя ее из рамок классической аналитической химии, но подчеркнув при этом особый статус
самостоятельной научной дисциплины с постоянно развивающейся
аппаратурно-методической базой и все расширяющимися сферами
приложения. В монографии [3] дается следующее ее определение:
«Аналитика как научная дисциплина занимается получением информации о вещественных системах, а именно, о природе и числе
составных частей, включая сведения об их пространственном
строении и локальном распределении и изменении во времени,
а также разработкой для этой цели методик». Такое определение
современной аналитической химии представляется нам вполне оправданным, поскольку аналитика приобрела универсальный харак-
тер и вобрала в себя последние достижения не только химической
науки, но и физики, информатики, метрологии, а также и других
областей техники и технологий.
Основополагающие понятия и определения аналитической химии
(аналитики) можно найти в вышеуказанных монографиях, а также в
других многочисленных публикациях, посвященных проблемам контроля загрязнений окружающей среды [4–8]. Большинство из них
написаны доступным языком и рассчитаны на широкий кру
г читателей, знакомят с теоретическими основами аналитической химии,
разнообразными методами анализа и особенностями их применения
при решении практических задач. Огромное число монографий по
основам и различным аспектам аналитической химии издано к на-
108
стоящему времени и за рубежом. Выделим среди них монографию
[9], которая выдержала уже 5 изданий. Особого внимания заслужива-
ет также книга немецкого химика-аналитика Георга Шведта [10] –
прекрасно оформленная, с цветными рисунками, схемами, диаграммами, в сочетании с кратким и доступным изложением общих принципов и основ современных методов аналитической химии.
Для понимания сути науки и изучаемой научной дисциплины на
первоначальном этапе чрезвычайно важно усвоить терминологию,
понять смысл и содержание основных понятий. Приступим к рассмотрению краткого терминологического словаря аналитической
химии (аналитики). Ниже приведены скорректированные в самое последнее время определения наиболее важных понятий и терминов,
разработанных Научным советом по аналитической химии Российской академии наук (НСАХ РАН) и рекомендованных к использованию в практической деятельности [11]. Термины и их определения
приведены с примечаниями авторов этих рекомендаций.
Аналитическая химия (аналитика) – наука, развивающая общую
методологию, методы и средства получения экспериментальной информации о химическом составе вещества и разрабатывающая способы анализа различных объектов.
Химический анализ – получение информации о химическом составе вещества и соответствующая область деятельности.
Метод анализа – достаточно универсальный и теоретически
обоснованный способ получения информации о химическом составе
вещества на основе принципа или принципов анализа.
Методика анализа – подробное описание правил и операций определения состава конкретного объекта с использованием выбранных методов.
Принцип анализа – явление, свойство или закономерность, положенные в основу метода анализа вещества.
Измерение – получение информации о величине (значении) аналитического сигнала.
Аналитический контроль – проверка соответствия результата
анализа наперед заданным требованиям, нормам, условиям.
Мониторинг – относительно продолжительное наблюдение за изменениями параметров (состава) объекта или процесса, фиксация
изменений во времени; более строго – наблюдение за изменениями
109
характеристик объекта или процесса в пространственно-временной
системе координат.
Примечания авторов вышеуказанного проекта изложены в редакции
автора данной книги с некоторыми необходимыми комментариями.
Первое и наиболее важное. Термин «химический анализ» иногда
используют в значении химических методов анализа – и этого делать
не рекомендуется, поскольку понятие «химический анализ» не связано с методами анализа. Химический анализ можно осуществлять химическими, спектроскопическими, ядерно-физическими и вообще
любыми методами. А химический он потому, что мы имеем дело с
обнаружением или количественным определением химических час-
тиц, элементов молекул, фрагментов молекул, фаз, безотносительно
к методам, которыми это обнаружение или определение осуществляется. От себя отметим, что в научно-технической литературе не
встречается такое понятие, как «химические частицы».
Второе, еще чаще встречающееся разночтение, касается употребления слов «анализ», «анализировать». Рекомендуется соотносить
этот термин только с объектом анализа, а не с обнаруживаемыми
или определяемыми компонентами. Можно анализировать воздух,
сплав, руду, воду. Не рекомендуется употреблять словосочетание:
«анализ диоксинов в грудном молоке» или «анализ кадмия в почве».
Следует говорить «определение диоксинов в грудном молоке» или
«анализ грудного молока на диоксины».
Третье примечание. Термины «анализ», «контроль», «мониторинг» иногда отождествляют, между тем они разные и чаще всего не
взаимозаменяемые. Анализ – понятие широкое; анализ делается для
разных целей (в принципе – и без уточнения целей), в том числе и
для контроля и мониторинга. Контроль – это, как сказано выше, проверка соответствия заданным требованиям, известным условиям.
Мониторинг – наблюдение за параметрами объекта или процесса, за
явлениями в течение определенного или неопределенного перио
да
времени. Определение, данное термину «мониторинг» в ряде российских экологических документов, включающее даже принятие решений по результатам наблюдений и чуть ли не реализацию этих решений, представляется неоправданно расширенным.
Четвертое примечание. Такие понятия как «измерение», «измерять» рекомендуется относить только к аналитическому сигналу, т.е.
к физическому свойству (параметру), которое используется в качестве
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]