monitoring_печатать-decrypted

УДК [502.3:711] (075.8)

Антоненко И.В. Мониторинг и охрана городских земель: Конспект лекций / Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. – 96 с.

В пособии, составленном в соответствии с программой учебной дисциплины, приводятся тексты лекций по вопросам экологии, структуры мониторинга, в том числе мониторинга земель и охраны городских земель.

Предназначено для использования студентами специальности 311100 – “Городской кадастр”.

Табл. 6, список литер. – 6 назв.

Одобрено методической комиссией архитектурно-строительного факультета.

Рецензенты: А.В. Мочалина, В.А. Потемкин.

3

Тема 1

Введение. Понятие мониторинга. Цели и задачи мониторинга. Классификация видов и направлений деятельности систем мониторинга

Введение

В процессе жизнедеятельности любой организм вступает в сложные взаимоотношения со средой обитания и не только воздействует на окружающую природную среду и изменяет ее, но и сам испытывает ее влияние. Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывает человек, который используя природный потенциал, тем самым изменяет параметры окружающей среды на всех уровнях.

Загрязнение природной среды, связанное с производственной деятельностью человека, нередко приводящее к катастрофическим последствиям, вызвало в последнее время увеличение количества исследований изучающих масштабы и темпы загрязнения окружающей среды и направленных на поиск эффективных приемов ее защиты, которые включают в себя как снижение потоков загрязняющих веществ, поступающих в биосферу, так и ограничение токсичного действия различных веществ техногенного происхождения на растительный и животный мир и, главным образом, предотвращение отрицательного их влияния на здоровье человека.

Следует отметить, что информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния давно используется человеком для планирования своей деятельности. Уже более 100 лет ведутся регулярные наблюдения за изменением климата, погоды – это метеорологические, сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния окружающей среды. Однако с развитием промышленности, транспорта и интенсивной урбанизации возникает необходимость создания специальной информационной системы контроля и прогнозирования состояния биосферы в целом и отдельных ее компонентов. В рамках этой системы необходимо выделение антропогенных сдвигов в природной среде на фоне ее естественных изменений. Поэтому и появилась потребность в специальных наблюдениях за изменениями в природной среде, вызванных хозяйственной и производственной деятельностью человека.

Информационная система наблюдения и анализа состояния природной среды, в первую очередь наблюдения уровня загрязнений и последствий, вызываемых ими в биосфере, получила название мониторинга. Этот термин происходит от лат. monitor (надзирающий, напоминающий) и обозначает слежение за какими-либо процессами или объектами.

В последние десятилетия стало очевидным, что любые негативные изменения природной обстановки прямо или косвенно влияют на жизнь человека. Пристальное внимание к проблемам наблюдений и контроля за состоянием и уровнем загрязнения природной среды большинства развитых стран мира проявляется, по крайней мере, со времени Стокгольмской конференции 1972 г., на которой была выработана специальная Программа ООН по окружающей среде. Основная задача глобальной системы мониторинга, согласно этой Программе, состоит в раннем предупреждении о наступающих естественных или антропогенных изменения состояния природной среды, которые могут нанести прямой или косвенный ущерб здоровьюили благосостояниюлюдей.

4

В 1977 г на Первой межправительственной конференции была принята Тбилисская декларация, в которой даны рекомендации по развитию образования в области охраны окружающей среды на национальном и международном уровнях. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) объявил в 1980 г Всемирную стратегию охраны природы (ВСОП), которая провозглашается как система рациональных методов управления деятельностью человека по использованию ресурсов биосферы. А Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) сформулировала необходимость учета экологических факторов при решении экономических, социальных и других вопросов.

Общие представления о мониторинге окружающей среды

Существующие экологические проблемы можно разделить на две группы:

1. проблемы, вызванные естественным изменением природных условий жизни: климата, почв, водного режима и других естественных параметров среды;

2.изменения, возникающие в окружающей среде в результате хозяйственной деятельности человека (антропогенные изменения). Действуя одновременно, естественные и антропогенные изменения могут привести к неблагоприятным результатам.

Внастоящее время для оценки качества окружающей среды употребляют два основных термина: мониторинг и контроль.

Под мониторингом понимают систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий. Иногда, применительно к природоохранной деятельности, дают такое определение: мониторинг – это система повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и времени с определенными целями. Мониторинг не включает задачи управления качеством окружающей среды, тогда как контроль подразумевает не только наблюдение и получение информации, но и, по крайней мере, элементы воздействия, управления состоянием среды.

Основные задачи мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия.

Основной целью мониторинга является выявление динамики роста или уменьшение тех или иных изменений в экосистемах различного уровня, связанных с антропогенным влиянием на них.

Система мониторинга включает три основные процедуры: наблю-

дение, анализ и прогнозирование состояния природной среды. Центральным же ее звеном является процесс оценки (анализа) состоя-

ния природной среды. Этот процесс включает оценку фактического состояния природной среды в целом и ее отдельных компонентов; оценку современных факторов воздействия на природную среду и оценку возможных последствий, вызванных этими воздействиями; оценку прогнозируемого состояния природной среды с учетом антропогенных воздействий и природоохранных мероприятий.

5

Классификация видов мониторинга

Мониторинг является важной составной частью общей системы управления качеством природной среды. Главной задачей системы мониторинга является предвидение возможных отрицательных последствий, прогноз и ограничение наиболее опасных антропогенных воздействий.

Различают много видов мониторинга как по характеру загрязнения среды, так и по методам или целям наблюдения. Так по способам наблюде-

ний различают – авиационный, космический, дистанционный мониторинг;

по задачам – прогностический. Мониторинг может осуществляться при различном уровне охвата территории: на региональном уровне, на уровне промышленного предприятия, города и т.п. Характер и механизм обобщения информации при движении по иерархическим уровням системы мониторинга определяются с помощью понятия “информационный портрет экологической обстановки”, который представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределенных данных, характеризующих обстановку определенной территории. По уровням охвата территории различают мониторинг базовый (фоновый), глобальный, региональный, им-

пактный (локальный). Мониторинг на территории одного государства и в его интересах называют национальным. Система мониторинга, используемая в интересах нескольких стран, называется международным мониторингом.

Базовый (фоновый) мониторинг – слежение за общеатмосферными, в основном, природными явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний. Для осуществления базового (фонового) мониторинга используют удаленные от промышленных регионов территории, в том числе биосферные заповедники.

Глобальный мониторинг – слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и экосфере Земли, включая все их экологические компоненты и осуществление прогноза возможных изменений. Глобальный мониторинг базируется на подсистемах регионального и локального мониторинга. Объектами глобального мониторинга являются: степень радиации, содержание в атмосфере диоксида углерода, озона, пыли, циркуляция тепла, газовый обмен между воздушной оболочкой Земли и Мировым океаном, мировая миграция птиц, животных, насекомых, погодно-климатические изменения на планете.

Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в пределах которых имеют место процессы и явления, отличающиеся по природному характеру или по антропогенным воздействиям от общего базового фона.

Импактный (или локальный) мониторинг ограничен небольшой террито-

рией, в пределах конкретного населенного пункта, промышленного объекта, озера и т.п. и предусматривает осуществление наблюдений в особо опасных зонах и местах, обычно непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ. На локальном уровне мониторинга в информационном портрете должны присутствовать все источники воздействия на природнуюсреду.

Еще более многочисленны объектные виды мониторинга, среди которых можно выделить мониторинг атмосферного воздуха, гидросферы (в совокупности

– гидрометеорологический), почвенный, биологический, сейсмический, ионосферный, Солнца, гравиметрический, магнитометрический и др. Все эти виды могут и дальшевсвоюочередьподразделятьсянаподвиды, чтоипроисходитнапрактике.

Для оценки состояния природной среды и прогноза возможных изменений выделяют подсистемы наблюдений за абиотической (геофизический мониторинг) и биотической (биологический мониторинг) частью биосферы. Биологический

6

мониторингвключаетзоологический(внемтакжемножество подвидовпо рыбам птицам и т.д.), ботанический и антропологический. В последнем стали выделяться нетолькомедико-биологическиенаправления, ноисоциальные.

Главная задача биологического мониторинга состоит в выделении отклика биосферы на антропогенные воздействия на различных уровнях живого организма: молекулярном, субклеточном, клеточном, органотканевом, организменном и популяционном. При этом очень важны наблюдения за воздействием природной среды на человека, за реакцией популяций, от которых зависит благополучие экосистем. В биологическом мониторинге важная роль отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков (генофонда) разных популяций.

С развитием науки и техники ставится вопрос о необходимости геологического мониторинга, развивающегося не только вширь (в литосфере), но и вглубь – до мантии. Уже проводится локальный мониторинг подземных вод, криолитозоны, глубоких (до 15 км) слоев геологического строения Земли. Это стало необходимым не только для наблюдений за сегодняшней динамикой состояния объектов мониторинга и прогноза изменений, но и для целей ретроспективных оценок состояния природной среды.

В настоящее время появилось понятие «инженерно-экологического мониторинга». Как вид научно-производственной деятельности инженерноэкологический мониторинг основан на комплексе знаний и достижений таких наук, как физическая и конструктивная география, ландшафтоведение, геология, геокриология, метеорология (климатология), гидрология, биология, экология и др. Одной из основных предпосылок системы инженерно-экологического мониторинга является представление о том, что инженерные сооружения, промышленные комплексы размещены в определенных природнотерриториальных зонах и действуют в течении продолжительного времени, т.е. имеют пространственно-временную организацию в природе. Функциональный состав инженерно-экологического мониторинга включает две самостоятельные его разновидности: экологический и геотехнический мониторинг.

Экологический мониторинг понимают как систему наблюдений за изменениями состояния природной среды, вызванными антропогенными воздействиями, позволяющую прогнозировать развитие этих изменений, включая переход в область экологически экстремальной ситуации. Экологический мониторинг связан с наблюдением за изменениями в экологических системах, природных комплексах, антропогенных геосистемах, за их продуктивностью, а также за динамикой изменения запасов полезных ископаемых, водных, земельных, растительных ресурсов.

Экологический мониторинг ставит своей целью дать ответы на следующие вопросы:

•каково состояние природной среды в рассматриваемый отрезок времени в сравнении с предшествующим состоянием (в относительной или абсолютной форме) и какие изменения (положительные, отрицательные) ожидаются в природной среде в прогнозируемый отрезок времени;

•в чем причины произошедших изменений и возможных изменений в будущем (в том числе нежелательных, критических) и что явилось, является или будет являться источником этих изменений;

•какиевоздействиянаданнуюлокальнуюприроднуюсреду, определяемые исходя из выработанной для данного случая системы критериев оценок «полезности

– вредности», являютсявредными(нежелательнымиилинедопустимыми);

7

•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) и какие резервы имеются у природной среды для саморегенерации состояния, адекватного исходному, принятомуза состояние экологического баланса;

•какой уровень техногенных воздействий на природную среду, отдельные

еекомпоненты и комплексы является недопустимым или критическим, после которого восстановление природной среды до уровня экологического баланса является неосуществимым.

•При разработке проекта экологического мониторинга должна быть представлена следующая информация:

•источники поступления загрязняющих веществ в окружающую природную среду – выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами; сбросы сточных вод в природные водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ в поверхностные воды суши и моря; внесение на земную поверхность и в почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ вместе с удобрениями и химикатами при сельскохозяйственной деятельности; места захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ и розливужидких загрязняющих и опасных веществ и т.д.;

•переносы загрязняющих веществ – процессы атмосферного переноса, процессы переноса и миграции в водной среде;

•процессы ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих веществ – миграция загрязняющих веществ по почвенному профилю до уровня грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтногеохимическому сопряжению с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов;

•данные о состоянии антропогенных источников эмиссии, мощность источника эмиссии и месторасположение его, гидродинамические условия поступления эмиссии в окружающую среду.

Взоне влияния источников эмиссии организуется систематическое наблюдения за следующими объектами и параметрами окружающей среды:

1.Атмосфера – химический и радионуклидный состав газовой и аэрозольной фазы воздушной среды, твердые и жидкие осадки (снег, дождь) и их химический и радионуклидный состав; тепловое и влажностное загрязнение атмосферы.

2.Гидросфера – химический и радионуклидный состав поверхностных вод (реки, озера, водохранилища и т.д.), грунтовых вод, взвесей и донных отложений в природных водотоках и водоемах, тепловое загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

3.Почва – химический и радионуклидный состав деятельного слоя почвы.

4.Биота – химический и радионуклидный состав загрязнений сельскохозяйственных угодий, растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ домашних и диких животных, птиц, насекомых, водных растений, планктона, рыб.

5.Урбанизация среды – химический и радионуклидный фон воздушной среды населенных пунктов, химический и радионуклидный состав продуктов питания, питьевой воды и т.д.

8

6.Население – характерные демографические параметры (численность и плотность населения, рождаемость и смертность, уровень врожденных уродств и аномалий), социально-экономические факторы.

Геотехнический мониторинг понимают как систему оценки техногенного источника и экологического риска впроцессе функционирования объекта.

Система геотехнического мониторинга решает задачи:

•определение состояния природной среды в заданный отрезок времени;

•фоновые наблюдения;

•обеспечение сравнительных данных текущего момента и времени, предшествующего техногенезу;

•прогноз ожидаемых изменений в природной среде под воздействием техногенных факторов;

•оценка причин происходящих и возможных изменений и степени их губительного влияния на природу, на человека, источники этих воздействий (в том числе прогнозирование возможных источников вредных веществ);

•определение уровня техногенных воздействий (в комплексе либо отдельные компоненты), являющихся недопустимыми, критическими, исклю-

чающими самовосстановление природной среды до уровня экологического баланса и т.д.

При всех видах мониторинга качественно и количественно характеризуются состояние воздуха, а также поверхностных вод, климатические изменения, свойства почвенного покрова, состояние растительности и животного мира. К каждому из перечисленных компонентов биосферы предъявляются особые требования и разрабатываются специфические методы анализа.

Вцелом все виды экологического контроля можно рассматривать с двух точек зрения. В первом случае объектом контроля являются вредные техногенные (или естественные) воздействия на природную среду. При этом определяются количественные характеристики механических, тепловых, химических и других воздействий, а полученные результаты сравнивают с нормативными – предельно допустимыми для данных природноклиматических условий.

Вдругом случае объектом экологического контроля является собственно природная среда, подверженная или не подверженная (фоновый контроль) вредным воздействиям. При этом, как правило, определяют качество отдельных компонентов или комплексов природной среды с целью выявления состава и концентрации тех или иных веществ, обычно вредных. Полученные результаты сравнивают с нормативами.

Всистеме мониторинга возникает необходимость решения нескольких задач разного уровня, поэтому И.П. Герасимов (1975) предложил различать по направленности три ступени мониторинга (табл. 1):

•на первой ступени главное внимание уделяется наблюдению за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения.

Постоянным наблюдениям подвергаются вещества, наиболее опасные для природных экосистем и здоровья человека:

в поверхностных водах – радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды, бенз(а)пирен, рН, минерализация, азот, нефтепродукты, фенолы, фосфор;

в атмосферном воздухе – оксиды углерода, азота, диоксид серы, озон, пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен, азот, фосфор, углеводороды. Эта ступень мониторинга опирается на систему наблюдательных постов и работу санитарно-

9

гигиенических служб. Наблюдательные посты располагаются с таким расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи человека с естественными и искусственными компонентами окружающей среды;

•на второй ступени основным объектом наблюдений и контроля выступают территориально-производственные комплексы;

•на третьей ступени основной задачей является наблюдение за глобальными параметрами окружающей среды с целью оценки последствий этих изменений для здоровья и деятельности людей.

Таблица 1 Система наземного мониторинга окружающей среды (по И.П. Герасимову)

10

Тема 2 Основные понятия экологии

Экосистема, ее составные части

Живое вещество планеты – это совокупность всех живых организмов в биосфере. Традиционно выделяют следующие уровни организации жизни: особь (организм) – популяция– биоценоз– биогеоценоз(экосистема) – биосфера.

Каждый отдельный организм является самостоятельной биологической системой, взаимодействующей с внешними условиями (окружающей средой) и с другими биологическими системами.

Особи одного вида, заселяющие общие места обитания, связанные общностью генофонда, способные к саморегулированию и поддержанию определенной численности, образуют популяции. Популяции также обладают всеми качествами самостоятельных биологических систем. Они имеют пространственную структуру, что позволяет эффективно использовать ресурсы еды. Они имеют также возрастную, половую, функциональнуюструктуру.

Система более высокого уровня называется биоценозом. Биоценоз – это сообщество взаимозависимых живых организмов, объединенных под воздействием ряда факторов внешней среды. Характеризуется определенным видовым составом. Пространство, которое занимает биоценоз, называется биотопом. В зависимости от размеров биоценозов биотопы разделяются на микро- (например, упавший ствол дерева), мезо- (лес, озеро) и макро- (океан). Совокупность биоценоза и биотопа образует систему более высокого уровня, которая называется биогеоценозом.

Близким по значению к понятию “биогеоценоз” является понятие “экосистема”. Экосистема – это сообщество живых организмов и среда их обитания, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, т.е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимной связи. Экосистема – это любая совокупность организмов и среды, а биогеоценоз есть природное образование, где в качестве основного звена присутствует растительный покров. Экосистема может включать в себя несколько биогеоценозов или быть частью биогеоценоза. Глобальной экосистемой, включающей в себя все живое вещество планеты и среду его обитания, является биосфера.

Несмотря на небольшое содержание химических элементов в живых организмах по сравнению с их общим содержанием в земной коре, без учета их деятельности невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Роль живого вещества в биосфере не сравнима ни с какой геологической силой по своей интенсивности и направленности во времени. Можно выделить пять основных функций живого вещества: энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную и средообразующую.

Энергетическая функция выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование зелеными растениями солнечной энергии и дальнейшее ее перераспределение между остальными компонентами биосферы. Часть энергии накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, нефти), а часть рассеивается в пространстве в виде тепла.

Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение.

11

Концентрационнаяфункциязаключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека как источником полезных веществ (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья (тяжелых металлов, радиоактивных элементов, ядохимикатов).

Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого процесса образуются биокосные и биогенные вещества, т.е. происходит минерализация органики и превращение ее в косное вещество.

Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания.

Впоследние столетия происходит интенсивное вмешательство человека в природные процессы. Эту стадию эволюции биосферы Вернадский назвал ноосферой, “сферой разума”.

Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы происходит путем обмена, питания, дыхания, выделения продуктов метаболизма, т.е. процессы протекающие в экосистемах, являются общими для весьма различных организмов – от бактерий до млекопитающих. Все особи сообщества, будучи связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают средупродуктами жизнедеятельности.

Впределах биотической компоненты структуру экосистемы рассматривают, используя критерий питания (трофики). В зависимости от выполняемых функций в отношении питания все популяции организмов разделяют на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофные, т.е. самопитающиеся, – поглощают солнечную энергию и вещества из окружающей среды, создают массу органического вещества (биомассу), они являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности. Они создают уровень первичной продукции и являются первичными продуцентами. К числу первичных продуцентов относятся растения, фотоавтотрофные бактерии, а также некоторые хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофные организмы, т.е. питающиеся другими, – используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными, растениями и их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.

Автотрофные и гетеротрофные организмы не могут существовать друг без друга. Гетеротрофы живут потребляя растительность, но при этом создают питательную среду для автотрофов, а также перерабатывают выделения растений – газообразные, жидкие вещества и т.д., проводя таким образом детоксикацию продуктов жизнедеятельности автотрофов. Доказано, что если бы животные исчезли из биосферы, жизнь стала бы возможной только в непосредственной близости от водоемов, т.к. они переводят растительную органику в рассеянное состояние, т.е. транспортируют ее не только на большие расстояния, но и в направлениях, противоположных поверхностному и подземному стокам. При этом создаются благоприятные условия для развития следующих поколений растительности.

12