МЧС УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ УКРАИНЫ
КАФЕДРА ОХРАНЫ ТРУДА И ТЕХНОГЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Методическая разработка
для проведения лекции по дисциплине
“МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ”
МОДУЛЬ 1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ МОНИТОРОИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Тема лекции № 5: ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ БИОСФЕРЫ
Учебная цель:
Ознакомить слушателей с понятием гомеостаз.
Рассмотреть этапы выполнения прогноза и оценки прогнозируемого состояния биосферы (нулевой вариант).
Дать перечень проблемных загрязняющих веществ
Рассмотреть перечень глобальных экологических проблем.
Дать термины и определения: величина предельно допустимых нагрузок на среду; экологический резерв экосистемы; ущерб экологический, экономический и эстетический.
Воспитательная цель: Объяснить значение изучения дисциплины «Мониторинг окружающей среды» в системе подготовки специалистов оборазовательно-квалификационого уровня «бакалавр» по специальности 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування».
Учебные группы: эк
Время занятия: 80 минут.
Место: учебная аудитория согласно расписания занятий.
Учебно-материальное обеспечение: монографии, учебные пособия, словари-справочники, мультимедийная презентация.
Методическая разработка рассмотрена и
утверждена на заседании кафедры ОТиТЭБ
Протокол № 1 от “25” 08 2011 р.
Харьков – 2011 р.
Лекция №5 Організаційно-методичні вказівки:
При проведенні лекції особисто дотримуватися вимог Пам'ятки викладачу з підтримки статутного порядку і дисципліни на заняттях та вимагати від слухачів виконання цих вимог.
Виклад матеріалів лекції здійснювати відповідно до запропонованого плану і тексту. Припускається авторське відхилення від тексту лекції в обсязі до 15%.
План лекции:
1. Термины и определения:
- величина предельно допустимых нагрузок на среду;
- экологический резерв экосистемы;
- ущерб экологический;
- ущерб экономический;
- ущерб эстетический;
2. Гомеостаз: состояние динамического подвижного равновесия природной экосистемы, поддерживаемое сложными приспособительными реакциями, регулярным возобновлением основных ее структур, а также постоянной функциональной саморегуляцией во всех ее звеньях;
3. Прогноз и оценка прогнозируемого состояния биосферы (нулевой вариант);
4. Перечень проблемных загрязняющих веществ;
5. Перечень глобальных экологических проблем.
Оценка изменений и тенденций изменений состояния окружающей среды должна дать ответ на вопрос о неблагополучии положения, указать, чем именно обусловлено такое состояние. Помочь определить действия, направленные на восстановление или нормализацию положения, или, наоборот, указать на особо благоприятные ситуации (кратковременные или долговременные), наличие природных возможностей, что позволит эффективно использовать имеющиеся экологические резервы природы в интересах человека.
Таким образом, для оценки состояния окружающей природной среды с учетом изменений антропогенного характера необходимо уметь, с одной стороны, определять возможный ущерб от естественного и антропогенного воздействия, а с другой - уметь распознать дополнительные природные возможности для использования их в интересах человека. Для этого нужно знать величину предельно допустимых нагрузок на среду и экологический резерв данной экосистемы. Рассмотрим эти вопросы последовательно.
Можно условно различать ущерб экологический, экономический и эстетический. Нетрудно предположить, что экологический ущерб прямым образом зависит от степени воздействия различных факторов на биосферу; экономический и эстетический ущербы в значительной степени связаны с экологическим.
Рассмотрим сначала вопросы экологического ущерба и резервов экосистемы. Экологический ущерб от какого- либо воздействия определяется отклонениями от некоторого состояния (характеризующего границу допустимого) экосистемы, сообщества, популяции под влиянием данного воздействия.
Неблагоприятные явления могут наступить уже при небольшой степени отклонения состояния от оптимального, но с различной вероятностью — с тем большей, чем больше такое отклонение; при переходе через критический уровень — с очень большой вероятностью (за критический уровень можно принять 50 %-ную или 100%-ную вероятность появления необратимых изменений).
Для того чтобы лучше понять вопрос об отклонениях состояния от оптимального, введем некоторую функцию состояния экосистемы или другого элемента биосферы (см. лекция №3), характеризующую, например, продуктивность, скорость обмена вещества и энергией в системе, или комбинацию этих или других аналогичных факторов, соответствующих структурным или функциональным показателям экосистемы. Эта функция ŋ(R, t), - функция состояния экосистемы, характеризующую какую-либо отдельную сторону состояния экосистемы (по частному показателю) или ее состояние в целом (по совокупности показателей или интегральному показателю) - меняющаяся в пространстве и времени, может быть записана для экосистемы в целом или любой популяции и рассмотрена затем в допустимых для нее пределах.
Для оценки устойчивости экосистемы можно ввести универсальную функцию, названная мерой гомеостаза, равную отношению функциональных показателей экосистемы к структурным.
Очевидно, можно определить критические и предельно допустимые значения функции ŋк и ŋд которые должны отличаться друг от друга (иногда возможно совмещение этих уровней). В большинстве случаев функция ŋк (так же как и ŋд) имеет два множества значений - максимальные и минимальные, а интервал допустимых значений (и оптимальные значения) лежит между ними; изменение ŋ во времени обусловлено изменением внешних природных условий (температуры среды, влагообеспеченности и т. п.).
Очевидно, что любое отклонение экосистемы от фактического под действием внешних факторов определяется степенью воздействия этих факторов на n-экосистему.
Тогда можно записать, что под влиянием данного воздействия Аn состояние экосистемы из первоначального (фонового или уже несколько измененного по сравнению с фоновым), характеризуемого функцией ŋo, переходит в фактическое (измененное) состояние, характеризуемое функцией
ŋф = Аn ×ŋо (4.1)
Экологический ущерб связан с таким отклонением, которое наносит обратимый или необратимый ущерб экосистеме; в этом случае признаком экологического ущерба являются возможные «поломки», изменения на популяционном уровне, уровне сообщества.
Разница между фактическим и предельно допустимым (а иногда и критическим) состояниями экосистемы может быть названа экологическим резервом этой системы.
Если рассматривать воздействия на биотическую составляющую биосферы, то очевидно, что экологический ущерб зависит от того, каким дозам, с какой интенсивностью, каким воздействиям, какое количество организмов (и каких) будет подвергнуто.
Можно утверждать, что степень воздействия на живую составляющую биосферы зависит от интенсивности I воздействующего на биосферу фактора (концентрации загрязняющего вещества, интенсивности излучения и т. п.), эффекта биологически вредного воздействия ε (например, токсичности для данной популяции и экосистемы), который может зависеть от I нелинейно, количества организмов Nnm m-популяции n-экосистемы, подвергающихся воздействию, и чувствительности Кm m-популяции в экосистеме к данному воздействию. При оценке воздействия нужно учитывать одновременное воздействие всех факторов, действующих в различных средах.
В свою очередь концентрация загрязняющих веществ, меняющаяся в пространстве и во времени Iil(R, t) (или интенсивность воздействия какого-либо фактора), является функцией источников Qi(R, t) и зависит от рассеивания и перемещения, т. е. от гидрометеорологических или физических характеристик среды
Iil(R, t) = F(Qi, vR, wR, vz, ...) (для атмосферы), (4.2)
где vR, wR, vz, — скорость ветра, коэффициент турбулентной диффузии, скорость гравитационного осаждения соответственно. В свою очередь
где qij — количество i-гo вещества, выбрасываемого отдельными j-источниками. От их распределения в пространстве существенным образом зависит распределение Ii(R).
При оценке степени воздействия предполагается знание закономерностей превращения данного ингредиента i-гo класса в другой (i + 1)-й класс и значение закономерностей перехода из одной среды в другую (l-> l + 1)
где wi- и μl— коэффициенты соответствующих превращений или переходов.
Таким образом, степень воздействия Ап в общем виде может быть записана для n-экосистемы (сообщества) в определенном регионе (районе)
где vi, i+k характеризует эффект одновременного воздействия i-гo, (i + k)-го (и любого другого) ингредиентов; ξm, m+k - коэффициент, учитывающий эффект одновременного воздействия на m-ю. (m + k)-ю любую другую популяцию данной экосистемы; Сilm — геометрический фактор, учитывающий воздействие на данный организм (элемент биосферы) фактически распределенного во времени и пространстве I. Этот фактор учитывает, например, соотношение распределений концентрации i-ro вещества во внешней среде и в организмах m-популяции.
Если Ап оценивается в абсолютных значениях экологического ущерба для данной экосистемы, сообщества, то в формулу вводится коэффициент Кm, характеризующий значимость (или в некоторых случаях чувствительность или критичность) m-популяции в данной экосистеме, при этом 1≤ Кm≥0, при Кm = 0 данная популяция не является значимой для данной экосистемы и может выпасть или быть заменена какой-либо другой популяцией. Для уникальных экосистем для любой популяции Кm > 0.
Коэффициент Кm равен единице для важнейших популяций и в первую очередь для человеческой. Для каждой экосистемы могут быть выделены важнейшие популяции. Так, для полярных экосистем такой популяцией является популяция лемминга (по утверждению академика С. С. Шварца); для экосистемы оз. Байкал — зоопланктон эпишура.
Формула (4.6) справедлива и для абиотических элементов биосферы (в этом случае m обозначает номер любого элемента биосферы). Более того, при общей универсальной оценке степени воздействия и экологического ущерба в формуле (4.6) должны учитываться как биотические, так и абиотические составляющие биосферы.
Формулой (4.6) можно воспользоваться для оценки состояния биосферы, оценки экологического ущерба. Эта формула может быть полезной и при оценке экономического ущерба, а также при обосновании системы мониторинга состояния окружающей природной среды. Она является слишком сложной для практического использования, но может быть существенно упрощена путем выделения важных, наиболее значимых, входящих в эту формулу компонентов.
Для многих случаев можно положить vi, i+k; ξm, m+k =1, т. е. пренебречь дополнительным усилением или ослаблением суммарного воздействия при одновременном действии нескольких ингредиентов (отсутствие синергизма или антагонизма) или одновременном действии какого-либо ингредиента на несколько популяций в экосистеме.
При оценке состояния окружающей среды и возможного экологического ущерба предполагается пользоваться некоторыми критериями допустимости воздействия, критериями качества окружающей среды и критериями допустимости интенсивности источника воздействия при существующих реальных условиях.
Речь может здесь идти о предельно допустимых концентрациях загрязнений (ПДК) для оценки допустимого количества воздействующего вещества в среде, предельно допустимых дозах для оценки допустимого эффекта воздействия, предельно допустимых выбросах (ПДВ) для оценки допустимой интенсивности источника загрязнений и предельно допустимой нагрузке (ПДЭН) для оценки допустимой экологической нагрузки на отдельную экосистему или в рамках всего региона. В последнем случае можно условно говорить о ПДЭН для данного региона в целом.
Для выработки ПДЭН должны учитываться возможности комбинированного и комплексного воздействия на экосистему. Например, ртуть, попадая в водные объекты путем вымывания из почвы, переходит в высокотоксичную форму, что делает проблему загрязнения ртутью чрезвычайно серьезной (даже при первичных количествах ртути в воздухе в пределах ПДК).
Выработка ПДЭН должна опираться на понятие устойчивости экосистемы или критичности состояния экосистемы или отдельных ее звеньев и уровней.
Как правило, отличие предельно допустимых χд и критических χк значений факторов воздействия, установленных для популяций, является весьма существенным.
Однако для некоторых экосистем за предельно допустимое значение воздействия принимается такое, которое при существенной перестройке не ведет к разрушению экосистемы. В этом случае, очевидно, χд = χк.
Для оценки экономического ущерба в формуле (4.6) все величины в подинтегральном выражении берутся в абсолютных значениях и вводится коэффициент Lim, характеризующий экономический ущерб на единицу экологического ущерба для каждой популяции от i-го ингредиента; этот подход применим лишь при допустимых значениях Ап.
Для полного учета ущерба необходимо провести комплексный (всесторонний) анализ всех видов воздействия на все составляющие биосферы.
Для оценки состояния биосферы необходимо изучение закономерностей wi(t), μl(t), a также знание величин vi, i+k; ξm, m+k и bilm(0), bilm(max), и Lim для основных (или всех) факторов воздействия.
Наиболее сложной является оценка эстетического ущерба. Естественно, об эстетическом ущербе можно говорить только по отношению к восприятию окружающей природной среды человеком. Ущерб, связанный с изменением привычной обстановки, ландшафта для животных, относится к экологическому ущербу. Количественная связь эстетического ущерба с экономическим ущербом может быть установлена, например, в том случае, когда можно определить ущерб от уменьшения потока туристов, вызванного ухудшением эстетической ценности природной среды (так называемый рекреационный ущерб), либо в случае оценки ухудшения здоровья людей, вызванного отказом от поездок для отдыха, или ухудшением условий отдыха.
Однако, очевидно, что понятие «эстетический ущерб» более широкое и выходит за пределы этих случаев; так, уменьшение эстетической ценности уникальных и заповедных экосистем не поддается никакой экономической оценке (в некоторых случаях можно считать, что экономический ущерб (В) невосполним, т. е. В→∞).
Прогноз и оценка прогнозируемого состояния биосферы является составной частью мониторинга.
Прогноз опирается на данные о состоянии окружающей природной среды в настоящем и прошлом (эти данные получают при наблюдениях и анализе результатов наблюдений).
Изучение рядов наблюдений, выявление закономерностей в изменении состояния природной среды позволяют определять тенденции этих изменений.
Прогнозирование состояния биосферы должно основываться на результатах исследований, выявляющих закономерности природных процессов, закономерности в распространении и миграции загрязняющих веществ, в их превращениях, их влиянии на состояние окружающей среды, реакции различных организмов на изменения этого состояния.
На первом этапе необходимо прогнозировать изменение интенсивности источников различных воздействий и загрязнений, осуществлять прогноз факторов воздействия в природной среде, например, общего количества загрязняющих веществ в различных средах, их распределения в пространстве, изменения их свойств и концентраций во времени.
Необходимыми для составления такого прогноза являются данные о планах деятельности человека.
При составлении прогнозов состояния биосферы можно принять предположение о неизменяющейся деятельности человека (например, предположить постоянство источников загрязнения) или принять в расчет данные о планах увеличения объема хозяйственной деятельности (что может повести к увеличению загрязнения окружающей среды) и мероприятиях по снижению загрязнения окружающей среды (что сдерживает или уменьшает загрязнение). В качестве первого (даже нулевого) приближения такого прогнозирования является прогноз загрязнений биосферы в предположении полного отсутствия источников загрязнения начиная с некоторого момента. Это позволит точнее учесть все геофизические, геохимические и биогеофизические процессы, связанные с «жизнью», превращениями и миграцией загрязняющих веществ.
Здесь особое внимание должно быть уделено возможности увеличения токсичности различных веществ, их подвижности.
Следующим этапом прогнозирования является прогноз возможных изменений в биосфере, в ее биотической составляющей под воздействием уже имеющихся в природе загрязнений (и других факторов воздействия), а также вновь поступающих или появляющихся.
Следует указать, что уже возникшие под влиянием человеческой деятельности изменения в биосфере могут сказываться на состоянии ее отдельных элементов еще много лет (особенно, когда речь идет о генетических последствиях), даже если дополнительное внешнее воздействие будет уменьшаться или прекратится полностью.
Оценка, анализ прогнозируемого состояния биосферы позволяют указать, выбрать определенные направления, требующие приоритетных мер по борьбе с их отрицательными проявлениями; прогноз позволит наметить и осуществить не только меры, направленные на улучшение уже имеющегося (и, возможно, увеличивающегося) воздействия, но и меры профилактического характера, против негативных эффектов, которые еще не проявились. Кроме районов, в которых состояние биосферы неблагополучно в связи с быстро развивающейся промышленностью и хозяйственным освоением, прогноз позволяет выделить направления (проблемы), требующие особого внимания как в глобальном, так и в региональном масштабах.
Всесторонний анализ существующей обстановки, анализ различных эффектов воздействий с учетом тенденций в развитии человеческой деятельности позволяет считать, что в ближайшие годы (а возможно, и десятилетия) наиболее серьезными будут являться проблемы распространения в различных средах следующих загрязняющих веществ:
— двуокиси серы и продуктов ее превращений (серной кислоты и сульфатов);
— тяжелых металлов (ртути, свинца и кадмия), особенно ртути с учетом ее миграции и трансформации;
— канцерогенных веществ, в частности бенз(а)- пирена;
— нефти и ее продуктов — в морях и океанах;
— хлорорганических пестицидов, а в городах также окиси углерода и окислов азота.
Проявления этих загрязняющих веществ будут наблюдаться в широких масштабах в результате охвата либо большого числа мест (городов, населенных пунктов), либо в результате распространения на большие расстояния {продукты превращения серы, тяжелые металлы, нефтепродукты).
Среди глобальных проблем, которые следует выделить в связи с тем, что антропогенное воздействие и в первую очередь выбросы различных примесей в природную среду будут играть существенную роль, можно перечислить следующие:
- возможное изменение климата за счет антропогенного воздействия на атмосферу и других антропогенных изменений в природе;
- возможное нарушение озонного слоя за счет влияния окислов азота и галогеноуглеводородов антропогенного происхождения (такое нарушение может повлиять и на изменение климата);
- загрязнение Мирового океана нефтепродуктами.
Анализ данных прогноза позволит внести определенные коррективы в хозяйственную деятельность человека, скорректировать оптимальным образом взаимодействие человеческого общества и природы. Таким образом, прогнозирование состояния биосферы, как это указывалось и ранее, является необходимым звеном в управлении качеством природной среды.
Литература
1. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 375 с.
2. Вронский В. А. Прикладная экология: Учебное пособие. - Ростов-на-Дону: Феникс, 1996. - 512 с.
3. Герасимов Й. П. Научные основы современного мониторинга окружающей среды // Изв. АН СССР. Сер. геогр. - 1975 -№ 3. - С. 13-25.
4. Величко О. В., Зеркалов Д. В. Екологічний моніторинг: Навчальний посібник. - К.: Науковий світ, 2001. - 205 с.
5. Израэль Ю. А., Гасилина Н. К., Ровинский Ф. Я. Система наблюдений и контроля загрязнений природной среды в СССР // Метеорология и гидрология. - 1978. - №10. - С. 5-12.
6. Критерии оценки экологической обстановки территории для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Главное научно-техническое управление. - М., 1992. - 58 с.
7. Популярный экологический словарь / Под редакцией А. М. Гилярова. - М., 1999. - 255 с.
8. Васюков А.Е., Бланк А.Б. Химические аспекты экологической безопасности поверхностных водных объектов. – Харьков: «Институт монокристаллов», 2007. – 256 с.
Лекцию подготовил
Профессор кафедры ОТиТЭБ,
д.х.н. А.Е. Васюков