Понятие экологического мониторинга

Лекция №14

Экологический мониторинг

1. Понятие экологического мониторинга

2. Задачи экологического мониторинга

3. Классификация мониторинга

4. Оценка фактического состояния окружающей среды (санитарно-гигиенический мониторинг, экологический)

5. Прогноз и оценка прогнозируемого состояния

Понятие экологического мониторинга

Мониторингом называют систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определёнными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой (Менн, 1972). Необходимость в детальной информации о состоянии биосферы стала ещё более очевидной в последние десятилетия в связи с серьезными негативными последствиями, вызванными бесконтрольной эксплуатацией человеком природных ресурсов.

Для выявления изменений состояния биосферы под влиянием деятельности человека необходима система наблюдений. Такую систему в настоящее время общепринято называть мониторингом.

Слово «мониторинг» вошло в научный оборот из англоязычной литературы и происходит от английского слова «monitoring» происходит от слова «monitor», имеющее в английском языке следующее значение: монитор, прибор или устройство для наблюдения и постоянного контроля над чем-либо.

Понятие мониторинга окружающей среды было впервые введено Р.Менном в 1972г. на Стокгольмской конференции ООН.

У нас в стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабатывать Ю.А. Израэль. Уточняя определение мониторинга окружающей среды, Ю.А.Израэль ещё в 1974 г. сделал акцент не только на наблюдение, но и на прогнозе, введя в определение термина «мониторинга окружающей среды» антропогенный фактор как основную причину этих изменений. Мониторингом окружающей среды он называет систему наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды. (Рис.1) [1,3]. Стокгольмская конференция (1972г) по окружающей среде положила начало созданию глобальных систем мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS).

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:

§ Наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

§ Оценку фактического состояния природной среды;

§ Прогноз состояния природной среды. И оценку этого состояния.

Таким образом, мониторинг – это многоцелевая информационная система наблюдений, анализа, диагноза и прогноза состояния природной среды, не включающая управлением качеством окружающей среды, но дающая необходимую информацию для такого управления (рис. 2.) [4;5].

 

Информационная система/мониторинг/ Управление

Рис. 2. Блок-схема системы мониторинга.

Классификация мониторинга.

1. По масштабам наблюдения;

2. По объектам наблюдения;

3. По уровню загрязнения объектов наблюдения;

4. По факторам и источникам загрязнения;

5. По методам наблюдения.

По масштабам наблюдения

Название уровня мониторинга	Организации, осуществляющие мониторинг
Глобальный	Межгосударственная система мониторинга окружающей среды
Национальный	Государственная система мониторинга окружающей среды территории России
Региональный	Краевые, областные системы мониторинга окружающей среды
Локальный	Городские, районные системы мониторинга окружающей среды
Детальный	Системы мониторинга окружающей среды предприятий, месторождений, заводов и т.д.

Детальный мониторинг

Низшим иерархическим уровнем является уровень детальногомониторинга окружающей среды, реализуемого в пределах территорий и масштабах отдельных предприятий, заводов, отдельных инженерных сооружений, хозяйственных комплексов, месторождений и т.д. Системы детального мониторинга окружающей среды являются важнейшим звеном в системе более высокого ранга. Их объединение в более крупную сеть образует систему мониторинга локального уровня.

Региональный мониторинг

Проводится в пределах какого-то региона, с учётом природного характера, видом и интенсивностью техногенного воздействия. Системы регионального мониторинга окружающей среды объединяются в пределах одного государства в единую национальную сеть мониторинга.

Национальный мониторинг

Система мониторинга в рамках одного государства. Такая система отличается от глобального мониторинга не только масштабами, но и тем, что основной задачей национального мониторинга является получение информации и оценка состояния окружающей среды в национальных интересах. В России осуществляется под руководством МПР. В рамках экологической программы ООН поставлена задача объединения национальных систем мониторинга в единую межгосударственную сеть – «Глобальную сеть мониторинга окружающей среды» (ГСМОС)

Глобальный мониторинг

Назначение ГСМОС – осуществление мониторинга за изменением в окружающей среды на Земле в целом, в глобальном масштабе. Глобальный мониторинг – это система слежения за состоянием и прогнозирование возможных изменений общемировых процессов и явлений, включая антропогенное воздействие на биосферу в целом. ГСМОС занимается глобальным потеплением климата, проблемами озонового слоя, сохранение лесов, засухи и т.д. [2, 3, 4].

По объектам наблюдения

1. Атмосферный воздух

a) в населённых пунктах;

b) разных слоёв атмосферы;

c) стационарные и передвижные источники загрязнения.

2. Подземные и поверхностные водные объекты

a) пресные и солёные воды;

b) зоны смешения;

c) зарегулированные водные объекты;

d) природные водоёмы и водотоки.

3. Геологическая среда

a) почвенный слой;

b) грунты.

4. Биологический мониторинг

a) растения;

b) животные;

c) экосистемы;

d) человек.

5. Мониторинг снежного покрова

6. Мониторинг радиационного фона.

По методам наблюдения

1. Контактные методы

2. Дистанционные методы [3].

 

Расчет индекса загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА).

В практической работе используют большое количество различных ИЗА. Некоторые из них основаны на косвенных показателях загрязнения атмосферы, например, на видимости атмосферы, на коэффициенте прозрачности.

Различные ИЗА, которые можно разделить на 2 основные группы:

1.Единичные индексы загрязнения атмосферы одной примесью.

2.Комплексные показатели загрязнения атмосферы несколькими веществами.

К единичным индексам относятся:

Коэффициент для выражения концентрации примеси в единицах ПДК (а), т.е. значение максимальной или средней концентрации, приведенное к ПДК:

а = Сί / ПДКί

Этот ИЗА используется как критерий качества атмосферного воздуха отдельными примесями.

Повторяемость (g) концентраций примеси в воздухе выше заданного уровня по посту либо по К постам города за год. Это процент (%) случаев превышения заданного уровня разовыми значениями концентрации примеси:

g = (m/n) ּ100%

где n - число наблюдений за рассматриваемый период, m - число случаев превышения разовыми концентрациями на посту.

ИЗА (I) отдельной примесью - количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая класс опасности вещества через нормирование на опасность SО₂:

I = (Cг /ПДКсс) ^Ki

где I - примесь, Ki - константа для различных классов опасности по приведению к степени вредности диоксида серы, Cг - среднегодовая концентрация примеси.

Для веществ различных классов опасности Кi принимается:

Класс опасности
Значение Ki	1,7	1,3	1,0	0,9

Расчет ИЗА основан на предположении, что на уровне ПДК все вредные вещества характеризуются одинаковым влиянием на человека, а при дальнейшем увеличении концентрации степень их вредности возрастает с различной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества.

Данный ИЗА используют для характеристики вклада отдельных примесей в общий уровень загрязнения атмосферы за данный период времени на данной территории и для сравнения степени загрязнения атмосферы различными веществами.

К комплексным индексам относятся:

Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) - это количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого n веществами, присутствующими в атмосфере города:

КИЗА=

где Ii - единичный индекс загрязнения атмосферы i-ым веществом.

Комплексный индекс загрязнения атмосферы приоритетными веществами - количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы приоритетными веществами, определяющими загрязнение атмосферы в города, рассчитывается аналогично КИЗА.

Расчеты индекса загрязнения природных вод (ИЗВ) также могут быть выполнены несколькими методами.

Приведем в качестве примера метод расчета, рекомендованный нормативным документом, который является неотъемлемой частью Правил охраны поверхностных вод (1991) - СанПиН 4630-88.

Вначале измеренные концентрации загрязняющих веществ группируют по лимитирующим признакам вредности - ЛПВ (органолептическому, токсикологическому и общесанитарному). Затем для первой и второй (органолептический и токсикологический ЛПВ) групп рассчитывают степень отклонения (А_i) фактических концентраций веществ (C_i) от их ПДК_i, так же, как и для атмосферного воздуха (A_i= C_i/ПДК_i). Далее находят суммы показателей А_i, для первой и второй групп веществ:

где S - сумма А_i для веществ, нормируемых по органолептическому (S_орг) и токсикологическому (S_токс) ЛПВ; n - число суммируемых показателей качества воды.

Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворенного в воде кислорода и БПК₂₀ (общесанитарный ЛПВ), бактериологический показатель - число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязнения воды определяется в соответствии с гигиенической классификацией водных объектов по степени загрязнения (табл.2).

Сопоставляя соответствующие показатели (S_орг, S_токс, БПК₂₀ и т. д.) с оценочными (см. табл. 2), определяют индекс загрязнения, степень загрязнения водного объекта и класс качества вод. Индекс загрязнения определяют по наиболее жесткому значению оценочного показателя. Так, если по всем показателям вода относится к I классу качества, но содержание кислорода в ней меньше 4,0 мг/л (но больше 3,0 мг/л), то ИЗВ такой воды следует принять за 1 и отнести ее ко II классу качества (умеренная степень загрязнения).

От степени загрязнения воды водного объекта зависят виды водопользования (табл. 3).

 

Таблица 2.

Гигиеническая классификация водных объектов по степени загрязнения (по СанПиН 4630-88)

 

Таблица 3

Возможные виды водопользования в зависимости от степени загрязнения водного объекта (по СанПиН4630-88)

Степень загрязнения	Возможное использование еоднсо объекта
Допустимая	Пригоден для всех видов водопользования населения практически без каких-либо ограничений
Умеренная	Свидетельствует об опасности использования водного объекта для культурно-бытовых цепей. Использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения без снижения уровня: химического загрязнения на очистных водопроводных сооружениях может привести к начальным симптомам интоксикации у части населения, особенно при наличии веществ 1-го и 2-го классов опасности
Высокая	Безусловная опасность культурно-бытового водопользования на водном объекте. Недопустимо использование как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения из-за сложности удаления токсических веществ в процессе водоподготовки. Употребление для питья воды может привести к появлению симптомов интоксикации и развитию отделенных эффектов, особенно при присутствии веществ 1-го и 2-го классов опасности
Чрезвычайно высокая	Абсолютная непригодность для всех видов водопользования. Даже кратковременное использование воды водного объекта опасно для здоровья населения

 

В службах Минприроды РФ для оценки качества воды используют методику расчета ИЗВ только по химическим показателям, но с учетом более жестких рыбохозяйственных ПДК. При этом выделяют не 4, а 7 классов качества:

I - очень чистая вода (ИЗВ = 0,3);

II - чистая (ИЗВ = 0,3 - 1,0);

III - умеренно загрязненная (ИЗВ = 1,0 - 2,5);

IV - загрязненная (ИЗВ = 2,5 - 4,0);

V - грязная (ИЗВ = 4,0 - 6,0);

VI - очень грязная (ИЗВ = 6,0 - 10,0);

VII - чрезвычайно грязная (ИЗВ более 10,0).

 

Оценка уровня химического загрязнения почвы проводится по показателям, разработанным в геохимических и геогигиенических исследованиях. Такими показателями являются:

· коэффициент концентрации химического вещества (К_i),

 

К_i = С_i/С_фi

где С_i – фактическое содержание определяемого вещества в почве, мг/кг;

С_фi – региональное фоновое содержание вещества в вочве,мг/кг.

При наличии ПДК_i для рассматриваемого типа почв, К_i определяют по кратности превышения гигиенического норматива, т.е. по формуле

. К_i = С_i/ПДК_i

 

· суммарный показатель загрязнения Zc, который определяется по сумме коэффициентов концентрации химических веществ:

 

Zc = ∑ K_i – (n-1)

Где n – число загрязняющих веществ в почве, Кi- коэффициент концентрации.

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почвы по суммарному показателю представлена в табл. 3.

Таблица 3

Опасность	Zc	Изменение в здоровье
допустимая	<16	низкий уровень заболеваемости детей, минимум функциональных отклонений
умеренно опасная	16-32	увеличение общего уровня заболеваемости
опасная	32-128	увеличение общего уровня заболеваемости; увеличение числа болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями сердечно-сосудистой системы
чрезвычайно опасная	>128	увеличение общего уровня заболеваемости; увеличение числа болеющих детей, нарушение репродуктивной функции

 

Экологический мониторинг имеет особое значение в глобальной системе мониторинга окружающей среды и, в первую очередь, в мониторинге возобновляемых ресурсов биосферы. Он включает наблюдения за экологическим состоянием наземных, водных и морских экосистем.

В качестве критериев, характеризующих изменения состояния природных систем, могут быть использованы: сбалансированность продукции и деструкции; величина первичной продукции, структура биоценоза; скорость круговорота биогенных веществ и др. Все эти критерии численно выражаются различными химическими и биологическими показателями. Так, изменения в растительном покрове Земли определяются изменением площади лесов.

Главным результатом экологического мониторинга должна быть оценка откликов экосистем в целом на антропогенные возмущения.

Отклик, или реакция экосистемы - это изменение ее экологического состояния в ответ на внешние воздействия. Оценивать реакцию системы лучше всего по интегральным показателям ее состояния, в качестве которых могут использоваться различные индексы и другие функциональные характеристики. Рассмотрим некоторые из них:

1. Одним из наиболее распространенных откликов водных экосистем на антропогенные воздействия является эвтрофирование. Следовательно, слежение за изменением показателей, интегрально отражающих степень эвтрофированности водоема, например рН_100%, - важнейший элемент экологического мониторинга.

2. Откликом на выпадение «кислотных дождей» и другие антропогенные воздействия может быть изменение структуры биоценозов наземных и водных экосистем. Для оценки такой реакции широко используют различные индексы видового разнообразия, отражающие тот факт, что при любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.

Десятки таких индексов предложены разными авторами. Наибольшее применение нашли индексы, основанные на теории информации, например, индекс Шеннона:

где N - общее число особей; S- число видов; N_i - число особей i-го вида.

На практике имеют дело не с численностью вида во всей популяции (в пробе), а с численностью вида в пробе; заменяя N_i/N на n_i/n, получим:

Максимальное разнообразие наблюдается, когда численности всех видов равны, а минимальное - когда все виды, кроме одного, представлены одним экземпляром. Индексы разнообразия (d) отражают структуру сообщества, слабо зависят от величины пробы и безразмерны.

Ю. Л. Вилмом (1970) были подсчитаны индексы разнообразия Шеннона (d) на 22 незагрязненных и 21 загрязненном участках разных рек США. На незагрязненных участках индекс колебался от 2,6 до 4,6, а на загрязненных - от 0,4 до 1,6.

Оценка состояния экосистем по видовому разнообразию применима к любым видам воздействий и любым экосистемам.

3. Реакция системы может проявляться в снижении ее устойчивости к антропогенным стрессам. В качестве универсального интегрального критерия для оценки устойчивости экосистем В. Д. Федоровым (1975) была предложена функция, названная мерой гомеостаза и равная отношению функциональных показателей (например, рН_100% или скорости фотосинтеза) к структурным (индексам разнообразия).

Особенностью экологического мониторинга является то, что эффекты воздействий, малозаметные при изучении отдельного организма или вида, выявляются при рассмотрении системы в целом.

 

Лекция №14

Экологический мониторинг

1. Понятие экологического мониторинга

2. Задачи экологического мониторинга

3. Классификация мониторинга

4. Оценка фактического состояния окружающей среды (санитарно-гигиенический мониторинг, экологический)

5. Прогноз и оценка прогнозируемого состояния

Понятие экологического мониторинга

Мониторингом называют систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определёнными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой (Менн, 1972). Необходимость в детальной информации о состоянии биосферы стала ещё более очевидной в последние десятилетия в связи с серьезными негативными последствиями, вызванными бесконтрольной эксплуатацией человеком природных ресурсов.

Для выявления изменений состояния биосферы под влиянием деятельности человека необходима система наблюдений. Такую систему в настоящее время общепринято называть мониторингом.

Слово «мониторинг» вошло в научный оборот из англоязычной литературы и происходит от английского слова «monitoring» происходит от слова «monitor», имеющее в английском языке следующее значение: монитор, прибор или устройство для наблюдения и постоянного контроля над чем-либо.

Понятие мониторинга окружающей среды было впервые введено Р.Менном в 1972г. на Стокгольмской конференции ООН.

У нас в стране одним из первых теорию мониторинга стал разрабатывать Ю.А. Израэль. Уточняя определение мониторинга окружающей среды, Ю.А.Израэль ещё в 1974 г. сделал акцент не только на наблюдение, но и на прогнозе, введя в определение термина «мониторинга окружающей среды» антропогенный фактор как основную причину этих изменений. Мониторингом окружающей среды он называет систему наблюдений, оценки и прогноза антропогенных изменений состояния окружающей природной среды. (Рис.1) [1,3]. Стокгольмская конференция (1972г) по окружающей среде положила начало созданию глобальных систем мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS).

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:

§ Наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

§ Оценку фактического состояния природной среды;

§ Прогноз состояния природной среды. И оценку этого состояния.

Таким образом, мониторинг – это многоцелевая информационная система наблюдений, анализа, диагноза и прогноза состояния природной среды, не включающая управлением качеством окружающей среды, но дающая необходимую информацию для такого управления (рис. 2.) [4;5].

 

Информационная система/мониторинг/ Управление

Рис. 2. Блок-схема системы мониторинга.