Общие вопросы обеспечения комплексности эколого-картографического исследования

Лекция № 4.

Классификация информационных источников экологического картографирования по применяемым научным методам и техническим приемам

Любая информация, привлекаемая для характеристики экологической обстановки, оказывается в большей или меньшей степени косвенной и, в силу сложности взаимосвязей в природных системах, неполной.Каждый из компонентов окружающей среды — это предмет изучения соответствующей науки (метеорологии, гидрологии, почвоведения и т.д.), в то же время методы их исследования (физические, химические, экономико-статистические и др.) в значительной степени заимствуются из иных областей знания.

Экологическая обстановка, отображаемая с помощью экологических карт, является синтетическим, обобщающим понятием и не может быть непосредственно измерена. Во всех науках, касающихся как компонентов среды, так и путей их изучения, наряду с общенаучными действуют специфические законы, методы и связанные с ними ограничения, относящиеся к возможностям получения и интерпретации результатов. Поэтому, прежде чем рассматривать методы создания экологических карт, следует проанализировать источники исходной информации. Их анализ включает:

• выявление естественно-научной и социально-гуманитарной сущности показателей и характеристик;

• рассмотрение факторов, в том числе естественных, антропогенно- преобразованных, антропогенно-определяющих эти показатели и характеристики;

• поиск возможностей выделения тех составляющих показателей и характеристик, которые отражали бы величину антропогенной преобразованности геосистем;

• оценку достоверности, объективности, пространственной и временной изменчивости показателей.

Поскольку получаемая из разных источников информация об экологической обстановке не всегда поддается сопоставлению, а нередко и противоречива, необходимо выработать некоторые правила ее проверки и сопоставления на основе разграничения функций информационных источников. При классификации источников информации по использованным научным методам и техническим приемам полезно различать первичные данные, специфика которых определяет возможности и области применения, и методы последующей обработки, в значительной мере относящиеся к общенаучным.

Дистанционные методы разрабатываются комплексом наук (физические, в том числе оптика, географические и биологические, в том числе ландшафтная индикация). Математико-статистические методы исследований опираются на характеристики источников загрязнения окружающей среды, физико-химические методы — на опробование природных объектов, медико-биологические — на наблюдения за состоянием биоиндикаторов.

Таким образом, в общей сложности может быть выделено четыре источника информации об экологической обстановке:

• дистанционное зондирование;

• характеристики источников и объемов техногенных нагрузок;

• экспедиционные и стационарные исследования состояния компонентов природной среды;

• состояние биоиндикаторов.

Наибольший эффект дает комплексное использование информации из всех названных источников.

Комплексность исследования не равнозначна сумме информационных источников и должна обеспечиваться:

• разграничением функций информации из разных источников, исходя из их возможностей и особенностей;

• взаимопроверкой и сопоставлением данных;

• интеграцией материалов в обобщающие характеристики.

Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование природных объектов базируется на использовании электромагнитных излучений, исходящих от предмета исследования.

Дистанционные методы исследования подразделяются на пассивные, т.е. основанные на улавливании излучений от естественных источников (Солнца, Луны, звезд, земной поверхности и самих изучаемых объектов), и активные, т.е. предполагающие использование искусственных источников излучения (ламп накаливания, газоразрядных ламп, лазеров).

Наибольшее применение среди пассивных дистанционных методов получили исследования в оптической области электромагнитного спектра (фотографирование), в том числе в разных диапазонах. Получаемые фотографические материалы доступны для непосредственного зрительного восприятия и анализа с помощью всего арсенала средств, разработанных в рамках картографического метода исследования. Космические и аэрофотоснимки обеспечивают территориально полное и непрерывное изучение больших площадей, состояние которых зафиксировано на единый момент времени. Это наиболее эффективно при работах, связанных с проблемами охраны земельных, водных и растительных ресурсов (состояние лесов, пастбищ и пахотных угодий; эрозия; засоление; заболачивание).

Возможности изучения загрязнения с помощью космо- и аэрофотографических методов в целом скромнее и относятся в большей мере к территориальной, чем к количественной характеристике. В частности, имеется опыт картирования ореолов загрязнения снежного покрова вокруг городов, дымовых шлейфов различного происхождения, нефтяных пленок на морских поверхностях, запыленности городской атмосферы. Хотя в процессе загрязнения атмосферы городов участвуют не только твердые частицы, вследствие общности источников загрязнения, запыленность обнаруживает удовлетворительную сходимость с расчетными значениями индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Осаждение взвешенных частиц из атмосферы формирует достаточно устойчивые зоны хронического загрязнения.

Загрязняемые площади располагаются в форме ореолов вокруг городов и в виде разнообразных полос вдоль всех дорог. В обычных условиях эти пятна невидимы и оконтурить их трудно. Благоприятные условия для их обнаружения складываются весной, когда загрязненные участки вскрываются снеготаянием и становятся видимыми на фоне чистых снегов. Съемки с искусственных спутников Земли в этот период делают ситуацию наглядной и обеспечивают картографирование как контуров зон влияния городов, промышленных предприятий, транспортных магистралей, так и различий в уровнях загрязнения внутри таких зон.

Спектральная яркость снежного покрова может быть количественно охарактеризована как с помощью оптических приборов, так и посредством компьютерных программ обработки изображений. Характеристики спектральной яркости могут быть проинтерпретированы в категориях качества окружающей среды путем сопоставления с данными наземных исследований о загрязнении атмосферного воздуха, почв, состоянии растительности, заболеваемости населения.

Возможности решения задач на основе космо- и аэрофотоснимков для разных территорий неравнозначны как вследствие неодинаковой обеспеченности соответствующими материалами (из-за особенностей траекторий космических аппаратов и различий в повторяемости благоприятных для съемок условий), так и ввиду зависимости возможностей дешифрирования от комплекса физико- географических факторов (облачность, растительный покров). В силу указанных причин наибольшие успехи в изучении из космоса геологического строения, экзогенных процессов, состояния растительности относятся к семиаридной и аридной зонам. С другой стороны, дешифрирование снежного покрова, наиболее информативное в отношении характеристик загрязнения, возможно лишь при наличии устойчивого снежного покрова.

Высокая оперативность дистанционных методов, будучи неоценимым достоинством при решении задач мониторинга, превращается в недостаток, когда речь идет о картографировании осредненных за длительный период показателей. В литературе пока практически не затрагивается вопрос об условиях сопоставимости результатов повторных съемок, без чего невозможно, например, изучение закономерностей распространения дымовых и пылевых шлейфов в зависимости от метеорологических условий.

Возможности дистанционного получения количественных характеристик загрязненности природных сред появились в связи с развитием активных методов зондирования. Толчком к этому послужило создание лазерных источников излучения (лидаров). Индикаторами состава атмосферы, в том числе присутствия поллютантов, служат явления, возникающие при прохождении лазерного луча через газовую среду: поглощение, рассеяние, флуоресценция. Прибором анализируется вторичный сигнал от искусственных (зеркальных) или естественных отражателей, в том числе стен зданий, деревьев. Преимущества лидарных методов мониторинга воздушного бассейна связаны с их высокой оперативностью, возможностью непрерывного контроля. Однако в основе их лежат весьма тонкие физические эффекты, что делает лидары сложными в научном и конструктивном отношении устройствами. Их широкое применение станет возможным лишь тогда, когда они из уникальных лабораторных приборов, эксплуатируемых научным персоналом, будут превращены в серийные, достаточно простые и надежные. Л

идарные методы быстро совершенствуются и в перспективе способны привести к революции в организации мониторинга воздушной среды. В то же время они едва ли в обозримой перспективе вытеснят традиционные методы вследствие сложности их аккредитации как методов количественного химического анализа, а также из-за недискретного (линейного) характера локализации получаемых величин. Кроме того, у лидарных методов и традиционных методов мониторинга разные условия наибольшей эффективности: первые применяются поверх застройки и вдоль магистралей; вторые — внутри застройки, где отсутствуют протяженные трассы для измерения.

Из других методов дистанционного зондирования, нашедших применение в экологическом картографировании, следует отметить гамма-спектрометрический. Его использование позволило перейти к сплошному картографированию радиационных полей.

Характеристики источников и объемов антропогенных нагрузок

Понятие источника загрязнения окружающей среды неоднозначно. В качестве такового могут рассматриваться:

• технологический процесс;

• точка выброса — труба, вентиляционный фонарь;

• региональная единица — промышленная зона, город, регион.

Первая концепция рассматривается в технологических дисциплинах. Методы мониторинга и картографирования подразумевают вторую или третью концепцию источника загрязнения, сообразно масштабу работ. Те же концепции лежат в основе существующей государственной системы учета загрязнений окружающей среды.

Объемы выбросов и сбросов определяют расчетным путем на основе отраслевых нормативов, с учетом продолжительности работы единиц оборудования и удельных выбросов от них, и лабораторно-инструментальным путем, на основе отбора и анализа проб отходящих газов и жидкостей, применительно к каждой точке выброса и сброса. Далее в статистических формах 2-ТП (воздух), 2-ТП (водхоз), 2-ТП (токсичные отходы) данные обобщаются для предприятий; в Государственных докладах и Ежегодниках — на местном, региональном и общегосударственном уровнях. Поскольку информация об объемах образования и выделения загрязняющих веществ используется для оформления разрешений на выброс (сброс, захоронение) отходов и определения размеров платы за них, недостатка в такой информации не ощущается. Формой разрешения является устанавливаемый для каждого конкретного источника и предприятия в целом предельно допустимый выброс (ПДВ), предельно допустимый сброс (ПДС), пересматриваемый раз в пять лет, или (до его установления) временно согласованный выброс (ВСВ). ПДВ определяется расчетным путем, с использованием типовой методики ОНД-86 [92] и реализующих ее стандартных (сертифицированных) программных средств. За ПДВ по каждому веществу принимается выброс, который с учетом мощности источника, климатических характеристик, фонового уровня загрязнения атмосферы, не приведет к превышению ПДК_мр в 95% случаев.

Контроль источников и объемов загрязнения атмосферы.

Он осуществляется в рамках действующей системы экологического нормирования. Количество учитываемых источников (точек) выброса на крупных предприятиях достигает сотен и тысяч; по каждому из них определяется выделение до нескольких десятков веществ. При наличии в России 18,6 тыс. предприятий, включающих более 955 тыс. источников загрязнения атмосферы, каждый из которых выбрасывает, как минимум, 5 - 10 ингредиентов, ориентировочное количество ежегодно определяемых и контролируемых параметров загрязнения только воздушной среды составляет (не принимая в расчет автотранспорт) величину порядка n*10⁷, что на четыре-пять порядков превышает число контролирующих работников природоохранной службы. Проведенные в последние годы сокращения штатов лишь увеличили данное соотношение. В перспективе проблема контроля достоверности отчетности предприятий будет решаться путем внедрения экологического аудита. Математическая обработка предполагает создание и использование баз данных, состоящих из большого числа показателей. Показатели определяются в большинстве случаев работниками природоохранных служб предприятий, на основе многочисленных ведомственных методик. Эти методики разрабатываются отраслевыми НИИ и предполагают нормальную эксплуатацию технически исправного оборудования. Факты, когда из-за нарушений технологической дисциплины, износа оборудования, неполноты и несовершенства системы учета фактические выбросы многократно превышали расчетные, многочисленны и общеизвестны. Лишь отдельные, наиболее мощные источники выбросов, такие как дымовые трубы тепловых электростанций, иногда оборудуются специализированными газоанализаторами. Для определения объемов загрязнений от групповых, площадных и передвижных источников расчетные методы являются едва ли не единственно возможными. Методика ОНД-86 [92] предусматривает выполнение расчетов и построение изолиний концентрации загрязняющих веществ на основе решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии, с введением ряда упрощений в виде коэффициентов и степенных зависимостей. В последних разработках программных продуктов, реализующих методику, предусматривается учет застройки, что резко повышает требования к возможностям используемой вычислительной техники. Внедрение усовершенствованных расчетных методик сдерживается также в связи с необходимостью использования громоздких цифровых моделей местности, в которых элементы застройки рассматривались бы как формы рельефа с соответствующими морфо- метрическими характеристиками. Однако многократно возросшие за последние годы (и продолжающие расти впечатляющими темпами) достижения вычислительной техники уже сейчас делают возможным постановку и решение подобных задач. Методика ОНД-86 была разработана для одной конкретной задачи: расчета ПДВ, исходя из максимально возможных приземных концентраций при наихудших условиях рассеяния 5% повторяемости. В связи с этим в ней не предусмотрен расчет полей загрязнения при конкретных метеоусловиях. Методика ОНД-86, будучи единственной официально сертифицированной в России, в то же время оказывается одной из многих методик математического моделирования переноса загрязняющих веществ в атмосфере. Так, в США для аналогичных целей применяются многочисленные модификации уравнения турбулентной диффузии Гаусса; в России разработаны как более простые, так и более сложные методики, например гидротермодинамическая модель А. С. Гаврилова. Сопоставление полей концентраций от постоянно действующих точечных источников, рассчитанных с помощью разных методик, выявило значительные различия: отличаются даже формы факелов, а концентрации примесей в конкретных точках могут расходиться на целые порядки. Общими чертами существующих методов математического моделирования процессов переноса загрязнений в атмосфере являются: полная зависимость результатов от достоверности параметров источников загрязнения, а также отсутствие всесторонней экспериментальной проверки.

Контроль источников и объемов загрязнения поверхностных вод. В значительной степени схож с контролем атмосферных выбросов: предприятия представляют данные о водопотреблении и водоотведении для определения соответствующих платежей (форма 2-ТП (водхоз)); природоохранные органы периодически проверяют их достоверность. Показатели содержания загрязняющих веществ в сточных водах определяются аналитическим или расчетным путем. Следует отметить, что статистическая форма 2-ТП (водхоз) в части, касающейся сбросов поллютантов, менее детализирована, чем форма 2-ТП (воздух), так как в ней предусмотрены лишь графы для 10 учитываемых веществ вместо открытого списка. В обеих формах не предусмотрен учет временной динамики выбросов и сбросов. Если для атмосферного воздуха предельно допустимые выбросы (ПДВ) определяются на основе математического моделирования процессов турбулентной диффузии [92] (хотя и с применением ряда упрощений), то предельно допустимые сбросы (ПДС) в водоемы определяются как произведение концентрации поллютанта на расход сточных вод [97], т.е. процессы перераспределения загрязнений в водоемах не учитываются, а принимаются во внимание лишь колебания расхода воды и некоторые гидрологические параметры. К числу таких параметров относится коэффициент смешивания в максимально загрязненной струе, причем задача определения местоположения такой струи не ставится. Это означает, что в отличие от расчета ПДВ расчет ПДС не имеет картографической направленности и не предполагает построения изолиний концентраций. Загрязнение водных объектов имеет ряд особенностей, затрудняющих контроль. Хотя количество точек сброса сточных вод на 1—2 порядка уступает числу точек атмосферных выбросов, через каждый источник (коллектор) в водоемы обычно поступают стоки разного происхождения (коммунально-бытовые, ливневые, производственные от разных предприятий), состава и форм нахождения поллютантов (растворенные, нерастворенные, коллоидные). Баланс загрязняющих веществ в системе «источник загрязнения — водоем» искажается в связи с наличием промежуточных объектов, играющих неоднозначную роль: пруды-накопители и донные отложения могут как связывать поллютанты, с выведением их из геохимического потока рассеяния, так и служить источниками вторичного загрязнения.

Контроль объемов и состава твердых отходов. Ведется по местам их образования, а потому еще менее пригоден для эколого-картографических целей. Форма 2-ТП (токсичные отходы), паспорта отходов предусматривают определение объемов и классов опасности, а также учет перемещения отходов (направление на переработку, на захоронение, временное хранение на территории предприятия). Учет отходов по месту их хранения пока практически не ведется, поэтому в выявлении загрязнения почв решающая роль принадлежит полевым исследованиям (эколого-геохимическим съемкам, радиометрическим обследованиям) и сигналам с мест.

Дата добавления: 2014-01-05