Цели и методы ведения государственного экологического мониторинга в России

Введение
Развитие промышленности в России в последние десятилетия сопровождалась истощением природных ресурсов, значительным загрязнением вод, атмосферного воздуха, почв и, как следствие экологического неблагополучия среды обитания, ростом заболеваемости и смертности населения. В России сложились обширные зоны экологического неблагополучия, где проживают десятки миллионов людей.
Антропогенная нагрузка в условиях концентрации населения и промышленности в ряде городов и регионов России давно превзошла все допустимые пределы. Рост промышленного производства сопровождается увеличением городского населения, компактно проживающего в промышленных зонах на ограниченных территориях.
Примерно 10% городов имеют сильное загрязнение среды обитания (воздух, вода, почва). В 46 городах с общей численностью населения 13,4 млн человек уровень загрязнения воздуха характеризуется как высокое и и очень высокое.
Основными загрязняющими веществами, определяющими качество атмосферного воздуха городов являются взвешенные вещества, диоксиды азота, бенз(а)пирен, формальдегид, диоксид серы, оксид углерода и др.
В 2018 году экстремально высокое загрязнение и высокое загрязнение поверхностных пресных вод было зарегистрировано в 2 743 случаях по 35 основным загрязняющим веществам. Наибольшее количество случаев (около 78 %) отмечено в бассейнах рек Волга, Обь и Амур.
Деградации земель, почвенного и растительного покрова (в результате водной и ветровой эрозии, переувлажнения и заболачивания, подтопления, засоления и осолонцевания, опустынивания) подвержено более трети площади почв сельскохозяйственных угодий; общая площадь эродированных, дефлированных и дефляционно-опасных сельскохозяйственных угодий Российской Федерации составляет свыше 50 %, причем доля эродированных и дефлированных почв продолжает неуклонно увеличиваться. Нарастают площади почв, засоленных, загрязненных и захламленных промышленными и бытовыми отходами.
Интенсивная хозяйственная деятельность ведет к обеднению естественного разнообразия и распространению чужеродных видов и генно-модифицированных организмов.
Усиление антропогенного воздействия на биосферу и ее очевидная деградация привели к необходимости тщательного контроля за состоянием окружающей среды и управления ее качеством. Одним из важнейших направлений этой деятельности является экологическое нормирование. Современные принципы экологического нормирования и оценки состояния окружающей среды в Российской Федерации и многих других странах базируются на концепции санитарно-гигиенического нормирования с использованием стандартов допустимых концентраций.
1. Цели и методы ведения экологического мониторинга
Мониторинг – информационная система наблюдений и анализа состояния природной среды, в первую очередь, уровня загрязнения ее и эффектов, вызываемых ими в биосфере, а также прогнозирование последствий загрязнений.
В задачи этой системы входит сбор информации о состоянии среды и уровне загрязнений в пространстве и во времени по определенной программе. Как система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды мониторинг состоит из трех ступеней: наблюдение, оценка состояния и прогноз возможных изменений. Блок-схема мониторинга по Ю. А. Израэлю представлен на рис. 1.
Важнейший элемент мониторинга – оценка состояния природной среды. Этапами этой оценки являются выбор показателей и характеристик объектов окружающей среды и их непосредственное изменение. Для оценки состояния среды и прогнозов возможных изменений целесообразно выделить подсистему наблюдений за абиотической (геофизический мониторинг) и биотической (биологический мониторинг) частью биосферы. Круг геофизических наблюдений весьма широк: от реакций на то или иное воздействие в микромасштабе вплоть до глобальных реакций, сведения о загрязнении атмосферы, о других метрологических и гидрологических характеристиках среды, о переносе загрязняющих веществ из одной среды в
другую. Главная задача биологического мониторинга – выявление отклика биосферы на антропогенное воздействие на самых разных уровнях живого: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном уровне сообщества. В биологическом мониторинге важная роль отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков у разных популяций, за жизнедеятельностью легко ранимых популяций-индикаторов, например, лишайниками.
Рисунок 1 – Блок-схема мониторинга (по Ю. А. Израэлю)
В системе мониторинга различают три уровня: санитарно-токсикологический, экологический и биосферный.
Санитарно-токсикологический мониторинг – наблюдение за состоянием окружающей среды, степенью загрязнений природных объектов вредными веществами, за влиянием этих загрязнителей на человека, животный и растительный мир, за наличием в окружающей среде аллергенов, патогенных микроорганизмов, пыли и т.д., за содержанием в атмосфере оксидов азота и серы, CO, тяжелых металлов, за качеством водных объектов, степенью их загрязненности органическими веществами, нефтепродуктами и минеральными солями.
Экологический мониторинг – наблюдение за изменениями в экосистемах (биогеоценозов), природных комплексах, за их продуктивностью, а также за динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных, растительных ресурсов. Задача экологического мониторинга – обнаружение в экосистемах изменений антропогенного характера (на фоне естественных флуктуаций).
Биосферный мониторинг – наблюдение за глобально-фоновыми изменениями в природе: степенью радиации; наличием в атмосфере CO2, O3; ее запыленности; циркуляцией тепла; газовым обменом между океаном и воздушной оболочкой земли; мировой миграцией птиц, животных, растений и насекомых; погодно-климатическими изменениями на планете.
Для оценки негативных изменений среды осуществляют экологический мониторинг – систему наблюдений и контроля за изменениями в составе и функциях различных экологических систем.
Экологический мониторинг – это серьезная и сложная проблема. Он может осуществляться в глобальном, национальном, региональном или локальных уровнях. Существует фоновый и импактный мониторинг. В то же время изучение и контроль состояния окружающей среды включают исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, воздух, почвы, совокупность этих систем с точки зрения определения в них загрязняющих химических веществ, нарушающих сложившееся экологическое равновесие в природе. Здесь четко просматривается сущность обсуждаемой проблемы: с этой точки зрения можно поговорить и о химическом мониторинге. Без химического анализа здесь не обойтись. Речь идет о химико-аналитическом исследовании с помощью различных методов аналитической химии – науки о методах анализа. Результаты аналитических определений и измерений рассматриваются уже в рамках экологического мониторинга. Это дает информацию о загрязнении биосферы разными несвойственными природе загрязняющими веществами, которые называют ксенобиотиками. Данные экологического мониторинга используют для всестороннего анализа состояния окружающей среды и определения стратегии управления им, для регулирования качества природной среды. Степень ответственности здесь очень велика, поскольку указанные факторы, и в первую очередь химические, способны вызывать геохимические изменения: возможно изменение климата, закисление природных вод кислотными дождями, загрязнение Мирового океана и нарушение баланса углекислоты в нем, нарушение озонового слоя.
Цель экологического мониторинга – информационное обеспечение предотвращения отрицательных последствий изменения окружающей природной среды в результате антропогенного воздействия, использования благоприятных изменений окружающей природной среды для ведения хозяйственной деятельности.
Рассмотрим методы комплексного экологического мониторинга.
Требования к содержанию:
мониторинг должен носить комплексный характер, то есть охватывать всю совокупность природных объектов и воздействующие на них факторы (антропогенные и естественные), всю совокупность процессов, происходящих в природе, использовать по возможности все методы получения информации об экосистемах;
систематичность и оперативность получения информации;
репрезентативность (представительность) информации;
синхронность мониторинга изучаемой и контрольной экосистем и процессов в них

.
Наземный мониторинг
Использует геофизический, геохимический, индикационный методы исследований.
Геофизический – изучение процессов поступления и превращения вещества и энергии в экосистемах на основе балансового подхода. Сравнение структуры балансов трансформированной и ненарушенной экосистемы (фоновый мониторинг) позволяет выяснить направление и степень изменений в исследуемой экосистеме.
Таблица 1 – Система наземного мониторинга окружающей среды (Денисов, 2004)
Геохимический – изучение функционирования и развития экосистем с помощью анализа миграции химических веществ и элементов. Дает возможность определить закономерности изменения химического состава природных компонентов и комплексов, их устойчивость к различным веществам и способности к самоочищению, выявить вероятность формирования техногенных аномалий, скорости распространения и пространственные масштабы загрязнения. Эта информация необходима для оценки современного состояния окружающей среды и решения задач прогнозного характера.
Индикационный – определение состояния одного объекта по состоянию другого, связанного с первым и более доступного для изучения. Ведущую роль играет биоиндикация – выявление состояния природной среды с помощью живых организмов, в основном, растений с помощью четырех признаков: физиологического, морфологического, фитоценотического и флористического. Первые два дают информацию об одномоментных состояниях среды, два последних – о многолетних интервалах антропогенного воздействия.
Аэрокосмический мониторинг
Авиационный мониторинг – ориентирован на региональные или локальные явления (лесные пожары, инвентаризация лесов, горных районов)
Космический мониторинг – наблюдения больших площадей.
Космический мониторинг позволяет оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды экологических сдвигов, изучать взаимодействие техногенных систем.
Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т. п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт, – это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт. Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже – для лучшей различимости некоторых объектов – ложноцветными, т. е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.
Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, -- их большая обзорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Очень важное достоинство -- повторность съемок, т. е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.
Картографический мониторинг – контроль, оценка и прогноз состояния окружающей среды с помощью построения и анализа карт различного содержания. Картографирование позволяет привязать изучаемые процессы в конкретной местности, служит системой координат для всех видов мониторинга.
Реализация картографического метода включает в себя:
а) создание фонда базовой картографической информации, содержащего различные карты, составленные на основе имеющихся к началу наблюдений материалов;
б) сбор, обработку и систематизацию оперативных данных аэрокосмических и наземных наблюдений с целью их картографирования;
в) перевод обработанных данных в картографическую форму – построение оперативных карт наблюдаемых явлений, условий их распространения и происходящих при этом изменений;
г) анализ построенных карт с целью выявления закономерностей распространения наблюдаемых явлений, оценки и прогноза состояния экосистем.
Моделирование как метод получения мониторинговой информации – метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их имитирования.
Реальные (материальные) модели. Например, аквариум, гидротехнические сооружения. Одна из самых интересных моделей – модель С. Миллера (1953) образования белковых соединений в первичном океане Земли. Закрытая система, содержащая СН4, NH3, Н2, Н2О была помещена в закрытую флягу, которую кипятили для ускорения циркуляции газов, и пропускали через нее электрический разряд. Через неделю оказалось, что вода содержит большое количество двух простых аминокислот, глицина и аланина, присутствующих во всех белках.
Идеальные (мысленные) модели. Зависимости между различными процессами, представляемые в виде тех или иных построений (графиков, таблиц). Наибольшее распространение получило математическое моделирование, при помощи которого изучаются свойства наиболее сложных систем. Например, в России в 1982 г. была создана модель динамики атмосферы, учитывавшая несколько сотен параметров биосферы, в 1983 г.
Модель «ядерной зимы» как результат ядерной войны. С помощью подобной модели был с большой степенью вероятности подтвержден факт падения астероида в районе Юкатанского п-ва 65 млн. лет назад. Считается, что в результате «ядерной зимы» после взрыва, вызванного этим падением, вымерли динозавры.
Исследования при мониторинге начинаются с рекогносцировочного обследования района работ отдельными маршрутами для идентификации установленных в ходе подготовительного периода специфических особенностей природной среды и воздействующих на нее техногенных нагрузок. В маршрутах непрерывно ведутся геоморфологические, почвенные, геоботанические, гидрогеологические и другие необходимые наблюдения для уточнения мест точек отбора объектов природной среды, а также мест заложения шурфов и скважин. Радиографический метод (f-радиография) позволит установить пространственное распределение U-235, для которого максимальная чувствительность определения составляет n x 10-10 %).
В основу метода f-радиографии положено вынужденное деление тяжелых радиоактивных элементов. Детекторами осколков вынужденного деления в f-радиографии служат специально подобранные внешние детекторы (лавсан, макрофол, стекло, слюда и др.), прилегающие вплотную к поверхности объекта во время облучения. После облучения, детектор отделяют от исследуемого объекта и подвергают химическому травлению.
Химическое травление делает дефекты (треки) структуры радиоактивного происхождения в детекторе видимыми в оптическом микроскопе при увеличениях 100х – 400х