Методы экологического мониторинга

В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга.

Основные методы:

1)Аэрокосмические

2) Наземные

Аэрокосмические

Аэрокосмические (дистанционные) методы экологического мониторинга. Аэрокосмический метод — система наблюдения при помощи самолетных, аэростатных средств, спутников и спутниковых систем.

Космический экологический мониторинг

Как известно, антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к возникновению

масштабных трудноразрешимых противоречий между интересами развития производства и сохранением природы, поскольку в результате интенсивного использования природных ресурсов происходит разрушение природных систем и интенсивное загрязнение среды. Еще в Стокгольме на Первой Международной конференции ООН по оценке состояния природной среды в 1972 г. было признано, что экологическое состояние природной среды в промышленных странах стало угрожать не только здоровью населения, но и самому существованию человечества. Решение этих проблем, возникающих в связи с катастрофическим ухудшением окружающей природной среды, занимает сейчас центральное место при выработке стратегии экологически устойчивого социально-экономического развития промышленно развитых стран, в том числе и России. В последние годы в круг фундаментальных исследований проблем экологии территории России широко вовлечены космические методы контроля состояния экосистем.

Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных

технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга.

Развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового

экологического мониторинга регионов России наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды и устойчивого развития экономики России.

В связи с этим создаются Центры космического мониторинга (ЦКМ), которые осуществляют

оперативный контроль состояния окружающей среды и природных ресурсов (например, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск), создают многоуровневые информационные системы пространственно-временного мониторинга состояния окружающей среды, включающие технические и программные средства сбора, обработки, анализа и хранения спутниковой информации. 1.3.1 Спутниковый экологический мониторинг

Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Наиболее

информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований.

Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При использовании активных методов

спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Радиолокация позволяет «видеть» Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли.

Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться, прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа "МЕТЕОР", "ОКЕАН" и "РЕСУРС"), так и на американские спутники серии NOAA. Остановимся на кратких характеристиках указанных спутников (подробное описание представлено на сервере SPUTNIK):

Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и

ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км.

Российские спутники серии «РЕСУРС» принадлежат Федеральной службе России по

гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Они обеспечивают получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения с помощью двух сканеров видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Космическая гидрометеорологическая система «Метеор», также принадлежащая Росгидромету,

обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят несколько сканирующих ИК-радиометров и сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и передачи данных на АППИ.

Российская космическая система «ОКЕАН» обеспечивает получение радиолокационных,

микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600—650 км. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан-01» входят СВЧ-радиометры Р-600 и Р-255, сканирующий СВЧ- радиометр Дельта-2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры. Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды: 1. Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т. д.; 2. Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий; 3. Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности; 4. Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий; 5. Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон; 6. Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах; 7. Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах; 8. Регистрация дымных шлейфов от труб; 9. Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек; 10. Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений; 11. Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий. Компьютерные методы обработки спутниковых данных.

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или

изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных. В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа: 1. предварительная обработка — прием спутниковых данных, запись их на магнитный носитель, декодировка и корректировка, преобразование данных непосредственно в изображение или космический снимок или в форматы, удобные для последующих видов обработки; 2. первичная обработка — исправление искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата и датчика, а также географическая привязка изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование); 3. вторичная (тематическая) обработка — цифровой анализ с применением статистических методов обработки, визуальное дешифрирование и интерпретация в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту космического аппарата.

Наземные методы экологического мониторинга.

Физико-химические методы.

-Качественные методы. Позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе.

-Количественные методы.

-Гравиметрический метод. Суть метода состоит в определении массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе.

-Титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объемов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении. Методы титриметрического анализа разделяют на 4 группы: а) методы кислотно-основного титрования; б) методы осаждения; в) методы окисления-восстановления; г) методы комплексообразования.

-Колориметрические методы. Колориметрия — один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию.

-Экспресс-методы. К экспресс методам относятся инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени. Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды.

-Потенциометрические методы основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Их разделяют на: а) прямую потенциометрию (ионометрию); б) потенциометрическое титрование.

Биоиндикационные методы экологического мониторинга. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

1. задачи почвенно-экологического мониторинга

Термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 году, а в 1972 году уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию о:

- состоянии окружающей среды;

- причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т. e. об источниках и факторах воздействия);

- допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

- существующих резервах биосферы.

Таким образом, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

- наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;

- оценку фактического состояния среды;

- прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

Сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации (Чупахин В. М., 1989).

Существуют различные подходы к классификации мониторинга (по характеру решаемых задач, по уровням организации, по природным средам, за которыми ведутся наблюдения). Отраженная на рис.2 классификация охватывает весь блок экологического мониторинга, наблюдения за меняющейся абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем на эти изменения. Таким образом, экологический мониторинг включает как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении.

Следуя за академиком Израэлем Ю. А. и соавторами (1987) почвенно-экологический мониторинг должен входить в группу геофизического и выделяться по контролируемой природной среде - почве и почвенному покрову.

В основе почвенно-экологического мониторинга должны лежать следующие основные принципы:

1) разработка методов контроля за наиболее уязвимыми свойствами почв, изменение которых может вызвать потерю плодородия, ухудшение качества растительной продукции, деградацию почвенного покрова;

2) постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия;

3) ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств;

4) разработка методов контроля за сезонной динамикой почвенных процессов с целью прогноза ожидаемых урожаев и оперативного регулирования развития сельскохозяйственных культур, изменением свойств почв при длительных антропогенных нагрузках;

5) ведение мониторинга за состоянием почв территорий ненарушенных антропогенными вмешательствами (фоновый мониторинг) (Глазовская М. А. и др., 1989; Черныш А. Ф., 2003).

Специальные задачи почвенно-экологического мониторинга выполняемые на разном уровне (локальном, региональном, глобальном), различаются. Объединяет их общая цель: своевременное обнаружение изменений свойств почв при различных видах их использования и неиспользования.

Локальный и региональный мониторинг должен решать следующие задачи:

1) характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;

2) определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;

3) установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

4) определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

5) оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

6) рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

7) оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

При глобальном мониторинге должно проводиться следующее:

1) характеристика потока контролируемых химических элементов на почвы фоновых территорий;

2) определение уровней контролируемых показателей состояния почв;

3) выявление зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;

4) определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий.

Экологическому менеджменту, как системе принятия решений связанных с реализацией действий на земле, должен, в обязательном порядке, предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о ее состоянии. Все это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, ее главного компонента - почвенного покрова. Система мониторинга должна не только содействовать надежной охране земель, но и в короткие сроки дать значительный экологический и экономический эффект, обеспечить подготовку достоверных текущих и долгосрочных прогнозов на проведение мелиоративных и других мер по улучшению угодий. Совокупность полученных при мониторинге данных даст возможность решить актуальные задачи определения оптимальных и критических уровней важнейших физических и химических показателей почв применительно к отдельным ее типам, регионам, сельскохозяйственным культурам, технологиям их возделывания, системам земледелия (Черныш А. Ф., 2003).