Мониторинг окружающей среды. 5

1 Научные основы экологического мониторинга

Термин экологический  мониторинг появился перед проведением  Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (5-16 июня 1972). Первые серьезные предложения по формированию принципов и структуре системы мониторинга были разработаны экспертами специальной комиссии  Научного комитета по проблемам окружающей среды 1971 г.

По-видимому, термин мониторинг был в определенной степени противовесом  термину  контроль,  в содержание которого включалось не только и не столько  получение информации наблюдением, сколько активные действия, управление.

На стадии становления системы основное внимание уделялось определению целей, задач, содержанию мониторинга загрязнений; мониторингу природных ресурсов уделялось лишь небольшое внимание. Были попытки обсудить проблему мониторинга  в целом.

В СССР обсуждение проблемы мониторинга активизировалось перед  межправительственным совещанием по мониторингу, созванным в Найроби (февраль 1974) Советом управляющих  программы ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП).

Согласно  Международной программе ЮНЕСКО «Человек и биосфера», принятой в  1974 г., мониторинг определяется как «система регулярных длительных наблюдений, измерений и оценки состояния окружающей среды в соответствии с заранее подготовленной и научно обоснованной программой, позволяющей прогнозировать на будущее изменение ее параметров, имеющих особенное значение для человечества».

Особая роль в становлении и развитии мониторинга  окружающей природной среды принадлежит  Ю.А. Израэлю. Несомненно, что как теоретические основы, так и практическая реализация современного экологического мониторинга, по крайней мере в нашей стране, связаны с именем этого ученого. Книгу «Экология и контроль состояния природной среды» все еще можно рассматривать как актуальный учебник по экологическому мониторингу.

Экологический мониторинг – информационная система  сбора, анализа и обобщения информации об антропогенном влиянии на состояние  окружающей природной среды для  предотвращения отрицательных природно-антропогенных  эффектов.

В зависимости  от пространственных масштабов экологический  мониторинг делится на глобальный, региональный и локальный. Каждому уровню присущи свои особенности в организации работ.

В основу создания систем мониторинга антропогенных изменений природной среды положены экосистемные представления.

Экомониторинг существует для предотвращения кризисов и катастроф во взаимоотношениях между человеком и природой, что достигается проведением экологических наблюдений, выполнением оценок и прогнозов антропогенного воздействия на окружающую среду.

В 1975 г. вышла основополагающая статья академика И.П. Герасимова о научных основах современного мониторинга окружающей среды, в которой он предлагает признавать три ступени мониторинга.

На первой, исходной ступени мониторинга главное  внимание уделяется наблюдению за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения. На этой ступени должны использоваться показатели, отражающие реакцию человека: заболеваемость, смертность, рождаемость, продолжительность жизни и т.д. На этой ступени мониторинг опирается  на работу системы наблюдательных постов и санитарно-гигиенических служб.

На второй ступени основным объектом наблюдения и контроля выступают территориальные  природные, природно-технические и  демографические геосистемы. Для этой ступени мониторинга существенны показатели массоэнергообмена, биопродуктивности, величины предельно допустимых концентраций загрязнения, способности геосистем к самоочищению. Наблюдения должны проводиться в географических стационарах, специальных зональных или региональных полигонах и тестовых (ключевых) участках.

Основная  задача, решаемая на третьей ступени, – наблюдения за глобальными параметрами  окружающей среды, а именно: за запылением атмосферы, мировым балансом влаги, загрязнением мирового океана, изменением биопродуктивности суши и океана и т.д. Цель их – оценка последствий этих изменений для здоровья и деятельности людей. Основу сети глобального мониторинга должна составлять система биосферных полигонов, включающая как заповедники, так и зоны развитой деятельности человека.

Антропогенную трансформацию природной среды  наиболее целесообразно рассматривать  как изменение экосистем. В существующем в современных автотрофных экосистемах  типе биогеохимического обмена участвуют  автотрофы-продуценты, гетеротрофы-консументы, гетеротрофы-редуценты (сапротрофы) и биотоп.

Несмотря  на применение несколько отличающихся друг от друга поллютантов, различных видов субстрата, наблюдаются однообразные ответные реакции биоты и изменения биотопов.

Сложение  экосистемы – динамический процесс. Его формируют виды, дополняющие  друг друга и соответствующие  условиям среды. На жизнепригодном субстрате биотические сообщества последовательно формируют закономерный ряд состояний.

Развитие  компонента экосистемы – предпосылка  успешного развития и саморегуляции других элементов. Биота в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Трансформацию по направлению изменений прежде всего необходимо разделить на деградационную и восстановительную.

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.

Основные  задачи:

– экологические наблюдения;

– экологическая оценка;

– экологический прогноз;

– оценка прогнозных данных.

В соответствии с целью и задачами Ю.А.Израэль определяет структуру и функции экомониторинга (рис.1), наличие прямых и обратных связей между его собственными элементами, взаимосвязь мониторинга с управлением окружающей средой.

Рисунок 1 – Структура и функции экологического мониторинга (Израэль, 1984)

Экологические наблюдения, несомненно, являются основой, фундаментом всей системы мониторинга. Многими исследователями и весь мониторинг сводится исключительно  к слежению за природно-антропогенными процессами, что, конечно, не верно. Объективные  сведения о воздействии человека на природную среду в пространстве и во времени, ее ответные реакции  позволяют дать оценку фактическому (современному) состоянию окружающей среды и его прогноз. Соответственно и прогнозируемое состояние оценивается с точки зрения позитивных или негативных изменений. Между основными структурными частями кроме прямых связей существуют и обратные. В случае, например, некачественного выполнения из-за отсутствия репрезентативных сведений функции прогноза, что происходит довольно часто, или оценки, что бывает, но реже, требуется усовершенствование сети наблюдений.

Экологический мониторинг с 70-х годов прошлого века до сегодняшнего дня прошел путь определенного развития. Он начинался  как способ решения глобальных проблем  взаимодействия человека и природы. Затем методы экомониторинга были распространены на государственный и местный уровни. Сейчас активно развивается экосистемный подход и внедряются методики биоиндикации.

Как область  практической деятельности экологический  мониторинг считается специальным  образом организованной системой получения  и обработки информации об объектах окружающей природной среды и  источников антропогенного воздействия  на нее, позволяющей обеспечивать постоянную оценку экологических условий среды  обитания человека и биологических  объектов (растений, животных, микроорганизмов  и т.д.) и принятие управленческих решений для определения корректирующих действий в случае нарушения целевых  показателей качества окружающей природной среды.

2 Экологический прогноз

Прогноз – всякое конкретное предсказание или вероятностное суждение о состоянии чего-то (кого-то) или о проявлении какого-то события в будущем.

Экологический прогноз – предсказание возможного поведения природных систем, определяемого  естественными процессами и воздействием на них человечества. По масштабам прогнозируемых явлений прогноз делят на глобальный, региональный (в пределах нескольких стран, одного материка, океана и т. п.), национальный (в пределах государства) и локальный (для небольших территорий). Прогноз не имеет ограничений по временной шкале (возможно, и делается на неопределенно долгое будущее).

Значение  прогноза в системе мониторинга  определяется целью ведения экологического мониторинга (предотвращение отрицательных  последствий антропогенных изменений  природной среды), который невозможен без разработки достоверного прогноза.

Экологический прогноз может быть выполнен в  двух основных формах: поисковый и  нормативный.

Прогноз может  быть нормативным, т. е. жестко определенным нынешним ходом событий, их направленностью  и способами управления ими. Другая форма – поисковый прогноз (предсказание). Предсказание всегда вероятностно.

Поисковый прогноз  – определение возможных состояний  экосистем, процессов явлений в  будущем. Имеется в виду условное продолжение в будущем тенденций  развития изучаемого процесса, происходившего в прошлом и отмечаемого в  настоящем. При таком прогнозе предсказывается, что вероятнее всего произойдет при сохранении существующих тенденций. Прогноз основан на выборе из множества вариантов из ряда возможных направлений процесса наиболее вероятных, с точки зрения прогнозиста, событий, явлений, направлений развития, последствий какого-то действия (прогноз влияния предприятия на окружающую его среду; прогноз воздействия обводнения или осушения местности на природу и хозяйственное развитие; прогноз наводнений, цунами, селей и других стихийных бедствий).

Нормативный прогноз – определение путей  и сроков достижения возможных состояний экосистем, процессов, явлений в будущем, принимаемых в качестве цели. Имеется в виду прогнозирование достижения желательных состояний на основе заранее заданных нормативов, оценок, критериев. Такой прогноз отвечает на вопрос: какими способами достичь желаемого?

Кроме вышеперечисленных  основных типов прогнозов могут  выделять и другие общепринятые формы  прогнозов. Например, предупреждение-экстраполяция, т. е. утверждение, что если процесс  будет идти в современном направлении  и наблюдаемыми темпами, то это приведет к определенным последствиям. Такие предупреждения-экстраполяции лишь указывают на обязательность (или весьма высокую вероятность) качественных перемен, перерыва постепенности в развитии процесса. В прогнозе наиболее сложно именно предугадать эти перерывы постепенности, время их наступления. Нашумевшие «модели мира» Форрестера, Медоуза и других представляют собой предупреждения-экстраполяции.

К разновидностям экологических прогнозов, очевидно, необходимо отнести следующие прогнозы: изменения среды, воздействия на среду, использования природных  ресурсов, природопользования.

Прогноз изменения  среды – предсказание устойчивых перемен в природной среде, происходящих в результате сложных цепных реакций, связанных как с прямым воздействием человечества на среду, так и с  отдаленными косвенными последствиями  этих воздействий, включая изменения, нередко принимаемые за исключительно  естественные (фактически в настоящее  время природно-антропогенные). Если центр тяжести в прогнозе переносится на явления природного характера, то это физико-географический прогноз. Прогноз изменения среды представляет собой интеграцию прогнозов воздействия на cpeду и ответных реакций среды на эти воздействия.

Прогноз воздействия  на среду – предсказание изменений в природной среде в результате воздействий на нее проектируемого, строящегося или недавно введенного в эксплуатацию производственного предприятия, сооружения или их совокупности. Реже – предварительное определение изменений в природной среде или отдельных ее составляющих в результате воздействий агентов, ранее не попадавших в природную среду или действие которых было неизвестно. Например, прогноз воздействия на среду фреонов через нарушение ими озоносферы.

Прогноз использования  природных ресурсов – предварительное  определение объема природных ресурсов, которые могут быть вовлечены  в хозяйственный оборот с учетом экономических, социальных, технических  и экологических ограничений  и возможностей. Производится на какой-либо прогнозный срок как теоретическая  и экспертная или расчетная оценка.

Прогноз природопользования – предсказание динамики изменения  природно-ресурсного потенциала и потребностей в природных ресурсах в локальном, региональном и глобальном масштабах.

Многие ученые считают, что географический прогноз  исторически древнее экологического, но в настоящее время термином «географический прогноз» пользуются только географы, тогда как термин «экологический прогноз» широко употребляется  в науке и практике. Поскольку  в общей терминологии не существует правила приоритета, как в биологической  систематике, понятие географического  прогноза на практике слилось с понятием «экологическое прогнозирование». Фактически же географический и экологический  прогнозы – синонимы.

В ряде случаев  прогноз в рамках «большой экологии»  или социальной экологии рассматривают  как соединение естественноисторического, социально-экономического и технологического прогнозов, т. е. всей системы «общество  – природа». Такой прогноз глобальной динамики называют также прогнозом  экоразвития. Практически он выходит за рамки любой из отраслей знаний и является общенаучным.

Прогноз выполняется  на основе создания модели природно-антропогенного процесса. Разрабатываются и применяются различные экологические модели: реальные, идеальные, концептуальные, вербальные, графические, математические, аналитические, имитационные.

Реальная  модель отражает существенные черты  оригинала по самой природе  своей  физической (а может, химической и  биологической) реализации. Примером может  служить аквариум с растительностью, животным миром и микробами. Несомненно, он воспроизводит некоторые существенные характеристики естественного водоема. На сегодняшний день остается проблема адекватности реальной модели оригинальной экосистеме.

Знаковая  модель представляет собой описание с помощью каких-либо символов, которые  интерпретируются как отражения  свойств и связей экосистемы-оригинала.

Считается, что наиболее значимы концептуальные и математические модели. Назначение первой из них – дать обобщенное и понятное выражение представлений  и знаний об изучаемом объекте.

Продолжают  развиваться методики прогнозирования, основанные на анализе данных экспериментов  и на натурных моделях для нахождения эмпирических зависимостей.

К наиболее современным способам необходимо отнести  так называемый метод Делфи (интуитивное, экспертное предсказание, основанное на логическом моделировании, индивидуально проводимом группой экспертов, сближающих свои позиции на основе специальной математической обработки результатов высказывания), вообще создание тестовых моделей.

В экологическом  мониторинге часто применяют  метод первичного толчка (наблюдаемое  слабое изменение, несущественное сейчас, рассматривается как способное перерасти в сильное, высокозначимое), качественного скачка (предсказание перехода слабого роста в сверхэкспоненциальный — вариант метода экстраполяции). Все способы имеют ограничение, связанное с неполнотой информации.

Рекомендуется при разработке прогноза соблюдать  следующую последовательность:

– предпрогнозная ориентация;

– построение исходной концептуальной модели;

– анализ исходных данных;

– построение динамических рядов показателей методом экстраполяции;

– остроение серии предварительных моделей;

– оценка достоверности моделей и результатов прогноза.

Предпрогнозная ориентация представляет собой предварительное обсуждение систематизированной информации на совместном заседании исследовательской группы и нескольких специалистов, способных дать важные дополнительные оценки. На этой стадии помимо основных моментов предпрогнозной ориентации определяются и уточняются масштабы и особенности исследуемых природно-антропогенных процессов, круг экспертов, перечень рабочих документов прогнозирования, производится выбор основной концепции.

Выбор и построение концептуальной модели, как правило, зависят от объекта прогнозирования. После выбора объектов рассматриваются  имеющиеся фактические сведения (результаты наблюдения) и проводится сбор дополнительных сведений, методами интерполяции решаются задачи по составлению  репрезентативной базы данных. Наиболее простое и в то же время достоверное  предсказание можно выполнить, продолжая  динамические ряды данных на будущее (этап 4). Наконец определяются наиболее оптимальные  математические зависимости и модели для описания экологических процессов, дается оценка их достоверности. В случае неудовлетворительных результатов  необходимо вернутся ко второму этапу и повторить процедуру разработки прогноза.

2.1 Классификация экологических прогнозов

Существует  обширная литература по классификации  объектов прогнозирования, методов  прогнозирования и самих прогнозов  применительно к различным областям знаний (Тейл, 1971; Рабочая книга.., 1982). Однако сколько-нибудь обстоятельной классификации экологических прогнозов до сих пор не разработано. Поэтому, основываясь на классификации прогнозов функционирования сложных систем и собственного опыта, дадим классификацию экологических прогнозов, необходимую для дальнейшего изложения.

Все прогнозируемые системы и явления можно различать  по шести основным признакам. Природа  объекта моделирования и прогнозирования  задает специфичность подходов (для  экологических систем об этом говорилось выше). Можно добавить, что экосистемы - это объекты сложной природы, и методологической основой их изучения служит теория сложных систем (системология). По масштабности различают сублокальные (1-3 переменные), локальные (4-14), субглобальные (15-35), глобольные (36-100) и суперглобальные (более 100 переменных). В экологии для прогнозирования используют системы всех масштабов, однако наибольший интерес представляют различные варианты глобальных экосистем (число переменных более 15). Масштабность не имеет самостоятельного значения для выбора метода прогнозирования.

Она учитывается  в совокупности со  сложностью обработки  информации о  системе:  сверхпростые  системы (связей переменных практически нет), простые (только парные  взаимосвязи),  сложные (учитывается взаимовлияние 3 и более переменных)  и сверхсложные  (учитываются все взаимосвязи между переменными). Экосистемы принадлежат к сложным системам и качество прогноза прямо связано как с учетом большого числа переменных, так и всевозможных взаимосвязей этих переменных. Далее, для выбора метода прогнозирования важны степень детерминантности систем (детерминированные, стохастические и смешанные системы) и характер развития систем во времени (дискретные, апериодические и циклические системы). Экологические системы имеют существенную стохастическую составляющую и, практически, весь спектр характера развития. Например, американский эколог Р.Уиттекер (1980) приводит примеры разнообразных типов поведения популяций во времени: почти детерминированный характер смены деревьев дуба белого в дубово-гикориевом лесу, периодический характер распространения ели под воздействием штормовых ветровалов в Аппалачских горах, почти случайный характер "вспышек" численности саранчи или иван-чая на гарях, периодические колебания системы зайцы - рыси в Канадской Арктике и пр. Последний важный признак - это степень информационной обеспеченности. В шкале системы "черного ящика" (структура и поведение которых практически неизвестны) и "белого ящика" (о системах известно все) экологические объекты должны быть отнесены к типу "серого ящика", в "цветовой шкале" - скорее даже к темно-серому цвету.

В зависимости  от величины периода упреждения, различают  прогнозы  краткосрочные, среднесрочные, долгосрочные и дальнесрочные. Однако в "количественном определении" последних царит неразбериха - в экономике, метеорологии, сельском хозяйстве (т.е. тех областях знания, в которых проблема надежного прогнозирования становится центральной) приняты свои стандарты "срочности". В экологии характерные времена многих процессов лежат в диапазоне от нескольких часов и суток (например, для популяции комаров) до нескольких веков (для ряда сукцессионных процессов в лесных биогеоценозах). Поэтому жесткая регламентация прогнозов по величине периода упреждения, измеренного в абсолютных временных единицах, в экологии бессмысленна. Понятия "срочности" экологических прогнозов относительны и зависят прежде всего от свойств изучаемой системы (процесса) и от детальности формулировки прогнозов по оси времени.

Критерием "срочности" экологического прогноза можно считать  детальность его формулировки по оси времени. Прогнозы с периодом упреждения до 2-3 шагов будем называть краткосрочными, от 3 до 7 - среднесрочными, от 8 до 15 - долгосрочными. Однако такая  классификация не учитывает свойств  изучаемого процесса.

Если формулировка экологического прогноза содержит категорические утверждения о будущем состоянии  системы, без каких бы то ни было указаний на степень неуверенности  его осуществления, то такие прогнозы, так же как и в метеорологии (Груза, Ранькова, 1983), будем называть категорическими. В противном случае, т.е. когда вместе с формулировкой предсказываемого состояния системы указывается и некоторая мера неопределенности (неуверенности) его достижения (например, доверительный интервал), будем говорить о размытых (интервальных) прогнозах. Так, прогноз типа "в будущем году произойдет вспышка численности полевки" является категорическим, а прогноз типа "в будущем году вспышка численности полевки возможна с мерой принадлежности 0,74" - размытым.

Вслед за В.В.Налимовым (1983) будем делить экологические прогнозы на тривиальные и нетривиальные. О первых говорят в ситуации, когда предсказания относятся к ординарным проявлениям некой инерционной, устойчивой системы, а о вторых - когда речь идет об изменениях самой системы или о каких-то неординарных событиях в ней.

Как уже отмечалось, в зависимости от типа шкалы, в  которой формируются прогнозы (т.е. по уровню детализации), различают прогнозы нормальные, ранговые, количественные.

В системологии выделяют структуру системы и ее поведение (Флейшман, 1982); в соответствии с этим имеет смысл различать прогнозы структуры экосистемы и прогнозы ее поведения (Розенберг, 1984). Например, исследования Н.С.Абросова с соавторами (1982) по экологическим механизмам сосуществования и видовой регуляции можно трактовать как прогнозы видовой структуры сообществ, а исследования по динамике численности популяций грызунов (Максимов, 1984) - как прогнозы поведения популяций мелких животных.

Часто математики строят абстрактные модели сообществ (или экосистем), основываясь только на априорных представлениях (Свирежев, Логофет, 1978; Базыкин, 1985 и мн.др.), и получают с их помощью качественный прогноз. Прогнозы, полученные с помощью  подобных моделей, вслед за В.И.Беляевым (1978), будем называть  априорными,  а полученные с  использованием  эмпирической  информации  - апостериорными.

Различают прогнозы положительные и отрицательные (Беляев и др., 1986). Последние формируются  теорией потенциальной эффективности  сложных систем (Флейшман, 1982) и дают представление о том, каких состояний экосистема не может иметь в принципе при заданных ограничениях. Положительные прогнозы, наоборот, несут информацию только о возможных состояниях изучаемой системы.

Кроме того, выделяют прогнозы точечные и распределенные (Ивахненко, 1982), поисковые и нормативные (Прогностика. Терминология.., 1978; Большаков, 1983). Если в процессе прогнозирования изучаемая экосистема считается однородной, то говорят о точечных прогнозах; в противном случае, прогнозы называются распределенными. Поисковые прогнозы отвечают на вопрос: что вероятнее всего произойдет с экосистемой при сохранении существующих тенденций? В противоположность поисковым, нормативные прогнозы служат для ответа на вопрос: какими путями можно достичь желаемого состояния? Нормативное прогнозирование широко используется в настоящее время при исследовании биосферы (Крапивин и др., 1982; Моисеев и др., 1985).

2.2 Прогнозирование возможной радиационной обстановки

Радиационная  обстановка - это масштабы и степень  радиоактивного заражения местности, оказывающие влияние на деятельность человека.

Масштабы  и степень радиоактивного заражения  местности зависят в основном от количества, мощности и вида ядерных  взрывов, времени, прошедшего после  ядерного удара, и метеорологических  условий. Большое влияние на масштабы, степень заражения и на положение  радиоактивного следа оказывает  направление и скорость ветра.

Выявление радиационной обстановки может производиться  по данным непосредственного измерения  уровней радиации или методом  прогнозирования масштабов возможного радиоактивного заражения.

Выявление радиационной обстановки методом прогнозирования  включает сбор и обработку данных о ядерных взрывах (координаты, мощность, вид взрыва, время) и о параметрах среднего ветра (направление и скорость), а также нанесение района возможного заражения на карту, схему.

В результате прогнозирования определяются местоположение и размеры возможного радиоактивного заражения.

Для определения  параметров могут использоваться светотехнический, электромагнитный, сейсмический, акустический, радиолокационный и другие методы обнаружения  и регистрации ядерных взрывов.

Координаты  ядерного взрыва могут быть определены путем засечки центра взрыва (эпицентра) с пунктов сопряженного наблюдения с помощью оптических приборов. Использование  радиопеленгационной аппаратуры для регистрации электромагнитного импульса ядерного взрыва позволяет определить его координаты с высокой точностью и на значительных расстояниях.

Мощность  ядерного взрыва можно определить методом  регистрации длительности свечения огненного шара, максимальной высоты подъема верхней кромки облака взрыва и его размеров. Вид ядерного взрыва можно установить путем определения  высоты взрыва с помощью приборов засечки и последующего расчета  приведенной высоты взрыва.

Местоположение  и размеры района возможного радиоактивного заражения местности и воздушного пространства определяются направлением, скоростью среднего ветра и временем, прошедшим после взрыва.

Средний ветер  рассчитывается графическим способом по данным зондирования атмосферы с  помощью радиозондов, шар-пилотов, оптическими, акустическими, радиолокационными средствами. Данные о среднем ветре регулярно, с определенной периодичностью, сообщаются метеостанциями. Прогноз позволяет указать возможный район (зону) формирования радиоактивного следа на местности и определить границы района, в пределах которого с заданной вероятностью будет находиться реальный след облака ядерного взрыва.

Достоверные данные о радиоактивном заражении, полученные органами разведки с помощью  дозиметрических приборов, позволяют  объективно оценить (уточнить) радиационную обстановку.

Посты радиационного  и химического наблюдения, звенья и группы радиационной и химической разведки устанавливают начало радиоактивного заражения и сообщают уровни заражения  в штаб ГО объекта, где они заносятся  в специальный журнал и наносятся  на карту. По нанесенным на карту уровням  радиации проводятся границы заражения.

Для прогнозирования  возможной радиационной обстановки исходными данными являются:

– координаты местоположения АЭС или эпицентра ядерного взрыва;

– тип реактора, его энергетическая емкость или вид ядерного взрыва;

– время начала выброса радиоактивных веществ в атмосферу, или время ядерного взрыва;

– направление и скорость ветра;

– степень вертикальной устойчивости приземной атмосферы.