Стурман В.И. Экологическое картографирование

Подождите немного. Документ загружается.

Поскольку получаемая из разных источников информация об

экологической обстановке не всегда поддается сопоставлению, а

нередко и противоречива, необходимо выработать некоторые пра-

вила ее проверки и сопоставления на основе разграничения функ-

ций информационных источников.

При классификации источников информации по использован-

ным научным методам и техническим приемам полезно различать

первичные данные, специфика которых определяет возможности и

области применения, и методы последующей обработки, в значи-

тельной мере относящиеся к общенаучным.

Дистанционные методы разрабатываются комплексом наук (фи-

зические, в том числе оптика, географические и биологические, в

том числе ландшафтная индикация). Математико-статистические

методы исследований опираются на характеристики источников за-

грязнения окружающей среды, физико-химические методы — на

опробование природных объектов, медико-биологические — на на-

блюдения за состоянием биоиндикаторов.

Таким образом, в общей сложности может быть выделено че-

тыре 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 инфор-

мации из всех названных источников. Комплексность исследова-

ния не равнозначна сумме информационных источников и долж-

на обеспечиваться:

• разграничением функций информации из разных источни-

ков,

исходя из их возможностей и особенностей;

• взаимопроверкой и сопоставлением данных;

• интеграцией материалов в обобщающие характеристики.

2.2.2.

Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование природных объектов базируется на

использовании электромагнитных излучений, исходящих от пред-

мета исследования.

Дистанционные методы исследования подразделяются на пас-

сивные, т.е. основанные на улавливании излучений от естествен-

ных источников (Солнца, Луны, звезд, земной поверхности и са-

мих изучаемых объектов), и активные, т.е. предполагающие ис-

пользование искусственных источников излучения (ламп накали-

вания, газоразрядных ламп, лазеров).

Наибольшее применение среди пассивных дистанционных ме-

тодов получили исследования в оптической области электромаг-

нитного спектра (фотографирование), в том числе в разных диа-

пазонах. Получаемые фотографические материалы доступны для

непосредственного зрительного восприятия и анализа с помощью

всего арсенала средств, разработанных в рамках картографическо-

го метода исследования. Космические и аэрофотоснимки обеспе-

чивают территориально полное и непрерывное изучение больших

площадей, состояние которых зафиксировано на единый момент

времени [33]. 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 аэро-

фотографических методов в целом скромнее и относятся в боль-

шей мере к территориальной, чем к количественной характерис-

тике.

В частности, имеется опыт картирования ореолов загрязне-

ния снежного покрова вокруг городов [62], дымовых шлейфов

различного происхождения [50], нефтяных пленок на морских

поверхностях [90], запыленности городской атмосферы [76]. Хотя

в процессе загрязнения атмосферы городов участвуют не только

твердые частицы, вследствие общности источников загрязнения,

запыленность обнаруживает удовлетворительную сходимость с рас-

четными значениями индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) [31].

Осаждение взвешенных частиц из атмосферы формирует доста-

точно 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. Благоприят-

ные условия для их обнаружения складываются весной, когда

загрязненные участки вскрываются снеготаянием и становятся

видимыми на фоне чистых снегов. Съемки с искусственных спут-

ников Земли в этот период делают ситуацию наглядной и обеспе-

чивают картографирование как контуров зон влияния городов,

промышленных предприятий, транспортных магистралей, так и

различий в уровнях загрязнения внутри таких зон [116].

Спектральная яркость снежного покрова может быть количе-

ственно охарактеризована как с помощью оптических приборов,

так и посредством компьютерных программ обработки изображе-

ний. Характеристики спектральной яркости могут быть проинтер-

претированы в категориях качества окружающей среды путем со-

поставления с данными наземных исследований о загрязнении

атмосферного воздуха, почв, состоянии растительности, заболе-

ваемости населения.

Возможности решения задач на основе космо- и аэрофото-

снимков для разных территорий неравнозначны как вследствие нео-

динаковой 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 физи-

ко-географических факторов (облачность, растительный покров).

В силу указанных причин наибольшие успехи в изучении из кос-

моса геологического строения, экзогенных процессов, состояния

растительности относятся к семйаридной и аридной зонам. С дру-

гой стороны, дешифрирование снежного покрова, наиболее ин-

формативное в отношении характеристик загрязнения, возможно

лишь при наличии устойчивого снежного покрова.

Высокая оперативность дистанционных методов, будучи нео-

ценимым достоинством при решении задач мониторинга, превра-

щается в недостаток, когда речь идет о картографировании осред-

ненных за длительный период показателей. В литературе пока прак-

тически 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.

В отечественной и зарубежной литературе пока преобладает

тенденция отождествления дистанционных и космоаэрофотогра-

фических методов исследования. Между тем более полное понима-

ние дистанционных методов еще в 1983 г. сформулировали И. М. На-

заров, А. И. Николаев и др. [101].

Возможности дистанционного получения количественных ха-

рактеристик 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 пол-

лютантов, служат явления, возникающие при прохождении ла-

зерного луча через газовую среду: поглощение, рассеяние, флуо-

ресценция [101]. Прибором анализируется вторичный сигнал от

искусственных (зеркальных) или естественных отражателей, в том

числе стен зданий, деревьев. Преимущества лидарных методов мо-

ниторинга воздушного бассейна связаны с их высокой оператив-

ностью, 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 [24].

Лидарные методы быстро совершенствуются и в перспективе

способны привести к революции в организации мониторинга воз-

душной среды. В то же время они едва ли в обозримой перспективе

вытеснят традиционные методы вследствие сложности их аккре-

дитации как методов количественного химического анализа, а также

из-за недискретного (линейного) характера локализации получа-

емых величин. Кроме того, у лидарных методов и традиционных

методов мониторинга разные условия наибольшей эффективнос-

ти:

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 отме-

тить гамма-спектрометрический. Его использование позволило пе-

рейти к сплошному картографированию радиационных полей [101].

2.2.3.

Характеристики источников и объемов

антропогенных нагрузок

Общие вопросы. Понятие источника загрязнения окружающей

среды неоднозначно. В качестве такового могут рассматриваться:

• технологический процесс;

• точка выброса — труба, вентиляционный фонарь;

• региональная единица — промышленная зона, город, ре-

гион [21].

Первая концепция рассматривается в технологических дис-

циплинах. Методы мониторинга и картографирования подразуме-

вают вторую или третью концепцию источника загрязнения, со-

образно масштабу работ. Те же концепции лежат в основе суще-

ствующей государственной системы учета загрязнений окружающей

среды.

Объемы выбросов и сбросов определяют расчетным путем на

основе отраслевых нормативов, с учетом продолжительности ра-

боты единиц оборудования и удельных выбросов от них, и лабора-

торно-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 допус-

тимый выброс (ПДВ), предельно допустимый сброс (ПДС), пе-

ресматриваемый раз в пять лет, или (до его установления) вре-

менно согласованный выброс (ВСВ). ПДВ определяется расчетным

путем, с использованием типовой методики ОНД-86 [92] и реали-

зующих ее стандартных (сертифицированных) программных средств.

За ПДВ по каждому веществу принимается выброс, который с уче-

том мощности источника, климатических характеристик, фоно-

вого уровня загрязнения атмосферы, не приведет к превышению

ПДК

мр

в 95% случаев.

Контроль источников и объемов загрязнения атмосферы.

Он осуществляется в рамках действующей системы экологическо-

го нормирования. Количество учитываемых источников (точек) вы-

броса на крупных предприятиях достигает сотен и тысяч; по каж-

дому из них определяется выделение до нескольких десятков ве-

ществ. При наличии в России 18,6 тыс. предприятий, включающих

более 955 тыс. источников загрязнения атмосферы [172], каждый

из которых выбрасывает, как минимум, 5—10 ингредиентов, ори-

ентировочное количество ежегодно определяемых и контролируе-

мых параметров загрязнения только воздушной среды составляет

(не принимая в расчет автотранспорт) величину порядка л*10

, что

на четыре-пять порядков превышает число контролирующих ра-

ботников природоохранной службы. Проведенные в последние годы

сокращения штатов лишь увеличили данное соотношение. В пер-

спективе проблема контроля достоверности отчетности предприя-

тий будет решаться путем внедрения экологического аудита.

Математическая обработка предполагает создание и использо-

вание баз данных, состоящих из большого числа показателей. По-

казатели определяются в большинстве случаев работниками при-

родоохранных служб предприятий, на основе многочисленных ве-

домственных методик. Эти методики разрабатываются отраслевыми

НИИ и предполагают нормальную эксплуатацию технически ис-

правного оборудования. Факты, когда из-за нарушений техноло-

гической дисциплины, износа оборудования, неполноты и несо-

вершенства системы учета фактические выбросы многократно

Рис.

1. Распределение значений коэффициента А, учитывающего

климатические особенности [71]

превышали расчетные, многочисленны и общеизвестны. Лишь

отдельные, наиболее мощные источники выбросов, такие как ды-

мовые трубы тепловых электростанций, иногда оборудуются специ-

ализированными газоанализаторами. Для определения объемов за-

грязнений от групповых, площадных и передвижных источников рас-

четные 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 диф-

фузии, с введением ряда упрощений в виде коэффициентов и сте-

пенных зависимостей.

Коэффициент

У4,

учитывающий климатические особенности,

принимается единым для крупных регионов, границы которых

увязаны не с климатическим районированием, а с политико-ад-

министративным делением (рис. 1). Сходимость зон с разными зна-

чениями коэффициента А с районированием по величине потен-

циала загрязнения атмосферы [12] (рис. 2) практически отсутствует.

Влияние рельефа на перенос загрязняющих веществ должен учи-

тывать «коэффициент рельефа» А. Однако при перепадах до 50 м/км

он принимается равным единице, что на практике означает ис-

ключение из расчета влияния городской застройки. В последних

разработках программных продуктов, реализующих методику, пре-

дусматривается учет застройки, что резко повышает требования к

возможностям используемой вычислительной техники.

Внедрение усовершенствованных расчетных методик сдержи-

вается также в связи с необходимостью использования громоздких

Рис.

Потенциал загрязнения атмосферы СССР

(по

Э.

Ю.

Безуглой, [12]):

—

низкий

(до 2,4); 2 —

умеренный

(2,4-2,7); 3 —

повышенный

(2,7-3,0); 4 —

высокий

(3,0-3,3); 5 —

очень высокий

(3,3-3,6); 6 —

наиболее высокий

(3,6—4,0)

цифровых моделей местности,

которых элементы застройки рас-

сматривались

бы как

формы рельефа

соответствующими морфо-

метрическими характеристиками. Однако многократно возросшие

за последние годы

(и

продолжающие расти впечатляющими тем-

пами) достижения вычислительной техники

уже

сейчас делают

возможным постановку

решение подобных задач.

Методика ОНД-86 была разработана

для

одной конкретной

задачи: расчета

ПДВ,

исходя

из

максимально возможных призем-

ных концентраций

при

наихудших условиях рассеяния

повто-

ряемости.

связи

этим

в ней не

предусмотрен расчет полей

за-

грязнения

при

конкретных метеоусловиях [170].

Методика ОНД-86, будучи единственной официально серти-

фицированной

России,

в то же

время оказывается одной

из

многих

методик математического моделирования переноса загрязняющих

веществ

атмосфере.

Так, в США для

аналогичных целей приме-

няются многочисленные модификации уравнения турбулентной

диффузии Гаусса;

России разработаны

как

более простые,

так и

более сложные методики, например гидротермодинамическая

мо-

дель А.

С.

Гаврилова.

Сопоставление полей концентраций

от

постоянно действую-

щих точечных источников, рассчитанных

помощью разных

ме-

тодик, 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 за-

грязнений в атмосфере являются: полная зависимость результатов

от достоверности параметров источников загрязнения, а также

отсутствие всесторонней экспериментальной проверки. Последняя

требует масштабных полигонных измерений с использованием

наземных, лидарных, аэрологических и самолетных наблюдений,

что по причине высокой стоимости трудноосуществимо [170].

Перечисленные недостатки системы нормирования загрязне-

ния атмосферы не могут не сказываться на результатах. По матери-

алам исследования в г. Кирово-Чепецке [89] оказалось, что удов-

летворительная сходимость между рассчитанными с помощью ме-

тодики ОНД-86 (том ПДВ города) и фактически измеренными (по

данным мониторинга) максимальными концентрациями 5% по-

вторяемости — не правило, а исключение (3 случая из 21). Совпа-

дения или близкие значения были отмечены дважды по ртути (за

два разных года) и один раз по аммиаку. Еще в девяти случаях

(пыль, диоксид серы, оксид углерода, аммиак) расчетные и из-

меренные концентрации оказались величинами одного порядка,

различающимися в 2—10 раз. В девяти случаях, для малораспрост-

раненных специфических веществ, расхождения превысили один

порядок.

Контроль источников и объемов загрязнения поверхност-

ных вод. В значительной степени схож с контролем атмосферных

выбросов: предприятия представляют данные о водопотреблении

и водоотведении для определения соответствующих платежей (фор-

ма 2-ТП (водхоз)); природоохранные органы периодически прове-

ряют их достоверность. Показатели содержания загрязняющих ве-

ществ в сточных водах определяются аналитическим или расчет-

ным 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 гра-

фы 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 моде-

лирования процессов турбулентной диффузии [92] (хотя и с при-

менением ряда упрощений), то предельно допустимые сбросы

(ПДС) в водоемы определяются как произведение концентрации

поллютанта на расход сточных вод [97], т.е. процессы перерас-

пределения загрязнений в водоемах не учитываются, а принима-

ются во внимание лишь колебания расхода воды и некоторые

гидрологические параметры. К числу таких параметров относится

коэффициент смешивания в максимально загрязненной струе, при-

чем 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, затруд-

няющих контроль. Хотя количество точек сброса сточных вод на

1—2 порядка уступает числу точек атмосферных выбросов, через

каждый источник (коллектор) в водоемы обычно поступают сто-

ки разного происхождения (коммунально-бытовые, ливневые,

производственные от разных предприятий), состава и форм на-

хождения поллютантов (растворенные, нерастворенные, колло-

идные). Баланс загрязняющих веществ в системе «источник за-

грязнения — водоем» искажается в связи с наличием промежуточ-

ных объектов, играющих неоднозначную роль: пруды-накопители

и донные отложения могут как связывать поллютанты, с выведе-

нием их из геохимического потока рассеяния, так и служить ис-

точниками вторичного загрязнения.

Контроль объемов и состава твердых отходов. Ведется по

местам их образования, а потому еще менее пригоден для эколо-

го-картографических целей. Форма 2-ТП (токсичные отходы), пас-

порта 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 практичес-

ки не ведется, поэтому в выявлении загрязнения почв решающая

роль принадлежит полевым исследованиям (эколого-геохимичес-

ким съемкам, радиометрическим обследованиям) и сигналам с

мест.

Возможности использования характеристик источников

загрязнения как исходных данных для экологического кар-

тографирования. Они определяются массовостью и доступнос-

тью этой информации, с одной стороны, и относительно невысо-

кой надежностью и объективностью — с другой. Данные об объе-

мах загрязнений представляются организациями, объективно не

заинтересованными в их полноте, на основе далеких от совершен-

ства расчетных методик. Особенно далек от полноты учет выбросов

и сбросов специфических веществ. Так, по официальным источ-

никам [105], выбросы свинца в России составляют 0,7% мировых,

тогда

как

потребление

промышленности — 2—3% мирового.

При

этом технический уровень предприятий не дает оснований для пред-

положения

величине потерь свинца

в 3—4

раза ниже мирового

уровня [166]. Для некоторых классов источников загрязнения

(пы-

лящие поверхности, передвижные источники, диффузное загряз-

нение

от

сельскохозяйственных предприятий

сельских населен-

ных пунктов) имеются лишь очень приблизительные методики,

основанные

на

нормативных оценках, предполагающих допуще-

ния

упрощения.

Таким образом,

силу недостаточной достоверности исходных

данных

картографирование

на

основе характеристик источни-

ков загрязнения

должно рассматриваться

как не

столько науч-

ная,

сколько прикладная задача

по

приведению статистической

отчетности

удобному для проверки картографическому виду.

Эта задача решается путем математического моделирования

процессов рассеяния.

2.2.4.

Экспедиционные

стационарные

исследования загрязненности компонентов

природной среды

Экспедиционные

стационарные исследования загрязненнос-

ти компонентов природной среды включают:

• отбор проб;

• анализ проб

помощью методов количественного хими-

ческого анализа;

• камеральную обработку результатов.

Методы отбора, анализа проб

статистической обработки

ре-

зультатов подробно регламентируются

ГОСТах. Важнейшая зада-

ча, менее поддающаяся регламентации

обычно решаемая гео-

графами, — выбор мест отбора проб. Задачи опробования по-раз-

ному решаются для динамичных (транспортирующих загрязнения)

и депонирующих (накапливающих загрязнения) компонентов при-

родной среды.

К первым относятся: атмосферный воздух, поверхностные

подземные воды

(в

пределах зоны активного водообмена);

ко

вто-

рым — почвы, донные отложения, снег

лед, глубинные подзем-

ные воды (зона замедленного водообмена), растительные ткани.

Естественная деконцентрация поллютантов

реках происходит

70,

а в

почвах

в 1400 раз

медленнее,

чем в

воздухе [14]. Различие

между динамичными и депонирующими компонентами среды имеет

4 9532