ТЕМА: Системный геоэкологический мониторинг

Цель: дать понятие о системном геэкологическом мониторинге окружающей среды, как разновидность экологического мониторинга

План:

1. Антропогенное воздействие на природную среду

2. Система, экосистема, геосистема. Геоэкологическая обстановка.

3. Системный геоэкологический мониторинг, методы ведения.

Ключевые слова: геоэкологический мониторинг, системный мониторинг, геэкологическая обстановка, ГИС

1. Антропогенное воздействие на природную среду

В различных видах научной и практической деятельности человека для изучения свойств предметов и явлений издавна применяется метод наблюдения — способ познания, основанный на относительно длитель ном целенаправленном и планомерном восприятии предметов и явле ний окружающей действительности. Блестящие образцы организации наблюдений за природной средой описаны еще в первом веке нашей эры в «Естественной истории» Гая Секунда Плиния (Старшего). Трид цать семь томов, содержавших сведения по астрономии, физике, географии, зоологии, ботанике, сельскому хозяйству, медицине, истории, служили наиболее полной энциклопедией знаний до эпохи средневековья.

Много позднее, уже в XX веке, в науке возник термин мониторинг для определения системы целенаправленных повторных наблюдений за одним или несколькими элементами окружающей природной среды в пространстве и времени. В последние десятилетия общество все шире использует в своей деятельности сведения о состоянии природной среды. Эта информация нужна в повседневной жизни людей, при ведении хозяйства, в строительстве, при чрезвычайных обстоятельствах — для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы. Но изменения в состоянии окружающей среды происходят и под воздействием биосферных процессов, связанных с деятельностью человека. Определение вклада антропогенных факторов в эти изменения представляет собой важную и непростую задачу.

В соответствии со ставшим уже каноническим определением, экологический мониторинг — информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов [1].

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию

• о состоянии окружающей среды и его изменениях;

• о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т.e. обисточниках и факторах воздействия);

• о допустимости нагрузок на среду в целом и на ее отдельные компоненты;

• о существующих резервах биосферы.

Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 г. [2] определяет экологический мониторинг в РФ как комплексную систему наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности (рис. 1):

• наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;

• оценку фактического состояния среды;

• прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

Оценка фактического состояния

Оценка прогнозируемого состояния

Регулирование качества среды

Прогноз состояния

2. Сиситема, экосистема, геосистема. Геоэкологическая обстановка.

Развитие визуальной интерпретации многомерных данных и ГИС-технологий связано, в частности, с тем, что человеку с его ограниченным трехмерным пространственным воображением сложно, а в большинстве случаев невозможно, анализировать и давать обобщенные оценки многомерным объектам.

Одним из первых опытов комплексного анализа пространственно распределенной информации явились поэтапные работы Института экологии Волжского бассейна РАН на примере данных о состоянии экосистем г. Тольятти, Самарской области и всего Волжского бассейна, выполняемые с 1989г. Эколого-экономическая информация по Волжскому бассейну, представленная на Интернет-странице http://www.ecology.samara.ru/docs/docs-1/volga.asp, собиралась в виде различного рода карт распределения тех или иных параметров (рабочие масштабы - 1:2 500 000 и 1:4 000 000). "Масштаб" компьютерных карт, примерно, равен 1:10 000 000. Вся территория Волжского бассейна была разделена на 210 квадратов, каждый площадью около 6.5 тыс. км² (примерно 80х80 км). Всего ЭИС "REGION-VOLGABAS" содержала 509 предметных слоев карты, из которых 85 составили обобщенные показатели.

Пространственно распределенная информация ЭИС "REGION-VOLGABAS" охватывала следующий рубрикатор природных компонент:

1) климат территории Волжского бассейна (особенности распределения температуры воздуха и количества осадков, а также ветрового режима);

2) географо-геологическое описание (орография, дочетвертичный и четвертичный периоды развития региона, основные черты тектоники) и геохимическая обстановка;

3) почвы и ландшафты Волжского бассейна, наличие особо охраняемых природных территорий;

4) лесные ресурсы и распределение естественной растительности;

5) животный мир Волжского бассейна (видовое распределение и фаунистические комплексы наземных позвоночных и птиц);

6) население (демографическая ситуация в Волжском бассейне и степень урбанизации территории).

7) гидрология и гидрохимическое качество вод р. Волги и ее водохранилищ;

8) гидробиоценозы и их компоненты (фитопланктон, зообентос, водяные клещи, инфузории, микроскопические водные грибы, рыбные запасы бассейна Волги);

9) оценки качества воды и степени эвтрофикации Волжских водохранилищ по видам-биоиндикаторам.

Перечисленные данные позволили подробно проанализировать распределение по территории региона природно-климатических факторов, ландшафтной изменчивости и биологических ресурсов (см. [Розенберг, Краснощеков, 1996]). В качестве примера на рис. 1. показано территориальное распределение видового разнообразия основных групп животных, которое положительно коррелирует с климатическими особенностями, ландшафтным разнообразием и географическим расположением каждой области.

3. Системный геоэкологический мониторинг

Обширные рубрики накопленных данных детально описывали распределение по территории техногенной нагрузки и антропогенных воздействий, в том числе:

1) загрязнение воздушного и водного бассейна;

2) распределение отходов производства и коммунального хозяйства (включая особо опасные вещества для состояния экосистем и здоровья человека);

3) радиационная обстановка, места техногенных аварий и природных катастроф;

4) транспортная и рекреационная нагрузка;

5) сельскохозяйственная нагрузка (включая распределение по территории бассейна минеральных удобрений, распаханности территории, животноводческой и пестицидной нагрузок).

Состояние здоровья населения, как критерий оценки качества среды, в рамках ЭИС "REGION-VOLGABAS" включало следующие параметры:

1. общая заболеваемость взрослого населения (смертность, естественный прирост населения, оценки заболеваемости от "экологически обусловленных" нозологий);

2. здоровье матери и ребенка (рождаемость, смертность детей до года, общая заболеваемость детей, в том числе, от "экологически обусловленных" нозологий);

3. инфекционные и паразитарные болезни, частота злокачественных новообразований;

4. общее состояние системы здравоохранения.

На сайте имеется картографический генератор DataGraf.Net, являющийся уникальной он-лайновой картографической системой, позволяющей любому заинтересованному пользователю "на лету" построить собственную карту по любому набору показателей из вышеперечисленных предметных областей (всего каждый желающий может построить до 97650 карт).

Например, для карты, характеризующей интегрaльный потенциaл самоорганизации и устойчивости природных экосистем, может быть использовaн комплекс следующих пяти покaзaтелей, хaрaктеризующих мaссу, продуктивность и структурное биорaзнообрaзие фитоценозов:

1. зaпaс живой фитомaссы и ее годовaя продукция (тонн/гa) из книги "Состояние биологических ресурсов и биорaзнообрaзия России и ближнего зaрубежья (1988-1993 гг.)" [1994];

2. антропогеннaя трaнсформaция естественного рaстительного покровa (%) и оценки сбалансированности экосистем по структуре нaкопления живого оргaнического веществa. и структуре видовых комплексов из книги "Aтлaс биологического рaзнообрaзия лесов Европейской России и сопредельных территорий" 1996 г.

Аналогичным образом может осуществляться районирование России по степени антропогенной нагрузки – см. рис. 2б, где приведен обобщенный показатель потребления различных видов топливa и энергии (тонн условного топливa в год) по мaтериaлaм топливно-энергетического бaлaнсa зa 1995 г.

Множество слоев графических отображений в пространстве исходных переменных, как правило, не бывает информативным. Картографическая визуализация позволяет анализировать многомерные данные с помощью их преобразования в пространство низкой размерности с сохранением существенных для исследования структурных особенностей информации. На рис. 1-2 приведены примеры конструирования новых обобщенных показателей на основе простого суммирования баллов. Свойствами наименьшего искажения геометрической структуры исходных данных обладают подпространства, основанные на первых 2-3-х главных компонентах и полученные, в частности, линейными методами факторного анализа.

С использованием таких статистических методов снижения размерности был выполнен комплекс работ по исследованию и прогнозированию сложной медико-экологической ситуации, сложившейся в условиях радиационного и техногенного загрязнения районов Украины, пострадавших в результате Чернобыльской катастрофы [Сердюцкая, Каменева, 2000]. Например, на рис. 3 показаны варианты двухмерной и трехмерной визуализации распределения по территории Житомирской области фактора внутреннего радиационного загрязнения, основанного на 8 индивидуальных показателях (плотность выпадения радионуклидов на почву, их содержание в молоке, картофеле, индивидуальные дозы облучения и т.д.)

Интересен опыт геоинформационной поддержки системы биологического мониторинга городской территории, внедренной лабораторией биоиндикации Калужского ГПУ им. К.Э. Циолковского. Для этой цели разработаны оригинальные алгоритмы и методы площадной оценки и районирования территорий на основе картографической программы MapInfo Professional 4.5, относящейся к классу профессиональных ГИС. Информация формируется в виде различных вариантов карт экологической обстановки: а) подробная информация по каждой точке территории; б) районирование для укрупненных управленческих решений; в) оценка деформаций от конкретных источников воздействия [Стрельцов с соавт., 1995; Шестакова с соавт, 1998].

Алгоритмы, встроенные в ГИС, выполняют интерполяцию значений отображаемого показателя по узлам сети с использованием различных математических методов (решение систем линейных уравнений, алгоритм сведения треугольников, метод обратного расстояния и т.д.), в результате чего формируется визуальное отображение фактора в виде изолиний или трехмерных поверхностей распределения. Послойное наложение оригинального расчетного слоя изолиний на слой картографических объектов (дорожную и речную сеть, лесные массивы, постройки) позволяет получить более информативное и наглядное распределение изучаемого показателя по территории местности (см. рис.4).

Детальный анализ концепций и перспектив использования картографо-геоинформационного обеспечения для устойчивого развития территорий можно найти, например, в книге В.С. Пикунова и Д.А. Цапука [1999].

Безусловный интерес может также вызвать опыт оценки территории и поверхностных водоемов с использованием данных аэрокосмического мониторинга [Красовский, без года].

Поиск по сайту: