Геоэкологический мониторинг*
Система мониторинга окружающей среды
Л. М. Зарина, к.г.н.
Термин «мониторинг» образован от латинского слова«монитор»—наблюдающий, предостерегающий (так называли впередсмотрящего матроса на парусном судне). Идея глобального мониторинга окружающей человека природной среды и сам термин появились в1971 г. в связи с подготовкой к проведению Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972). Первые предложения по разработке такой системы были выдвинуты Научным комитетом по проблемам окружающей среды (СКОПЕ). Концепция мониторинга была предложена профессором Р. Мэнном в1973 г. Мониторингом Р. Мэнн предложил называть систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой (Пашкевич и др., 2002). В настоящее время под термином «экологический мониторинг» понимается система наблюдения, контроля, оценки, прогноза состояния окружающей природной среды и информационного обеспечения процесса подготовки и принятия управленческих решений.
В 1975 г. под эгидой ООН была организована Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Эта система состоит из пяти взаимосвязанных подсистем: изучение климатических изменений, дальнего переноса загрязняющих среду веществ, гигиенических аспектов среды, исследования Мирового океана и ресурсов суши. Существуют 22 сети действующих станций системы глобального мониторинга, а также международные и национальные системы мониторинга.
Россия является одной из первых стран мира, на чьей территории к середине 80–х гг. была создана национальная система комплексного фонового мониторинга — Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК). В 1993 г. принято решение о реорганизации ОГСНК в Единую государственную систему экологического мониторинга (ЕГСЭМ) с целью радикального повышения эффективности работ по сохранению и улучшению состояния окружающей среды, обеспечению экологической безопасности человека в Российской Федерации.
Единая государственная система экологического мониторинга РФ (ЕГСЭМ) включает в себя следующие основные элементы: мониторинг источников антропогенного воздействия на окружающую среду; мониторинг загрязнения абиотического компонента окружающей природной среды; мониторинг биотического компонента окружающей природной среды; социально-гигиенический мониторинг; обеспечение создания и функционирования экологических информационных систем.
В основе государственного экологического мониторинга лежит концепция комплексной характеристики состояния окружающей природной среды. Главным и обязательным условием этой концепции является рассмотрение всех основных сторон взаимодействий и связей в окружающей среде и учет всех аспектов загрязнения природных объектов, а также поведения загрязняющих веществ и проявления их воздействия. Проводимые комплексные исследования призваны определить источник загрязнения, оценить его мощность и время воздействия и найти пути оздоровления среды. Выделяют 5 основных принципов комплексности:
1) интегральность — наблюдения за суммарными показателями, т.е. использование для выявления загрязнений признаков реакций различных природных объектов и биоиндикаторов;
2) многосредность — наблюдения в основных природных средах (атмосфера, гидросфера, литосфера (главным образом педосфера), биота). Особенно важно определить лимитирующую среду; пути миграции загрязняющих веществ, возможности и коэффициенты их перехода из одной среды (или объекта) в другую;
3) системность — воссоздание биохимических циклов загрязняющих веществ, необходимость проследить путь загрязняющих веществ от источника до объекта воздействия;
4) многокомпонентность — анализ различных видов загрязнителей;
5) унификация методов анализа; контроль и обеспечение качества данных.
Функции государственного экологического мониторинга распределены между центральными органами исполнительной федеральной власти. Координацией деятельности министерств и ведомств, предприятий и организаций в области мониторинга окружающей среды, а также организацией некоторых видов мониторинга занимается Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Различные виды мониторинга также осуществляют: Государственный комитет РФ по земельным ресурсам и землеустройству (Роскомзем), Федеральное агентство по недропользованию (Роснедра), Федеральное агентство водных ресурсов, Государственный комитет РФ по рыболовству (Роскомрыболовство), Федеральное агентство лесного хозяйства (Рослесхоз), Федеральная служба геодезии и картографии России (Роскартография), Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор), Министерство обороны РФ (Минобороны России) и некоторые другие ведомства.
Как видно, осуществление экологического мониторинга в Российской Федерации входит в обязанности различных государственных служб. Это приводит к некоторой неопределенности в отношении распределения обязанностей и доступности сведений об источниках воздействия, о состоянии окружающей среды и природных ресурсов. Ситуацию усугубляют периодические перестройки министерств и ведомств, их слияния и разделения.
Система мониторинга реализуется на нескольких уровнях, которым соответствуют специально разработанные программы:
- импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе);
- региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона);
- фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена любая хозяйственная деятельность).
Импактный мониторинг накапливает и анализирует детальную информацию о конкретных источниках загрязнения и их воздействии на окружающую среду. В сложившейся в России системе сведения о деятельности предприятий и о состоянии среды в зоне их воздействия по большей части усреднены или основаны на заявлениях самих предприятий. Состояние окружающей среды достаточно полно описывается лишь в крупных городах и промышленных зонах. В области регионального мониторинга наблюдения ведутся в основном Росгидрометом, имеющим разветвленную сеть во всех субъектах федерации, а также некоторыми другими ведомствами. Сеть фонового мониторинга, осуществляемого в рамках программы МАВ(Man and Biosphere), включает в себя 5 станций, расположенных в биосферных заповедниках.
Основными проблемами ЕГСЭМ России являются (из доклада начальника Управления мониторингом загрязнения окружающей среды, полярных и морских работ на Рабочей группе ЕЭК ООН по мониторингу и оценке окружающей среды (Женева,2006 г.)):
- недостаточно эффективное государственное регулирование деятельности субъектов ЕГСЭМ, что приводит к созданию «дублирующих» систем наблюдений и неэффективному расходованию ограниченных ресурсов, не обеспечивает получение сопоставимых данных для всей территории страны и т.д.;
- низкий технический уровень государственной наблюдательной сети, не отвечающий международным требованиям; изношенность оборудования.
Практически не охваченными сетью наблюдений остаются малые города, многочисленные населенные пункты, подавляющее большинство диффузных источников загрязнения, подавляющее большинство малых рек и др. Такие «белые пятна» на экологической карте России могут стать объектами общественного экологического мониторинга — практически ориентированного, сконцентрированного на местных проблемах в сочетании с продуманной схемой и корректной интерпретацией полученных данных.
Программы государственного экологического мониторинга формируются по принципу выбора загрязняющих веществ. Выбор загрязнителей зависит от цели и задач конкретных программ: так, в территориальном масштабе приоритет государственных систем мониторинга отдан городам, источникам питьевой воды и местам нерестилищ рыб; в отношении сред наблюдений первоочередное внимание уделяется мониторингу атмосферного воздуха и воды пресных водоемов. Приоритетность ингредиентов определяется с учетом критериев, отражающих токсические свойства загрязняющих веществ, объемов их поступления в окружающую среду, особенностей их трансформации, частоты и величины воздействия на человека и биоту, возможности организации измерений и др.
Мониторинг снежного покрова
Загрязнение атмосферного воздуха — важнейший фактор, негативно влияющий на здоровье населения. Выбросы источников загрязнения городов и промышленных объектов переносятся воздушными потоками на значительные расстояния, определяя региональный фон загрязнения атмосферного воздуха на территории страны. Косвенным показателем состояния загрязнения атмосферы могут служить данные о химическом составе проб атмосферных осадков и снежного покрова. В России возможность использования снежного покрова в качестве косвенного индикатора состояния атмосферы в условиях урбанизированных территорий с множеством источников загрязнения доказана экспериментальными исследованиями, проведенными ИМГРЭ совместно с ИПГ на территории крупных городов (Методические…, 1982, 1990). Полученные данные характеризуют загрязнение слоя атмосферы, в котором образуются облака, происходит газообмен, из которого выпадают осадки и сухие вещества в отсутствие осадков. Данные о содержании веществ в снежном покрове являются единственными материалами для оценки регионального загрязнения атмосферы в зимний период на больших территориях страны и выявления ареала распространения техногенных токсикантов (Руководство…, 1991).
Наличие коррелятивных зависимостей между веществами-загрязнителями атмосферного воздуха и их содержанием в снежном покрове позволяют использовать этот тип депонирующей среды для экспрессной геоэкологической оценки общего уровня загрязнения урбанизированных районов.
На территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области устойчивый снежный покров сохраняется достаточно долго — в течение 3–3,5 месяцев. Поэтому выбор снежного покрова как объекта исследований при геоэкологическом мониторинге можно считать оправданным. Кроме того, снежный покров как депонирующая среда обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором при оценке экологического состояния территорий.
Геохимические аномалии в снежном покрове, по существу, отражают эколого-геохимическое состояние атмосферы, суммируя воздействие природных атмогеохимических (дегазация Земли), природно-техногенных атмогеохимических (газовые новообразования погребенных залежей торфа и др.) и техногенных факторов (выбросы предприятий), влияющих на динамику геохимической экологической функции литосферы во времени (Трофимов и др., 2006). Снежный покров отражает контуры аэрогенного загрязнения на период образования и позволяет судить о динамике происходящих процессов. Характеристики техногенных аномалий в таких депонирующих средах, как снежный покров, могут служить косвенным показателем загрязнения воздушного бассейна и прямо свидетельствуют об интенсивности геохимического преобразования приповерхностной части литосферы.
В период снеготаяния, находящиеся в снеге токсиканты мигрируют в поверхностные воды, донные осадки, почвы и подстилающие их горные породы, причем ареал их распространения значительно превышает контуры геохимических аномалий в снежном покрове.
Содержание элементов-загрязнителей (в т.ч. и тяжелых металлов) в снежном покрове колеблется в очень широком диапазоне, главным образом, в зависимости от степени антропогенного влияния.
Одна проба по всей высоте снежного покрова дает представительные данные о загрязнении за весь период от установления снежного покрова до момента отбора пробы, а послойный отбор проб снежного покрова позволяет получить динамику загрязнения за зимний сезон (Василенко и др., 1985).
Загрязнение снежного покрова происходит в результате влажного и сухого вымывания (осаждения) загрязняющих веществ из атмосферы. Под влажным вымыванием понимается захват поллютантов снегом во время его образования в облаке и последующее выпадение на подстилающую поверхность. В облаках смачиваемые частицы аэрозоля с радиусами менее 0,1 мкм становятся ядрами конденсации, вокруг которых происходит рост капель воды или кристаллов льда. Покидая облако, капли и снежинки уносят в себе аэрозольные частицы. С помощью этого процесса очищается слой атмосферы, в котором происходит формирование облаков. Вымывание загрязняющих веществ из нижележащих слоев атмосферы происходит за счет захвата частичек аэрозоля выпадающими осадками. Сухое выпадение загрязняющих веществ происходит под действием гравитационных сил непосредственно из атмосферы при ее контакте со снежным покровом.
Существенное влияние на процессы осаждения оказывают метеорологические условия: скорость и направление ветра, влажность воздуха и др. (Махонько и др., 1976). Большое значение имеют размеры частиц и высота, на которую они были подняты первоначально. Крупные частицы оседают обычно в течение нескольких часов или суток, тем не менее, они могут переноситься на сотни километров, если изначально оказались на достаточной высоте (Феленберг, 1997).
Взаимоотношение между сухими и влажными выпадениями зависит от многих факторов: длительности холодного периода, частоты снегопадов и их интенсивности, физико-химических свойств загрязняющих веществ, размера аэрозолей и др. (Негробов и др., 2005). В связи с большой интенсивностью процессов влажного вымывания для регионального и глобального загрязнения доля сухих выпадений обычно составляет 10–30%. Однако вблизи локальных источников при больших выбросах грубодисперсных аэрозолей картина меняется на обратную, т.е. на долю сухих выпадений приходится от 70 до 90% (http://www.murman.ru/ecology/krep/snow).
Исследования, проведенные Миклишанским А. З., показали, что уровень концентрации пыли и микроэлементов в лежалом снеговом покрове в несколько раз выше, чем в свежевыпавших осадках (Миклишанский, 1978). Этот факт доказывает, что, с одной стороны, снеговой покров играет роль естественного планшета-накопителя атмосферной пыли за несколько зимних месяцев. А, кроме того, свидетельствует о том, что существенная часть накоплений в снеге формируется за счет сухого осаждения из приземного слоя атмосферы и носит преимущественно антропогенный характер. Таким образом, в результате процессов сухого и влажного вымывания концентрация загрязняющих веществ в нем оказывается обычно на 2–3 порядка величины выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому измерения содержания этих веществ могут производиться достаточно простыми методами и с высокой степенью надежности.
Кроме того, относительная простота сноухимической съемки позволяет проводить масштабные площадные исследования территории с целью оценки пространственного распределения загрязняющих веществ, определения геохимического фона и оконтуривания территорий с аномальными значениями исследуемых параметров.
С 1980 г. на базе снегомерной съемки Госкомгидромета в подсистеме Общегосударственной службы наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК) начал действовать мониторинг загрязнения снежного покрова (Василенко и др., 1985). Основной задачей сети наблюдений за загрязнением снежного покрова стал отбор проб снега для последующего определения концентраций загрязняющих веществ, получения количественных оценок объема выпадения и переноса веществ на территории СССР, а затем и Российской Федерации (включая трансграничный перенос). Были получены данные о масштабах и элементном составе пылевой составляющей снега на территории СССР (Василенко и др., 1985; Глазовский и др., 1983; Ковда и др., 1980; Остромогильский и др., 1981; Ветров и др., 1985; Ревич и др., 1981 и др.).
В настоящее время в составе большинства региональных Центров по мониторингу загрязнения окружающей среды (ЦМС) Росгидромета действуют подсистемы мониторинга снежного покрова; кроме того, данные о состоянии снежного покрова поставляет стационарная сеть мониторинга атмосферных осадков и фоновые станции биосферных заповедников (табл. 5).
Контролируемыми примесями, общее число которых максимально составляет 32, при осуществлении мониторинга являются:
- диоксиды серы и азота, оксиды углерода и азота, взвешенные вещества (твердые частицы), бенз[а]пирен — во всех пунктах стационарной сети;
- озон, бензол, свинец — в отдельных пунктах по специальной программе;
- мышьяк, никель, кадмий, ртуть — единичные измерения.
Таблица 5
Мониторинг снежного покрова в рамках наблюдательной сети за качеством атмосферного воздуха Росгидромета
Виды наблюдений |
Стационарная сеть |
Определяемые параметры |
Аналитические лаборатории |
Атмосферные осадки: — кислотность; — химический состав; |
123 133 |
Кислотность, химический состав, удельная электропроводность, метеорологические характеристики |
10 |
Снежный покров (выпадения аэрозолей) |
533 |
Ионы сульфата, нитрата аммония, рН, бенз[а]пирен, тяжелые металлы |
- |
Комплексный фоновый мониторинг (заповедники) |
5 |
Концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, поверхностных водах, осадках, почвах, биоте, метеорологические характеристики |
1 |
Как уже говорилось выше, существуют серьезные проблемы при организации мониторинга, связанные с недостаточным техническим уровнем государственной наблюдательной сети, что сказывается на объеме, частоте проводимой снежной съемки, количестве определяемых загрязнителей.
Государственный экологический мониторинг в Санкт-Петербурге и Ленинградской области осуществляет ГУ «Санкт-Петербургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями» (Санкт-Петербургский ЦГМС–Р), являющийся правопреемником Ленинградского областного гидрометеорологического бюро, образованного 10 июля1930 г. В1987 г. Бюро было преобразовано в Ленинградский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. А в2002 г. образован Санкт-Петербургский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями, к которому в2004 г. был присоединен Ленинградский областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
В структуру ГУ «Санкт–Петербургский ЦГМС–Р» входят: объединенные гидрометеорологические станции (ОГМС): Тихвин, Белогорка, Кингисепп, Кириши (последняя включает комплексную химическую лабораторию); метеорологические станции 2-го разряда (М–2): Винницы, Вознесенское, Ефимовская, Волосово, Лесогорский, Николаевское, Новая Ладога, Сосново, Лодейное поле; аэрологическая станция Воейково; гидрологические станции 1-го разряда (Г–1): Выборг, Любань; озерная станция Шлиссельбург.
Специалисты Санкт-Петербургского ЦГМС–Р занимаются проведением регулярных метеорологических, аэрологических, гидрологических, озерных, агрометеорологических, морских гидрометеорологических наблюдений; проводят наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, почв, атмосферных осадков, снежного покрова, включая радиоактивное загрязнение.
Загрязненность снежного покрова отражает степень антропогенного воздействия на окружающую среду, так как снежный покров способен накапливать и сохранять вещества, поступающие с зимними осадками, что позволяет провести оценку поступления токсикантов в почвы. В связи с этим мониторинг загрязнения снежного покрова осуществляется и в рамках мониторинга земель. Так, в Республике Коми с1994 г. действует единая система регулярного контроля за агроэкологическим состоянием почв в различных природно-климатических зонах, где проводят изучение состояния почвенного покрова и выполняют экогеохимическую оценку снежного покрова. Количественное сравнение конкретных загрязняющих веществ в снежном покрове с фоновыми территориями позволяет судить о степени аэротехногенного влияния промышленных предприятий на окружающую среду.
Для оценки пространственного распределения выпавших из атмосферы загрязнений в региональном масштабе используются данные спутниковых наблюдений. Снег обладает высокой отражательной способностью. Альбедо чистого снега составляет 0,7–0,9, а загрязненного уменьшается до 0,2–0,1. В связи с этим на космических снимках загрязненные участки снега выглядят как более темные пятна, причем, чем выше уровень загрязнения, тем темнее изображение на снимках. Ореолы загрязнения снежного (и почвенного) покровов техногенного происхождения хорошо заметны вокруг городов, промышленных предприятий, районов добычи и переработки полезных ископаемых, крупных автострад. Региональный космический мониторинг особенно важен при изучении малоосвоенных и заболоченных территорий. Ценность космических наблюдений заключается в том, что они дают обобщенную картину регионального антропогенного воздействия на территорию. При этом космическая информация значительно нагляднее и убедительнее, чем сведения, содержащиеся на подробных картах.
Мониторинг загрязнения снежного покрова осуществляется и за рубежом. Так, департамент гидрометеорологии Минприроды Республики Беларусь в рамках национальной системы мониторинга окружающей среды осуществляет наблюдения за региональными и глобальными потоками загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, атмосферных осадках и снежном покрове в 16 городах, в которых проживает 65% городского населения республики. Мониторинг состояния атмосферных осадков и снежного покрова Республики Казахстан проводится в соответствии с программой Всемирной метеорологической организации (ВМО) на 43 метеостанциях (химический состав снежного покрова — 35 метеостанций).
Мониторинг почвенного покрова
Для более полного и всестороннего исследования состояния окружающей среды важно проследить дальнейшую судьбу тяжелых металлов после таяния снежного покрова, так как значительная их часть попадает в почвы, поверхностные и подземные воды и в живые организмы.
Общеизвестно, что почва — самостоятельное природное тело, комплексная система, обладающая особыми свойствами, развивающимися в результате действия факторов почвообразования: материнской породы, климата, растительного, животного мира и микроорганизмов, рельефа, возраста почв, действия почвенных и грунтовых вод, хозяйственной деятельности человека. Почва возникла и развивается на стыке взаимодействующих литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы и находится с ними в непрерывном обмене веществом, энергией и информацией. В почве происходит перераспределение химических элементов и их соединений. По сути, почва играет роль буфера, регулируя процессы миграции веществ в ландшафтах. Так, кислые почвы могут нейтрализовать щелочные соединения, карбонатные — кислотные выпадения из атмосферы и др. (Орлов и др., 2000).
Химический состав почв зависит от состава материнских пород, от протекания почвенных процессов и от особенностей антропогенной нагрузки. Попадание токсикантов в почву происходит следующими путями: с атмосферными осадками; в результате осаждения в виде пыли и аэрозолей; за счет поверхностных сбросов твердых бытовых отходов; за счет промышленных, оросительных, канализационных стоков, стока с дорог, сельскохозяйственных полей и др.; за счет просачивания из подземных хранилищ нефтепродуктов, токсичных отходов и т.п.; при непосредственном поглощении почвой газообразных соединений; с растительным опадом.
Антропогенные загрязнения приводят к изменению качественного состава и свойств почв, в первую очередь биологических: уменьшается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав, изменяется структура микробиоценозов, снижается интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов. Изменяются и более консервативные свойства почв: содержание гумуса, структура, кислотность и др. В итоге это приводит к частичной, а в некоторых случаях и к полной утрате плодородия.
В зависимости от почвенно-геохимических условий токсиканты, поступающие в почвенные горизонты с техногенными потоками, задерживаются в верхнем гумусовом горизонте; мигрируя, достигают материнских пород; попадают в подземные воды, влияя на их химический состав; вызывают вторичное загрязнение атмосферы; проникают в трофические цепи и организм человека. Загрязняющие вещества накапливаются в почве сравнительно быстро, а выводятся крайне медленно: период полуудаления цинка из почвы достигает 500 лет, меди — 1500 лет, свинца — нескольких тысяч лет (http://www.ecolife.org.ua).
Почва является начальным звеном пищевой цепи. В настоящее время, используя почвы, человек получает порядка 90% пищевых ресурсов. Постоянное потребление растительной продукции даже со слабо загрязнённых почв может приводить к кумулятивному эффекту, то есть к постепенному увеличению содержания тяжелых металлов в живых организмах. Известно, что с продуктами питания в организм человека поступает более 70% токсических веществ. Таким образом, почва является своеобразным «накопителем» токсикантов и опосредованно оказывает существенное воздействие на здоровье человека.
Можно говорить о том, что почва относится к наиболее стабильным накопительным компонентам среды в биогеохимическом круговороте веществ, поэтому мониторинг изменения состава почвы позволяет рассматривать ее как наиболее точный индикатор состояния всего природного ландшафта.
Вместе с тем изучение почвы как объекта антропогенного воздействия, в связи со сложностью и многообразием происходящих в ней процессов, сопряжено с рядом трудностей. Количественная зависимость между концентрацией элемента в загрязняющем выбросе и содержанием его в почве гораздо сложнее, чем соотношение «выброс — снежный покров». И если анализ содержания поллютантов в снежном покрове выявляет вклад текущего загрязнения, позволяет проследить контуры загрязнения на период опробования и динамику происходящих процессов, то такой же анализ почвы дает интегральные значения загрязняющих веществ за весь период генезиса почвенного слоя, отражает эффект многолетнего антропогенного воздействия на территорию.
* Зарина Л. М., Гильдин С. М. Геоэкологический практикум: Учебно–методическое пособие. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2011. — 60 с.