Для получения объективной информации о состоянии и уровне загрязнения объектов окружающей среды необходимо располагать надежными методами анализа, которые являются основой любой системы экологического мониторинга. Вследствие этого эффективно классифицировать системы мониторинга окружающей среды по используемым в их составе аналитическим методам:
- системы контактного экологического мониторинга;
- системы дистанционного экологического мониторинга;
- системы биологического мониторинга окружающей среды.
Рассмотрим подробнее свойства каждой системы.
Система контактного экологического мониторинга – это система мониторинга, в которой сбор первичных данных осуществляется с помощью непосредственного контакта с изучаемым объектом окружающей среды.
Системы контактного экологического мониторинга в свою очередь следует разделить на системы лабораторного экологического мониторинга и системы непрерывного мониторинга состояния ПТГ.
Система лабораторного экологического мониторинга – это система, использующая лабораторные методы анализа для наблюдения за состоянием окружающей среды.
Чаще всего подобная система имеет в своем составе экологическую группу и аналитическую лабораторию.
Экологическая группа осуществляет:
- расчеты ПДВ, ПДС и нормативов размещения твердых отходов;
- разработку планов проведения мониторинга территории;
- отбор проб объектов окружающей среды;
- анализ полученных результатов.
Аналитическая лаборатория контроля химических загрязнений объектов окружающей среды оснащается современным оборудованием, таким как: жидкостные или газовые хроматографы, масс-спектрометры, спектрометры ядерного магнитного резонанса, атомно-адсорбционные спектрометры и т.д. Также возможно использование классических методов аналитической химии, при условии, что работники лаборатории имеют необходимую квалификацию.
Для аварийных случаев в состав системы лабораторного экологического мониторинга должны входить:
- мобильный комплект оборудования, позволяющий развернуть работу лаборатории в населенном пункте вблизи места аварии при наличии электричества, воды и вытяжного шкафа;
- средства связи и навигации;
- система энергопитания и жизнеобеспечения;
- средства управления, хранения и обработки информации.
Система лабораторного экологического мониторинга должна быть аккредитована в системе Госстандарта России. В область аккредитации лаборатории могут входить анализы как на специфические, так и на общепромышленные загрязнения. Возможно проведение высокоселективных анализов в пробах воды, растений, почвы, воздуха и биотканей в лабораторных условиях, позволяющих осуществлять:
- оценку состояния объектов окружающей среды;
- аттестацию рабочих мест;
- санитарно-гигиеническую оценку обстановки.
Основным достоинством системы лабораторного экологического мониторинга является высокая селективность и точность полученных аналитических результатов. К недостаткам можно отнести следующее: необходимость ручного отбора и транспортировки проб, дороговизна аналитического оборудования, высокая стоимость одного измерения, высокая квалификация персонала лаборатории и экологических групп, также - лабораторные анализы часто трудоемки и требуют много времени.
Таким образом, системы лабораторного экологического мониторинга предпочтительны для проведения единичных анализов, когда необходимо получить наиболее полную информацию о составе пробы.
Примером аналитической системы экологического мониторинга, использующей лабораторные методы анализа, может служить система экологического мониторинга ПТГ космодрома «Байконур».
Система экспресс мониторинга состояния ПТГ – система, предназначенная для выполнения круглосуточных автоматических измерений метеорологических параметров, физических загрязнений и концентраций загрязняющих веществ в контролируемой среде в заданной точке местности, а также передачи полученных результатов измерений для дальнейшей обработки.
Все измерения в рамках данной системы осуществляются экспресс методами при помощи различных качественных и количественных датчиков, а также автоматических анализаторов.
Возможна стационарная (аналитическое оборудование входит в состав постов и станций мониторинга) и мобильная (аналитическое оборудование монтируется на общественный наземный, водный или воздушный транспорт) реализация систем непрерывного мониторинга.
Достоинствами систем экспресс мониторинга являются:
- возможность осуществлять непрерывный контроль за состоянием ПТГ в реальном времени;
- дешевизна и простота оборудования
- низкая стоимость одного замера
- возможность полностью автоматизировать процесс сбора первичных данных, либо использовать для этого операторов с невысокой квалификацией.
К существенным недостаткам систем экспресс мониторинга следует отнести низкую точность и селективность анализа, маленький срок службы используемого аналитического оборудования; необходимость надежного и быстрого способа связи для передачи полученных результатов измерений, а также создание архивов или баз данных для хранения полученной информации.
Системы экспресс мониторинга состояния ПТГ в Москве, Оренбурге, Надыме и Астрахани реализованы при помощи автоматических станций атмосферного мониторинга (включены в Государственный реестр средств измерений, № 18566-99).
Возможности таких станций:
· автоматическое управление измерительным процессом;
· хранение в памяти управляющего компьютера результатов измерений за последние 30 суток;
· автоматическая передача результатов измерений по телефонному или радиоканалам;
· дистанционный контроль технического состояния оборудования, пожарной опасности и вскрытия станции;
· автономность работы не менее 30 суток.
Состав станции:
I. Павильон с мачтовым устройством.
II. Система жизнеобеспечения и энергоснабжения.
III. Система измерительная.
По выбору комплектуется измерительными приборами, имеющими унифицированные токовые выходы или стандартный интерфейс RS 232.
Станция выполняет измерения концентраций вредных примесей (базовый комплект):
1. Оксид углерода (СО).
2. Оксиды азота (NO-NO2-NOx).
3. Аммиак (NH3).
4. Двуокись серы (SO2).
5. Сероводород (H2S).
6. Суммарные углеводороды (CnHm).
7. Метан (CH4).
Метеокомплекс (базовый комплект) позволяет измерять скорость и направление ветра, температуру, влажность, атмосферное давление, радиационный гамма-фон.
Системы дистанционного экологического мониторинга – системы, в которых осуществляются наблюдения за удаленными от места проведения измерений объектами.
Дистанционные методы наблюдений основаны на взаимодействии излучения с веществом. Если источник излучения естественный (Солнце, Луна, звёзды), то измерения называются пассивными. В этом случае нет возможности воздействовать на изучаемый объект с помощью обратной связи. Пассивные дистанционные измерения незаменимы на основных трассах (определение О3 с помощью озонометров, определение N2O). Возможно также их применение при измерениях в надир (вертикально вниз с летящих спутников, самолётов, аэростатов) или лимбовых измерениях, когда атмосфера просматривается в лучах заходящего солнца на трассе, направленной под углом к горизонту. Наибольшее распространение среди пассивных дистанционных методов анализа получил метод дистанционного зондирования земли (с использованием спутников).
Дистанционное зондирование земли - получение информации о земной поверхности и об объектах, расположенных на ней, без физического контакта с ней, путем регистрации приходящего от нее электромагнитного излучения В Российской Федерации это метод многозональной видеоинформации (фотографирование со спутников в различных диапазонах спектра), в США – многоспектральные сканирующие системы MSS.
Данные дистанционного зондирования широко используются для ГИС-анализа, результаты которого позволяют проникнуть в суть происходящего в данном месте, координировать действия и выбрать лучший вариант решения.
К основным достоинствам систем пассивного дистанционного мониторинга можно отнести возможность получать информацию об изменениях инфраструктуры региона, о состоянии ландшафтных карт и карт растительности, изменении речной сети и границ населенных пунктов. Также совместное применение ГИС и данных дистанционного зондирования резко повышает оперативность и качество решений, направленных на ликвидацию аварий и минимизацию их последствий.
Минусом данной системы является низкая чувствительность, точность и селективность к загрязняющим веществам.
Таким образом, системы пассивного дистанционного мониторинга следует использовать для глобального и регионального мониторинга, для наблюдения и прогнозирования воздействия на окружающую среду масштабных промышленных и строительных объектов, для отслеживания состояния земной поверхности водоёмов и водотоков.
На базе метеорологического спутника «Метеор» ВНИИЭМ был создан спутник для проведения регулярных экспериментов по изучению природных ресурсов Земли из космоса, получивший название «Метеор-Природа». Назначение этого комплекса:
- мониторинг пойменных затоплений рек в период паводков;
- выявление очагов лесных и тундровых пожаров, оценка площадей гарей;
- экологический мониторинг загрязнений земной поверхности в окрестности крупных городов;
- оценка состояния посевов сельскохозяйственных культур, прогноз урожайности;
- картирование геологических структур для оценки минеральных ресурсов, а также выявления зон повышенного риска проведения работ;
- мониторинг состояния прибрежных зон, подверженных значительным техногенным нагрузкам.
Этот спутник стал началом создания целого ряда аналогичных отечественных спутников по дистанционному зондированию земли.
Системы активного дистанционного мониторинга подразумевают использование искусственных источников излучения, например лазеров. Возможности этих методов шире за счёт возможности изменения параметров источников излучения (интенсивности и частоты), что помогает решать большее число задач, чем в пассивном мониторинге, однако длинна трассы измерений в активном варианте меньше, так как интенсивность излучения от искусственных источников ослабляется с расстоянием экспоненциально. Системы активного дистанционного мониторинга возможно разделить на моностатические и разнесенные системы .
Моностатические системы, как следует из названия, имеют расположенные в одном месте лазерный источник и приемный телескоп. Принцип действия моностатических систем основан на использовании рассеяния в качестве основного средства изучения атмосферы. Это может быть рассеяние либо непосредственно на исследуемых компонентах, либо на других составляющих, когда интересующие компоненты оказывают измеримое влияние на пропускание пучка лазерного излучения. Системы, основанные на использовании непосредственно рассеяния, включают лидар, лидар на КР (комбинационное рассеяние или рамановское рассеяние) и лидар на резонансных эффектах; системы, в которых рассеяние используется косвенно, включают лидар на дифференциальном поглощении рассеянного излучения и дополнительные применения лидара на КР.
Все моностатические лазерные системы состоят из лазера и телескопа, оптические оси которых выставлены параллельно так, чтобы лазерный луч при распространении в атмосфере находился в поле зрения телескопа. Различия в упомянутых выше лазерных системах определяются выбором длины волны лазерного излучения, длины волны, выделяемой приемником; и способом обработки и интерпретации данных.
Разнесенные системы характеризуются тем, что имеют либо раздельно расположенные лазерный передатчик и приемный телескоп, либо лазер и телескоп, расположенные в одном месте, но имеющие на некотором расстоянии отражатель. Существуют два основных вида разнесенных систем — бистатический лидар и лидар на поглощении на длинных трассах.
Приборы активного дистанционного контроля могут обеспечить ту же точность, что и приборы для прямых измерений, кроме того, они имеют ряд уникальных преимуществ, а именно: отсутствие возмущения при контроле выбросов из источника загрязнений; интегральные измерения по трассе; измерения на уровне земли и по высоте; измерения над обширными географическими районами.
Уязвимой частью систем активного дистанционного мониторинга является высокая стоимость аппаратуры, а также сложность монтажа и наладки оборудования.
Учитывая специфичность систем активного дистанционного мониторинга, рекомендуется использовать в следующих приложениях: контроль непрозрачности выбросов над источником; контроль конкретных видов выбросов источника, измерения переноса и диффузии выбросов; контроль с целью определения представительности локальных измерений (изучение изменчивости содержания загрязнений); обследование для создания оптимальной сети пунктов локального контроля; контроль для создания и проверки моделей переноса загрязнений; измерения высоты слоя перемешивания в обширных воздушных бассейнах; контроль дальнего переноса загрязнений от городских и промышленных районов; контроль обширных пустынных районов для определения общих тенденций в изменении качества воздуха; определение местоположения предполагаемых новых источников; контроль в случаях сильного загрязнения воздуха.
В качестве примера может служить разработанный в Научно-исследовательском институте прецизионного приборостроения (НИИ ПП), Москва, лидар кругового обзора, для зондирования атмосферного воздуха, с целью обнаружения областей повышенной концентрации аэрозолей. Лидар, в настоящее время находится в стадии опытной эксплуатации (комплекс «АСД-Лидар»).
Регулярное наблюдение за аэрозолем позволяет выявить устойчивые области с повышенным содержанием взвешенных веществ в атмосфере, наблюдать пространственную динамику аэрозольных загрязнений, в реальном масштабе времени, контролировать экологическую обстановку в городе (загрязнение воздуха) фиксировать локальные выбросы предприятий, отслеживать распространение загрязнения от пожаров и взрывов.
Зондирование осуществляется в 180 фиксированных направлениях (лучах) по линии реального горизонта. Пространственное разрешение по дальности равно 60 м (строб). Такой режим зондирования называется панорамой. Можно наблюдать любой заданный сектор, а также осуществлять контроль по выбранному направлению. Каждому стробу соответствует коэффициент ослабления лазерного излучения атмосферой (иногда его называют индексом замутненности), коррелированный с увеличением аэрозольной плотности атмосферы, в частности, с задымлением (запылением). Кроме панорамного режима, используется секторный для сопровождения конкретных ЧС и режим "вертикальная панорама" для исследования атмосферы.
Программа обработки результатов лидарного зондирования атмосферного воздуха обеспечивает совмещение измерительной информации с электронной картой города, ведение базы данных результатов проведенных сеансов, их анализ и статистическую обработку. В режиме эксплуатации, основной целью является выявление областей повышенного загрязнения атмосферы и привязка этих областей к местности. Здесь же используется программа автоматической обработки панорамы с выделением областей повышенной концентрации аэрозоля.
Система биологического мониторинга окружающей среды – система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами.
Задачи систем биологического мониторинга: обнаружение, идентификация и определение концентраций загрязняющих веществ в биоте с использованием индикаторных организмов. Химические и физико-химические методы анализа не в состоянии охватить всё многообразие загрязняющих веществ, которые претерпевают в окружающей среде сложные трансформации, образуя подчас более токсичные соединения. Количественный анализ какой-либо примеси сам по себе не даёт ответа на вопрос о её биологической опасности. Поэтому необходимы методы интегральной оценки качества среды, таки как биотестирование и биоиндикация.
Биотестирование – прием исследования, в котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетаниях, судят по выживаемости и поведению специально помещённых в эту среду организмов.
Биоиндикация – очень близкий к биотестированию приём, использующий организмы, обитающие в исследуемой среде, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.
К тест-объектам и биоиндикаторам предъявляют определённые требования:
- присутствие биоиндикаторов в исследуемой среде в большом количестве (либо доступность и простота культивирования тест-объектов);
- возможность чёткой регистрации эффекта;
- достаточно высокая чувствительность;
- точность, воспроизводимость, достоверность получаемой информации.
Биотестирование и биоиндикацию можно осуществлять на уровне молекулы, клетки, органа (или систем органов), организма, популяции и даже биоценоза. Но необходимо учитывать, что с повышением уровня организации биологических систем возрастает и их сложность, неоднозначность их взаимосвязи с факторами среды.
Загрязнение воздушного бассейна и почвенного покрова оценивают биологическими методами по состоянию наземной растительности. При повышенных уровнях загрязнения отмечается угнетение растительного покрова, исчезновение отдельных видов и т.п. О качестве почвы можно также судить по активности и распространению в ней почвенных организмов. Загрязнение водных объектов оценивают по совокупности данных о состоянии зоо- и фитопланктона, зообентоса, перифитона и др.
Оценку степени загрязнения окружающей среды по результатам биотестирования или биоиндикации, как правило, проводят по шкале, имеющей три степени градации: «Сильное загрязнение», «Среднее загрязнение», «Слабое загрязнение».
В качестве примера работы по созданию и развитию системы биологического мониторинга следует отметить систему биомониторинга на территории Калужской области, со всеми вышеперечисленными методами контроля и анализа экологической ситуации на данной территории.
Рассмотрев специфические свойства биологических систем мониторинга окружающей среды, рекомендуется использовать их для оперативного экспресс мониторинга, без использования дополнительной аппаратуры и высококвалифицированных кадров, но не требующего высокоточных результатов (например, школьный экологический мониторинг).