курсовая 4 курс. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования горноалтайский государственный университет

• Название: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования горноалтайский государственный университет
• Дата: 26.08.2022
• Размер: 0.56 Mb.
• Имя файла: курсовая 4 курс.docx
• Тип: Курсовая; #653810

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО ГАГУ, ГАГУ, Горно-Алтайский государственный университет)

Естественно-географический факультет

Кафедра географии и природопользования

Епикова Анастасия Валерьевна

Курсовая работа

Современные методы мониторинга природной среды

Научный руководитель,

к.б.н., доцент______И.А. Ильиных

Работа защищена «____»__________________ 2021 г.

С оценкой __________________

Горно-Алтайск, 2021

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Общее понятие мониторинга 4

1.1Виды мониторинга природной среды 4

1.2 История возникновения и развития мониторинга 8

2Современные методы мониторинга природной среды 13

2.1 Контактные методы 14

2.2 Неконтактные (дистанционные) методы 16

2.3 Автоматизированная информационная система мониторинга 18

3 Анализ проблем и перспективы развития мониторинга 22

3.1 Возможности развития мониторинга 22

3.2 Проблема развития мониторинга 24

заключение 27

литература 29

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Со временем большими темпами увеличиваются масштабы воздействия человеческой деятельности на биосферу, что приводит к росту экологических проблем. Сохранение природы и улучшение качества окружающей среды являются основными направлениями деятельности общества. Охрана окружающей природной среды может быть эффективной только при наличии своевременной информации о состоянии ее отдельных компонентов и всей биосферы в целом. Эту задачу решает мониторинг. Информационное обеспечение управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью на сегодняшний день является животрепещущей проблемой человечества в целом. Огромное количество и мощность аварий на промышленных комплексах демонстрируют беспомощность человека перед лицом приближающейся экологической катастрофы. Избежать этого поможет только широкомасштабное внедрение систем мониторинга.

Цель – анализ современных методов и оптимизация отношений человека с природой.

Задачи: 1. Сформулировать общее понятие мониторинга.

2.Выявить проблемы мониторинга природной среды.

3.Изучить новые методы мониторинга природной среды.

Объект исследования – мониторинг как система оценки качества среды.

Предмет исследования – современные методы мониторинга.

Структура работы. Работа состоит из ведения, из трёх глав, заключения. Список литературы содержит 20 источников. Текст иллюстрирован 2 рисунками. Работа изложена на 31 страницах машинописного текста.

1 Общее понятие мониторинга

1. Виды мониторинга природной среды

По классификации, предложенной академиком И. П. Герасимовым, мониторинг подразделяют на следующие уровни: биоэкологический, геоэкологический и биосферный.

Первый уровень – биоэкологический (биологический, санитарно-гигиенический, санитарно-токсикологический) мониторинг включает наблюдение:

• 
  за состоянием окружающей среды;
  
• 
  за степенью загрязнения природных объектов вредными веществами;
  
• 
  за воздействием этих загрязнителей на человека и биоту в целом (совокупность флоры, фауны и микроорганизмов);
  
• 
  за наличием в окружающей среде аллергенов, патогенных организмов, пыли;
  
• 
  за содержанием в атмосфере оксидов азота и серы, тяжелых металлов;
  
• 
  за качеством водных объектов, степенью их загрязнения и т. д.
  

Объектами мониторинга являются: приземные слои атмосферы, поверхностные и грунтовые воды, почвы, промышленные и бытовые стоки и выбросы, радиоактивные излучения и отходы.

Биоэкологический мониторинг осуществляют различные службы: гидрометеорологическая (метеостанции, гидропосты, обсерватории), санитарно-гигиеническая и эпидемиологическая (санэпидемстанции) и др. Биоэкологический мониторинг дает экспресс-информацию о состоянии окружающей среды и очень важен для всех районов, городов, населенных пунктов.

Второй уровень ‑ системный геоэкологический (природно-хозяйственный) мониторинг. Суть его заключается в наблюдении за изменениями в экологических системах (биогеоценозах), природных комплексах, в наблюдении за их продуктивностью, динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных и растительных ресурсов.

Объектами геоэкологического мониторинга служат: исчезающие виды растений, животных, микроорганизмов, природные эко ‑ и геосистемы, агросистемы, лесные насаждения, рекреационные системы. Наблюдения ведутся на географических стационарах и специальных полигонах (тестовых участках). Тестовые участки предназначены для контрольных измерений и наблюдений, на них разрабатываются тесты (индикаторы) ПДК, ПДВ, ПДУ, ПДЭН, биологической продуктивности, естественной способности к самоочищению и т. д. Результаты, полученные на тестовых участках, рассматриваются как типичные, характерные для данной экосистемы. Большую работу в этом направлении выполняют гидрометеорологическая служба, сельскохозяйственные опытные станции, гидромелиоративные станции и др.

Третий уровень ‑ глобальный биосферный мониторинг. Целью этого мониторинга является контроль за состоянием окружающей среды в глобальном масштабе, наблюдение за глобально ‑ фоновыми изменениями в природе, прогноз возможных изменений биосферы и всей географической оболочки в результате хозяйственной деятельности человека.

Объектами мониторинга являются: радиационный баланс, прозрачность атмосферы и ее антропогенное изменение, мировой водный баланс и загрязнение Мирового океана, крупномасштабные изменения в биогеохимических циклах элементов и веществ (CO₂, O₂, N, P, S, H₂O и др.), энергообмен географической оболочки с космосом, мировая миграция птиц, животных, растений и насекомых, изменение климата на планете и др.

В целях проведения фоновых наблюдений по всему миру создается сеть биосферных заповедников, на территории которых запрещается производственная деятельность, представляющая опасность для всего живого. В настоящее время в 62 странах мира создано более 230 биосферных заповедников.

Начиная с 1960‑х годов, огромную роль в организации глобального мониторинга стали играть методы космической съемки. Дистанционное зондирование Земли включает все работы, связанные с исследованием состояния окружающей среды из космоса. Особенно эффективны космические исследования, когда они сочетаются с аэровизуальными методами и наземными наблюдениями. Дистанционное зондирование Земли проводится с искусственных спутников "Метеор" и "Космос", пилотируемых космических кораблей, орбитальных станций. Наблюдения с космических кораблей "Союз-3", "Союз-4", "Союз-5" позволили получить данные о строении Земли, без которых трудно прогнозировать поиски нефти и газа. Во время полета кораблей "Союз-7" и "Союз-9" была собрана интереснейшая информация о распределении пыли в атмосфере на разных широтах и в различных регионах Земли. С "Союза-9" была проведена съемка высыхающего залива Кара-Богаз-Гол, которая дала возможность не только определить запасы химического сырья, но и зафиксировать состояние залива, уровень воды и др. Космические методы широко используются при проведении экологических исследований в США, Франции и других странах мира [5]/

Создание глобальных мониторинговых систем является качественно новым этапом в развитии мониторинга и требует больших финансовых затрат. Успехи информатики и вычислительной техники в последние годы приоткрыли двери в экологию методам моделирования. Модель должна как можно более точно описывать реальный объект, а живые объекты характеризуются множеством параметров, которые к тому же непрерывно меняются. Полную информацию о живом объекте получить практически невозможно, поэтому принципиально невозможно создать идеальную модель. Проблема еще более усложняется, если с помощью модели попытаться описать функционирование отдельных экосистем или биосферы в целом. Однако моделирование в проведении глобального мониторинга имеет большую перспективу.

Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением производительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным

контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса.

Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели – на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров – концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.) [1].

1.2 История возникновения и развития мониторинга

Мониторинг природной среды ˗ это слежение за состоянием окружающей среды или её отдельных компонентов (воды, воздуха, почв, флоры, фауны и т.п.) и предупреждение о возникающих критических ситуациях, например, о резком превышении концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, вредных или опасных для здоровья людей или других живых организмов. Метод наблюдения (мониторинг) издавна применяется в практической и научной деятельности человека. Это способ познания, основанный на относительно длительном целенаправленном и планомерном слежении за предметами и явлениями окружающей действительности.

Одними из самых первых наблюдений за природной средой можно считать проведенные еще в первом веке нашей эры исследования, описанные в «Естественной истории» Гая Секунда Плиния. В тридцати семи томах содержатся сведения по астрономии, физике, географии, зоологии, ботанике, сельскому хозяйству, медицине, истории. Они служили наиболее полной энциклопедией знаний до эпохи средневековья.

В России родоначальником мониторинговых наблюдений можно считать М.В.Ломоносова, занимавшегося изучением различных природных явлений. Термин мониторинг возник только в XX веке, он использовался в науке для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за 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 необходима в повседневной жизни людей, в хозяйственной деятельности, при строительстве крупных промышленных объектов и жилых районов, при чрезвычайных обстоятельствах – для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы. В конце 60–х годов ХХ века многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия «мониторинг». Решено было под мониторингом окружающей среды понимать комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. В 1974 г. в Найроби (Кения) была образована межправительственная комиссия по системе глобального мониторинга, разработана первая схема организации мониторинга антропогенного загрязнения. Тогда же был уточнен список наиболее опасных загрязнителей для их учета при организации мониторинга. Загрязнители оценивали по различным критериям, в том числе по воздействию на здоровье человека; влиянию на климат или экосистемы; склонность к разрушению природной среды; способности накапливаться в пищевых цепях, возможности химической трансформации во вторичные токсические вещества и другим. В России основы экологического мониторинга были разработаны Ю.А. Израэлем. Согласно его определению мониторинг- это совокупность наблюдений за определенными компонентами биосферы, специальным образом организованными в пространстве и во времени, а также адекватного комплекса методов экологического прогнозирования. В современной трактовке под экологическим мониторингом понимается комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов [17].

Экологический мониторинг междисциплинарного характера. Научные обоснования включают подходы и методы экологии, химии, биологии, географии, почвоведения, геологии и других наук. Научными и организационными основами мониторинга являются:

− регулярность наблюдений за состоянием окружающей природной среды, её загрязнением;

− единство и сопоставимость методов наблюдений, методов отбора, обработки, хранения и распространения полученной информации;

− взаимодействие с внутригосударственными и международными системами мониторинга окружающей природной среды;

− Обеспечение достоверности информации о состоянии окружающей природной среды и доступности для пользователей;

В процессе мониторинг необходимо накапливать, систематизировать и анализировать информацию: о состоянии окружающей среды; причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния, т.е. об источниках и факторах воздействия; допустимости изменений и нагрузок на среду в целом; существующих резервах биосферы;

Экологически мониторинг проводится с целью своевременного выявления негативных изменений в состоянии окружающей среды. Основные задачи мониторинга: наблюдения за состояние окружающей среды; выявление факторов и источников антропогенного воздействия; определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду; оценка и прогноз её состояния; разработка рекомендаций по управлению качеством окружающей среды. В настоящее время существует множество видов мониторинга.

Выделяют: мониторинг атмосферного воздуха, гидросферы, почвенный мониторинг, геологический, зоологический, геоботанический, мониторинг Солнца и т.п.. Однако, вне зависимости от объекта наблюдения, процесс мониторинга всегда включает в себя три основных этапа: 1. наблюдения за объектом мониторинга; 2. оценка фактического состояния объекта мониторинга; 3. прогноз возможных изменений состояния объекта мониторинга и оценка прогнозного состояния объекта. Все эти этапы тесно связаны между собой (рис.1).



Рис. 1 – Основные этапы мониторинга среды обитания

В основе организации систем мониторинга учитываются общие теоретические и методологические принципы:

1. Структурно-организационный принцип – система мониторинга любого уровня, являясь многоуровневой иерархической структурой, должна строиться с учётом взаимодействия с высшими системами и низшими подсистемами.

2. Функциональный принцип – мониторинг функционирует во времени как взаимосвязанная и взаимообусловленная система цепи постоянных наблюдений, оценки, прогноза и управления.

3. Обучающий принцип – с течением времени в системе работающего мониторинга качество прогнозов и эффективность управления должны закономерно улучшаться, система мониторинга во времени должна непрерывно совершенствоваться и строиться как «самообучающаяся» система.

4. Пространственный принцип – пространственная структура системы пунктов получения информации формируется в зависимости от вида мониторинга и определяется природными геологическими и инженерно-геологическими особенностями территории, типом и особенностями инженерных сооружений на ней, а также состоянием на ней экосистемы.

5. Временной принцип – частота наблюдений и сбора информации во времени в системе мониторинга полностью определяется динамикой наблюдаемых (изучаемых) процессов.

6. Целевой принцип – система любого мониторинга должна строиться с учётом достижения его конечной цели – оптимизации управления, что достигается на базе прогнозных оценок её развития путём выработки оптимальных управляющих решений и рекомендаций.

В конечном итоге целью мониторинга является оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности. Рациональное природопользование возможно при наличии и правильном использовании информации, полученной при проведении экологического мониторинга. Следует отметить, что сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником информации, необходимой для принятия экологически значимых решений государственными и контролирующими органами. За функцию регулирования качеством среды отвечает экологический контроль- деятельность государственных органов, предприятий и граждан по соблюдению экологических норм и правил. Различают государственный, производственный и общественный экологический контроль. Законодательные основы экологического контроля также регулируются Законом РФ «Об охране окружающей среды» [5].

2. Современные методы мониторинга природной среды

Современные методы мониторинга окружающей среды, которые подразделяются на три группы методов: контактные, аналитические и дистанционные.

Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа. Наиболее применяемые, спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа объектов окружающей среды.

Аналитические методы реализуются на основе полученных фактических данных, без какого-либо наблюдения или воздействия на исследуемый объект. Включают всестороннюю обработку первичных показателей с целью получения итоговых результатов и выводов мониторинговых исследований. В эту группу входят методы математического (статистического) анализа, методы графической интерпретации данных, методы математического и компьютерного моделирования, методы прогнозирования и др. [3].

Дистанционные методы используют в спутниковом мониторинге, они позволяют по космическим снимкам следить за состоянием и процессами, происходящими в биогеоценозах на Земле, а также наблюдать за состоянием гидросферы и атмосферы. Дистанционные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими (оптическая фотосъемка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная) и геофизическими (методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна).

Система экологического мониторинга является одним из главных условий для поддержания благоприятного состояния окружающей природной среды. Осуществление экологического мониторинга позволяет собирать и обрабатывать большие объемы данных, необходимые для планирования и проведения природоохранных мероприятий. Это могут быть такие мероприятия как сохранение природных ресурсов, как для нынешнего, так и для будущего поколения, предотвращение и выявление загрязнений окружающей среды [2].

2.1 Контактные методы

Суть данной группы методов заключается в непосредственном изучении пробы исследуемой среды (воды, воздуха или почвы).

Хроматографический метод – это метод анализа газовой или жидкой смеси (например, пробы загрязненного воздуха или воды), основанный на распределении разных компонентов смеси при пропускании ее через твердый сорбент. Анализ проводится на специальном приборе ‑ хроматографе. На выходе из него получается хроматографическая кривая, высота и площадь пиков на которой отображают концентрацию различных загрязняющих веществ.

Полярографический метод заключается в том, что в исследуемое вещество помещают электроды и пропускают по ним ток. По характеру поляризации рабочего электрода судят о наличии и концентрации в данной пробе примесей различных металлов; в основном этот метод используется для выявления примесей меди, свинца, кадмия и цинка.

Кондуктометрический метод состоит в исследовании электропроводности и диэлектрической проницаемости пробы исследуемого компонента окружающей среды. Метод используется для выявления загрязняющих веществ в жидкой среде (питьевая вода и т.д.). Кулонометрический метод основан на измерении количества электрической энергии, затраченной на осуществлении в данной пробе электрохимических процессов. Метод позволяет выявлять присутствие в пробе как неорганических, так и органических загрязнителей (нефтепродукты и т.д.).

Потенциометрический метод базируется на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в пробе компонента окружающей среды. Часто используется для определения водородного показателя рН и концентрации соединений азота. Колориметрический метод основан на изучении того, как изменился и ослабился световой поток, пропущенный сквозь пробу исследуемого вещества. Метод используется для анализа загрязнения атмосферного воздуха.

Рефрактометрический метод базируется на изучении того, как изменяется избирательное преломление светового потока, падающего на поверхность пробы исследуемого вещества. Метод позволяет выявить примеси нефтепродуктов в исследуемой пробе. Люминесцентный метод заключается в облучении пробы исследуемого компонента окружающей среды излучением с определенной длиной волны (например, рентгеновскими лучами). После этого различные вещества, присутствующие в пробе, начинают испускать ответное излучение в разных зонах спектра. Термографический метод заключается в изучении того, как изменяется проба исследуемого компонента окружающей среды при нагревании. Также может изучаться изменение электрического сопротивления данной пробы при её нагревании.

Фотометрический метод состоит в сравнении оптических плотностей исследуемой жидкости (например, вода из водохранилища) и контрольной жидкости (чистая вода). Применяется для контроля качества питьевой воды. Ионометрический метод основан на помещении в пробу исследуемого компонента окружающей среды ионоселективных электродов, обратимых к отрицательным и положительным ионам. Метод применяется для выявления широкого перечня загрязнителей: от нитратов и нитритов до тяжелых метало.

Метод титрования заключается в изучении взаимодействия раствора исследуемого вещества с раствором-индикатором. Метод широко применяется при исследовании качества воды для определения концентраций неорганических и органических загрязнителей, щелочности и жесткости [6].

2.2 Неконтактные (дистанционные) методы

Неконтактные или дистанционные методы мониторинга среды обитания основаны на использовании зондирующих полей для изучения объекта мониторинга. В качестве таких полей могут использоваться радиоволны различных диапазонов, электромагнитное изучение, акустическое или гравитационное поле. Основное преимущество зондирующих полей перед контактными методами исследования заключается в том, что эти поля позволяют изучать мониторируемый объект независимо от расстояния, на которое он удален. Применение зондирующих полей сделало возможным ведение мониторинга за такими труднодоступными для непосредственного контакта объектами, как озоновый слой, ионосфера, Солнце и т.д.

Неконтактный контроль исследуемого объекта может выполняться 2 способами: пассивным и активным. При пассивном контроле осуществляется приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта (например, при мониторинге Солнца испускаемое им излучение фиксируется на специальные фотопленки). В случае активного контроля зондирующее поле создается неким посторонним источником и направляется на мониторируемый объект. Далее производится прием поля, отраженного или переизлученного объектом. При неконтактном контроле наблюдения за исследуемым объектом ведутся с помощью радиолокационных и оптико-электронных приборов (радиолокаторов, радиометров, аэрофотоаппаратов и т.д.), установленных на борту самолета, вертолета, космического спутника или серии спутников.

В наши дни неконтактные методы мониторинга окружающей среды применяются весьма широко, благодаря постоянному совершенствованию оборудования и программного обеспечения. Неконтактные методы мониторинга атмосферы. В настоящее время для этих целей широко применяется лидарное (лазерное) зондирование атмосферы. С его помощью наблюдают такие параметры, как температура, атмосферное давление, относительная влажность, направление и скорость ветра, концентрация в атмосфере загрязняющих веществ в виде газов и аэрозолей. Для наблюдения используются радиолокаторы с радиусом действия до 500 км. При метеорологическом мониторинге для ежесуточного прогноза погоды используются спутниковые системы, поскольку для формирования такого прогноза необходимо охватить территорию в 1 500  (из‑за высокой скорости перемещения приземных воздушных масс).

При мониторинге локальных воздушных масс (территориальный охват не более 1–2 км) используются акустические и радиоакустические методы контроля, позволяющие наблюдать за колебаниями температуры воздуха, изменениями скорости ветра, определять верхнюю границу тумана. По такому принципу ведут наблюдения за погодой на маяках, в аэропортах и пр.

Неконтактные методы мониторинга поверхностных вод. В этом случае основным параметром наблюдения является радиояркость воды – способность воды излучать радиоволны в широком диапазоне. Наблюдение за изменениями радиояркости того или иного водного объекта позволяет оценить следующие параметры: волнение (при наблюдении в миллиметровом диапазоне); температура (используются радиоволны сантиметрового диапазона); соленость воды (используются радиоволны дециметрового диапазона); загрязненность водной поверхности нефтью (используются радиоволны с длиной волны 360–460 нм при мониторинге загрязнения легкими фракциями нефти и радиоволны с длиной волны около 500 нм при мониторинге загрязнения тяжелыми фракциями). Неконтактные методы мониторинга снежного покрова Они позволяют наблюдать такие параметры, как граница и глубина снежного покрова, температура и влагосодержание снега. Для этих целей применяются радиоволны видимого диапазона (длина волны 0,4–0,72 мкм) и ближнего инфракрасного диапазона (длина волны 0,72–1,3 мкм). Для более четкой фиксации границы снежного поля используют радиоволны микроволнового диапазона (длина волны 0,8–30 мкм), так как именно в нём наилучшим образом отображается контраст между снегом и почвой. Неконтактные методы мониторинга почвенно-растительного покрова. В этом случае наблюдают за следующими оптическими характеристиками: – коэффициент спектральной яркости (отношение яркости измерения к яркости эталонного рассеивания); – спектральные отражательные характеристики; – альбедо (величина, характеризующая отражение потока падающего света к потоку отраженного света). Используются радиоволны красного и инфракрасного диапазонов (длина волны 0,6–11 мкм). Такой мониторинг позволяет четко выделить различия между влажной и сухой почвой, разреженной или густой зеленой растительностью [6].

2.3 Автоматизированная информационная система мониторинга

Основу организационной структуры экологического мониторинга составляет автоматизированная информационная система (АИС), которая создаётся на базе компьютерных средств.

Задачами АИС мониторинга являются: хранение и поиск режимной информации о состоянии окружающей среды; целенаправленная постоянная обработка и оценка информации; выполнение перманентных прогнозов развития и состояния окружающей среды; решение оптимизационных задач по экологическому управлению. Отсюда следует и сама структура АИС мониторинга которая состоит из четырёх взаимосвязанных основных блоков (рис. 1.4), каждый из которых направлен на решение одной из перечисленных выше задач.

Первый блок АИС составляет автоматизированная информационно-поисковая система (АИПС). Эта система представляет собой базу данных, реализованную с помощью ЭВМ. В систему АИПС из наблюдательной сети поступают все первичные данные об объекте мониторинга (в том числе и данные режимных наблюдений), они накапливаются в базе данных, предварительно обрабатываются, сортируются и используются затем во всех последующих операциях по оценке и прогнозу состояния экосистем.



Рис. 2 – Структура АИС мониторинга

Вторым блоком АИС является автоматизированная система обработки данных (АСОД). Эта система проводит целенаправленную обработку и оценку поступающей информации по мониторингу экосистем. Третий блок АИС представляет собой автоматизированную прогнозно-диагностическую систему (АПДС). С помощью этого блока решаются все вопросы по составлению перманентных (т.е. непрерывно продолжающихся, повторяющихся) прогнозов в соответствии с функциональной схемой мониторинга. Этот блок реализуется с помощью геоинформационных технологий (ГИС-технологий). Четвёртый блок составляет автоматизированная система управления (АСУ), направленная на решение задач по управлению и разработке рекомендаций. Он также практически реализуется с помощью ГИСтехнологий. Все четыре блока АИС связаны друг с другом и образуют единую функционирующую систему. Основным вопросом при организации АИС является её информационное, техническое и математическое обеспечение [15].

Система экологического мониторинга окружающей среды «СЭМОС» выполняет неостанавливающийся, каждодневный, автоматизированный мониторинг за состоянием окружающей среды и обеспечивает своевременное информирование ответственных лиц достоверной информацией для принятия эффективных управленческих решений в области природоохранной деятельности и мониторинге загрязнения.

Она должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию:

• 
  О состоянии окружающей среды;
  
• 
  О причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния ;
  
• 
  О допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;
  
• 
  О существующих резервах биосферы.
  

Таким образом, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

В соответствии с приведёнными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

• 
  Наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;
  
• 
  Оценку фактического состояния среды;
  
• 
  Прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.
  

Следует принять во внимание, что сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации.

Экологический мониторинг ведётся на локальном, региональном и глобальном уровнях:

• 
  Локальном – изучение сильных воздействий в локальном масштабе (источники загрязнения и их непосредственное и (или) взаимное влияние на конкретные участки (объекты) окружающей среды;
  
• 
  Региональном – проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона.
  
• 
  Глобальном (фоновом) – изучение антропогенных воздействий на биосферу и климат Земли.
  

Локальный экологический мониторинг проводится визуальным (осмтор и описание), инструментальным (измерения на месте, отбор проб и их лабораторный анализ) и дистанционным (зондирование, гидролокация, аэрофотосъёмка и др.) методами.

Региональный экологический мониторинг осуществляется путём систематизации и обработки данных локального экологического мониторинга, а также дополнительными наблюдениями на границах регионов (контрольные створы на водотоках и водоёмах и др.)

Глобальный экологический мониторинг проводится с помощью телевизионных изображений, фотографий, спектральных снимков и т.д.[7].

3 Анализ проблем и перспективы развития мониторинга

3.1 Возможности развития мониторинга

Мировой опыт показывает, что первым шагом в решении экологических проблем, является получение объективной информации о состоянии окружающей среды. Единственно возможный путь получения такой информации – мониторинг - система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды. Экологическая безопасность, как составная часть национальной безопасности, является обязательным условием устойчивого развития и выступает основой сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды. На современном этапе развития Республики Казахстан в ряде регионов негативные экологические последствия антропогенной деятельности достигли таких масштабов, при которых нормализация экологической ситуации возможна только путем проведения комплексных природоохранных мероприятий, адекватных сложившейся экологической обстановке.

Необходимо отметить о положительных сдвигах, достигнутых в результате реализации Программы охрана окружающей среды на 2005-2007 годы (далее Программа) и первого этапа «Концепции экологической безопасности. Продолжается процесс загрязнения, засорения и истощения поверхностных вод, основной причиной которых является сброс в водоемы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод. Ежегодные сбросы в водные объекты составляют порядка 267 млн. куб метров (2008 год). По-прежнему остро стоит проблема доступа населения к качественной питьевой воде. Выбросы промышленных предприятий в атмосферный воздух составляют порядка трех миллионов тонн в год, из которых 85% приходится на 43 крупных предприятия. Все более угрожающими становятся объемы загрязнения воздуха автомобильным транспортом, что обусловлено стремительным ростом численности автотранспортных средств на территории республики. Данная проблема наиболее актуальна для крупных городов

Вклад автотранспорта в загрязнение воздушного бассейна достигает 60% и более от общегородского валового выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Необходимость введения новых нормативов и законодательных актов по экологической безопасности автотранспорта, международных стандартов в части технических требований к автотранспортным средствам и автомоторным топливам, а также научно-обоснованная оценка экологического воздействия автотранспортных средств на окружающую среду стоит наиболее остро.

Для выработки механизмов устойчивого управления качеством окружающей среды и природопользования требуется обеспечить функционирование и дальнейшее развитие Единой государственной системы мониторинга окружающей среды и природных ресурсов, основы которой отражены в Экологическом кодексе. Система мониторинга должна развиваться на базе существующих и перспективных служб, систем наблюдений и современных информационных технологий. Для этого необходимо привлечь научно- технический и кадровый потенциал государственных университетов и ведомственных НИИ, а также крупных частных производственных компаний, использовать материалы существующих архивов, включая государственные, ведомственные и производственные.

Мониторинг должен осуществляться путем наблюдений и инструментальных измерений в стационарных точках и отдельных точках авто-маршрутов на базе передвижных лабораторий , располагаемых на местности в количестве, достаточном для полного и равномерного освещения исследуемой территории. Для этого должны быть разработаны единые методическая и метрологическая базы, включая методики для осуществления лабораторного анализа. В процессе мониторинга должны использоваться материалы космических съемок территории с современных космических аппаратов Noaa, Terra, Landsat и перспективных космических, включая национальные казахстанские проекты, результаты аэро- спектрометрических съемок, а также другие данные.

Мониторинг предусматривает, как регулярные систематические стандартные наблюдения за качеством окружающей среды (например, гидрометеорологический мониторинг), так и специализированные исследования (обследования) территории, повторяемые периодически. Для ведения на мировом уровне систематического гидрометеорологического и экологического мониторинга текущего и перспективного состояния окружающей среды на территории, получения качественной и достаточной информации для обеспечения жизни населения, экономической и оборонной деятельности государства, а также и для международного обмена, требуется осуществить модернизацию национальной гидрометеорологической службы. На базе национальной гидрометеорологической службы по осуществлению этого мероприятия создаются предпосылки Единой государственной системы мониторинга окружающей среды, включая Единую систему государственных кадастров природных ресурсов [16].

3.2 Проблема развития мониторинга

В последнее время научно-технический прогресс крайне негативно сказывается на окружающей среде. Различные виды загрязнения окружающей среды вызывают тревогу и озабоченность специалистов-экологов. Проблема защиты окружающей среды стала очень актуальна для многих промышленно развитых стран. В такой ситуации необходимо наладить широкомасштабный и эффективный контроль состояния природы в мегаполисах, возле экологически опасных объектов, и это будет основанием для обеспечения экологической безопасности и устойчивого развития.

Информация о состоянии природной среды необходима для нашей повседневной жизни, для ведения хозяйства, строительства, при чрезвычайных обстоятельствах. Тем более изменение состояния природы происходят не только под воздействием природных процессов, но и деятельность человека носит негативный характер. Необходимость прогноза антропогенных изменений в природе очень специфическая задача.

В современном мире регулярно ведутся наблюдения за климатическими изменениями. Это метеорологические, фенологические, сейсмологические и другие виды наблюдений состояния окружающей среды. Расширился круг наблюдений за природой, число измеряемых параметров, стало больше наблюдательных станций. Проблемы мониторинга окружающей среды стали более сложными.

Наблюдение за состоянием элементов природной среды и наблюдение за источниками и факторами антропогенного воздействия входит в систему экологического мониторинга.

Экологический мониторинг окружающей среды может быть разработан на уровне промышленного объекта, города, района, области, республики в целом. Используя информационный портрет экологической обстановки определяется характер и механизм обобщения информации об экологии окружающей среды. Информационный портрет экологической обстановки – это графически представленные пространственно распределенные данные, которые характеризуют экологию на определенной территории, вместе с картоосновой местности.

Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС) под эгидой ООН, состоит из 5 подсистем: изучение климатических изменений, переноса загрязняющих среду веществ на дальние расстояния, гигиенические аспекты среды, исследования Мирового океана, ресурсов суши. Основная цель мониторинга – новый уровень компетентности во время принятия решений локального, регионального и глобального масштабов.

Система мониторинга работает на следующих уровнях:

• импактный (изучение сильных воздействий в локальном масштабе);

• региональный (проблемы миграции, трансформации загрязняющих веществ, совместное воздействие различных факторов, характерных для экономики региона);

• фоновый (в биосферных заповедниках, где исключена хозяйственная деятельность). Для разработки проекта экологического мониторинга нужна следующая информация:

• источники поступления загрязняющих веществ в природу. Сюда относятся: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленностью, энергетическими, транспортными и др. объектами; сбросы сточных 111 вод в водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ в поверхностные воды суши и моря; внесение в земную поверхность и почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ с удобрениями и ядохимикатами при сельхоздеятельности; места захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ и разливу жидких загрязняющих и опасных веществ и т. д.;

• перенос загрязняющих веществ – процесс атмосферного переноса; процесс переноса в водной среде;

• процесс ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих веществ, т.е. миграция загрязняющих веществ в почвенном слое до грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтно-геохимическому профилю с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов; биохимический круговорот и др.;

• данные состояния антропогенных источников эмиссии – мощности источников эмиссии, их месторасположение, гидродинамические условия поступления в природу [12].

заключение

Таким образом, современный мониторинг окружающей среды – это мощный инструмент взаимодействия человека и среды обитания. Не являясь самостоятельной наукой, мониторинг использует достижения практически всех современных наук. Основу мониторинговых исследований составляет обширный методический аппарат, позволяющий определять состояния компонентов окружающей среды и контролировать многие биосферные процессы.

Системы мониторинга окружающей среды играют исключительно важную роль для природоохранной политики: они являются "глазами и ушами" лиц, определяющих политику, исследователей и общественности, стремящихся понять и улучшить окружающую среду. Национальная политика в области охраны окружающей среды, учреждения и механизмы финансирования определяют условия, в которых функционируют системы мониторинга. Национальная политика может также устанавливать цели их развития. Кроме того, одной из основных задач систем мониторинга является предоставление информации, обеспечивающей проведение природоохранной политики в масштабах страны.

Деятельность самих систем мониторинга опирается на основу, которая включает: законодательную базу и нормативы, устанавливающие цели и требования мониторинга, включая его технические стандарты; учреждения, уполномоченные осуществлять мониторинг и деятельность по сбору, обработке и передаче информации; механизмы сотрудничества и координации между этими учреждениями; и механизмы финансирования.

Мониторинг окружающей среды охватывает различные области. Некоторые из них, например качество окружающего воздуха, выбросы загрязняющих атмосферу веществ, водные ресурсы и их качество, подлежат обязательному мониторингу почти во всех странах. Значение других областей – тех, что связаны с конкретными природными ресурсами, например лесным хозяйством или рыболовством, – зависит от географических условий.

литература

1. Бухтояров, О.И. Методы экологического мониторинга качества сред жизни и оценки их экологической безопасности: учебное пособие / О.И. Бухтояров, Н.П. Несговорова, В.Г.Савельев, Г.В. Иванцова, Е.П. Богданова. – Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2015. – 239 с.

2. Володина, Г.Б. Общая экология: лаб. практикум / Г.Б. Володина, И.В. Якунина. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 104 с.

3. Богословский, В.А., Жигалин А.Д. Экологическая геофизика. – М.: Изд- во МГУ, 2000. – 256 с.

4.Комиссаров, Л.С. Экологический мониторинг окружающей среды: Учеб. Пособие для вузов. В 2 т / Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Ю.Д. Эдельштейн, Д.П. Вент; под ред. П.Д. Саркисова. – М.: Химия, 2011. – 240 с.

5. Шамраев, А.В. Экологический мониторинг и экспертиза: Учебное пособие / А.В. Шамраев // Оренбургский гос. Ун–т. – Оренбург: ОГУ, 2014. – 141 с.

6. Израэль, Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. 2-е изд., доп. – М.: Гидрометеоиздат, 1984. – 560 с.

7. Мазур, О.М. и др. Инженерная экология. В 2 т. / О.М. Мазур, О.И. Молдаванов, В.А. Шишов. – М.: Высшая школа, 1996. – Т. 1.

8. Молчанова, Я.П. и др. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. / Я.П. Молчанова, Е.А. Заика, Э.И. Бабкина, В.А. Сурнин. – М.: Форум, 2007. – 192 с.

9. Реймерс, Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990. – 637 с.

10. Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Ю.Д. Эдельштейн, Д.П. Экологический мониторинг окружающей среды : учеб. пособие для вузов : в 2 т. / Вент ; под ред. П.Д. Саркисова. – М.: Химия, 2005.

11. Королев, В.А. Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем : учеб. пособие/ В.А. Королев; под ред. В.Т. Трофимова. – М.: КДУ, 2007. – 416 с.

12. С.А. Боголюбова. – М. Экологическое право: учебник для вузов / под ред.: Высшее образование, 2006. – 485 с.

13. Садовникова, Л.К. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении : учеб. пособие / Л.К. Садовникова, Д.С. Орлов, И.Н. Лозановская. – 4‑е изд., стер. – М.: Высшая школа, 2008. – 334 с.

14. Р. Кальвода, Я. Зыка, К. Штулик и др.; пер. Электро-аналитические методы в контроле окружающей среды / с англ. под ред. Е.Я. Неймана. – М.: Химия, 1990. – 240 с.

15. Астафьева, О. Е. Экологические основы природопользования : учебник для СПО / О. Е. Астафьева, А. А. Авраменко, А. В. Питрюк. — М. : Издательство Юрайт, 2017. — 354 с

16. Мамраев Б.Б., Акимбаева А.М., Крюкова В.П. Анализ современного состояния и перспективы развития системы мониторинга природной среды//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований . 2010.№ 8. С. 153˗ 160.

17. Назаров, И. М. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения окружающей природной среды. Л., 1989. 420 с.

18. А. А. Мороза. Компьютерные системы поддержки принятия решения в экологии / под ред.Киев, 1991. 320 с.

19. Информационные системы анализа и прогнозирования загрязнения атмосферы стационарными источниками выбросов // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. № 2. С. 52–59.

20. Жиров, А. И. Прикладная экология. В 2 т. Том 2: учебник для академического бакалавриата / А. И. Жиров, В. В. Дмитриев, А. Н. Ласточкин ; под ред. А. И. Жирова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 311 с.