Методы мониторинга территории

Факторы жизни и элементы ландшафта территории определяют необходимость и особенности применения методов ведения мониторинга. Условно их делят на две группы: контактные и дистанционные.

• 1. Контактные методы основываются на непосредственном (контактном) изучении пробы исследуемой среды (воды, воздуха или почвы). К таким методам относятся:
  • • Хроматография - анализ газовой или жидкой смеси (например, пробы загрязненного воздуха или воды), основывается на распределении разных компонентов смеси при пропускании ее через твердый сорбент. Работа проводится на специальном приборе - хроматографе. Результат анализа - хроматографическая кривая (рис. 2.10). Высота и площадь пиков

а

Рис. 2.10. Разделение смеси из трех компонентов (А, Б и В) на хроматографической колонке К с детектором Д:

а - положение хроматографических зон разделяемых компонентов

в колонке через определенные интервалы времени;

б хроматограмма (С сигнал, t время)

• Полярография - 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. Метод используется в основном для выявления примесей меди, свинца, кадмия и цинка.

• • Кондуктометрия - исследование электропроводности и диэлектрической проницаемости пробы вещества окружающей среды. Метод используется для выявления зафязняющих веществ в жидкой среде (питьевая вода и пр.).
• • Кулонометрия - измерение количества электрической энергии, затраченной на осуществление электрохимических процессов в данной пробе исследуемого вещества. Метод позволяет выявлять присутствие в пробе вещества как неорганических, так и органических загрязнителей (нефтепродукты и т. и.).
• • Потенциометрия - базируется на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в пробе компонента окружающей среды. Часто используется для определения водородного показателя pH и концентрации соединений азота.
• • Колориметрия - основывается на изменении (ослаблении) светового потока, пропущенного сквозь пробу исследуемого вещества. Метод используется для анализа загрязнения атмосферного воздуха.
• • Рефрактометрия - базируется на изменении избирательного преломления светового потока, падающего на поверхность пробы исследуемого вещества. Метод позволяет выявить примеси нефтепродуктов в исследуемой пробе.
• • Люминесцентный метод заключается в изучении ответной реакции, которая появляется при облучении пробы исследуемого компонента окружающей среды излучением с определенной длиной волны (например, рентгеновскими лучами). Различные вещества, присутствующие в пробе, формируют ответное излучение в разных зонах спектра.
• • Термография - основывается на изучении изменений свойств (в том числе электрического сопротивления) пробы исследуемого вещества окружающей среды при нагревании.
• • Фотометрия - основывается на сравнении оптических плотностей исследуемой (например, из водохранилища) и контрольной жидкости (чистая вода). Применяется для контроля качества питьевой воды.
• • Ионометрия - основана на избирательности (ионоселективности) электродов к отрицательным и положительным ионам. Применяется для выявления широкого перечня загрязнителей: нитратов, нитритов и, в том числе, тяжелых металлов.
• • Метод титрования основан на взаимодействии раствора исследуемого вещества с раствором-индикатором. Метод применяется при исследовании качества воды и определении концентраций неорганических и органических загрязнителей, щелочности и жесткости.
• 2. Дистанционные (неконтактные) методы мониторинга основаны на изучении сигналов, которые модулирует объект исследований. В качестве сигналов используются радиоволны различных диапазонов, акустическое, гравитационное или электромагнитное излучение. Распространяясь в пространстве, они формируют соответствующие поля. Основное преимущество дистанционных методов заключается в том, что эти поля можно изучать независимо от расстояния, на которое удален объект -источник поля. Это преимущество сделало возможным ведение мониторинга за такими труднодоступными для непосредственного контакта объектами, как озоновый слой, ионосфера, Солнце и т.п.

Дистанционный мониторинг любого объекта может выполняться двумя способами: пассивным и активным. При пассивном способе используют сигнал, исходящий от самого объекта: например, мониторинг Солнца по его излучению. Активный мониторинг предполагает создание зондирующего излучения специальным прибором-излучателем, направление излучения на объект, прием отраженного сигнала и его изучение. В обоих случаях прием сигнала осуществляют с помощью радиолокационных и оптико-электронных приборов (радиолокаторов, радиометров, аэрофотоаппаратов и т.д.). Излучатель и приемник сигналов могут устанавливаться как на борту одного и того же самолета, вертолета или космического аппарата, так и раздельно, например излучатель на космическом аппарате, а приемник - на Земле. Во всех случаях информацию принимают в пунктах контроля и управления на поверхности Земли. Приборы, оборудование и программное обеспечение неконтактных методов мониторинга окружающей среды постоянно совершенствуются.

В зависимости от объекта исследований различают:

• 1. Метеорологический мониторинг или мониторинг атмосферы. Для ежесуточного прогноза погоды используют лазерное (лидарнос) зондирование. Устанавливают следующие параметры: температуру воздуха, атмосферное давление, относительную влажность воздушных масс, направление и скорость ветра, концентрацию примесей (загрязняющих веществ) в виде газов и аэрозолей. Для наблюдения применяют радиолокаторы с радиусом действия до 500 км. Динамические характеристики перемещения приземных воздушных масс получают при использовании спутниковых систем. Их применение обусловлено необходимостью достоверного прогноза погоды на большой территории. Аппаратура, установленная на спутнике, позволяет зондировать территорию в 1500 км². При необходимости локального прогноза погоды (на маяках, в аэропортах и пр., 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.
• 2. Мониторинг поверхностных вод по радиояркости воды, то есть в зависимости от физического состояния поверхности воды ее способность излучать (отражать) радиоволны в широком диапазоне их длины. По изменению длины волны (радиояркости) можно оценить следующие параметры:
  • • волнение - в миллиметровом диапазоне;
  • • температуру - в сантиметровом диапазоне;
  • • соленость воды - в дециметровом диапазоне;
  • • загрязненность водной поверхности нефтью:
    • - легкими фракциями в диапазоне 360-460 нм;
    • — тяжелыми фракциями в диапазоне около 500 нм.
  • 3. Мониторинг снежного покрова позволяет 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 нем наилучшим образом отображается контраст между снегом и почвой.
  • 4. Мониторинг почвенно-растительного покрова осуществляют, используя следующие оптические характеристики:
  • • коэффициент спектральной яркости: отношение яркости измерения к яркости эталонного рассеивания:
  • • спектральные отражательные характеристики;
  • • альбедо: отношение потока падающего света к отраженному потоку.

Инструментальные методы основаны на измерении различных физических и химических свойств веществ, определяемых с помощью приборов. Устанавливают количественные характеристики загрязняющих веществ или продуктов их химических превращений (аналитическая реакция). Например, используются радиоволны красного и инфракрасного диапазонов (длина волны 0,6-11 мкм). По О.Н. Николаеву такой мониторинг позволяет четко выделить различия между влажной и сухой почвой, разреженной или густой зеленой растительностью.

Спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным изучением широкого диапазона энергией. В порядке уменьшения энергии это: гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Фиксируется сигнал испускания или поглощения. Для экологического мониторинга также используются спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия. нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный, рснтгсноспсктральный и атомно-эмиссионный анализ. Электрохимические методы анализа воды: потенциометрия, полярография и кулонометрия.

Хроматография, позволяющая анализировать сложные смеси компонентов, является мощным средством контроля загрязнения среды обитания. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография с большим эффектом используется при определении наличия пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного - позволяет достигать высокой чувствительности при определении высококачественных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих, прежде всего нелетучих, загрязняющих веществ. При необходимости определять очень малые количества вещества используются высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические,

флуориметрические, электрохимические. Анализ смесей сложного состава особенно эффективно осуществлять путем сочетания хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. Роль детектора здесь играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр, а ускорение процесса достигается оснащением прибора мощным компьютером. Этим методом устанавливают наличие пестицидов, полихлорированных бсфснилов, диоксинов, нитрозоаминов и других токсичных веществ. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного состава вод.

По специфике методов измерения и анализа экологической информации выделяют геофизический и геохимический методы.

Сущность геофизического метода состоит в изучении процессов поступления и превращения вещества и энергии в городских геосистемах и экосистемах на основе балансового подхода. Наблюдения проводятся по специальной программе и методике на стационарах и в полустационарных условиях на постоянных участках и профилях с применением точных измерительных приборов. Программа включает инструментальное определение элементов радиационного, теплового и водного балансов, исследование тепло- и влагообмена между компонентами природной среды, водно-теплового режима и его влияния на продуктивность геосистем и экосистем. Сравнение структуры балансов городской трансформированной и ненарушенной (прилегающей к городу) территорий позволяет выявить направление и степень изменений, а также количественно оценить возможные тенденции развития экологических характеристик города и последствия хозяйственной деятельности человека.

Геохимический метод заключается в изучении функционирования и развития природных систем с помощью анализа миграции химических веществ и элементов. В стационарных и полустационарных условиях изучается поступление элементов естественным путём и в результате хозяйственной деятельности человека. Выясняются интенсивность и пути их водной и воздушной миграции. С учетом различной степени антропогенной трансформации городских ландшафтов и влияния тсхногснсза устанавливают состав растворенных веществ и биологический круговорот элементов. Анализ носит сопряжённый характер и захватывает все основные компоненты природной среды, воздух и атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды, горные породы и почвы, растения. Геохимический метод даёт возможность определить закономерности изменения химического состава природных компонентов и комплексов, их устойчивость к различным веществам и способности к самоочищению, выявить вероятность формирования городских техногенных аномалий, скорости распространения и пространственные масштабы загрязнения.

Важнейшей частью мониторинга городской территории являются биологические методы, которые представляют собой систему наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биотических компонентах, вызванных факторами антропогенного происхождения.

Многие организмы весьма чувствительны и избирательны по отношению к различным факторам среды обитания: химическому составу почвы, вод, атмосферы, климатическим и погодным условиям, присутствию других организмов и т.п. Они (организмы) могут существовать только в определенных, часто узких границах изменения этих факторов (см. рис. 2.1). Положительный, отрицательный таксис или поведение биологических объектов позволяют характеризовать качество окружающей среды. На этом основаны методы биоиндикации и биотестирования.

Биоиндикация заключается в обнаружении и определении экологически значимых природных и антропогенных нагрузок по наблюдениям реакций живых организмов на эти нагрузки непосредственно в среде их обитания. Живые организмы называются биоиндикаторами, по поведению и состоянию которых можно судить об изменении окружающей среды.

Биотестирование предполагает экспозицию в загрязненную среду растений или животных (биоиндикаторов) и сравнение их параметров с идентичными биоиндикаторами, выращенными в нормальных условиях. С их помощью производится оценка загрязнения окружающей среды. Одним из видов биотестирования является биоаккумуляция. Сравниваются параметры интенсивности и количественные характеристик накопления в организме загрязняющих веществ, поступающих из окружающей среды.

Для биоиндикации используются биообъекты разных рангов, включая молекулярный и клеточный, а также разные виды и сообщества растений и животных. Их конкретное применение определяется кругом решаемых задач. Если необходимо выяснить общий уровень загрязненности, то в качестве биоиндикатора используют поведение (таксис) сообщества живых организмов. В случае же необходимости конкретизировать степень загрязнения осуществляют выбор организма, эффективно реагирующего на исследуемый параметр. В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы: бактерии, водоросли, высшие растения, животные, как беспозвоночные, так и земноводные и млекопитающие.

Для разных типов экосистем выявлены конкретные биоиндикаторы. Например, наземные экосистемы наиболее часто тестируются растениями. При изменении внешних условий включается приспособительный механизм растений, который оказывает влияние как на изменение морфологии вегетативных органов, так и на их анатомические структуры. Наблюдение морфологии заключается в определении отклонений биометрических величин вегетативных органов от оптимальных размеров. Для этого используют показатели: годичный прирост длины и толщины побегов, размеры листьев и почек, площадь листовой пластинки и степень ее повреждения и т.д. Анатомический подход заключается в определении размеров структуры и особенностей тканей внутри вегетативных органов растений, например изменение толщины структурных элементов внутри листовой пластинки, размеров и количества устьиц и др. При реализации метода необходимо использовать специальную аппаратуру, поэтому анатомический подход используют при необходимости углубленной характеристики функционального состояния растений.

При биоиндикации растениями используется еще ряд подходов:

• • фитобиохимический: исследование изменений количественных характеристик и состава химических элементов в теле и листьях растения;
• • электрофизиологический: изменение (уменьшение)

электрического сопротивления тканей растений при отмирании клеток;

• • спектрофотометрический: изменение спектральных особенностей отражения света листьями при понижении содержания в них хлорофилла;
• • дендроиндикация: изучение скорости прироста биомассы растений в зависимости от изменений факторов природной среды;
• • Лихеноиндикация: определение качества воздуха с помощью лишайников.

В перечисленных методах биоиндикации лихеноиндикация (с помощью лишайников) занимает особое место, так как лишайники обладают специфическими свойствами. Они реагируют на изменение состава атмосферы, обладают отличной от других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов, начиная со скал и кончая корой и листьями деревьев, удооны для экспозиции в загрязненных районах. Среди лишайников выделяют четыре экологические группы:

• • эпифитные - растущие на корнях деревьев и кустарников;
• • эпиксильныс - растущие на обнаженной древесине;
• • эпигейные - растущие на почве;
• • эпилитные - растущие на камнях.

При биоиндикации определяются видовой состав, биомасса, индексы соотношения показателей обилия разных групп (кустистых, листоватых, эпифитных и др.), морфологические и структурные показатели.

С помощью лишайников получают достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. Наиболее чувствительной является эпифитная группа. При этом оксид серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы обладают сверхповышенным влиянием на вегетативные характеристики лишайников. Многие лишайники погибают даже при невысоких уровнях загрязнения атмосферы этими веществами.

Очень чувствительны к загрязнению воздуха хвойные деревья. В частности, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) считается важнейшим биоиндикатором антропогенного влияния. В качестве показателей загрязнения анализируются: величина годового прироста, размеры и количество шишек, масса и характерные повреждения хвои, анатомическое строение и содержание хлорофилла. По этим данным устанавливают воздействие промышленных газов.

Методом биоиндикации устанавливают степень загрязненности вод. Для этого применяют метод сапробности, учитывающий относительную частоту встречаемости гидробионтов. При использовании индикаторных организмов разработаны и другие методы.

Качественное состояние почв определяется как по растениям-индикаторам, так и по почвенной биоте. По растениям-индикаторам устанавливают химический состав почв, обогащенность питательными элементами, степень кислотности и др. Крупных беспозвоночных животных: дождевых червей (Lumhricina) и многоножку (Myriapoda Latreille) также используют в качестве индикаторов при диагностике почв. Микроорганизмы являются чуткими биоиндикаторами. Они реагируют на различные изменения в среде, например, на суммарное техногенное загрязнение почв. Его оценивают по таким показателям, как численность, структура микробиоценозов, ферментативная активность. Количественную оценку загрязнения почв токсикантом выявляют путем использования микроорганизмов-накопителей: определяют, например, численность микроорганизмов, использующих в качестве субстрата питания вещества техногенного происхождения.

Использование в качестве индикаторов позвоночных животных проводится на всех уровнях их организации. Например, на организменном уровне сравнительным анализом морфоанатомических, поведенческих и физиолого-биохимических показателей животных оценивается состояние их среды обитания. Под воздействием определенных факторов происходят изменения морфоанатомических показателей, которые описывают особенности внешнего и внутреннего строения животных. Эти изменения происходят в структуре тканей, депигментации кожных покровов, в расположении органов, в появлении уродств, опухолей и патологических проявлений. Действенным методом оценки качества окружающей среды является биоаккумуляция. Избыточное содержание в среде обитания загрязнителей проявляется тем же избыточным их содержанием в организме. Это содержание веществ в организмах измеряют и устанавливают степень качества среды обитания.

Применение методов биоиндикации и биотестирования в сочетании с картографированием ареала животных-индикаторов дает возможность установить пути миграции и границы распространения загрязнений и, в том числе, для городской территории. Картографические методы играют важную роль в информационном обеспечении геозкологического моделирования (ГЭМ) и при разработке геоинформационных систем (ГИС). Переход картографии на цифровые методы расширил возможности использования карт для обобщения данных о загрязнениях окружающей среды, анализа разнообразных данных и визуализации результатов. Особенности геоэкологического картографирования применительно к конкретным природным средам заключаются в использовании топографической основы для создания тематических карт.

Выделяются следующие направления использования карт.

• 1. Применение топографических карт:
  • • основные источники информации при создании экологических и разного рода тематических (природоохранных, оценочных и т.д.) карт;
  • • географическая привязка материалов аэрокосмических съемок при их обработке средствами ГИС;
  • • наглядное представление результатов оценки экологической ситуации на исследуемой территории.
• 2. Тематические карты для экологической экспертизы:
  • • ландшафтные;
  • • ландшафтно-геохимические;
  • • использования земель (кадастровые);
  • • антропогенных и техногенных источников воздействия;
  • • почвенные, отражающие качество (степень дшрадации) почв;
  • • состояния растительного покрова;
  • • гидрогеологические и состояния подземных вод;
  • • режима водных объектов (гидрологические);
  • • геоморфологические и оценки процессов;
  • • медико-демографические.

• 3. Экологические карты для обоснования и проектирования инвестиционного процесса. Перечень обязательных или рекомендуемых карт в составе документов по экологическому обоснованию инвестиций на разных стадиях инвестиционного процесса. Основными стадиями экологического обоснования инвестиций, требующими картографического обеспечения, являются инженерно-экологические изыскания и оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС).
• 4. Геоэкологические карты в градостроительном проектировании, которые объединяют в два блока: инвентаризационные и интегральные.
• • Инвентаризационные карты параметров для градостроительного проектирования. Это компоненты городской среды: атмосферный воздух, акустический режим, почвенный и растительный покров, микроклимат городских территорий (инсоляционный и ветровой режимы), геологогеоморфологические, гидрогеологические и гидрологические условия. Отображаемые явления привязываются к градостроительным факторам, которые учитываются в проектных решениях.
• • Интегральные карты содержат конструктивные рекомендации по решению экологических проблем городских территорий и отражают суть эколого-градостроительного проектирования. Такие карты составляются для крупных городских районов или города в целом при формировании стратегии развития и градостроительного прогноза. Являются генеральным планом города. В сравнении с инвентаризационными картами интегральные карты составляются в более мелком масштабе и отражают многообразие городской застройки в сочетании территорий различного функционального назначения.

Таким образом, выделяют химические, физические, биологические и экобиохимические показатели мониторинга, которые получают дистанционным и комплексным методами. На начальном этапе формирования методов мониторинга контролировались, главным образом, показатели, характеризующие загрязнение воздуха, вод и почв. Но уже скоро стало ясно, что для решения проблем охраны окружающей природной среды недостаточно устанавливать состояние отдельных компонентов природы и отдельных антропогенных влияний. Появилась необходимость в организации комплексного геоэкологического мониторинга, основанного на учете всех взаимосвязей между компонентами природы и их трансформацией в результате антропогенного воздействия. Такой мониторинг позволяет получать разностороннюю информацию о состоянии среды обитания, формировать базы экологических данных, выявлять процессы деградации гео- и экосистем и прогнозировать их будущее состояние.