Принципы организации и аппаратурно-техническое оснащение системы регионального экологического мониторинга (на примере регионов Европейской территории России)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Принципы организации и аппаратурно-техническое оснащение системы регионального экологического мониторинга (на примере регионов Европейской территории России)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

кандидата географических наук

Багрянцев Владимир Анатольевич

Москва-2013

Работа выполнена в Научно-производственной ассоциации «Эколого-информационные системы контроля окружающей среды» (НПА «ЭСКОС»).

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, заведующий отделом научной экспертизы Всероссийского научно-исследовательского института химических реактивов и особо чистых химических веществ (ФГУБ «ИРЕА»), г. Москва. Разяпов Анвар Закирович

Официальные оппоненты: Доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории географии и эволюции почв Федерального Государственного Бюджетного Учреждения, «Институт географии РАН», г. Москва. Замотаев Игорь Викторович

Кандидат географических наук, доцент кафедры почвоведения, экологии и природопользования, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству», г. Москва. Соколова Татьяна Альбиновна

Ведущая организация Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт экологии города (НИиПИ ЭГ), г. Москва.

Защита диссертации состоится « 30 » декабря 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 220.25.03 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству» по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, 15 (конференц-зал), тел. (499) 261-49-63, факс (499) 261-95-45.

Автореферат диссертации разослан и размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству» www.guz.ru и на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru «29» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат диссертации просим присылать по адресу: 105064, Москва, ул. Казакова, 15, диссертационный совет Д 220.25.03 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета по землеустройству.

Автореферат разослан и размещен на сайте www.guz.ru « 29 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук: Хуторова А.О.

европейский мониторинг экологический

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Дальнейшее продвижение в практическую плоскость многочисленных проектов и программ по экологии и экологической безопасности, разработанных в Российской Федерации и на уровне регионов, неизбежно сталкиваются с проблемами организации полномасштабных систем экологического мониторинга. Определенные трудности в реализации этих программ возникают и в связи со слабой информационно-аналитической и аппаратурно-методической базой систем мониторинга территорий и промышленных объектов России. Поэтому дальнейшее развитие Единой государственной системы экологического мониторинга РФ, а также и ее подсистем регионального и локального уровня является актуальной задачей и требует совершенствования, в первую очередь, аппаратурно-технического обеспечения, расширения перечня контролируемых параметров, повышения оперативности и надежности получаемых данных наблюдений. Степень проработанности этих позиций систем мониторинга крайне неудовлетворительна, хотя ряд рекомендаций общего характера приводится в целом ряде работ. Однако для развития подсистем территориального уровня этого явно недостаточно и требует изучения с учетом множества факторов, связанных со специфической особенностью объекта исследования. Отметим также, что, наряду с наземной сетью постов контроля, особенно эффективны мобильные измерительные комплексы, включающие передвижные экологические лаборатории, переносные приборы-анализаторы, а также методы дистанционного зондирования. Эти средства измерений обеспечивают получение оперативной информации о состоянии исследуемых территорий (объектов), подверженных воздействию техногенных источников загрязнения. Вместе с тем они требуют специального рассмотрения и разработки соответствующих рекомендаций.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является дальнейшее развитие методологических основ и разработка предложений по совершенствованию информационно-аналитической и аппаратурно-измерительной базы региональной системы экологического мониторинга.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ экологического состояния регионов Европейской территории России и определить основные проблемы, требующие решения в плане совершенствования систем мониторинга и контроля;

- оценить возможности действующих систем экологического мониторинга и разработать предложения по их модернизации и развитию;

- провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на реализацию предложений по принципам организации и аппаратурно-техническому оснащению региональной системы экологического мониторинга.

Направление и методы исследований. Объектом диссертационного исследования является региональный уровень Единой государственной системы экологического мониторинга России (ЕГСЭМ). Региональные (территориальные) системы экологического мониторинга являются, как известно основой ЕГСЭМ и требуют совершенствования и развития. Поэтому основные теоретические и экспериментальные исследования были направлены на разработку методологических основ и информационно-аналитического обеспечения мониторинга природных и природно-техногенных объектов в интересах экологической безопасности и рационального природопользования.

Научная новизна, достоверность и обоснованность. Новизна работы состоит в том, что впервые рассмотрены вопросы, связанные с развитием региональной системы экологического мониторинга - ключевого звена ЕГСЭМ Российской Федерации. Также впервые проведен детальный анализ становления и развития системы мониторинга, ее научных основ, принципов организации, нормативно-правовой и аппаратурно-методической базы, существующих экотехнологий и методов контроля. При этом особо подчеркнуто, что мониторинг - это информационно-измерительная система наблюдений объектов окружающей среды. Предложена концепция и разработаны общие принципы организации, состав и структура, а также схема функционирования региональной системы экологического мониторинга (РГСЭМ). Предложенные принципы формирования состава и структуры РГСЭМ включают наземные средства, полевые и дистанционные методы на базе кооперации сил и средств региона и приграничных территорий. Выделены проблемы, требующие создания межрегиональных объединений. С учетом особенности исследуемых территорий и объектов осуществлена привязка соответствующих методов и контрольно-измерительной аппаратуры. Достоверность и обоснованность положений продемонстрирована теоретическими исследованиями с использованием методологии системного анализа и математического моделирования, а также результатами экспериментов по контролю загрязнений природных и природно-техногенных объектов на территории регионов Европейской территории России.

Практическая значимость. Методы и аппаратура контроля наземной сети, а также методы дистанционного зондирования рекомендованы автором для повышения эффективности контроля состояния и динамики природных и природно-техногенных объектов (территорий). Результаты этих исследований могут быть использованы для модернизации системы экологического мониторинга регионального уровня. Материалы впервые проведенного в диссертации системного, комплексного анализа научных основ и принципов организации систем мониторинга могут быть использованы в качестве учебного пособия (курса лекций, семинарских занятий) для системы вузовского образования,

Личный вклад автора состоит в обосновании и выборе направлений теоретических исследований и непосредственном участии в экспериментах, связанных с полевыми работами в различных регионах страны по изучению на месте природных и природно-техногенных объектов. Автор предложил концептуальную модель развития системы регионального экологического мониторинга и его аппаратурно-техническое оснащение. Теоретические исследования автора были посвящены изучению закономерностей процессов регионального и локального переноса атмосферных загрязнений, обоснованию перечня приоритетных веществ, подлежащих обязательному контролю в объектах природной среды.

Основные положения, выносимые на защиту:

* концепция развития и общие принципы формирования региональной системы экологического мониторинга;

* состав, структура и аппаратурно-методическое обеспечение системы регионального экологического мониторинга;

* обоснование перечня загрязняющих веществ и параметров техногенных факторов воздействия на природные объекты, подлежащих обязательному контролю;

* предложения по созданию и оборудованию многофункциональной мобильной экологической лаборатории и организации подсистемы контроля физических факторов воздействия;

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на 2 научных конференциях ( ГУЗ и РАН), по работе опубликованы 8 статей, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, поданы 2 заявки на изобретение (патенты РФ). Кроме того, исследования по теме диссертационной работы представлены в 4 итоговых отчетах по НИР (Экологический контроль промышленных объектов и городских территорий).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, она изложена на 152 стр., включает 12 таблиц и 25 рисунков. Список литературы включает 83 наименования, в том числе 14 в зарубежных изданиях.

Основное содержание диссертации

Во введении дана общая характеристика, где обоснована актуальность темы исследования, рассмотрены цели и задачи, показаны направление и методы исследования. Кроме того, сформулированы новизна, достоверность и обоснованность полученных результатов, практическая значимость и личный вклад автора, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Экологические проблемы Российской Федерации и ее регионов» рассмотрены основные экологические проблемы России в целом и ее регионов. Основное внимание уделено Европейской территории РФ (ЕТР), где сосредоточен основной промышленный и научно-технический потенциал страны. Кроме того, близость к границам стран ЕС и необходимость наблюдения трансграничного переноса загрязнений с западными и северо-западными воздушными потоками требует создания систем мониторинга в соответствии с международными соглашениями. Аппаратурно-методическая база мониторинга должна охватывать достаточно широкий спектр загрязнений, обеспечивая высокую надежность и точность количественных измерений.

Изложены экологические проблемы г. Москвы и Московского региона, г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области, Тульской области и Краснодарского края - регионов ЕТР, которые выбраны в качестве объектов исследования. Сложившаяся ситуации в РФ и указанных регионах оценена на анализе материалов официальных публикаций - Государственных докладах в целом по стране и на уровне регионов и муниципальных образований, ежегодных отчетах Росгидромета. Автором особо выделена информация, содержащаяся в проекте Технологической платформы Русского географического общества (РГО) «Технология экологического развития».

Проведенный в работе детальный анализ и обобщение опубликованных материалов к настоящему времени показал, что экологическая обстановка в большинстве регионов страны (особенно на крупных промышленно-урбанизированных территориях) остается неблагополучной, а загрязнение природных объектов недопустимо высоким, а ситуация с отходами производства и потребления превращается в почти неразрешимую проблему.

Вызывает тревогу, то, что, несмотря на реализацию в последние годы комплекса природоохранных мероприятий в различных регионах страны, включая крупные экологические проекты и программы, экологическая ситуация в стране не меняется к лучшему (рис.1).

Рис.1 Экологическая карта Российской Федерации (проблемы экологии областей, районов и городов)

В 136 городах, где проживает 55 % городского населения, наблюдается высокий и очень высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха, связанный с неуклонным ростом транспортных выбросов (42 % общего объема выбросов) и недостаточной эффективностью очистных сооружений в промышленности. В крупных городах автотранспортные выбросы значительно превышают выбросы промышленных предприятий (в г. Москве ? более чем десятикратное, а в г. Санкт-Петербурге - девятикратное превышение).

По результатам анализа и обобщения полученной информации можно сделать следующие выводы. Экологическая ситуация в Российской Федерации и в ее регионах производит удручающее впечатление. Высок уровень загрязнения атмосферного воздуха, водных объектов, почв и земель различного назначения. Сохраняется сложное положение в крупных городах и на промышленно-урбанизированных территориях. Не решается проблема управления отходами производства и потребления. На вооружении соответствующих служб остается в основном способ захоронения ТБО на полигонах, слаба технологическая база переработки отходов, на всех декларируется лишь пожелание использования инновационных проектов по энергосбережению и малоотходным технологиям.

Вторая глава «Действующая система экологического мониторинга РФ» посвящена анализу существующей Единой государственной системы экологического мониторинга России (ЕГСЭМ) и системы на территории ЕТР. Отдельно рассмотрены возможности системы города Москвы и Московского региона. Система экологического мониторинга Московского региона, а точнее города Москвы, рассматривается автором в качестве исходной модели системы мониторинга регионального уровня, поскольку ее состав и структура, функционирование подсистем, аппаратурно-техническое оснащение отражают современное представление о системах такого уровня. Поэтому в работе достаточно подробно рассмотрена действующая в настоящее время система мониторинга и связанная с ней система экологического контроля.

В главе дано подробное описание Единой государственной системы экологического мониторинга России (ЕГСЭМ). В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 24 ноября 1993 года № 1229 «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга» (ЕГСЭМ) и поручения Правительства Российской Федерации от 4 января 1995 года № ВЧ-П9-00155 было утверждено Положение о ЕГСЭМ Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ (9 февраля 1995 г. № 49). Это Положение определяло цели и задачи организации и функционирования Единой государственной системы экологического мониторинга, ее структуру, порядок функционирования, правовой статус информации.

Единая государственная система экологического мониторинга функционирует и развивается с целью информационного обеспечения управления в области охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов, обеспечения экологически безопасного устойчивого развития страны и ее регионов, ведения государственного фонда данных о состоянии окружающей среды и экосистем, природных ресурсах, источниках антропогенного воздействия.

В соответствии с основными задачами в ЕГСЭМ осуществляется мониторинг состояния природных сред, экосистем, природных ресурсов и источников антропогенного воздействия, а также информационное обеспечение решения экологических проблем. Эти работы выполняются в рамках ЕГСЭМ на единых научно-методических подходах.

Кроме того, декларировалось, что ЕГСЭМ создается на основе территориально-ведомственного принципа построения, предусматривающего максимальное использование возможностей существующих государственных и ведомственных систем мониторинга состояния окружающей природной среды, источников антропогенного воздействия, природных ресурсов, экосистем.

Однако уже в 1995 г. Межведомственная комиссия по экологической безопасности Совета безопасности РФ констатировала следующее:

* действующие системы и службы мониторинга состояния окружающей природной среды, являющиеся базой ЕГСЭМ, включая подсистемы источников антропогенного воздействия и влияния неблагоприятных факторов на среду обитания человека, не удовлетворяют требованиям оперативного информационного обеспечения управления в области охраны, рационального использования природных ресурсов и экологически безопасного устойчивого развития страны и ее регионов;

* в результате продолжающегося сокращения наблюдательных сетей, снижения технического уровня измерительных систем и ухудшения их метрологического обеспечения значительно снижается информативность и достоверность получаемых данных.

Комиссия, в частности, рекомендовала:

* считать приоритетной задачу укрепления действующих систем и служб мониторинга, а также принять меры по исключению дублирования деятельности федеральных и территориальных подсистем ЕГСЭМ;

* принять меры к усилению деятельности территориальных органов по контролю за соблюдением установленных нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду;

* при формировании планов НИР и ОКР обеспечить приоритетность финансирования тем, связанных с развитием и повышением эффективности функционирования ЕГСЭМ (методического, технологического и метрологического обеспечения), ее федеральных и территориальных подсистем;

* внести предложения в Правительство РФ по инструментальному обеспечению типовой автоматизированной сети наблюдений за состоянием окружающей природной среды и источников загрязнений территориального и локального уровней ЕГСЭМ.

Региональные системы экологического мониторинга на Европейской территории России, действующие в настоящее время, характеризуются недостаточным аппаратурно-техническим оснащением. Используются в основном лабораторные методы контроля, основанные на отборе проб и их анализе на устаревшем оборудовании. В этих системах практически не используются современные мобильные средства контроля.

Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха в Тульской области проводится ФГБУ ««Тульский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» на 10 стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ): 5 ПНЗ в г. Туле, 3 ПНЗ в г. Новомосковске и 2 ПНЗ на территории музея-усадьбы «Ясная Поляна». Контроль ведётся по следующим показателям: взвешенные вещества, диоксид серы, оксид углерода, диоксид и оксид азота, сероводород, фенол, аммиак, формальдегид, метанол, бенз(а)пирен, тяжелые металлы (свинец, никель, медь, железо, марганец, хром, цинк). Данный перечень не включает вещества, предусмотренные Директивой ЕС и рекомендациями ВОЗ, а именно: приземный озон, мелкодисперсные частицы взвешенных веществ (РМ₁₀), летучие органические вещества, а также бензол, кадмий, мышьяк, ртуть и др.

Наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха на территории Краснодарского края проводятся всего на 12 стационарных постах в следующих 6 городах края: Краснодар - 4, Новороссийск - 3, Сочи - 2, Белореченск, Туапсе, Армавир - по 1.

Наблюдения за качеством морских вод осуществляется на 35 станциях по 14 гидрохимическим показателям в районе городов Новороссийск, Сочи, Туапсе, Геленджик, Анапа, а в Азовском море - в районе г.Темрюк - на 18 станциях по 16 гидрохимическим показателям.

Наблюдения за естественной радиоактивностью на сети ГСН проводились на 26 метеостанциях. Кислотность выпадающих на территории края осадков контролировалась в 9 населенных пунктах.

Приходится констатировать, что в крае отсутствуют автоматизированные системы контроля за выбросами загрязняющих веществ и состоянием окружающей природной среды.

В третьей главе «Научные основы мониторинга окружающей среды» рассмотрены научные основы и теоретические исследования, выполненные в основном учеными и специалистами России по проблемам создания многоуровневых систем экологического мониторинга. Автором диссертации приведены основные положения и ключевые понятия, разработанные экспертами Научного комитета ООН по окружающей среде, в преддверии Международной конференции по окружающей среде, день начала которой (5 июня 1972 года) отмечается как Всемирный день охраны окружающей среды.

При подготовке к вышеуказанной первой Международной конференции ООН по окружающей среде в г.Стокгольме (1972 г.) экспертами комиссии Научного комитета по проблемам окружающей среды (Scientific Committee on Problems of the Environment - SCOPE) этот термин было предложено использовать для обозначения системы повторных наблюдений одного и более элементов природной среды в пространстве и во времени с определенными целями и в соответствии с заранее подготовленной программой. Основные положения, ключевые понятия и определения системы мониторинга были впервые представлены американским ученым профессором Р. Мэнном (1970 г.).

Кроме того, решением участников конференции была принята рекомендация по созданию Глобальной системы мониторинга окружающей среды (Global Environment Monitoring Systems- GEMS), обоснованная специалистами SCOPE.

Основные положения и цели программы GEMS были сформулированы в 1974 году на Первом межправительственном совещании по мониторингу, на котором первоочередной задачей была признана организация мониторинга загрязнения окружающей природной среды и вызывающих его факторов воздействия.

Система мониторинга реализуется на следующих уровнях:

* импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе - уровень I);

* региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона - уровень R);

* фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность - уровень F).

Далее в данной главе излагаются теоретические исследования отечественных специалистов в области систем мониторинга и особенностей их организации.

И.П.Герасимов определил содержание термина мониторинг «как систему наблюдений и контроля за состоянием окружающей среды с целью рационального использования природных ресурсов, охраны природы и обеспечения стабильного функционирования геосистем различного хозяйственного назначения».

Далее в данной главе излагаются основные положения теории экологического мониторинга, разработанной академиком РАН Ю.А. Израэлем. В соответствии с определением, введенным Ю.А. Израэлем, экологический мониторинг - информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов (рис.2).

Рис.2 Блок-схема экологического мониторинга (Ю.А. Израэль)

Блоки «Наблюдения» и «Прогноз состояния» тесно связаны между собой, так как прогноз состояния окружающей среды возможен лишь при наличии информации о фактическом состоянии (прямая связь). Построение прогноза, с одной стороны, это знание закономерностей изменений состояния природной среды. С другой стороны, направленность прогноза в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь).

Такая трактовка термина практически без изменения его сути закреплена и в уже упоминавшемся Законе РФ «Об охране окружающей среды». В частности, в первой его статье дается следующее определение: «мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов». Отличие здесь только в том, что экологический мониторинг - это, во-первых, комплексная система, а, во-вторых, объектами «мониторирования» являются как природные, так и антропогенные факторы.

С точки зрения профессора А.З. Разяпова, научного руководителя настоящей диссертационной работы мониторинг (экологический мониторинг) - это система постоянных наблюдений объектов окружающей среды и биосферы в целом путем измерения соответствующих параметров и характеристик с научно обоснованными целями и программами. Такое понимание термина мониторинг достаточно точно передает его содержание и соответствует первоначальному определению Научного комитета ООН. Автор подчеркивает также, что здесь имеется ввиду система наблюдений всей совокупности параметров и характеристик окружающей среды независимо от того, какими причинами они вызваны естественными или антропогенными.

В этой главе излагаются также теоретические положения академика РАН Ю.М. Арского и сотрудников, представляющих собой работы фундаментального характера. Авторы отмечают, что создание геоинформационной системы глобального экологического мониторинга может быть осуществлено путем объединения ГИС-технологии, методов экспертных систем и имитационного моделирования. По масштабам территорий, которые охватывают современные ГИС, различают глобальные, континентальные, национальные, региональные, вплоть до систем локального уровня.

Основные идеи авторов сводятся к следующему. Во-первых, развитие моделей биогеохимических, гидрофизических, климатических и других процессов в окружающей среде, обеспечивающих синтез образов ее подсистем, неизбежно требует формирования систем автоматизации обработки данных мониторинга и создания соответствующих баз данных. Во-вторых, существуют сбалансированные критерии отбора информации, учитывающие иерархию причинно-следственных связей в биосфере, которые включают согласование допусков и глубины пространственной дискретизации при описании атмосферы, наземных экосистем и гидросферы, степень их элементной детализации. В-третьих, применение математического моделирования в системах спутникового мониторинга может дать практический эффект только при создании единой сети данных, сопряженной с моделью системы «Природа-Общество». И, наконец, концептуальная схема адаптивного режима, таким образом, организованного мониторинга диктует принятие такой архитектуры системы мониторинга, которая бы объединяла знания различных наук в единую систему и создавала возможность гибкого управления этими знаниями, что возможно, как отмечалось выше, объединением ГИС-технологии, методов экспертных систем и имитационного моделирования.

Далее в работах авторов отмечается, что ГИС обеспечивает обработку географических данных, связь с базами данных и символическое представление топологии изучаемых территорий. Расширение ГИС до ГИМС (Геоинформационной мониторинговой системы) позволит прогнозировать возможные сценарии изменения условий функционирования подсистем окружающей среды. При этом имеющиеся измерения параметров подсистем могут быть использованы, как для оценки коэффициентов моделей, так и непосредственно для прогнозной оценки по методике эволюционной технологии.

По материалам исследований, представленных в данной главе диссертационной работы, вытекают следующие выводы:

- система экологического мониторинга является геоинформационной системой, предназначенной для контроля природных и техногенных процессов (явлений), объектов (территорий) с соответствующей методической и технической базой; она должна быть независимой с постоянно развивающейся информационной и аппаратурно-методической базой измерений;

- система основана на измерении достаточно представительного набора параметров геофизических, гидрометеорологических, радиационных воздействий, химических, биохимических загрязнений, характеризующих текущее состояние среды и ее изменение в пространстве и во времени;

- для региональной (территориальной) системы, включающей и объекты (территории) локального уровня, приоритетным направлением представляется развитие информационной и аппаратурно-методической составляющих, которые определяют в конечном счете ее эффективность.

В Главе 4 «Организация экологического мониторинга регионального уровня» изложены собственные теоретические и экспериментальные исследования автора по методологии и принципам организации системы мониторинга регионального уровня.

В методологическом плане при построении системы экологического мониторинга регионального уровня (области, городских агломераций, промышленных центров) основной и вполне очевидный принцип - выбор состава и структуры системы должен осуществляться исходя из физико-географических, гидрометеорологических и иных особенностей территории. Вторым и чрезвычайно важным по значимости является принцип, характеризующий уровень и масштабы развития промышленного производства, автотранспорта, состояние городских и сельских поселений и др. Этот принцип особенно важен при формировании системы для территорий с высоким уровнем урбанизации, к которым, в частности, относятся регионы ЕТР.

Территориальные системы мониторинга должны быть направлены на решение следующих задач:

- оценку состояния среды с целью «инвентаризации» природных и природно-техногенных территорий и объектов в масштабах всего региона;

- выявление опасных и потенциально опасных природных процессов (явлений);

- определение «горячих точек» на карте региона - промышленных объектов с высоким уровнем выбросов (сбросов) загрязнений;

- составление перечня приоритетных загрязняющих веществ (характерных для данного региона), подлежащих обязательному контролю в атмосферном воздухе, водных объектах, почвах;

- оценку состояния экологической безопасности урбанизированных территорий региона - больших и малых городов, индустриальных центров, сельских поселений;

- исследование и анализ процессов трансграничного переноса загрязнений;

- решения проблем управления отходами производства и потребления.

В основу аппаратурно-методического обеспечения системы экологического мониторинга региона, на наш взгляд, должен быть положен территориально-отраслевой принцип, предусматривающий:

- использование собственных сил и средств региона (действующая региональная система);

- кооперацию с сопредельными регионами по совместному использованию аппаратурно-методической базы контроля (проблемно-ориентированная кооперация);

- использование возможностей систем контроля отраслей промышленности, энергетики и др., в частности крупных естественных монополий, объекты которые располагаются на территории региона (территориально-отраслевая кооперация);

- получение, анализ и обработку экологических данных, поступающих по линии федеральных структур (ведомств), задействованных в ЕГСЭМ.

Использование собственных «мощностей» в сочетании с возможностями информационно-измерительных средств природоохранных центров (служб) приграничных областей (городов) представляется экономически оправданным и эффективным в плане контроля, например, загрязнений атмосферного воздуха, водных артерий, земель (почв) на общей аппаратурно-методической и нормативно-правовой базе. Кроме того, весьма успешными могут оказаться совместные усилия по управлению (утилизации, обезвреживанию) отходами производства и потребления - давно назревшей и непростительно медленно решаемой в нашей стране чрезвычайно важной экологической проблемы.

В самом общем случае в соответствии с основными целями и программами наблюдений РГСЭМ должна включать подсистемы контроля состояния следующих объектов окружающей среды, являющиеся традиционными с точки зрения выбора основных объектов мониторинга:

- атмосферный воздух и источники выбросов;

- водные объекты, включая открытые водоемы, подземные воды, поверхностный сток, промышленные стоки;

- почвы (городские и загородные), земли различного назначения;

- сухие выпадения и осадки.

Наряду с этим РГСЭМ включает подсистемы (службы), ориентированные на решение принципиально новых экологических задач. Эти задачи особенно актуальны для регионов Европейской территории страны в связи со следующими положениями, впервые затрагиваемые в данной работе.

Перечислим некоторые из этих масштабных задач:

* РГСЭМ регионов ЕТР должна быть нацелена на постоянный контроль загрязняющих веществ, обусловленных трансграничным их переносом (со стороны стран ЕС).

* РГСЭМ регионов ЕТР должна быть нацелена на постоянный контроль загрязняющих веществ, влияющих на изменение климата в соответствии с Киотским Протоколом и другими международными соглашениями.

* РГСЭМ должна располагать подсистемой оперативного контроля загрязнений и различного рода воздействий природного или техногенного происхождения, которая была бы способной оценивать ущербы, окружающей среде и здоровью населения.

* РГСЭМ должна обеспечивать функционирование систем, связанных с внедрением ОВОС, соблюдением стандартов ИСО, управлением отходами (особенно опасными).

* РГСЭМ должна обеспечивать контроль опасных и особо опасных веществ, поступающих в окружающую среду с промышленными выбросами объектов металлургии, мусоросжигательными заводами, химии и нефтехимии. К их числу, в частности, относятся стойкие органические загрязнения и озоноразрушающие вещества.

Вместе с тем некоторые из вышеуказанных задач мониторинга регионального уровня требуют кооперации более высокого уровня - объединения на базе Межрегиональных Центров экологических исследований и мониторинга, отвечающим современным требованиям по информационно-аналитическим возможностям, так и по аппаратурно-методическому оснащению.

В следующем разделе данной главы рассмотрена задача, связанная с пространственно-временным распределением атмосферных загрязнений в пределах локальных зон урбанизированных территорий и индустриальных центров. Такое рассмотрение диктуется необходимостью оценки минимального количества постов контроля при создании стационарной сети мониторинга атмосферных загрязнений указанных территорий.

В качестве исходной модели взята модель, разработанная на географическом факультете МГУ имени М. В. Ломоносова применительно к городам Тульской области. Она была разработана применительно к диоксиду серы (SO₂), взвешенным веществам и ряду других загрязняющих примесей, характерных для источников выбросов городов этого региона.

В диссертации для оценки формирования и пространственно-временного распределения загрязнений для локальных зон (округов) города Москвы и близлежащих малых городов Московской области использовалась вышеуказанная модель переноса. Хотя дальнейшее рассмотрение базируется на вышеуказанных работах, однако исходные данные, входящие в математическое описание процесса переноса (условия крупного города, высота приземного слоя перемешивания и ряд других данных, существенно отличаются.

В общем виде модель переноса загрязнений выглядит следующим образом:

,(1)

где t - время, с;

S - объемная концентрация какой-либо примеси а, см³/м³;

u, v, w - составляющие скорости ветра по осям х, у, z соответственно, м/с;

w_g- скорость гравитационного оседания примеси, м/с;

к_х, к_у, к_z- коэффициенты турбулентности, соответствующие осям х, у, z;

е_а=е_а(х,у,z,t) - источник (сток) примеси в единичном объеме воздуха.

Источник примеси в единичном объеме воздуха, определяется:

, (2)

где F_а=F_а(х, у, z,t) - интенсивность поступления примеси в единицу объема воздуха от различных источников (наземных и высотных);

W_а- скорость уменьшения количества примеси за счет выведения ее из атмосферы осадками;

R_а - изменение количества примеси за счет химических превращений;

R_s- сухое поглощение примеси земной поверхностью (выпадения).

Скорость уменьшения количества примеси за счет выведения ее из атмосферы осадками определяется по формуле:

W_а=-у₂•S, (3)

где у₂- коэффициент вымывания.

Коэффициент вымывания определяется по формуле:

у₂=б^*•I, (4)

где I - интенсивность выпадения осадков, мм/ч;

б^*=10^-4 - постоянная величина.

Изменение количества примеси за счет химических превращений определяется по формуле:

R_а= у₃•S, (5)

где у₃ - коэффициент химической трансформации.

Сухое поглощение примеси земной поверхностью определяется по формуле:

R_s=в•S, (6)

где в - скорость сухого поглощения примеси поверхностью, см/с.

Результаты проведенных нами расчетов по вышеуказанной методике для оксидов азота и углерода, полученные с учетом стационарных и передвижных источников выбросов на территории г. Москвы, представлены в табл. 1, а экспериментальные данные по определению этих загрязняющих веществ в различных округах г. Москвы - в табл. 2 (Эксперименты выполнялись совместно с Департаментом природопользовании и охраны окружающей среды города Москвы и кафедрой теплофизики и экологии Института «МИСиС»).

Таблица 1 - Результаты расчетов содержания оксидов азота и углерода в атмосферном воздухе Москвы

Вещество	Концентрация, мг/м3
СО	4,5
NOx (NO +NO2)	0,017

Таблица 2 - Результаты определения содержания оксидов азота и углерода (ПДК максимальная разовая)

Точки отбора проб	NOx	CO
Юг (Каширское шоссе)	0,110	8,0
Юго-восток (Марьино)	0,125	6,7
Центр города (Шаболовка)	0,051	9,5
Юг (Варшавское шоссе)	0,083	13,9

Из табл. 1 и 2 видно, что расчеты дают заниженные цифры. Это обусловлено, на наш взгляд, тем, что в исходных данных расчетных формул не учитывалось влияние многих факторов и, в первую очередь, сведения о количестве источников выбросов загрязнений и их основных параметрах (мощности, продолжительности выбросов и др.). Более того, по более представительному массиву данных, как по вышеуказанным примесям (характерным в основном автомобильным выбросам), так и специфическим загрязнениям промышленных выбросов (летучая зола, соединения тяжелых металлов, ПАУ и др.) по существу она не дает четкого представления о состоянии атмосферного воздуха на локальных территориях, так и в целом по городу.

В заключение необходимо отметить, что рассмотренная модель полезна для использования, но требует дальнейшего уточнения с учетом особенностей территории Москвы и Московского региона, источников выбросов и других факторов. Кроме того, необходимо распространить модель на другие виды загрязнений, например аэрозольные частицы и органические вещества.

Различие данных расчета и экспериментов свидетельствует и о том, что существующая сеть наземных постов (около 40) явно недостаточна для оценки ситуации в различных частях города. Она функционирует по определенным зонам - крупные транспортные магистрали, промышленные зоны, отдельные жилые массивы.

Следующей не менее важной задачей этого раздела диссертационной работы являлось обоснование приоритетного перечня загрязняющих веществ, которые должны контролироваться постоянно или строго регулярно на данном объекте (территории).

Из всего многообразия загрязнений (химические элементы, простые вещества и сложные органические соединения), поступающих в окружающую среду особую опасность для человека, растительного и животного мира особую опасность представляют:

* тяжелые металлы и их газо-аэрозольные соединения в атмосферном воздухе и промышленных выбросах, а также растворимые и ионообменные формы (свинца, кадмия, цинка, хрома и др.) в водных объектах и почвах;

* оксиды азота, углерода и серы в составе промышленных, автотранспортных выбросов, а также в выбросах предприятий химии и нефтехимии, энергетических объектов, т.е. технологий, связанных с высокотемпературными процессами;

* летучие органические соединения, аэрозоли различной природы и дисперсности (сажевый аэрозоль, зола, пыль промышленная);

* фракции аэрозольных частиц менее 10 мкм (PM₁₀);

* озон, пары ртути, стойкие органические загрязнители;

* парниковые газы (CO₂, CH₄) и озоноразрушающие вещества.

Многообразие загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду, требуют корректировки и уточнения перечня загрязняющих веществ, подлежащих обязательному контролю в атмосферном воздухе городских территорий и промышленных выбросах.

Что же касается подсистемы контроля промышленных выбросов, следует особо подчеркнуть, что первоочередной задачей РГСЭМ является внедрение средств оперативного контроля загрязнений непосредственно на источниках их эмиссии с одновременным отбором проб для контроля вышеуказанных опасных загрязнений. Такие специализированные приборы и оборудование широко используются в системах оперативного контроля промышленных выбросов в большинстве городов европейских стран, США, Японии. К предприятиям, которые подвергаются тщательному контролю, относятся мусоросжигательные заводы, предприятия металлургии, химической промышленности. Особое внимание при этом уделяется определению в выбросах таких опасных загрязнителей, как мелкодисперсная пыль, тяжелые металлы, диоксины и фураны, твердые фториды и хлориды.

Касаясь проблемы дальнейшего развития аппаратурно-методического обеспечения экологического мониторинга в регионе (в частности, в Московском регионе), особо подчеркнем, что в связи расширением границ Москвы для «новых территорий и объектов» весьма перспективными становятся мобильные средства контроля - передвижные лаборатории, оснащенные средствами оперативного контроля.

Глава 5 «Аппаратурно-техническое оснащение РГСЭМ» посвящена подробному рассмотрению вопросов по оснащению аппаратурой и оборудованием систем регионального уровня: лабораторных и полевых методов, а также дано описание новой многофункциональной мобильной экологической лаборатории. Здесь же представлены разработанные рекомендации по контролю мелкодисперсных аэрозольных частиц.

Чрезвычайно важной подсистемой в структуре РГСЭМ является подсистема, базирующаяся на лабораторных методах контроля. Лабораторный анализ химического состава загрязнений основан на различных принципах обнаружения, идентификации и определения компонентно-концентрационного их состава с соответствующим метрологическим обеспечением результатов измерений. В этой органически связанной совокупности методов, способов и средств исследования вещества центральное место занимает принцип (метод) детектирования, который, в конечном счете, определяет потенциальные возможности и эффективность всего аналитического процесса. Вместе с тем необходимо помнить, что основным источником информации (его материальным носителем) является проба исследуемого объекта. Поэтому основное внимание в методах анализа всегда уделяется проблеме отбора проб, выбору способа и качества проведения последующей ее обработки. От этого, прежде всего и главным образом, зависит достоверность получаемой информации.

По мнению автора диссертации наиболее оснащенной лабораторией в настоящее время является Аналитическая лаборатория Департамента природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, состав и структура которой в наибольшей степени отвечает требованиям, предъявляемым к Центрам экологических исследований и анализа РГСЭМ. В ее составе функционируют отделы по контролю атмосферных загрязнений и промышленных выбросов, открытых водоемов (Москва-река и ее притоки), поверхностного стока, промышленных сточных вод, городских почв и почво-грунтов, свалок, антигололедных реагентов. В структуре лаборатории имеется и биологический отдел для биотестирования проб промышленных и бытовых отходов и других природных и техногенных объектов. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы и входящее в ее состав подразделение «Мосэкомониторинг» располагают сетью наземных стационарных постов контроля, а также мобильными лабораториями исследования загрязнений, катером «Экопатруль», переносными приборами-анализаторами и средствами контроля шума.

Разработанная диссертантом в составе авторского коллектива многофункциональная лаборатория обладает возможностью и всем необходимым контрольно-измерительным оборудованием для одновременного отбора, идентификации и количественного химического определения загрязняющих веществ в пробах атмосферного воздуха и промышленных выбросов непосредственно на исследуемом объекте. Оборудование лаборатории обеспечивает оперативное обнаружение предприятий, с источниками сверхнормативного выброса и тем самым повысит эффективность городской системы экологического мониторинга. Кроме того лаборатория может использоваться как стационарный пост контроля, круглосуточно фиксируя уровень загрязнения городского воздуха промышленными и автотранспортными выбросами.

Передвижная лаборатории состоит из собственно автомобиля (АН) и связанного с ним прицепа (П). Модуль АН представляет собой измерительный комплекс контроля загрязнений окружающей среды, включающий различное аналитическое оборудование, например газоанализаторы оксидов азота, оксида углерода, диоксида серы, углеводородов, сероводорода и др. В модуле АН осуществляется непрерывное сопоставление с помощью ПК данных компонентно-концентрационного состава проб промышленных выбросов и атмосферного воздуха, получаемых в режиме реального времени, с одновременным расчетом вклада выбросов исследуемого источника в общий уровень загрязнения локальной урбанизированной территории.

Лаборатория позволяет осуществлять отбор проб почв, природных и сточных вод, донных отложений. Особо отметим возможность определения общей массовой концентрации взвешенных частиц, массовой концентрации частиц размером 10 мкм и массовой концентраци частиц размером 2,5 мкм.

В комплект контрольно-измерительной аппаратуры автомобиля-носителя также входят хромато-масс-спектрометр (ХМС), ионный (ИХ) и жидкостной хроматографы (ЖХ), атомно-абсорбционный спектрометр (ААС), аналитические весы (АВ), метеокомплекс для контроля температуры, влажности и атмосферного давления внутри модуля АН. Вспомогательное оборудование модуля АН включает вытяжной шкаф с электроплиткой, сушильный шкаф, муфельную печь и др.

Прицеп передвижной лаборатории представляет собой павильон с контрольно-измерительной аппаратурой, которая включает газоанализаторы кислорода, оксидов азота, оксидов углерода, диоксида серы, углеводородов, сероводорода и аммиака в промышленных выбросах; переносную и стационарную систему отбора проб промышленных выбросов (набор зондов для отбора газов (паров) и на фильтры, переносное оборудование для измерения аэродинамических параметров непосредственно в источнике промышленных выбросов (температуры, скорости, давления, разряжения и т.п.), а также хромато-масс-спектрометр, ионный и жидкостной хроматографы, атомно-абсорбционный спектрометр, аналитические весы.

В этой же главе обоснована необходимость изучения факторов физического воздействия на городских территориях (уровня шума, радиации, электромагнитных излучений и др.). Особое внимание обращено на необходимость мониторинга мелкодисперсных частиц РМ₁₀.

Заключение

На основании ряда теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в ходе настоящей работы, можно констатировать следующее:

1. Впервые проведен детальный анализ становления и развития системы экологического мониторинга, рассмотрены ее методология и научные основы, а также ключевые положения и понятия, принципы организации и функционирования. Рассмотрены нормативно-правовая и аппаратурно-методическая база действующих в Российской Федерации систем. На основании проведенного анализа разработаны рекомендации по организации системы экологического мониторинга регионального уровня. Сформулировано и обосновано новая редакция понятия «мониторинг» как информационно-измерительной системы наблюдений, основанной, прежде всего, на измерении комплекса параметров и характеристик окружающей среды с целью получения исходных данных для оценки состояния и прогнозирования развития экологической ситуации.

2. На основе использования экологического мониторинга изучена экологическая обстановка, сложившаяся в последние годы в регионах Европейской части территории России. В ходе работы автором выявлен ряд проблем в организационного и аппаратурно-методического характера, как в масштабах Единой государственной системы экологического мониторинга, так и на региональном уровне. В результате определен круг задач в области оптимизации состава и структуры системы РГСЭМ, а также обоснован перечень загрязняющих веществ, подлежащих обязательному контролю на промышленно-урбанизированных территориях.

3. Сформулированы новые принципы организации экологического мониторинга, обоснован выбор аппаратурно-технического оснащения систем экологического мониторинга регионов Европейской территории России, отвечающее международным требованиям надежности, универсальности в сочетании с оперативностью; подготовлены предложения по усовершенствованию информационно-аналитической и научно-методической базы систем мониторинга регионального уровня. По результатам теоретических изысканий поданы две заявки на получение патента Российской Федерации.

4. Рекомендован перечень агрессивных веществ, подлежащих контролю в интересах мониторинга различного уровня - локального, территориального и глобального для регионов Европейская территория России. В число этих веществ, в частности, включены: вещества Киотского протокола (парниковые газы), озоноразрушающие вещества, стойкие органические загрязнители, приземный озон, частицы взвешенных веществ размером менее 10 мкм и другие загрязняющие вещества. Перечень сформирован в соответствии с исследованиями ситуации рассматриваемого региона, с учетом анализа и обобщения мирового опыта в сфере разработки нормативов, стандартов и директив.

5. Предложена математическая модель для описания процесса переноса загрязняющих примесей в атмосферном воздухе локальных зон промышленно-урбанизированных территорий; модель служит для оценки формирования и пространственно-временного распределения загрязнений в пределах указанных зон. Проведенные автором расчеты показали необходимость дооснащения стационарных наземных пунктов контроля, а также потребность в развитии мобильных средств контроля (переносные приборы, передвижные лаборатории и т.п.).

6. В результате проведенных исследований автором предложен проект передвижной экологической лаборатории, контрольно-измерительное оборудование которой представляет собой новое техническое решение для применения в практике экологического мониторинга. Предложенное оборудование разработано для решения двух основных задач - определения присутствия в атмосферном воздухе выработанного автором перечня загрязняющих веществ, а также комплекса таких физических факторов, как радиоактивность, шумовое воздействие и электромагнитные излучения, что имеет большое практическое значение для решения широкого круга экологических, экономических социальных и др. проблем современного общества.