Некоторые из самых основных данных либо не существуют в глобальном масштабе, либо неадекватны для проводимых исследований.

Таким образом, МГБП собирается действовать в двух основных направлениях: управление данными и создание баз глобальных данных. В первой области в качестве приоритетной цели предполагается создать регистр глобальных экологических данных (Global Environmental Data Directory -- GEDD), используя опыт Базового регистра данных НАСА (NASA Master Directory), функционирующего с 1988 г. Последний включает в себя данные Европейского космического агентства в Италии, регистр данных о Земле НООА в США, а копии этих регистров будут установлены в Японии, Женеве и США. Копия Базового регистра будет также установлена с помощью НАСА в системе ГРИД/ЮНЕП.

В области разработки баз глобальных данных намечается сосредоточиться прежде всего на информации по изменению покрытия суши с разрешающей способностью 1 км. Для этого будет использоваться радиометр с повышенной разрешающей способностью, устанавливаемый на спутниках серии НОАА (США). В ряде пилотных проектов были собраны данные по США, Канаде и Западной Африке. Планируются проекты, использующие двухъярусный подход. Во-первых, получение данных по фактологии и мони- торингу изменений различных классов растительности на больших территориях (1000)(1000 км) с разрешающей способностью на поверхности 1 км. Во-вторых, создание дополнительных (сопряженных) баз данных для небольших территорий (100 Я 100 км) для получения информации по потокам энергии, воды, редким газам. Были выбраны проекты для получения данных в юго-восточной Азии, восточной Африке (экосистема юга Турканы), Убсу-Нур (СССР), землепользование в бассейне Амазонки, в Австралии,. Канаде, США, континентальное картографирование южной Америки с использованием разрешающей способности 4 -- 16 км и Африки (с разрешающей способностью 4 км). Важное значение придается валидации данных и контролю качества получаемой ин- формации .

На использовании данных спутниковых наблюдений с применением системы трех спутников, обслуживаемых персоналом постоянной орбитальной станции, основана Система наблюдений Земли (Earth Observing System). Эта система, создаваемая двумя агентствами США -- НАСА и НООА -- представляет собой рас- считанную на длительную перспективу многодисциплинарную программу изучения Земли как системы атмосфера - гидросфера - криосфера - биосфера. Начало функционирования системы запланировано на 1995 г. Программа EOS рассчитана на 15 лет. Для осуществления эффективной обработки и распространения данных спутниковых и обычных наблюдений потребителям будет создана наземная геоинформационная система, располагающая комплексом высокопроизводительных ЭВМ.

Система будет направлена на изучение четырех крупных областей системы Земля: геология и геодинамика; процессы, связанные с сушей; океанические процессы; атмосферная циркуляция и химия атмосферы.

Лекция 9. Обработки и анализ экологической и экономической информации в системах мониторинга

9.1 Геоинформационное обеспечение систем мониторинга

На среднем уровне экологической информационной системы для географического анализа информации о состоянии окружающей среды используются географические информационные системы (ГИС). Подобные системы, обеспечивая обработку, анализ и визуализацию пространственно - распределенной информации (природно - ресурсной, экологической, правовой и социально-экономической, статистической и др.) о территории, позволяют обеспечить пользование электронными картографическими фондами региона, систематизировать и усовершенствовать учет и оценку природных ресурсов, организацию комплексного экологического мониторинга, выдачу необходимой информации для управления всем природным комплексом, реализуя опыт, накопленный специалистами в этих областях.

Глобальная база данных о ресурсах (Global Resources Information Database GRID)

В связи с ростом количества данных, накопленных в ЮНЕП, и потребностью для их пользователей иметь доступ к упорядоченным и комплексным базам адекватных по качеству данных в рамках ЮНЕП была предпринята деятельность по созданию географической информационной системы (ГИС) на базе современной вычислительной техники.

Для решения экологических проблем получили широкое использование географические информационные системы (ГИС), в развитии которых выявились несколько тенденций. Во-первых, резкий рост ГИС на персональных ЭВМ (ожидается до 1 млн. пользователей ГИС к 2000 г.). Во-вторых, переход на крупные и связанные в сети (международные и глобальные) ГИС часто с теледоступом. В-третьих, переход на создание глобальных бaз данных типа Глобальной базы данных о ресурсах (ГРИД). Моделирование с использованием ГИС помогает решать экологическими проблемы. Некоторые модели стали включать экономический анализ, динамические модели экосистем увязываются с ГИС. Ожидается, что такие комплексные модели будут иметь будущее для решения экологических проблем, что возможно позволит лучше оценить воздействие человека на природные системы. Причем происходит переход на включение ГИС в Системы поддержки принятия решений совместно с использованием экспертных систем. В долгосрочном плане ГИС намечается связывать с системой глобального местоположения для привязки к географическим координатам и выходом на спутниковые системы сбора данных. Кроме того, ГИС можно будет также использовать в микромасштабах (Например, для учета поселений термитов). Так как многие крупные экологические проблемы связаны с множеством изменений в «микроэкосистемах», учет последних в ГИС может помочь лучше понять фундаментальные биологические процессы и понимать такие проблемы, как рост концентрации углекислого газа в атмосфере, последствия кислотных осадков и т. п..

ГРИД, разработка которой началась в 1985 г., является ведущей программой по управлению данными в ГСМОС. Она предназначена для облегчения получения, особенно развивающимся странам, основных данных об окружающей среде -- о почвах, лесах, гидрологических процессами, растительности, землепользования, климате и загрязнении для их использования в принятии решений .

ГРИД представляет собой компьютерную систему, которая организует, анализирует и хранит данные об ОС, собранные из различных источников, и превращает их в информацию, которую можно использовать для принятия решений в области природопользования. Программное обеспечение ГРИД использует географическое местоположение в качестве центрального связующего звена, интегрируя данные из различных источников для представления информации в виде карт и изображений на экране ЭВМ. ГРИД позволяет не только описать концентрации и распределение ресурсов, но и сделать анализ взаимодействия большого числа экологических переменных. Среди них политические и природные границы, высота над уровнем моря, почвы, растительность, осадки, погодные аномалии, концентрация озона, плотность населения, находящиеся под угрозой виды животных и растений, заповедные территории и т. п.

Основные функции ГРИД состоят в сборе, состыковке, анализе данных и их представлении в виде, удобном для принимающих решения. Методика сбора данных даже при использовании современных спутниковых средств включает традиционные способы в качестве дополнительных. Так, мониторинг ресурсов осуществляется с использованием спутников, самолетов и наземных средств. Важное значение имеет разрешающая способность той или иной методологии оценки данных. Трехъярусный подход к сбору данных является не только взаимодополняющим, но служит видом контроля качества информации на одном уровне с данными других уровней. Так как изменение отражающей способности участков суши с различным наклоном и высотой приводит к различным спектральным изображениям, смешанные экосистемы залесенных лугов и возвышенностей требует дополнительных данных наземных наблюдений для расшифровки спутниковых изображений. Кроме того, состояние некоторых экосистем может быть выявлено только при наличии мелких данных об их составных частях. Такие детали, как свойства почвы, перечни видов флоры и фауны, скорость прироста растительного покрова и микроклимат выявляются наземными средствами [8].

Базы данных ГРИД также включают данные по антропогенной деятельности, такие как размещение торговых центров, распределение линий связи и число автомобилей на душу населения. Эта социо-экономическая информация и статистические данные материального мира наряду с информацией о природных объектах предназначены для выявления негативного воздействия человека на окружающую среду. Кроме того, в базы данных ГРИД вводится имеющаяся информация из других источников для проведения сравнительных исследований.

Для сбора данных космическими средствами используются американские спутники системы Landsat, оборудованные многоспектральными сканирующими устройствами и тематическим картографом с разрешающей способностью 80x60 м и 30x30 м соответственно. Использование французского спутника позволит довести разрешающую способность до 10 м. Кроме того, сбор данных проводится с использованием самолетов и наземных средств.

Собранные таким образом данные находятся в базах данных в различных странах. ГРИД подключается прежде всего ко всем источникам экологической информации, которые входят в ГСМОС. Одна из задач ГРИД состоит в том, чтобы обнаружить имеющиеся пробелы в существующих базах данных. Для всех видов экологических оценок нужны базовые данные. Прежде всего это базовая карта мира в качестве географической привязки всех экологических процессов. На картах наносится информация по таким компонентам, как почвы, растительность, виды растений и животных. Основным методом для интегрирования данных в системе используется метод наложения карт. Например, на базовую физическую карту накладываются карты почв, водных ресурсов, растительного покрова, популяций животных, человеческих поселений.

Важное место в ГРИД занимает анализ и обработка данных. Как и большинство географических информационных систем с использованием ЭВМ, ГРИД содержит их основные черты: сбор данных, их хранение и выборка, анализ, вывод данных и их наглядное представление.

Сбор данных включает их введение в ЭВМ и упорядоченное помещение в ее память. Данные в ГРИД являются географически привязанными. Поэтому программное обеспечение обеспечивает такую увязку каждого элемента данных с его положением (координатами) на поверхности Земли. Данные хранятся как географически (координатно) привязанные точки. Однако эти точки с помощью .программного обеспечения организованы в виде просто точек или линий и площадей. Например, осадки и дома представляются в виде точек. Линейные данные, такие как дороги и реки, хранятся и представляются в виде последовательности точек, а площадные данные имеют точки, определяющие их периметр. Программное обеспечение подготовлено для территорий любой формы -- от однородных полей пшеницы Большой американской равнины до сложных норвежских фиордов.

Система хранения данных включает учет их характеристик. Каждая точка (линия, площадь) имеет реальное описание: например, точка через различные уровни ежедневных осадков, река-- через рыбные запасы, турбулентность или скорость ее течения. Выборка информации может быть сделана по различным факторам. Например, все озера Гамбии, все пруды и водохранилища; те из них, которые находятся в 10 км от основной дороги, содержат определенный вид рыбы, имеют повышенную кислотность воды и т. п. Данные могут выбираться целиком или частично для получения графиков, таблиц и карт для рассмотрения соответствующей экологической ситуации. Используются два основных метода анализа данных: их графическое наложение и применение статистики. Например, при изучении эрозии почвы ГРИД дает возможность сравнить степень эрозии с качеством почвы, поверхностным стоком вод, температурой, расположением населенных пунктов или распределением домашних животных путем графического наложения этих данных последовательно или всех одновременно. Количество данных может быть велико, но их статистический учет помогает выявить корреляции и возможные причины эрозии.

Потенциальные возможности ГРИД можно проиллюстрировать следующими тремя примерами.

В 1980 г. ЮНЕП совместно с ФАО опубликовал оценку состояния тропических лесов. ГРИД может выполнять на ее основе три функции: инвентаризацию лесов, мониторинг и моделирование. Во-первых, состояние; лесов было проинвентаризовано в 76 странах. Во-вторых, там, где имелись данные, были выявлены и отслежены источники обезлесения для получения темпов потери лесов на национальном и глобальном уровнях. В третьих, эти темпы использовались для грубых прогнозных оценок того, что к концу этого столетия останется 88 % лесов. С помощью ГРИД можно выполнять более обоснованные оценки на регулярной основе, используя более точные и обширные данные.

С помощью ГРИД можно получать почвенные карты мира с масштабом 1: 1 млн. Кроме того, используя высокоразрешающий радиометр и данные Лэндсата, можно выявлять появление саранчи, которая начинает свое разрушительное путешествие из относительно небольшой территории, но простирающейся на территории около 16 млн. км² в поясе от Мавритании до северо-западной части Индии. Однако' благоприятные условия для ее возникновения -- кладка самок саранчи происходит в песчаную, влажную почву, а молодая саранча появляется, когда растительность еще свежая и зеленая -- создаются примерно на 4% этой территории, и их практически невозможно выявить наземными и авиационными средствами. В то же' время радиометр позволяет выявить места потенциального появления молоди саранчи, обнаруживая территории с цветением растительности, которые затем уточняются наземными 'обследованиями. При этом появляется возможность избавиться от саранчи в начальной стадии и использовать меньшее количество пестицидов, чем в случае последующих площадных обрызгиваний.

Таким образом, в рамках ГРИД при оценке выполняются следующие задачи: предоставление данных (например, о численности слонов на юге Кении), инвентаризация данных (например, совершенствование данных по глобальному состоянию почв), выдача сводных данных (например, периодическая оценка состояния загрязнения окружающей среды), мониторинг изменений в окружающей среде (например, доклады об изменении лесного по- крова). При выполнении анализа данных ГРИД: вспомогательная поддержка для исследований (например, анализ причин обезлесения), прогнозирование (например, прогноз нашествия саранчи или изменения климата), совершенствование хозяйствования (например, принятие решения о перемещении скота в подверженных засухе районах), разработка экологической политики (например, проверка эффективности альтернатив экологической политики), предоставление помощи развивающимся странам (например, вы- явление областей, в которых следует оказать помощь), оценка проектов (например, анализ воздействия на окружающую среду ирригации в аридной местности).

ГРИД представляет собой распределенную систему с центрами, соединенными между собой линиями телесвязи. На начальной стадии созданы центр управления в ЮНЕП (Кения) и центр обработки данных в Женевском университете (Швейцария). За- тем был открыт центр ГРИД в Таиланде (г. Бангкок), в августе 1989 г.-- в Норвегии (г. Арендал).

В конце 1988 г. компания IBN предоставила бесплатно ЮНЕП для ГРИД оборудование на сумму 65 млн долл. США: ЭВМ тина IBN 4381 Model 24, связанную с устройствами памяти типа 3380, три микрокомпьютера IВМ 6150, две ПЭВМ IBM Per- sonal System/2 Model 80, 12 терминалов и 5 графопостроителей для центра ГРИД в Женеве, в том числе две графические системы IBM 5080 из графического процессора IBN 5085 Model 2А с цветным видеоустройством 5081 и терминалом 3192 [8]. Центр ГРИД в Женеве имеет выход в Европейскую сеть академических исследований (European Academic Research Network -- EARN), базу данных Центра космических полетов им. Годдарда (США) и аналогичным центром в г. Фраскати (Италия).

Оборудование для ГРИД в Найроби включает: ЭВМ IBM 9370 Model 90, внешние запоминающие устройства, графопостроители и два ПЭВМ IBM Personal System/2 Model 80. Кроме того, компания IBM поставила 80 ПЭВМ типа Personal System/2 Model 80 в 15 африканских стран и 3 европейских института, сотрудничающих с ЮНЕП по системе ГРИД [9].

ГРИД участвует в совместном проекте с Национальным центром геофизических данных США и Мировым центром данных А (CIII® по проекту, интегрирующему глобальные базы данных на основе географических информационных систем (ГИС). В этом же проекте участвует Кларкский университет (США) со своей ГИС (IDRISI). Начальная стадия этого проекта выполняется совместно с Международной геосферно-биосферной программой (МГБП) и направлена на сбор данных на африканском континенте, включая индекс растительности, высоту над уровнем моря, показатели суши (водоемы, урбанизация и т.п.), классификацию почв, температуру, осадки, классификацию экосистем, землепользования и состояния суши, политические границы, береговые лицин, реки [10].

В настоящее время ГРИД использует программное обеспечение компании IВМ на структурном языке SQL (Structural Query Language) и генератор программ компьютерной графики (Graphics Program Generator -- GPG).

После введения системы ГРИД в оперативную стадию ожидается, что поступаемые на ее вход из ГСМОС и других источников. данные будут использоваться в ГСМОС для оценки экологического риска изменений в окружающей среде.

9.2 Использование систем анализа эколого-экономической информации

Верхний уровень представляют программные продукты, способные моделировать развитие экологической обстановки, в том числе при возникновении чрезвычайных ситуаций природного характера и авариях, связанных с загрязнением окружающей среды, и различные экспертные системы по комплексным вопросам реализуемых экологических программ. Они должны реализоваться в виде автономных пакетов прикладных программ. Такое разбиение экоинформационной системы обеспечивает достаточно гибкую реализацию "конвейера" для обработки информации, когда результаты обработки информации пакетов низшего уровня служат входными данными для более высокого уровня.

9.3 Решение задачи анализа и прогноза экологической обстановки. Разработка альтернативных градостроительных вариантов

Создание единых баз данных источников загрязнения окружающей среды и ведение кадастра природных ресурсов является основой для моделирования и прогнозирования состояния окружающей среды. Это позволяет с учетом всех потенциально опасных объектов производить многовариантный анализ градостроительных и технических решений. Критерии выбора основаны на соответствии существующим нормативам. Среди соответствующих вариантов выбор осуществляется на основе экономических и градостроительных критериев.

Анализ информации может осуществляться как с помощью специально разработанного программного обеспечения, так и с помощью известных программных комплексов.

9.4 Прогнозирование в системах мониторинга. Разработка корректирующих мероприятий и программ

В настоящее время не приходится говорить о широком использовании прогнозирования как инструмента для оценки и корректировки управленческих решений. Это связано со сложностью процедур разработки и тестирования моделей сложных социо - эколого - экономических систем. Именно за такими моделями будущее, но в настоящее время все более широкое применение находит подход, основанный на использовании систем индикаторов как инструмента выявления количественных характеристик выполнения программ. Это дополнительный инструмент по отношению к построению интегрированных моделей.

Ниже описаны подходы по выработке рекомендаций по корректировке хода выполнения программ. По сравнению с предыдущим подходом этот подход основан на том, что в ходе мониторинга выявляются значения индикаторов, сравнение которых с базовым уровнем позволяет судить о прогрессе в ходе выполнения программы или проекта.

Критерии, в соответствии с которыми осуществляется корректировка программ:

- соответствие достигаемых конкретных результатов проектов и мероприятий целям и задачам программы в целом

- соответствие качества выполнения программы ее целям и задачам

- востребованность проекта и его поддержка со стороны потенциально заинтересованных сторон

- выполнение финансовых обязательств потенциальными инвесторами программы.

Отсутствие целостной модели не позволяет дать результатам мониторинга немедленную рекомендацию по корректировке управленческих решений. Поэтому возникает необходимость после накопления информации мониторинга программы провести оценку многомерной структуры и тенденций изменчивости системы индикаторов программы для выработки рекомендаций по корректировке управленческих решений. Цель оценки - измерение результатов программы с сопоставлении с задачами, которые эта программа должна решить.

Европейская комиссия рекомендует использовать 5 свойств, которым должна соответствовать оценка.

- оценка должна основываться на известных методах анализа;

- оценка должна быть систематической, то есть основываться на точном планировании и применении методик исследования;

- оценка должна быть надежной и объективной;

- оценка должна быть эффективной, то есть ориентироваться на анализ действенности, эффективности и актуальности программы;

- оценка должна быть полезной заказчику.

Центральным звеном системы оценки и мониторинга является набор индикаторов, по которым оценивается прогресс выполнения программы.

Индикаторы должны удовлетворять следующим требованиям:

- используемая в индикаторе переменная должна отражать цель, которой служит индикатор;

- переменная должна иметь четкое однозначное определение;

- значение переменной должно быть надежным;

- получение надежных значений переменных по стоимости не должно превышать полезность применения индикатора;

- значения индикатора не должно терять своей актуальности в течение разумного промежутка времени.

программные индикаторы должны соответствовать следующим общим требованиям и принципам.

- индикаторы должны формироваться в процессе или до разработки программы;

- индикаторы имеют ограниченную область применения, что должно быть оговорено и согласовано заранее;

- система индикаторов должна быть простой, понятной и четкой;

- измерение необходимого числа значений индикаторов не должно стоить больше пользы от использования индикаторов;

- целевые значения индикаторов должны существенно отличаться от значений в момент начала программы и быть реалистичными.

Наиболее важным представляется определить целевое значение индикатора программы. Оно определяется в диапазоне между прогнозным уровнем в отсутствие программы и желаемым уровнем. Если его конкретное значение определяется заранее, то в соответствии с этим уровнем определяют набор необходимых для достижения целевого значения индикатора проектов и мероприятий Если же заданным является ресурсное обеспечение программы, то в соответствии с ним оценивают целевое значение индикатора.

Основные правила разработки индикаторов включают:

- индикаторы разрабатываются исходя из иерархии действий в рамках программы;

- индикаторы должны соответствовать системе уровней управления; при этом индикаторы эффективности нет смысла вводить выше уровня отдельного мероприятия;

- для каждого мероприятия необходимо выделить ключевой индикатор, независимый от внешних воздействий;

- индикаторы уровня мероприятия или проекта могут суммироваться для оценки программы или направления.;

- индикаторы разрабатывают на основе существующих требований и критериев.

Лекция 10. Мониторинг реализации долгосрочных программ по оздоровлению бассейнов рек и озер

10.1 Мониторинг реализации долгосрочных программ по оздоровлению бассейнов рек

10.1.1 Программа Возрождение Волги

При осуществлении природоохранной деятельности и природопользования в таком крупном регионе, как Волжский бассейн, необходимо использовать систематизированную объективную информацию и данные, охватывающие все природные сферы, а также те объекты народного хозяйства, которые негативно влияют на природную среду. Подобная задача разрешима при условии создания устойчивой структуры бассейновой автоматизированной системы экологического мониторинга (БАСЭМ). Она позволит исключить многочисленные факты неполноценных или даже ошибочных экспертных заключений по различным проектам новых производств, энергетических и гидротехнических комплексов. В основу мониторинга обычно закладывают объективные и систематизированные в должном объеме данные диагностики состояния всех контролирующих экосистем. При реализации Программы "Возрождение Волги" нельзя вести работу без единого механизма, обеспечивающего вскрытие реальных взаимосвязей источников деформации компонентов окружающей среды, условий проживания, состояния здоровья населения. Обеспечить широкий круг абонентов - пользователей объективной информацией о состоянии экосистем, существующей антропогенной нагрузке для выбора оптимальных административно-хозяйственных, экономических и социальных решений возможно лишь при условии функционирования комплексной системы БАСЭМ.

Концепция БАСЭМ разработана с учетом: имеющихся в Российской Федерации достижений по организации контроля окружающей природной среды космическими, авиационными и наземными средствами; разработки математических моделей распространения загрязнений в поверхностных и подземных водах, атмосфере и почве; создания геоинформационных систем (ГИС), включая картографическое обеспечение, базы нормативных данных, данных о состоянии окружающей среды и об источниках ее загрязнения (промышленность, коммунальное хозяйство, энергетика, сельское хозяйство).

Программа "Возрождение Волги" должна включать широкое системное использование съемок территорий республик и областей, расположенных в Волжском бассейне, с помощью космических аппаратов и специализированной авиационной техники, наземные измерения, осуществляемые мобильными и стационарными лабораториями. Посредством интегрированной технологии обработки данных на всех этапах мониторинга вырабатываются практические рекомендации для принятия решений по экологической безопасности и рациональному использованию природных ресурсов.

Важнейшее направление организации мониторинга окружающей среды - создание технических средств наземного контроля качеств воды, атмосферного воздуха и почвы. За последние годы в Российской Федерации разработаны и серийно освоены аналитические комплексы, отвечающие международным требованиям по точности измерений и надежности эксплуатации.

Аналитические комплексы - принципиально новый вид продукции отечественной промышленности. Наряду с лучшими образцами аналитической и вычислительной техники в их состав входят rocyдарственно аттестованное методическое обеспечение, программный продукт интеллектуальной поддержки пользователя, а также полно номенклатура вспомогательных устройств и расходных материалов, обеспечивающих бесперебойную работу комплекса. Обязательные позиции в этой номенклатуре - государственно аттестованные автоматизированные пробоотборные устройства и средства метрологического обеспечения измерений. С учетом дефицита современной контрольно-измерительной аппаратуры для создания систем экологического мониторинга необходимо предусмотреть широкое использование существующих аналитических лабораторий научно-исследовательских институтов и высших учебных заведений. Выполнение работ должно осуществляться на договорной основе с систематическим представлением через компьютерную сеть результатов анализов поверхностных и грунтовых вод, питьевой воды, хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, ливневых стоков, газовых выбросов промышленных и энергетических установок, атмосферного воздуха, промышленных отходов и почвы в местах, предусмотренных системой мониторинга. Привлечение научно-исследовательских лабораторий к контролю за состоянием окружающей среды позволяет безотлагательно приступить к реализации важнейшего направления ФЦП "Возрождение Волги" - созданию бассейновой системы экологического мониторинга. Для этого предлагается организовать сеть стационаров и станций наблюдения, ведущих работы по единой программе. Результаты наблюдений сосредоточиваются и обрабатываются в ВЦ.

Станции наблюдения следует создать в ключевых участках - ниже крупных промышленных узлов, в устье крупных притоков - для интегральной оценки состояния последних, суммарной оценки влияния промышленных центров на качество воды и гидробионтов. Основная цель каждого наблюдения - проведение гидробиологического и гндрохимического мониторинга. Последний организовывается совместно с управлениями государственной службы мониторинга (УГСМ) и местными комитетами Минприроды. Кроме того, станции наблюдения используются и как полевые базы учреждений, исследующих экологию Волги.

Стационары должны быть организованы в крупных промышленных центрах с максимальным использованием имеющихся химико- аналитических и гидробиологических лабораторий. Основные направления работы стационаров: региональный химический и гндробиологический мониторинг; координация работ по экологии в регионе, сбор, обобщение информации; проведение исследовательских работ по урбоэкологии конкретных промышленных центров; обеспечение работ станций наблюдения в зоне влияния стационара. Дополнительная задача стационаров -- изучение устойчивости экосистем и особенностей их антропогенных изменений в основных при- родно-климатических зонах (таежная, лесостепная, полупустынная, пустынная), что потребует организации на их базе специализированных научно-исследовательских отделов.

Предлагается следующая сеть стационаров и станций наблюдения:

· стационар - г.Тверь; станция наблюдения -- в начальном течении Волги и ниже Твери;

· стационар - г.Ярославль (г.Кострома); станция наблюдения: г.Углич (Калязин) -Угличское водохранилище, контрольная станция к промышленному узлу Рыбинск - Кострома; работы на Рыбинском водохранилище обеспечиваются ИБВВ РАН;

· стационар -- г. Нижний Новгород; станции наблюдения: г.Юрьевец- верховье Горьковского водохранилища, пос.Бабино - устье Оки, г.Козьмодемьянск- оценка влияния Н.Новгорода;

· стационар - г.Казань (при Казанском институте биологии РАН).

Для подготовки экологического мониторинга крупного региона имеется достаточно разработанная методология, математико-стастистические методы корреляционного анализа временных и пространственных наблюдений.

Выполнение поставленной задачи - создание единой системы экологического мониторинга - возможно путем поэтапной реализации с определением конкретных целей и последовательности предусмотренных работ.

Цели первого уровня: выполнение эскизно- системного проекта создания областных автоматизированных систем мониторинга (АСМ), систематизация картографированных статистических данных наблюдений и контроля при возможности экспертирования местных условий с целью формирования исходной базы знаний для проектирования первой очереди АСМ и оценки задач второй очереди; построение структуры подсистем АСМ; согласование протоколов сопряжения и взаимодействия; формирование технико-экономических расчетов и технических заданий на практическое создание первой очереди; разработка и утверждение целевых программ региона по заданию базового ряда научно-методических и аппаратно-программных средств для АСМ, технической базы координационного центра первой очереди.

Цели второго уровня: создание областных АСМ первой очереди (опытная эксплуатация, отработка межобластного взаимодействия); создание второй очереди областных АСМ (опытная эксплуатация, переход к регулярному интегральному применению сети БАСЭМ).

Цели третьего уровня: реализация программы обеспечения всех областей и республик Поволжья базовым рядом технических, научно-методических и программных средств БАСЭМ; реализация программы создания служб эксплуатации, ремонта и технического перевооружения БАСЭМ.

Создание единой БАСЭМ в Поволжье призвано обеспечить образование устойчивых обратных связей в структуре различных уровней экологического управления. При этом каждый участок контролируемой территории должен рассматриваться как поставщик информации, так и ее пользователь.

БАСЭМ, представляющая собой целостность методов, технологий и инженерных средств, должна решать следующие задачи:

· получение и сбор данных о характеристиках фактического состояния и процессах в компонентах экосистемы Волжского бассейна;

· формирование (агрегатирование) на основе полученных данных установленной совокупности картографированных текущих оценок, ретроспективных и прогностических заключений о состоянии экосистемы, а также комплектование информационного банка данных и знаний о характеристиках природной среды, угнетающих ее факторах и взаимозависимости этих субстанций;

· поставка абонентам-потребителям информационной продукции, в том числе аргументированных рекомендаций, необходимых для оптимального выбора и осуществления административно-хозяйственными инстанциями различных уровней детерминированных по критериям экологической безопасности производственно-технологических, экономических и социальных мероприятий.

Исходя из принципа целостности, единства элементов экосистем, экологический мониторинг должен охватывать абиотические факторы (геологические, морфологические, гидрологические, метеорологические, климатологические и другие компоненты) и биоту (биоценозы, агроценозы). В ходе создания и развития БАСЭМ расстановку акцентов следует производить с учетом изначального приоритета в последнем компоненте ее центрального звена -- антропоценоза (населенные и промышленные агломерации, коммуникации, энергосистемы).

Формирование бассейнового мониторинга как единой контрольно - аналитической системы имеет принципиальное достоинство - возможность осуществления максимальной интеграции территориальной экологической информации.

Исходя из опыта создания крупных информационно-измерительных систем, к которым относятся и системы экологического мониторинга, важнейший этап формирования единой БАСЭМ - создание в регионах Волжского бассейна базовых, открытого типа АСМ с территориальными границами областей и автономных республик. АСМ являются структурными элементами БАСЭМ и на последующем этапе работ должны осуществить линейно-горизонтальную интеграцию в региональные объединения. Представляется целесообразным второй этап - региональную интеграцию - осуществлять в пределах функционально-территориальных границ соответствующих региональных управлений Роскомгидромета. Задача третьего этапа - бассейновая интеграция - должна решаться под эгидой вновь создаваемого бассейнового научно-технического координационного органа - бассейнового центра мониторинга Волжского бассейна.

В результате создания БАСЭМ как единой системы межрегионального уровня достигаются следующие цели:

обеспечение органов власти (включая центральные правительственные инстанции, административно-управляющие органы здравоохранения, рационального природопользования, комиссии по чрезвычайным ситуациям, управляющие структуры в хозяйственно-производственных комплексах), общественных организаций и населения достоверной аналитической информацией о фактическом и прогнозируемом состоянии уровня загрязнения окружающей среды и его источниках, о результатах моделирования последствий изменения антропогенной экологической нагрузки в различных регионах Волжского бассейна; формирование обобщающих оценок экологической ситуации и рекомендаций по принятию оптимальных природоохранных решений;

объединение и развитие существующих систем и служб экологического контроля и экологической безопасности на базе единой системы экологического мониторинга территорий областей, республик Волжского бассейна в целом и непосредственного участия этих служб в формировании и эксплуатации БАСЭМ;

обеспечение методически и метрологически обоснованной корреляции факторов антропогенного воздействия на экосистему и состояние здоровья населения с целью выработки оптимальных условий для экологической безопасности человека во всех регионах бассейна.

Принципиальное условие оптимального инженерно-технического воплощения БАСЭМ - создание в 1994 - 1996 гг. опытного района, Формирование такого объекта как научно-экспериментального полигона для отработки структурной архитектуры, системных алгоритмов, базовых аппаратно-программных средств и аналитических моделей должно осуществляться на базе одной-двух уже создаваемых областных АМ с высокой степенью общетехнической готовности. К таким системам следует прежде всего отнести АСМ Нижегородской области, первая очередь которой создана в 1993 г.

Создание БАСЭМ нереально без использования надежной системы контроля качества воды, воздуха, почв. В Программе "Возрождение Волги" приводится перечень приборов, которые рекомендуются к использованию при разработке областных и республиканских АСМ, указаны также перспективные технические средства, рекомендуемые для освоения приборостроительными предприятиями РФ.

Коллективные стационарные посты автоматического анализа атмосферы и передвижные лаборатории "Атмон" рекомендуются исследователями НПП "Полет" в качестве базовых технических решений. Они более других отечественных аналогов соответствуют метрологическим, методическим и другим требованиям, в том числе требованиям ГГО им. А.И. Воейкова - основной организации по формированию мониторинга окружающей среды. Посты и передвижные лаборатории "Атмон" прошли достаточную апробацию в реальных условиях эксплуатации, обеспечивают оперативность для поиска самостоятельных технических решений, довольно просты для обслуживания (поставляются в комплекте).

Неотъемлемая часть БАСЭМ - картографическое обеспечение необходимой информацией об уровнях экологического загрязнения территории Волжского бассейна, поступлении различных ингредиентов от отдельных объектов, промышленных комплексов.

В процессе работы над проектом Программы "Возрождение Волги" глубоко проанализированы все существующие в мире методы и средства организации автоматизированных систем экологического мониторинга, оценены отечественные средства контроля, передачи и обработки данных о состоянии окружающей среды, определены возможности систематических авиационных исследований. Установлено, что в Волжском бассейне имеется прекрасная производственная база для создания технических средств мониторинга и учебных заведений по подготовке кадров соответствующих специальностей.

10.1.1. Мониторинг изменения состояния Рейна

Рейн является третьей по длине рекой Западной и Центральной Европы, площадь его бассейна составляет лишь 200 тыс. кв. км, однако в его бассейне проживает боле 50 млн. человек. На Рейне находятся крупнейший порт мира Роттердам и крупнейший внутренний порт Дуйсбург, крупнейшие промышленные комплексы Европы, включая Рур.

Воды Рейна используются для питьевых целей 20 млн. человек, в то же время они используются для промышленности, сельского хозяйства, энергетики.

Органом, осуществляющим интегрированное управление водами Рейна, является Международная комиссия по защите Рейна, созданная в 1950 г. При участии Комиссии с 1970 по 1985 г. была выполнена грандиозная программа по строительству сооружений по очистке промышленных и сточных вод. Это привело к значительному снижению загрязнения вод Рейна

Наиболее значимым актом, подготовленным комиссией, стала Рейнская программа действий, принятая в 1987 г. и рассчитанная до 2000 г.

Удивительна ясность и лаконичность, с которыми сформулированы главные цели программы. Это:

Улучшение состояния водных экосистем до уровня, обеспечивающего проживание лосося и морских черепах;

Обеспечение гарантированного с точки зрения отдаленных последствий качества питьевой воды, взятой из Рейна;

Уменьшение загрязнений донных отложений до уровня, обеспечивающего их использование в насыпных работах;

Улучшение экологического состояния Северного моря.

С 1995 г. Комииссия занимается также борьбой с наводнениями. Таким образом, от управления качеством вод сделан шаг по направлению управления водами Рейна.

Информационные ресурсы комиссии отражают главным образом результаты выполнения скоординированных Комиссией программ мониторинга качества вод Рейна и нормативную базу. При этом в последние годы в число показателей входят количественные, характеризующие состояние экосистем, расходы, уровни и другие характеристики вод.

Успех в улучшении качества вод Рейна в значительной мере связан с политической волей властей всех стран его бассейна. Уже в середине 90-ых по многим показателям Программа была выполнена. В частности, лосось стал размножаться в естественных условиях и его наблюдали в 700 км выше устья.

Объяснение такому интересу властей к реализации Программы, по-видимому, следует искать в широчайшем распространении мониторинга качества вод, проводимого как представителями властей, так и неправительственными общественными организациями, студентами и школьниками. Заслуга здесь принадлежит как Комиссии по защите Рейна, разработавшей единые методические подходы к оценке качества вод, так и неправительственным организациям.

10.1.2. Мониторинг Великих озер

Мониторинг в зоне Великих озер осуществляется множеством негосударственных организаций, а также международной комиссией, в которую входят США и Канада. В последние годы работа комиссии в значительной мере учитывает рекомендации и опыт Агентства по охране окружающей среды США.

Мониторинг Великих озер осуществляется в рамках стратегического плана. Целью стратегии является предоставление информации лицам, принимающим решения (ЛПР). При этом понятие ЛПР рассматривается максимально широко. Оно включает не только представителей федеральной исполнительной и представительной власти, но и общественные организации, органы местного самоуправления.

Поэтому реализация стратегии видится как:

- Стратегия обеспечения доступа к информации для общественности;

- Разработка методов обеспечения доступа к информации;

- Разработка поисковых систем;

- Разработка системы ключевых индикаторов;

- Разработка системы пространственного анализа;

- Адресное обучение;

- Обеспечение полноты и достоверности данных.

Лекция 11. Мониторинг реализации долгосрочных программ по оздоровлению бассейнов рек и озер

11.1 Мониторинг наземных экосистем, находящихся в зоне интенсивного антропогенного воздействия

11.1.1 Общие требования

Мониторинг наземных экосистем должен базироваться на исследовании миграции химических веществ в различных природных системах.

Организация мониторинга наземных экосистем должна исходить из анализа процессов образования ландшафтов, включающего:

- Изучение связи между почвами и различными элементами ландшафта;

- Происхождение биогеоценозов;

- Связь между биогеоценозами и дренирующими и питающими водами как основы миграции вещества.

Необходимо провести анализ земной поверхности для выделения водораздельных и талевентных линий; линий максимальных и минимальных уклонов и линий выпуклых и вогнутых перегибов.

Поведение химических соединений в ландшафтах и трансформация техногенных веществ определяются физико-химическими особенностями почв, рыхлых отложений и природных вод.

Миграция веществ существенно зависит от наличия геохимических барьеров, где резко уменьшается миграция элементов. Именно их изучение и определяет ключевые характеристики наземных экосистем.

11.1.2 Основные задачи мониторинга наземных экосистем

К основным задачам мониторинга наземных экосистем относятся:

- Изучение и инвентаризация природно-технических геосистем;

- Выбор репрезентативной сети наблюдения и проведение наблюдений за состоянием геосистемы;

- Создание ГИС наземной экосистемы;

- Прогнозирование и оценка состояния экосистемы;

- Доведение информации до потребителя.

11.2 Мониторинг литосферы в зонах интенсивной антропогенной нагрузки, включая мониторинг карстов, оползневых зон и подземных вод.

11.2.1 Общие требования

Антропогенное воздействия на геологическую среду и перемещение грунтов оснований сооружений имеют следующий характер:

гидродинамические воздействия, главным образом связанные с подтоплением территорий, строительным водопонижением и эксплуатацией подземных водозаборов для хозяйственно-питьевого, питьевого и технического водоснабжения;

химические воздействия, связанные с поступлением в геологическую среду, в частности, в подземные воды, загрязненных химическими и радиоактивными веществами вод при аварийных ситуациях, подогретых коррозийно-активных вод, влияющих на состав и свойства грунтов;

тепловые воздействия, связанные с утечками и инфильтрацией нагретых производственных вод в подземную гидросферу в сочетании с тепловыделением от подземных теплокоммуникаций;

электрофизические воздействия, связанные с формированием техногенных и электрических полей, появлением блуждающих токов;

вибрационные воздействия, связанные с динамическими нагрузками от машин и технологического оборудования;

воздействия от статических нагрузок зданий, сооружений, связанные с уплотнением грунтов, захватывающие значительные зоны и приводящие к необратимым изменениям геологической среды.

На основании анализа процессов взаимодействия «сооружение - геологическая среда» организация экологического мониторинга геологической среды может включать:

контроль режима движения поверхности земли и деформации сооружений и оснований;

контроль и оценка режима динамических свойств грунтов;

контроль режима плотности и влажности грунтов;

контроль температурного режима грунтов и грунтовых вод;

контроль режима порового давления;

контроль уровней грунтовых вод и пьезометрических уровней подземных вод;

контроль химического состава подземных и пороговых вод;

контроль содержания загрязняющих веществ в грунтах и грунтовых водах;

контроль режима пучения грунтов;

контроль карстового процесса.

11.2.2 Организация геоэкологического мониторинга

Измерения смещения земной поверхности сводятся к наблюдениям за изменением взаимного положения ее отдельных точек во времени. Наблюдения за смешениями земной поверхности подразделяются на:

точечные (наблюдения в одном пункте);

створно-линейные (наблюдения ведутся по отдельным точкам, расположенным по определенной линии):

площадные (наблюдения ведутся по отдельным точкам, связанным между собой на некоторой площади в отдельные фигуры).

Основными методами наблюдения горизонтальных смещений являются:

триангуляция;

трилатерация;

геодезические засечки;

полигонометрия

стереофогоргамметрия.

Для определения смещений и скоростей движения отдельных геологических систем по глубине устанавливаются специальные реперы.

Влажность и плотность являются важнейшими показателями состояния грунтов. Для осуществления режимных наблюдений необходимо принять меры, позволяющие определить показатели плотности и влажности непосредственно в массиве, что обеспечивается методами радиоактивного каротажа:

гамма-каротаж дает распределение влажности грунтов по глубинам;

нейтронный каротаж дает распределение влажности вдоль исследуемой скважины.

Существует ряд методов определения влажности грунтов на основе измерения их электрофизических свойств:

по электропроводности (идеальному электрическому сопротивлению);

по величине диэлектрической проводимости;

по измерению электрической емкости и т.д.

Для получения термометрической информации используются специальные скважины, к которым предъявляются следующие требования:

скважины должны быть выдержаны достаточное время после бурения или откачки;

в скважине не должны проводится опытные работы, приводящие к нарушению естественного режима (откачки, желонирования, отбор проб и т.д.);

скважина должна быть безупречной в отношении изоляции водоносных горизонтов в затрубном пространстве.

При гидрогеологических исследованиях применяются жидкостные, деформационные сопротивления, термоэлектрические и транзисторные термометры. Наблюдения за режимом суточного хода температуры про- изводятся с использованием датчиков, устанавливаемых в грунт на глубинах: 0.2; 0.4; 0.8; 1.2; 1.6; 2.4; 3.2 м. Ниже, в слое годовых переменных температур, относительное расстояние по глубине между точками замеров равно 2.5 м. Суточные изменения температуры измеряются с интервалом не более 6 часов.

К подземным водам относятся:

грунтовые воды;

напорные подземные воды;

верхневодка (естественная и возникающая от подтопления);

воды зоны аэрации.

11.2.3 Требования к сети наблюдений

Сеть наблюдательных режимов скважин, постов, ключевых воднобалансовых участков размещается с учетом:

месторасположения источников загрязнения;

направлений реальных путей воздушной и водной (поверхностной и подземной) миграции загрязнителей;

месторасположения объектов потребления воды, геологических, гидрогеологических особенностей зон насыщения и аэрации (литологическое строение, направления и скорости фильтрации подземных вод, расходов поверхностных и подземных вод, напоров, градиентов, наличия литологических окон, расположения областей питания и разгрузки, выходов водоносных горизонтов на поверхность и т.д.);

гидрогеохимических особенностей (миграционная особенность и формы ингредиентов в породах зоны аэрации, паровых растворах, подземных, поверхностных и сточных водах и донных отложениях, наличие геохимических барьеров и т.д.).

Наблюдательная сеть должна иметь два уровня:

специальная сеть наблюдения за источниками подтопления в зоне строгого режима;

территориальная сеть режимных наблюдений, состоящая из наблюдательных скважин, гидрометрических постов на реках, водоемах, ключевых водобалансовых участков.

При организации специальной сети наблюдений за источниками подтопления особое внимание следует уделить наблюдениям:

за гидрогеохимической и радиационной обстановкой на территории хранилищ опасных, токсичных и радиоактивных отходов;

на территории объектов, являющихся источниками подтопления и интенсивного химического и радиоактивного загрязнения подземных вод.

Специальная сеть должна комплектоваться постами наблюдения за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу и их поступлением на поверхность почв, а также за сбросами сточных вод.

Периодичность наблюдений устанавливается гидрогеологических условий с учетом интенсивности уровней и процессов миграции загрязняющих веществ.

...