Экологический мониторинг
advertisement
Экологический мониторинг Кафедра промышленной экологии Латыпова М.М. Экологический мониторинг Систему наблюдений за изменением состояния окружающей природной среды называют мониторингом (лат. monitor, англ. monitoring надзирающий). 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 Экологический мониторинг В Государственном докладе «О состоянии окружающей природной среды в 1995 г.» дается определение экологического мониторинга в РФ как комплекса выполняемых по научно обоснованным программам наблюдений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе рекомендации и вариантов управленческих решений, необходимых и достаточных для обеспечения управления состоянием окружающей природной среды и экологической безопасностью. Первое Межправительственное совещание по мониторингу было созвано в Найроби (Кения) в 1974 г. На нем обсуждались цели программы глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Классификация экологического мониторинга Основные задачи экологического мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия. В конечном счете целью экологического мониторинга является оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности. Экологический мониторинг возник на стыке экологии, биологии, географии, геофизики, геологии и других наук. Классификация экологического мониторинга Выделяют различные виды мониторинга в зависимости от критериев: биоэкологический (санитарногигиенический); геоэкологический (природнохозяйственный); биосферный (глобальный); геофизический; климатический; биологический; здоровья населения и др. Уровни мониторинга в ГСМОС Глобальный (биосферный, фоновый); Региональный; Импактный (точечный, локальный) В России мониторинг природной среды осуществляется многими ведомствами, в рамках деятельности которых имеются соответствующие задачи, уровни и составляющие подсистемы мониторинга. Так, например, в системе мониторинга, осуществляемого Росгидрометом, различают три уровня экологического мониторинга окружающей природной среды: глобальный, региональный и локальный. Цели, методические подходы и практика мониторинга на разных уровнях отличаются. Принципиальная блок - схема мониторинга загрязнений ( по Ю.А.Израэлю) Информационная система мониторинга Наблюдения Управление Оценка фактического состояния Регулирование качества среды Прогноз состояния Оценка прогнозируемого состояния Принципиальная блок - схема мониторинга загрязнений ( по Ю.А.Израэлю) Основы ГСМОС в бывшем СССР были разработаны академиком Ю.А. Израэлем и доложены на заседании Совета управляющих ЮНЕП в 1974 г. Отличительной особенностью концепции Ю.А. Израэля было слежение за антропогенными изменениями в окружающей природной среде. Другие виды классификационных подходов в экологическом мониторинге и нормирование качества окружающей среды мониторинг источников антропогенного воздействия на окружающую среду; мониторинг загрязнения абиотической компоненты; мониторинг биотической компоненты; обеспечение создания и функционирования экологических информационных систем. Другие виды классификационных подходов в экологическом мониторинге и нормирование качества окружающей среды Наиболее отчетливо критерии качества окружающей природной среды определены на локальном (импактном) уровне. Цель регулирования здесь – обеспечение такой стратегии, которая не выводит концентрации определенных приоритетных антропогенных загрязняющих веществ за допустимый диапазон, который является своего рода стандартом. Он представляет собой величины предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК закреплены законодательно. Соответствие качества окружающей природной среды этим стандартам контролируется соответствующими органами надзора. Другие виды классификационных подходов в экологическом мониторинге и нормирование качества окружающей среды Задачей мониторинга на локальном уровне является определение параметров моделей “поле выбросов – поле концентраций”. Объектом воздействия на локальном уровне является человек. На региональном уровне подход к мониторингу основан на том, что загрязняющие вещества, попадая в круговорот веществ в биосфере, изменяют состояние абиотической составляющей и, как следствие, вызывают изменения в биоте (экзогенные сукцессии). Программы наблюдений формируются по принципу выбора приоритетных (подлежащих первоочередному определению) загрязняющих веществ и интегральных (отражающих группу явлений, процессов или веществ) характеристик. Классы приоритетности загрязняющих веществ, установленные экспертным путем и принятые в системе ГСМОС, приведены в таблице Определение приоритетов при организации систем мониторинга зависит от цели и задач конкретных программ: так, в территориальном масштабе приоритет государственных систем мониторинга отдан городам, источникам питьевой воды и местам нерестилищ рыб; в отношении сред наблюдений первоочередного внимания заслуживают атмосферный воздух и вода пресных водоемов. Приоритетность ингредиентов определяется с учетом критериев, отражающих токсические свойства загрязняющих веществ, объемы их поступления в окружающую среду, особенности их трансформации, частоту и величину воздействия на человека и биоту, возможность организации измерений и другие факторы. Приоритетные загрязнители в ГСМОС Класс Загрязняющее вещество 1 Диоксид серы, взвешенные вещества Радионуклиды 2 Озон Хлорорганические соединения и диоксины Кадмий 3 4 Нитраты, нитриты Нитраты, нитриты Среда Уровень мониторинга Воздух Пища И, Р, Ф И, Р Воздух Биота, человек Пища, вода,человек Вода, пища Вода, пища И(тропосфера), Ф (стратосфера) И,Р И И И Ртуть Пища, вода Свинец Воздух, пища И Диоксид углерода Воздух Ф Оксид углерода Воздух И Углеводороды нефти Морская вода Р, Ф 6 Фториды Пресная вода И 7 Асбест Воздух И Мышьяк Питьевая сода И Микробиологические загрязнения Пища И, Р Реакционноспособные загрязнения Воздух И 5 8 И, Р Цели и задачи Объекты мониторинга Определяемые параметры Выбор расположения и числа постов наблюдения Продолжительность программы •Выбор оборудования и методов анализа •Методы отбора, консервирования и хранения проб •Проведение измерений Потребитель информации •Документирование измерений •Интерпретирование результатов •Представление информации •Распространение информации Информационная аналитическая система Пробоотбор и пробоподготовка Объект анализа Аналитическая проба Принятие решения Проведение измерений Результат анализа Обработка данных Пример прогнозирования 1 Э.Г. Коломыц, Л.С. Шарая Институт экологии Волжского бассейна РАН, Тольятти Карта пространственного распределения групп биогеоценозов для базового периода (1), 2050 (2) и 2100 (3). Модель GISS 2 3 Экологический мониторинг водных объектов (гидросферы) 14 марта 1997 года правительство РФ утвердило «Положение о ведении государственного мониторинга водных объектов». Государственный мониторинг включает: регулярные наблюдения за состоянием водных объектов, количественными и качественными показателями поверхностных и подземных вод; сбор, хранение, пополнение и обработку данных наблюдений; создание и ведение банков данных; оценку и прогнозирование изменение состояния водных объектов, количественных показателей поверхностных и подземных вод. Экологический мониторинг водных объектов (гидросферы) Государственный мониторинг водных объектов является составной частью системы государственного мониторинга окружающей природной среды и состоит из: мониторинг поверхностных водных объектов суши и морей; мониторинг подземных водных объектов; мониторинг водохозяйственных систем и сооружений. Схема пробоподготовки при определении загрязняющих веществ в воде Показатели качества воды Обобщенные показатели – это определяемые непосредственными измерениями количественные характеристики того или иного свойства воды, обусловленного системным влиянием содержащихся в ней компонентов. Интегральными показателями, характеризующими свойства воды, являются: Растворенный кислород – один из показателей санитарного состояния водного объекта. рН – определяет интенсивность и направленность химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Окислительно-восстановительный потенциал – характеризует химико-биологическое состояние воды, определяет геохимическую подвижность элементов с переменной валентностью и формы их миграции. Электропроводность – показатель концентрации электролитов. Органический углерод (Сорг) – суммарное содержание органических веществ. ХПК – суммарное содержание органических и неорганических окисляемых веществ. БПК – содержание биоокисляемых органических и неорганических веществ. Перманганатная окисляемость (ПИ) – примерное содержание главным образом трудноокисляемых органических и неорганических веществ. ПИ/ХПК – при преобладании окрашенных гумусовых соединений >40%, при преобладании свежеобразованных органических веществ <40%. ХПК/Сорг – характеризует степень окисляемости органических веществ. БПК5/Сорг – в чистых водах всегда 1, а в загрязненных водах >1, при <0.5 в воде преобладает стойкое органическое вещество. Количество органических веществ, сорбируемых активным углем и извлекаемых хлороформом – показывает степень загрязненности водных объектов органическими веществами промышленных стоков. Общий азот – показатель эвтрофикации водоемов. Общий фосфор – определяет продуктивность водоемов. H 2S и сульфиды – показатель восстановительных процессов при биохимическом окислении органических веществ. Жесткость – свойство воды, зависящее от наличия в ней, главным образом, растворенных солей Са2+ и Mg2+ . Сумма тяжелых металлов (Cd, Cu, Zn, Hg, Pb, Co, Ni). Суммарное содержание восстанавливающихся веществ – по аналогии с ХПК предлагается считать ХПВ, мгН/л. СПАВ – содержание синтетических поверхностно-активных веществ. Суммарное содержание летучих фенолов. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши по О.П. Оксиюк и В.Н. Жукинскому Основные показатели уровня токсической загрязненности водных экосистем по Л.П. Брагинскому В оценке загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям имеющиеся комплексные оценки делятся на 3 группы: 1. Коэффициенты загрязненности воды: Коэффициенты – наиболее абстрактные показатели, чаще всего учитывающие небольшое число элементов сложного объекта. 2. Индексы загрязненности воды: общесанитарный индекс качества воды; комбинаторный индекс загрязненности воды и т.д. Индексы загрязненности являются наиболее информативными. В соответствии с ГОСТ 17.1.1.01.–77 «Индекс качества воды – обобщенная числовая оценка качества воды по совокупности основных показателей и видам водопользования». Оценка качества воды сводится к получению числа (индекса) по совокупности значений выбранных показателей. Оценка загрязненности природных вод по гидробиологическим показателям Биоиндикация Оценка степени загрязнения по показательным организмам (сапробиологический анализ) Оценка по видовому разнообразию Оценка по микробиологическим показателям качества воды Биотестирование определение токсичности вод по ферментативной активности бактерий (фотоколориметрический метод); определение токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний; определение токсичности воды по смертности и изменению плодовитости цериодафний; определение токсичности воды по хемотаксической реакции инфузорий. Основные критерии биотестирования Чувствительность метода (предел обнаружения токсического эффекта, т.е. установление возможной наименьшей концентрации вещества или наибольшего разбавления тестируемой воды, которые вызывают тест-реакцию) Экспрессность (время проявления тест-реакции) Воспроизводимость (степень близости результатов биотестирования, выполненного в одинаковых условиях различными исполнителями) Возможность инструментализации и стандартизации Строение Daphnia magna straus а – самка; 1 – антенна, 2 – сложный глаз, 3 – антеннула, 4 – грудные ножки, 5 – яичник, 6 – створки панциря, 7 – каудальные когти, 8 – постабдомен, 9 – хвостовые щетинки, 10 – выводковая камера, 11 – сердце, 12 – кишечник, 13 - печеночные выросты; б – самец; в – внешний вид эфиппиума. В качестве примера рассмотрим некоторые из методов комплексной оценки загрязненности поверхностных вод. * Предложен Белогуровым В.П., Лозанским В.Р., Лесиной С.А. –ВНИИВО, г.Харьков. * Разработан на основе гидрохимических показателей. Общее количество используемых показателей не ограничено. Критерий оценки – наиболее жесткие нормативы. Способ формализации данных—вводится коэффициент загрязненности (КЗ) – обобщенный показатель, характеризующий относительную степень загрязенности поверхностных вод совокупно по всем нормируемым показателям качества воды. Величина КЗ показывает, во сколько раз в среднем по всем измерениям нормируемые параметры качества воды превышают наиболее жесткие ПДК. КЗ= ∑ Сi / ПДК рх *Предложен Гурарием В.К, Шайном А.С. — ВНИИВО, г.Харьков. * Разработан на основе химических и микробиологических показателей. Общее количество используемых показателей – 12. Предлагается классификация по 5 классам. Способ формализации данных—предлагается индекс качества воды (ИКВ) для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых вод. Используемый аналитикоэкспертный метод учитывает все имеющуюся информацию о значениях ингредиентов, а не только наихудший показатель. Вводится комплексный индекс качества воды (КИКВ), определяемый методом векторного сравнения ИКВ и индекса загрязненности. Недостатки: оценка производится по строго закрепленному набору показателей; при специфическом виде загрязнений может неверно отражать качество воды. Перечень токсических веществ ограничен. Экологический мониторинг почв Мониторинг сельскохозяйственных почв Мониторинг почв городов, населенных пунктов и промышленных зон Мониторинг растительности Мониторинг сельскохозяйственных почв Агроэкологический мониторинг – это общегосударственная система наблюдения и контроля за состоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредельных с ними сред) в процессе интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Почвенный мониторинг – это одна из важнейших составляющих агроэкологического мониторинга в целом и направлена на выявление антропогенных изменений почв, которые могут, в конечном счете, нанести вред здоровью человека или состоянию экосистемы. Чтобы почвенный мониторинг был эффективным, его нужно реализовать на трех уровнях: мониторинг состояния почвенного покрова, мониторинг состояния почв, мониторинг загрязнения почв. Порядок проведения и требования к почвенным мониторинговым работам При работе по оценке состояния почв начинать исследования необходимо с региональных работ, постепенно переходя от одной стадии к другой. Нарушение требований стадийности выполнения работ может привести к существенным ошибкам. В редких случаях возможны отклонения от принятой последовательности: среднемасштабные исследования можно проводить раньше региональных в новых районах, на площадях, расположенных вблизи крупных городов или территориально-промышленных комплексов; крупномасштабные исследования можно проводить непосредственно после региональных исследований на аномальных участках, выявленных по результатам работ первой стадии; в отдельных случаях работы можно начинать с режимных наблюдений, а также с оценки эколого-химического состояния населенных пунктов. необходимо соблюдать общие требования к исследовательским работам: оценка должна быть объективной; оценка должна быть при аналогичных внешних условиях воспроизводимой; при соблюдении объективности и воспроизводимости оценку следует осуществлять по единой методике. Схема пробоподготовки при определении загрязняющих веществ в почвах Оценка состояния почв городов по суммарному показателю Zс Kатегории загрязнения почв Величина Zс Изменение показателей здоровья населения в очагах загрязнения Допустимая меньше 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимум функциональных отклонений 16-32 Увеличение общего уровня заболеваемости Опасная 32-128 Увеличение общего уровня заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционирования сердечнососудистой системы Чрезвычайно опасная Более 128 Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение случаев токсикоза при беременности, преждевременных родов, мертворождаемости, гипотрофий новорожденных). Умеренно опасная Нормирование качества почв Большинство исследователей, изучающих проблемы, связанные с загрязнением почв, пришли к заключению о недостаточной обоснованности имеющихся санитарно-гигиенических норм ПДК и ОДК Интерес заслуживает концепция В.Б.Ильина, согласно которой следует учитывать следующие факторы: функциональную многозначность почвы; наличие в почвах и растениях механизмов защиты от избытков токсических ионов и соединений; повышенную защищенность от токсикантов органов запасания ассимилянтов (семян, клубнеплодов и др.); более быструю реакцию микрофлоры по сравнению с органоминеральным субстратом на появление избыточного количества токсикантов в почве; значительно большую информативность содержания в почве подвижной формы загрязнителя по сравнению с валовым количеством. Почвы ** ** *** * *** *** *** Растения ** ** *** * *** *** *** Число звездочек характеризует распространенность метода. ** Сверхкритическая флюидная хроматография * СФЗ** Избиратель ное растворение Мокрая минерализа ция Сухая минерализа ция Сорбция Газовая экстракция Жидкостная экстракция Объект Распространенность методов концентрирования при анализе объектов окружающей среды* Мониторинг атмосферного воздуха Нормирование качества воздуха В соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями разовые и среднесуточные значения ПДК являются основными характеристиками токсичности примесей, содержащихся в воздухе. При характеристике загрязненности воздуха по городам средние значения концентраций сравниваются со среднесуточной ПДК, а максимальноразовые концентрации – с максимальной разовой ПДК. По городам рассчитывают комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА) по веществам Схема пробоподготовки при определении загрязняющих веществ в воздухе Газоаналитическое оборудование В настоящее время в основу работы автоматических газоанализаторов, служащих для количественного анализа широкого ряда веществ, положены различные физико-химические методы газового анализа. Наиболее распространены электрохимические, оптические, хроматографический и пламенноионизационный методы. Ранжирование территории по уровню загрязненности воздуха I(ИЗА) = (Qг / ПДКСС)Кi дифференциальный индекс In (КИЗА) = ∑ Ii загрязнения интегральный (комплексный) индекс загрязнения атмосферы Категория степени загрязненности Очень высокая Значение КИЗА КИЗА >16 Высокая 4<КИЗА≤16 Повышенная 1<КИЗА≤4 Низкая КИЗА≤1 атмосферы Среднее значение Кi для групп веществ четырех классов опасности принимается равным: для первого – 1,7; для второго – 1,3; третьего – 1,0; четвертого – 0,9. а = Сi /ПДКi коэффициент для выражения концентрации примеси в единицах ПДК g = (m/n)100% Повторяемость концентраций выше уровня ПДК ∑ Сi /ПДКi< 1 Условие, соблюдаемое при учете суммации Рп = Р0 /S∙t , Величина пылевой нагрузки при анализе снега Компания Mercer Human Resource Consulting составила список самых грязных городов в мире (2007 г.), основываясь на данных по уровню загрязненности воздуха и других показателях, в 215 крупных населенных пунктах мира Баку, Азербайджан. Индекс загрязненности: 27,6. Отмечен высокий уровень загрязнения воздуха из-за нефтедобычи. 2. Дакка, Бангладеш. Индекс загрязненности: 29,6. 3. Антананариво, Мадагаскар. Индекс загрязненности: 30,1. 4. Порт-о-Принс, Гаити. Индекс загрязненности: 34. 5. Мехико-сити, Мексика. Индекс загрязненности: 37,7. 6. Аддис-Абеба, Эфиопия. Индекс загрязненности: 37,9. 7. Мумбаи, Индия. Индекс загрязненности: 38,2. 8. Багдад, Ирак. Индекс загрязненности: 39. Военные действия в Ираке и сжигание нефтяных месторождений стали причиной загрязнения воздуха в городе. 9. Алма-Аты, Казахстан. Индекс загрязненности: 39,1. 10. Браззавиль, Конго. Индекс загрязненности: 39,1. 11. Нджамена, Чад. Индекс загрязненности: 39,7. 12. Дар-эс-Салаам, Танзания. Индекс загрязненности: 40. 13. Бангуи, Центрально-Африканская Республика. Индекс загрязненности: 42,1. 14. Москва, Россия. Индекс загрязненности: 43,4. Ранжирование территории города по уровням загрязненности воздуха Устанавливаются посты наблюдений трех категорий: стационарные, маршрутные, передвижные (подфакельные). Стационарный пост предназначен для обеспечения непрерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего анализа. Из числа стационарных постов выделяются опорные стационарные посты, которые предназначены для выявления долговременных изменений содержания основных и наиболее распространенных специфических загрязняющих веществ. Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха, когда невозможно (нецелесообразно) установить стационарный пост или необходимо более детально изучить состояние загрязнения воздуха в отдельных районах, например в новых жилых районах. Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под дымовым (газовым) факелом с целью выявления зоны влияния данного источника промышленных выбросов. Стационарные посты оборудованы специальными павильонами, которые устанавливают в заранее выбранных местах. Наблюдения на маршрутных постах проводятся с помощью передвижной лаборатории, которая оснащена необходимым оборудованием и приборами. Маршрутные посты также устанавливают в заранее выбранных точках. Одна машина за рабочий день объезжает 4-5 точек. Порядок объезда автомашиной выбранных маршрутных постов должен быть одним и тем же, чтобы обеспечить определение концентраций примесей в постоянные сроки. Наблюдения под факелом предприятия проводятся также с помощью оборудованной автомашины. Подфакельные посты представляют собой точки, расположенные на фиксированных расстояниях от источника. Они перемещаются в соответствии с направлением факела обследуемого источника выбросов. Число стационарных постов определяется в зависимости от численности населения в городе, площади населенного пункта, рельефа местности и степени индустриализации, рассредоточенности мест отдыха. В зависимости от численности населения устанавливается: 1 пост - до 50 тыс. жителей; 2 поста - 50-100 тыс. жителей; 2-3 поста - 100-200 тыс. жителей; 3-5 постов - 200-500 тыс. жителей; 5-10 постов - более 500 тыс. жителей; 10-20 постов (стационарных и маршрутных) - более 1 млн. жителей. Количество постов может быть увеличено в условиях сложного рельефа местности, при наличии большого количества источников загрязнения, а также при наличии на данной территории объектов, для которых чистота воздуха имеет первостепенное значение (например, уникальных парков, исторических сооружений и др.). Типы полей загрязнения Мониторинг атмосферного воздуха включает: 1. Ведение справочника веществ 2. Ведение справочника технологических объектов для атмосферного воздуха 3. Ведение справочника технологических объектов источников промвыбросов 4. Ведение справочника точек отбора 5. Хранение протоколов КХА атмосферного воздуха 6. Хранение протоколов КХА промышленных выбросов 7. Составление аналитических отчетов по атмосферному воздуху 8. Составление аналитических отчетов по промвыбросам Мониторинг трансграничных загрязнений Поступающие из различных источников загрязняющие вещества переносятся воздушными и водными потоками и распространяются под влиянием турбулентного перемешивания. При организации постоянного наблюдения за распространением вредных примесей, т.е. изучения вопросов загрязнения больших регионов необходимо учитывать следующие данные (по В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитову, Г.К. Будникову): сведения о существующих и перспективных источниках загрязнения; характеристики загрязняющих веществ (токсичность, возможность дальнейших превращений, концентрацию, способность к осаждению, растворимость в воде и т.д.); гидрометеорологические условия; результаты прошлых наблюдений за загрязнениями; уровни загрязнений природных сред в соседних областях и регионах; сведения о глобальном переносе примесей. Известно, что распространение загрязняющих веществ на той или иной территории за счет трансграничных переносов в атмосфере может быть описано уравнением турбулентной диффузии: С C C 2C 2C 2C Wg U Kx 2 Ky 2 Kz 2 t z x x y z где С – концентрация примеси в воздухе; Кx, Ky, Kz – соответствующие коэффициенты турбулентной диффузии; Wg – скорость «сухого» осаждения частиц; U – скорость ветра. Расчет количества загрязняющего вещества, выводимого из атмосферы, основан на уравнении: dC Kz C 0 z dz где Kz – коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, м2/с; ρ – плотность воздуха на высоте z, кг/м3; С – концентрация примеси, нг/кг; σ – коэффициент вымывания, с-1. Уравнение, описывающее выведение примесей из атмосферы за счет «сухих» выпадений, имеет следующий вид: Kz dC W g C 0 dz где ρ – плотность потока загрязняющего вещества с подстилающей поверхности в атмосферу; z0 – уровень измерения приземных концентраций, м, при z=z0. «Сухое» выпадение токсичных примесей (D) рассчитывают в виде потока на подстилающую поверхность за интересующий период времени с использованием скорости осаждения Wg: D C ( x, y,0)W g dt Для расчета количества применяют формулу: примесей, выпадающих с осадками (F), F C ( x, y,0)hdt Общее количество загрязняющих веществ, атмосферными переносами (Q), составляет: поступающих с Q=D+F Современные оценки показывают, что атмосферные переносы суперэкотоксикантов являются важнейшими источниками загрязнения окружающей среды. С атмосферными выпадениями в год поступает почти 106 т свинца, 2-3 тыс. т ртути, до 14 тыс. т кадмия, 3 тыс. т ПХБ. Методика оценки трансграничного загрязнения пестицидами водных объектов Суммарная величина смыва за период осадков определяется по формулам: Wж = Cp hp F; Wт = SpMpF, где Wж и Wт – величины смыва пестицида в составе жидкой и твердой фаз при заданной скорости потока p, кг; Cp – концентрация пестицида в поверхностном стоке, мг/кг; hp – слой дождевого стока, мм; F – площадь сельхозугодий, км2; Sp – концентрация пестицида в твердой фазе, мг/кг; Mp – модуль стока. При условии динамического равновесия между фазами концентрация пестицида в твердой фазе равна: Sp=KdCp , где Kd – коэффициент распределения пестицида между жидкой и твердой фазами. Толщина слоя дождевого стока определяется из соотношения: hp=k1Hp , где k1 – коэффициен стока (безразмерная величина), который зависит от рельефа местности, условий шероховатости склона, площади водосбора и задается в пределах 0,1–1,0; Нр – суточная величина осадков, мм. Значение модуля эрозионного стока вычисляется по формуле: Mp =hpabk2 , где a – параметр, зависящий от типа ручейковой сети на склоне и агротехнического фона; b – коэффициент, учитывающий влияние подстилающей поверхности; k2 – коэффициент крутизны склона. Для малых и средних водосборов средняя концентрация ядохимиката в реке в замыкающем створе без учета трансформации в русле рассчитывается из следующей зависимости: Cp M 1C1F1 M 2C2 F2 ... M nCn Fn M 0 F0 где М1,…, Мn – модули дождевого стока на отдельных сельскохозяйственных полях речного водосбора, дм3· км2/с; С1¸...,Cn – прогнозируемые концентрации пестицидов в поверхностном стоке; F1¸..., Fn – площади отдельных сельскохозяйственных угодий на водосборе, обрабатываемые пестицидами; М0 – модуль дождевого стока в замыкающем створе реки; F0 – площадь водосбора. Радиационный экологический мониторинг Основные объекты радиационного мониторинга Нормирование радиационной безопасности Основная задача проведения радиационного контроля ведение производственно-технологических процессов или решение научных задач в условиях контроля над источником ионизирующего излучения (ИИИ), обеспечение контроля радиационной обстановки и радиационной безопасности в соответствии с действующими российскими Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) и Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99), разработанными на основе Публикации 60 МКРЗ. Структура территориальной подсистемы радиационного мониторинга Текущий контроль осуществляют с помощью стационарной аппаратуры, оперативный контроль – с помощью переносной или носимой аппаратуры: системы и отдельные приборы обеспечения радиационной безопасности радиационных объектов; • посты непрерывного автоматического радиационного контроля в населенных пунктах и на местности; • посты контроля радиоактивного загрязнения после аварии и несанкционированного перемещения радиоактивных и делящихся материалов; • передвижные (наземные, водные, воздушные) посты и лаборатории радиационного контроля; • портативные приборы для инспекционного и оперативного контроля радиационной обстановки; • технические средства для контроля продукции растениеводства и животноводства, пищи, пищевых продуктов, проб воздуха, воды, земли, строительных материалов и т.д.; • индивидуальные дозиметры; • счетчики излучения человека (СИЧ); • информационные табло коллективного пользования; • технические средства сбора, обработки и анализа измерительной информации; • средства коммутации и связи; • дозиметрические и радиометрические приборы, предназначенные для пользования населением. Матрица применяемости детекторов ионизирующего излучения. Блоки детектирования обеспечивают следующие виды радиационного контроля: • измерение мощности дозы и/или дозы; • измерение плотности потока фотонов или частиц; • измерение поверхностной активности радионуклидов; • измерение объемной активности радионуклидов в жидкости; • измерение объемной активности радиоактивных аэрозолей; • измерение объемной активности радионуклидов в газе; • измерение удельной активности радионуклидов; • измерение активности радионуклидов в источнике или образце; • измерение энергетического распределения ионизирующего излучения. В состав блоков детектирования аппаратуры входят современные детекторы ионизирующего излучения: неорганические и органические сцинтилляционные детекторы (счетчики) и их модификации; газоразрядные счетчики (непропорциональные цилиндрические и торцевые, пропорциональные, коронные и другие счетчики); полупроводниковые кремниевые, германиевые и другие детекторы (ППД); герметичные, проточные и «открытые» ионизационные камеры; детекторы эмиссионные и/или прямой зарядки (ДПЗ); камеры деления; термолюминесцентные (ТЛ), радиолюминесцентные (РФЛ), эмульсионные, пленочные, трековые, полупроводниковые накопительные и другие детекторы. Базовые определения ГИС "Географическая информационная система" (ГИС) это совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, математико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление пространственных и соотнесенных с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления. Отраслевой стандарт Минобразования России. «Информационные технологии в высшей школе. Геоинформатика и географические информационные системы. Общие положения». ОСТ ВШ 02.001-97 Базовые определения «Геопространственные данные» - это набор данных, которые индивидуально или в определенной совокупности определяют географическое положение, форму и содержание реальных пространственных объектов. Отраслевой стандарт Минобразования России. «Информационные технологии в высшей школе. Геоинформатика и географические информационные системы. Общие положения». ОСТ ВШ 02.001-97 Географические данные содержат четыре интегрированных компонента: местоположение, свойства и характеристики, пространственные отношения, время Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями Концептуальная схема организации данных в ГИС Пространственная выборка (уточнение территории) Тематическая выборка (проблемно-ориентированная) Существующие области использования ГИС История развития ГИС (четыре этапа) В истории развития геоинформационных систем выделяются четыре периода Пионерный период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.) исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы Период государственных инициатив (ранние 1970е - ранние 1980е гг.) развитие крупных геоинформационных проектов, поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп Период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время) широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время) повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет пользователям самим адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры Основополагающие элементы базы пространственных данных Элементы действительности, смоделированные в базе данных ГИС имеют два тождества: реальный объект и смоделированный объект (объект БД). Реальный объект - явление окружающего мира, представляющее интерес, которое не может быть более подразделено на явления того же самого типа Объект БД - элемент, в том виде, в каком он представлен в базе данных. Объект БД является " цифровым представлением целого или части реального объекта ". Метод цифрового представления явления изменяется исходя из базового масштаба и ряда других факторов. Модель базы пространственных данных Каждый тип реального объекта представляется определенными пространственными объектами базы данных. Пространственные объекты могут быть сгруппированы в слои, также называемые оверлеями, покрытиями или темами. Один слой может представлять одиночный тип объекта или группу концептуально связанных типов. Общие подходы к представлению пространственных объектов в БД растровый способ: ячейки, сетки векторный способ: точки, линии, полигоны Сопоставление растровой и векторной моделей данных Растровая модель данных Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки Каждая ячейка содержит только одно значение Является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными словами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями Соглашения, принятые для растровой ГИС Разрешение Минимальная линейная размерность наименьшей единицы географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо данные В растровой модели данных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, ячейка или пиксель. Множество ячеек образует решетку, растр, матрицу. Соглашения, принятые для растровой ГИС Площадной контур (Зона) Набор смежных местоположений одинакового свойства. Термин Класс (или район) часто используется в отношении всех самостоятельных зон, которые имеют одинаковые свойства. Основными компонентами зоны являются ее значение и местоположения Соглашения, принятые для растровой ГИС Значение Единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение Соглашения, принятые для растровой ГИС Местоположение Наименьшая единица географического пространства, для которого могут быть приведены какие-либо характеристики или свойства (пиксель, ячейка) Такая частица картографического плана однозначно идентифицируется упорядоченной парой координат - номерами строки и столбца Векторная модель данных Основана на векторах (направленных отрезках прямых) Базовым примитивом является точка Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами Площади определяются набором линий Представляет собой объектно-ориентированную систему Пример векторного представления пространственных объектов Типы векторных объектов, основанные на определении пространственных размеров Безразмерные типы объектов Точка - определяет геометрическое местоположение Узел - топологический переход или конечная точка, может определять местоположение также Одномерные типы объектов Линия - одномерный объект Линейный сегмент - прямая линия между двумя точками Строка - последовательность линейных сегментов Дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую определенную математической функцией Связь - соединение между двумя узлами Направленная связь - связь с одним определенным направлением Цепочка направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах Кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг Двумерные типы объектов Область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу Внутренняя область - область, которая не включает собственную границу Полигон - область, состоящая из внутренней области, одного внешнего кольца и нескольких непересекающихся, невложенных внутренних колец Пиксель - элемент изображения, который является самым малым неделимым элементом изображения Пример слоев, составленных из пространственных объектов линейного типа Примеры слоев, составленных из пространственных объектов полигонального типа Формы векторной модели данных Цельнополигональная структура (структура типа "спагетти") Линейно-узловая структура (топологическая структура) Реляционная структура Нерегулярная триангуляционная сеть (TIN) Топологическое представление векторных объектов Формирование топологии включает определение и кодирование взаимосвязей между точечными, линейными и площадными объектами. Преимущества Растровая модель 1. Простая структура данных 2. Эффективные оверлейные операции 3. Работа со сложными структурами 4. Работа со снимками Векторная модель 1. Компактная структура 2. Топология 3. Качественная графика Содержание базы пространственных данных включает: Цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий) Цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры) Искусственные объекты, созданные специально для целей построения базы данных (например, пиксели). Разновидность непрерывных свойств Некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно и изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) реально представленных границ. и не имеют Непрерывная изменчивость может быть представлена в базе данных несколькими способами: посредством величин измерений в некоторых характерных пунктах (точках), например, метеостанции и посты посредством описаний трансектов (профилей) посредством разделения площади на контуры, зоны, принимая при этом, что некоторое значение свойства внутри контура (зоны) есть величина постоянная посредством построения изолиний, например горизонталей для отображения рельефа Каждый из этих способов создает дискретные объекты, которые могут быть зафиксированы в виде точек, линий, площадей. Компоненты пространственных данных Расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении Пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними (например, А содержит B; смежен с С, находится к северу от D) Атрибуты: Атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов Время: временная изменчивость фиксируется разными способами: - интервалом времени, в течение которого существует объект - скоростью изменчивости объектов - временем получения значений свойств Источники пространственных данных Совокупности первичных данных (измерений и съемок) по выборкам: - произвольная выборка, каждое место или время одинаково вероятно, чтобы быть выбранным - систематическая выборка проводится согласно правилу, например через каждый 1 км - упорядоченная (стратифицированная) выборка, когда известно, что генеральная совокупность содержит существенно различные под-совокупности Совокупности вторичных данных, полученные из существующих карт,таблиц, или других баз данных. Информация о качестве данных Дата получения Точность позиционирования Точность классификации Полнота Метод, использованный для получения и кодирования данных Ввод данных - процедура кодирования данных в компьютерночитаемую форму и их запись в базу данных GIS. Ввод данных включает три главных шага: Сбор данных Их редактирование и очистка Геокодирование данных последние два этапа называются также предобработкой данных. Типы систем ввода данных 1. Вход с помощью клавиатуры Главным образом, для атрибутивных данных Редко используется для пространственных данных Может быть совмещен с ручным цифрованием Обычно более эффективно используется как отдельная операция 2. Координатная геометрия Процедуры, используемые, чтобы ввести данные по земельным наделам Очень высокий уровень точности, полученной, за счет полевых геодезических измерений Очень дорогой Используемый для земельного кадастра 3. Ручное цифрование Наиболее широко используемый метод ввода пространственных данных с карт Эффективность зависит от качества программного обеспечения цифрования и умения оператора Требует много времени и допускает наличие ошибок 4. Сканирование Цифровое изображение карты полученное сканнером Размер ячейки, который можно отсканировать (минимальный фрагмент карты составляет около 20 микрон (0.02 мм) Снимок нуждается в обработке и редактировании для улучшения качества Изображение должно преобразовываться в векторный формат Маркировка для обеспечения взаимосвязи с атрибутами Сканированные изображения могут непосредственно использоваться для производства карты Данные дистанционного зондирования 5. Ввод существующих цифровых файлов Наборы данных различных ведомств и организаций должны быть доступны Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных является наиболее эффективным способом заполнения ГИС Проблемы цифрования карт Общая схема применения картографических знаний при работе с ГИС Роль картографических моделей в создании и применении ГИС: •карта как источник пространственных данных •карта как способ хранения и интеграции данных о пространственных объектах •карта как средство организации запросов к БД •карта как средство пространственного анализа •карта как способ представления результатов работы с ГИС Диапазон и возможности ресурсов картографической визуализации Точечных объектов значковый локализованная диаграмма Линейных объектов линейные знаки знаки движения Картографические способы изображения Площадных дискретных объектов качественный фон картограмма картодиаграмма ареалы точечный Площадных непрерывных объектов изолинии Картографическое отображение точечных объектов Картографическое отображение площадных объектов Картографическое отображение линейных объектов Три типа карт, генерируемых ГИС, и их элементы Виртуальная карта (рабочий инструмент) ориентация по частям света масштаб легенда (условные обозначения) источники данных каким способом создана Карта как часть документации (контекстно связанные иллюстрации) название используемая проекция (картографическая сетка) авторы дата создания Три типа карт, генерируемых ГИС, и их элементы Карта предназначенная для самостоятельного использования рамка детализирующие карты-врезки врезки, уточняющие местоположение картографируемой территории вспомогательная информация по теме (графики, диаграммы) Информационные технологии и информационные ресурсы космического экологического мониторинга Космическая гидрометеорологическая система "Метеор-3", принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг. В состав бортового комплекса спутника входят сканирующий десятиканальный ИК-радиометр с пространственным разрешением 35х35 км (спектральный диапазон 9,65-18,7 мкм, полоса обзора 400 км), а также ИК-радиометр для глобального обзора и передачи данных на АППИ с пространственным разрешением 3х3 км (спектральный диапазон 10,5-12,5 мкм, полоса обзора 3100 км). Уровни обработки спутниковых данных 0 Первичные информацией данные, дополненные орбитальной 1 Радиометрически откорректированное и географически привязанное изображение (дополнительно устраняются искажения, вносимые аппаратурой и вращением Земли) 2 Преобразованное в заданную картографическую проекцию изображение с учетом координат опорных точек 3 Геометрически преобразованное изображение с учетом цифровой модели местности (для суши) 4 Мультиспектральная обработка разновременных или полученных с различных датчиков данных Задачи дистанционного зондирования Разработка программного обеспечения спутниковой природо-ресурсной информации направлена на обеспечение в автоматическом режиме решения следующих задач: • оперативное наблюдение Земли; • тематическая обработка ДДЗ и наполнение оболочки электронного архива с целью изучения природных ресурсов Земли; • геоэкологический мониторинг окружающей среды; • оценка состояния экосистем космическими методами; • обеспечение доступа к гидрометеорологической информации со всей поверхности Земли. Карта высот Национального парка «Самарская Лука» (по данным НАСА). 1 Модель GISS Карта пространственного распределения групп биогеоценозов для базового периода (1), 2050 (2) и 2100 (3). 2 3
