Методы экологического мониторинга

Дистанционные методы

Дистанционный мониторинг осуществляется на относительно больших расстояниях от объекта наблюдения с помощью специальной аппаратуры, которая может быть установлена на искусственных спутниках земли, самолётах, вертолётах, автомобилях, судах и других носителях.

Физической основой дистанционного метода служит естественное (Солнца, Земли) или искусственное (созданное человеком) электромагнитное излучение. Выделяют диапазоны рентгеновских излучений, ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и радиоволн. Электромагнитные волны, излучаемые самим объектом или отражаясь от его поверхности, несут различную информацию о нем, которая фиксируется на материалах съемки. Материалы съемок могут быть представлены фотографическими, телевизионными, сканерными, радиолокационными и другими изображениями.

Методы наземного слежения

В системе наземного слежения, кроме дистанционного зондирования, мониторинг осуществляется путем стационарных, полустационарных и маршрутных наблюдений. По методам получения информации широко используются геохимический, геофизический, индикационный методы [7, 11].

При геофизическомметоде наблюдения проводятся в стационарных и полустационарных условиях с применением точных измерительных приборов по специальной программе и методике.

Программа включает инструментальное определение элементов радиационного, теплового и водного балансов, исследование тепло- и влагообмена между компонентами природной среды, водно-теплового режима и его влияния на продуктивность экосистем. Анализ данных, сравнение структуры балансов ненарушенной и нарушенной (трансформированной) территорий позволяет оценить возможные негативные последствия хозяйственной деятельности человека.

Таким образом, сущность геофизического метода состоит в изучении протекающих в экосистемах процессов на основе использования балансового подхода.

При геохимическом методе в стационарных и полустационарных условиях изучается поступление элементов естественным путем и в результате хозяйственной деятельности человека. Выявляется интенсивность их миграции в водной и в воздушной среде. Сопоставляется состав растворенных веществ в экосистемах различной степени антропогенной трансформации.

В данном случае рассматривается круговорот элементов в биологической среде и изменения этого круговорота под влиянием техногенеза.

При анализе рассматриваются все основные компоненты среды: воздух, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды, горные породы, почвы, растения и др.

Геохимический метод дает возможность определить закономерности изменения химического состава природных компонентов, природных комплексов и экосистем. А также определить их устойчивость к различным веществам (или загрязнителям) и способность к самочищению, выявить скорости распространения и пространственные масштабы загрязнения.

Индикационный метод заключается в определении состояния одного объекта по состоянию другого, связанного с первым и более доступного для изучения. Ведущую роль играет в данном случае, биоиндикация, то есть выявление изменений природной среды с помощью живых организмов или сообществ, а главным индикатором выступает растительный покров. Растительный покров позволяет выявить изменения по четырем характеристикам: физиологическому, морфологическому, фитоценотическому и флористическому. Первые два дают информацию преимущественно об одномоментных состояниях среды, последние два - о многолетних интервалах антропогенного воздействия.

Одними из наиболее разработанных методов биоиндикации является (дендроиндикация) выявление изменений природной среды с помощью изучения хода прироста деревьев (особенно хвойных). Это один из немногих методов, позволяющих получить непрерывную информацию о развитии процессов за многолетний период. Ее анализ дает возможность установить сроки возникновения изменений природы и скорости их формирования во времени и пространстве. По величине колебания прироста можно судить о глубине трансформации природных систем, определить границы распространения и тенденцию развития изучаемого процесса.

Другой метод биоиндикации - лихеноиндикация, то есть выявление изменений природной среды с помощью изучения эпифитных лишайников. Интенсивность загрязнения среды определяется с помощью шкалы, составленной по степени чувствительности лихенофлоры к загрязнению.

Основной недостаток биоиндикации - это необходимость учета действия многих факторов, что в ряде случаев затрудняет его применение. Поэтому в настоящее время формируется новое направление мониторинговых наблюдений - это ландшафтная индикация, то есть выявление состояния природной среды (прежде всего загрязнения) по изменению составных частей и структуры ландшафта. В качестве главного индикатора выступает нарушение горизонтальной и вертикальной структур природных комплексов (например, выпадение отдельного элемента). С позиции ландшафтного подхода необходимо сопряженное изучение нескольких индикаторов, а также выявление структуры геосистем.

Формирование новой структуры часто свидетельствует о сильном антропогенном изменении природной среды. Например, в зоне воздействия крупных ТЭС могут быть выделены зоны сплошных нарушений растительности и локально-очаговых нарушений геосистем. В данном случае, информативность индикационного метода возрастает при использования био- и геоинформационного подхода.

Моделирование как метод получения мониторинговой информации

Пока антропогенное влияние на природную среду носило в основном локальный характер его оценка и прогноз могли быть получены с использованием методов импактного мониторинга. Однако по мере распространения антропогенного влияния на региональный и глобальный уровень, локальных (фрагментарных) наблюдений оказалось недостаточно, поскольку выявить эффект техногенеза более крупного масштаба по этим данным не представляется возможным. В то же время экспериментировать с биосферой, меняя тем или иным образом условия ее функционирования, на региональном и тем более на глобальном уровне человек не может, так как это слишком большой риск. В этой ситуации наиболее перспективным путем решения проблемы прогнозирования и поиска путей преодоления опасных тенденций развития биосферы является математическое моделирование процессов, протекающих в биосфере.

Существует множество математических моделей для описания процессов протекающих в биосфере. В экологии наиболее часто используются следующие группы моделей: дескриптивные, оптимизационные, имитационные.

Дескриптивные модели предназначены для описания различных процессов. Например, такие модели позволяют определить численность популяции животных через определенное время, или дают возможность предсказать, как при том или ином мероприятии будет меняться ход эпидемии, то есть, как будет меняться число заболевших и т.д.

В случае, когда необходимо принятие решений по управлению процессом, дескриптивных моделей оказывается недостаточно. Тогда используются оптимизационные модели, поскольку они позволяют не только описывать происходящие процессы, а также управлять процессом. Часто оптимизационное моделирование применяется при разработке эколого-экономических моделей, поскольку они позволяют выбрать оптимальную политику хозяйствования. Например, размещение предприятий при отраслевом или территориальном планировании с учетом их сырьевых возможностей, укрупнении предприятий, управлении запасами, рациональном природопользовании и др.

Имитационные модели предназначаются для «проигрывания» возможных вариантов поведения (смены состояний) природных систем под влиянием изменения внешних факторов. Они позволяют логически увязать эмпирические знания о различных процессах, протекающих в природных системах, и на основе эксперимента получить непротиворечивые количественные данные об их изменениях во времени и пространстве. Имитационные модели используются: а) как средство изучения систем, выявления и анализа закономерностей их функционирования; б) для получения количественной оценки происшедших изменений природных объектов; в) как средство прогнозирования поведения систем под влиянием предполагаемых внешних факторов.