Обработка и обобщение исходной информации о состоянии окружающей среды
Следующий этап мониторинговых исследований обработка, анализ и обобщение полученных исходных материалов. Наиболее простые способы их систематизации связаны с построением таблиц, графиков, диаграмм, сравнением параметров состояния изменённой человеком среды с фоновыми и нормативными показателями. Более сложные методы обобщения материалов включают картографирование собранных данных, математико-статистический анализ рядов наблюдений, математическое моделирование объектов исследования. Вся эта информация является основой для формирования баз данных геоинформационных систем (ГИС) - систем автоматизирован и ого сбора, хранения, переработки и выдачи геоэкологических материалов, необходимых для управления состоянием окружающей среды. 3.4.1. Картографирование исходной информации. Эффективность использования данных, полученных в результате аэрокосмических и наземных наблюдений, существенно возрастает, если они представлены в пространстве, т.е. положены на карту. Иначе говоря, в системе мониторинга важное место должно отводиться картографической составляющей - контролю, оценке и прогнозу состояния окружающей среды с помощью построения и анализа карт различного масштаба и содержания. Построение мониторинговых карт включает (по А.М. Берлянту, 1986, с изменениями): а) создание фонда базовой картографической информации, содержащего различные карты, составленные на основе имеющихся к началу наблюдений материалов; б) сбор, обработку и систематизацию оперативных данных аэрокосмических и наземных наблюдений с целью их картографирования; в) перевод обработанных данных в картографическую форму - построение оперативных карт развития наблюдаемых явлений, условий их распространения и происходящих при этом изменений; г) анализ построенных карт с целью выявления закономерностей распространения наблюдаемых явлений, оценки и прогноза состояния окружающей природной среды. По виду представляемой информации выделяют четыре группы геоэкологических карт: инвентаризационные, структурно-типологические, оценочные и прогнозные (Смирнов и др., 2000). Как видно из практики картографирования, основным направлением работ является создание инвентаризационных карт, которые показывают размещение хозяйственных объектов и параметры их воздействия на окружающую природную среду. Реже составляются структурно-типологические карты, отражающие результаты районирования территории в соответствии с определённой классификацией природных комплексов. Важное место занимают оценочные геоэкологические карты. Они составляются, как правило, на основе учёта стандартных критериев качества среды, т.е. оценка сложившейся экологической ситуации производится исходя из предельно допустимых концентраций вредных веществ, кларковых значений, индексов сапробности (степени насыщенности воды разлагающимися органическими веществами) и других показателей. Наконец, среди прогнозных геоэкологических карт выделяются карты, построенные в результате статистических прогнозов по рядам наблюдений за развитием процессов на изучаемом объекте-аналоге. Результаты имитационного математического моделирования (как и экспертного оценивания) при создании прогнозных карт пока практически не используются. По срочности представления информации особую ценность имеют карты опасных явлений, составляемые в достаточно крупном масштабе (1: 100000- 1: 1 000000). Они должны создаваться на основе аэрокосмических снимков и отражать внешние условия, а также закономерности распространения и развития наблюдаемых процессов. Так, картографическое обеспечение мониторинга лесных пожаров должно предусматривать создание карт, на которых необходимо указать очаги скрытых и явных пожаров, отметить направление и скорость ветра, районы развития гроз, характеризовать участки формирования торфяно-болотных ландшафтов, показатели влажности напочвенного и почвенного покровов и т.п. Другими словами, на картах необходимо показать факторы пожарной опасности, выявить пожароопасные территории, определить возможные ареалы и вероятную интенсивность возгорания лесных насаждений. Оперативные мониторинговые карты - основа для оповещения заинтересованных организаций, планирования и проведения природоохранных мероприятий. Эти карты вместе с результатами анализа должны не только вовремя направляться потребителям, но и одновременно пополнять (на основе обратной связи) фонд базовой картографической информации геоэкологического содержания. В настоящее время для составления карт загрязнения природной среды (в том числе и оперативного назначения) широко используется компьютерная техника. В.С. Тикунов (Дьяконов и др.) выделяет три основных подхода к отображению геохимических данных, лежащих в основе комплексного геоэкологического картографирования. Первый подход - это создание моноэлементных компьютерных карт распределения загрязнителей в различных географических средах (снеге, почвах, растительном покрове). Для картографирования используются цифровые модели "рельефа" геохимических полей, позволяющие проводить машинную интерполяцию геохимических данных. В компьютер вводится информация о базисных точках, включая их координаты и величины интересующих геохимических параметров. Затем с помощью специально разработанной программы интерполяции на экране дисплея автоматически строятся моноэлементные карты, которые позволяют выявить специфику пространственного распределения загрязнений, их состав, контрастность ореолов рассеяния. После этого участки распространения приоритетных для исследуемой территории загрязнителей выводятся на печать или расчерчиваются с помощью графопостроителя. Второй подход позволяет создавать не только моноэлементные, но полиэлементные карты, на которых изображаются поля суммарного загрязнения территории совокупностями элементов и соединений. Такие карты не только имеют важное значение для индикации степени загрязнения территории, но и могут быть использованы для эколого-геохимического нормирования. Третий подход - это комплексное эколого-геохимическое картографирование с целью оценки, типологии и районирования территории, проводимое с учётом природных условий, влияющих на распределение, миграцию и трансформацию загрязнителей. Это направление ещё находится в стадии становления и позволяет не только индицировать состояние среды, но и в перспективе выявлять ответные реакции природных и природно-антропогенных геоэкосистем на техногенное воздействие. 3.4.2. Математико-статастический анализ рядов наблюдении. Данные, получаемые в процессе мониторинга, как правило, представляют собой ряды последовательных изменений изучаемых показателей во времени, т.е. так называемые временные или динамические ряды наблюдений. Временной ряд обычно рассматривается как сумма детерминированной и случайной компонент. Появление случайной компоненты оценивается с некоторой вероятностью. Детерминированная же компонента выражается определённой аппроксимирующей функцией, отражающей закономерности развития исследуемого в процессе мониторинга явления. Обработка временных рядов с целью их последующего анализа включает вычисление средних характеристик ряда и отклонений от средних величин, выявление общей тенденции развития изучаемого процесса (т.е. тренда), сглаживание и фильтрацию отдельных частот ряда, определение ритмичности (цикличности) колебаний изучаемых величин, корреляцию временных рядов, прогнозирование последующих изменений показателей исследуемого процесса. Среди этих операций особое значение имеют выявление и анализ тренда и установление зависимостей между факторами, которые изменяют показатели ряда, и его переменными с целью прогнозирования изучаемого процесса Обычно считают, что основная тенденция (тренд) представляет собой результат влияния комплекса причин, действующих на изучаемый процесс в течение длительного времени, т.е. она характеризуется детерминированной составляющей временного ряда. Нередко эта тенденция затушёвывается воздействием менее существенных случайных факторов. Для исключения или ослабления случайного воздействия производится выравнивание (сглаживание) временного ряда. С этой целью используются различные фильтрирующие функции (например, способы скользящей средней, взвешанной скользящей средней и др.). Затем определяется аналитическое выражение выровненного (сглаженного) ряда, которое может быть использовано для прогнозирования изменения изучаемого показателя методом экстраполяции (т.е. продления выявленных закономерностей развития исследуемого процесса за пределы времени их проявления). Для получения аналитических выражений обычно используются полиномы (многочлены) разных степе-[ней, начиная с первой. Полиномы имеют вид у = а0 +а1х + а2х2 + ••• + апх";,
где а0, а,, а2 ••• ап - постоянные коэффициенты, которые, как правило, определяются методом наименьших квадратов. Определение этих коэффициентов обычно производится по стандартным программам с помощью компьютера. Для установления зависимости между формирующими факторами и переменными временного ряда по данным наблюдений строятся графики связи, корреляционные таблицы, вычисляются коэффициенты корреляции, определяются аналитические выражения связей. В качестве аналитических выражений чаще всего выступают уравнения регрессии, которые показывают количественные соотношения между факторами и переменными временного ряда. Среди них особое место занимают уравнения множественной регрессии, устанавливающие зависимость изменения исследуемого показателя одновременно от нескольких формирующих факторов. Они часто служат непосредственным инструментом для составления прогнозов. В качестве примера приведём прогностическое уравнение множественной регрессии для расчёта изменения прироста сосен по диаметру (Zd) в зоне влияния осушительных систем, отражающее физико-географические условия Верхневолжской природно-мелиоративной провинции (Емельянов, 1992): Zd = -0.04x1-0.17x2+9.46x3+80.36, где х1 - превышение местообитания над осушительной системой, см; х2 - бонитет деревьев в пределах местообитания; x3 - степень увлажнения местообитания до осушения (в условных баллах), Как видим, прогноз геоэкологических явлений по их временным рядам вполне реален, если определена основная тенденция развития и возможна её дальнейшая экстраполяция или установлены зависимости между факторами, определяющими ход процесса, и изменением его показателей во времени. Следует, однако, отметить, что при использовании рассмотренных методов выявления и прогнозирования динамики природных и природно-антропогенных процессов возникает проблема выбора факторов их формирования, которая не может быть решена чисто статистическим путём. Необходимо глубокое изучение существа исследуемых явлений и их геоэкологического содержания. Поэтому применение статистических методов обработки материалов наблюдений должно опираться на генетический анализ процессов, которые происходят к природе и обществе. 3.4.3. Математическое моделирование объектов мониторинга. Пока антропогенные изменения природной среды носили в основном локальный характер, их оценка и прогноз могли быть получены на базе непосредственных наблюдений. Однако по мере перерастания этих изменений в региональные и глобальные локальных наблюдений, как бы важны они ни были, оказалось уже недостаточно, ибо выявить общепланетарный эффект техногенеза по данным фрагментарных исследований пока не представляется возможным. Экспериментировать с биосферой на региональном, а тем более на глобальном уровне человек не может. Трудности таких экспериментов носят не только технический и экономический характер: исследователь не имеет права идти на риск, меняя тем или иным образом условия функционирования таких уникальных объектов, какими являются биосфера и её отдельные крупные части (Крапивин и др., 1982). В этой ситуации наиболее перспективным путём изучения и прогнозирования состояния геоэкосистем является математическое моделирование процессов, протекающих в биосфере на глобальном, региональном и локальном уровнях. При этом особое значение приобретает машинная имитация - проигрывание на компьютере возможных вариантов поведения (смены состояний) природных и природно-антропогенных систем под влиянием изменения внешних (в том числе техногенных) факторов. Модели основаны на использовании математических уравнений, описывающих массо- и энергоперенос в природной среде. Применение компьютеров позволяет имитировать изменение состояния геосистем и их компонентов посредством реализации на моделях ретроспективных и прогнозных сценариев, что существенно расширяет возможности анализа функционирования этих объектов. Математические модели, построенные по этим принципам, называют имитационными. Они позволяют логически увязать эмпирические знания о различных процессах, наблюдаемых в геоэкосистемах, и на основе машинного эксперимента получить непротиворечивые количественные данные об их изменении во времени и пространстве. Имитационные модели используются: а) как средство изучения гео- и экосистем, выявления и анализа закономерностей их функционирования; б) для получения количественной оценки происшедших изменений природных и природно-антропогенных объектов; в) как средство прогнозирования поведения гео- и экосистем под влиянием внешних (естественных и техногенных) факторов. Спектр применения математических моделей в геоэкологическом мониторинге может быть весьма широким - от исследования циркуляции загрязняющих веществ в геофизических природных средах до изучения накопления загрязнителей в экосистемах и антропогенных сукцессий природных систем. Известны региональные имитационные модели природно-хозяйственного комплекса бассейна Азовского моря (Горстко, 1976), природно-хозяйственной системы бассейна реки Преголи (Зотов, 2001), модели водных экосистем и региональных социально-экологических систем, построенные в Санкт-Петербургском университете под руководством Ю.Н. Сергеева (Основы геоэкологии, 1994), серия моделей глобальных процессов в биосфере (Крапивин и 1982) и другие разработки. Эти модели создавались не для целей мониторинга, однако в коде экспериментов выявились реальные возможности использования их для оценки и прогноза последствий влияния хозяйственной деятельности на гео- и экосистемы. В качестве примера рассмотрим основные принципы составления и некоторые результаты реализации модели бассейново - ландшафтной системы, построенной С.И. Зотовым (2001) для природно-хозяйственных условий бассейна реки Преголи - главной водной артерии Калининградской обл. (площадь водосбора 15500км). Особенность построения модели состоит в сопряжении математического моделирования с картографическим подходом. Составлена ландшафтная карта бассейна, на основе которой выделены ключевые элементарные бассейново-ландшафтные системы, отражающие свойства более крупных бассейновых и ландшафтных единиц. Затем для каждой ключевой системы построена имитационная математическая модель, выражающая массо- и энергообмен между природными компонентами (вертикальные связи) и между комплексами более низкого ранга (горизонтальные связи). Ландшафтная дифференциация учтена в модели через разделение почвенно-растительного покрова на лесной и культурный. В качестве временного шага принят один год. Это обусловлено тем, что модель предназначена для составления средне- и долгосрочных прогнозов. Модель элементарной бассейново-ландшафтной системы отражает состояние воздушной среды, растительного покрова, поверхностных и подземных вод. Для описания их функционирования использованы сравнения водного баланса, баланса фитомассы лесной и сельскохозяйственной растительности, гумуса, азота, фосфора лесных и сельскохозяйственных почв, минерального азота и минерального фосфора в речных и подземных водах. Блок «горные породы» учтён в модели опосредственно через коэффициенты поверхностного и подземного стока, величины смыва химических элементов. Значения антропогенных воздействий задаются на входы модели через составляющие прихода балансов веществ. В результате на выходах модели можно получить прогноз состояния природных условий и ресурсов региона. Изменяя антропогенные воздействия, можно выбрать наиболее благоприятный прогноз последствий трансформации геоэкосистем территории. В ходе экспериментов на модели с изменениями величин внесения минеральных и органических удобрений, соотношения лесных и сельскохозяйственных угодий, осушительной мелиорации количественно обоснованы меры по оптимизации природопользования и экологической обстановки в условиях водосбора. Установлено, что оптимальных результатов можно ожидать при увеличении внесения органических удобрений в 4 раза, внесении азотных удобрений на прежнем уровне, повышении лесистости территорий в 1,5 раза, увеличении площади осушенных сельскохозяйственных угодий на 10%. В этом случае урожайность сельскохозяйственных культур и масса гумуса в почве возрастут соответственно на 42% и 36%, уровень фунтовых вод понизится на 0,7м, концентрации азота и фосфора в речных водах уменьшатся на 7% и 6%, в грунтовых водах соответственно на 15% и 18% (Зотов, 2001). Совершенствование модели связано с введением новых экологически значимых зависимостей, детализацией пространственного и временного масштабов моделирования, насыщением её современной информацией о состоянии природной среды. В перспективе более совершенная модель может быть использована для получения прогнозов изменения экосистем региона в целях мониторинга. 3.4.4. Мониторинг и геоинформационные системы. Постоянно возрастающий объём разнообразной информации, получаемой в процессе мониторинга, поставил вопрос о создании специальных систем по компьютерной обработке данных наблюдений. Этой цели служат геоинформационные системы (ГИС) - системы сбора, хранения, преобразования и представления эколого-географической информации о состоянии окружающей среды, которые основаны на применении средств вычислительной техники и автоматики. Центральной подсистемой ГИС является информационный блок (банк, база данных). Он представляет собой своеобразный фонд компьютерного хранения накопленной информации - карт, аэро- и космических снимков, таблиц, графиков, обработанных рядов гидрометеорологических и мониторинговых наблюдений, прогнозных разработок и других материалов, подобранных в соответствии с целевой ориентацией ГИС и природными и социально-экономическими особенностями территории. Банк данных постоянно пополняется свежей информацией, что даёт возможность обновлять имеющиеся карты и создавать новые, увеличивать ряды наблюдений, верифицировать модели и прогнозы и т.д. В настоящее время разрабатываются ГИС, способные интегрировать доступную информацию и осуществлять логические операции (в частности, составлять прогнозы развития природных и природно-антропогенных процессов). В этом направлении уже сделаны первые шаги, например, по созданию глобальных моделей общей циркуляции атмосферы (Меняющийся мир..., 1991). Основное назначение ГИС состоит в оперативной подаче информации о состоянии окружающей среды заинтересованным организациям и лицам. Представление информации может производиться в виде цифр, текста, карт и материалов аэрокосмической съёмки на бумаге, фотографиях и электронных носителях. Представление данных в электронной форме существенно облегчает их обработку на ЭВМ. Одновременно совершенствуются и другие формы передачи хранимых материалов (картографическая, цифровая, текстовая), поэтому возникает проблема перевода информации из одной формы в другую и с одного носителя на др. Организация и функционирование ГИС требуют больших затрат, поэтому налаживание систем по автоматической обработке данных наблюдений возможно лишь на региональном уровне мониторинга. Региональный уровень позволяет учесть особенности природно-антропогенных процессов, складывающихся в каждой области или республике, определить обобщённые показатели качества окружающей природной среды. Источниками получения геоэкологической информации выступают перечисленные выше данные мониторинговых наблюдений, фондовые материалы местных организаций, различные карты, материалы санитарно-эпидемиологических станций, которые систематизируются, как правило, в виде тематических блоков. Так, банк данных, формирующийся в настоящее время региональной ГИС Нижегородской области, включает блоки, которые характеризуют: а) картографическую базу (цифровые топографические карты, материалы аэро- и космической съемки); б) природные ресурсы и их кадастры (недра и полезные ископаемые, водные, земельные и биологические ресурсы, водный, земельный и лесной кадастры, кадастры растительного мира и животного населения, особо охраняемые природные территории); в) экологическую обстановку на территории области (чрезвычайные экологические ситуации, лесные пожары, данные мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, показатели состояния объектов повышенной опасности и др.); г) демографические данные и показатели здоровья населения (Косариков, Козлов, 2000). В состав базы ГИС «Мордовия» помимо перечисленных блоков входит блок, характеризующий ландшафты, их хозяйственное освоение, геотехнические системы. Даётся характеристика селитебных, сельскохозяйственных, лесохозяйственных, промышленных, транспортных, гидротехнических, горнотехнических и рекреационных комплексов. Выделены техногенные факторы, показано их влияние на ландшафты, дана оценка антропогенных изменений природы, рассмотрены мероприятия по оптимизации природно-хозяйственных систем (Ямашкин 1999). Важным принципом функционирования ГИС является комплексный анализ экологических процессов на основе интеграции разнородных данных об окружающей природной среде с учетом специфики антропогенного влияния. Он включает инвентаризацию всех источников загрязнений и экологической опасности, оценку и прогноз степени экологического риска, разработку и реализацию системы тактических и стратегических решений по повышению экологической безопасности. По мнению А.Н. Косарикова и С.И. Козлова (2000), реализация принципа предполагает решение следующих задач. - создание разветвлённой информационной сети обеспечивающей сбор, передачу и обработку данных о состоянии природных сред источников загрязнения, о техническом состоянии объектов промышленности и транспорта; - системный анализ информации об экологической обстановке использованием методов моделирования развития экологической ситуации (в том числе и аварийной) и созданием наиболее репрезентивных показателей состоянии окружающей природной среды; - обоснование принятия экстренных и плановых решений управлению экологическими процессами на территории региона.
|
