Ландшафтно-геофизические методы исследований

Особое место в геоэкологии занимает метод балансов, представ­ляющий собой совокупность приемов, позволяющих исследовать и прогнозировать развитие геосистем путем сопоставления прихода и расхода вещества и энергии. Основой метода служит баланс (балансо­вая матрица, модель), в котором содержится количественная оценка движения вещества и энергии в пределах системы или при ее взаимо­действии с окружающей средой. Метод балансов позволяет просле­живать динамику суточных и годовых циклов, анализировать распре­деление потоков вещества и энергии по разным каналам.

Основанные на методе балансов научные исследования включа­ют следующие этапы: 1) составление предварительного списка при­ходных и расходных статей; 2) количественное измерение параметров по статьям прихода и расхода; 3) составление карт и профилей рас­пределения параметров; 4) учет соотношения приходных и расходных частей и выявление тенденций изменения системы.

Метод балансов в исследованиях природных геосистем. В фи­зико-географических исследованиях широко используются уравнения радиационного, теплового, водного балансов, баланса биомассы и др.

Радиационный баланс представляет собой сумму прихода и рас­хода потоков радиации поглощаемой и излучаемой атмосферой и зем­ной поверхностью.

Тепловой баланс рассматривается как сумма потоков тепла, при­ходящих на земную поверхность и уходящих от нее.

Водный баланс определяет разность между привносом и выносом влаги в геосистеме, с учетом переноса влаги по воздуху в виде паров и облаков, с поверхностным стоком, с грунтовым стоком, в зимнее вре­мя—со снегопереносом.

Баланс биомассы определяет динамику биомассы и ее долю в структуре геомасс ПТК. Например, балансовое уравнение древесной части леса имеет две статьи прихода: долговременный прирост - дре­весина и сезонный — листья; и три статьи расхода: опад и поедание, потери на дыхание и опад листьев. Биомасса определяется в сыром весе, в весе абсолютно сухого вещества или зольности. Для определе­ния энергии биомассу пересчитывают на калории, выделяющиеся при сжигании каждого отдельного организма.

Количественные соотношения между продуктивностью расти­тельности и ресурсами тепла и влаги определяются с использованием показателей радиационного баланса за год, атмосферных осадков за год и радиационного индекса сухости.

Энергетический баланс в изучении геосистем является одним из немногих подходов, дающих возможность проводить анализ состоя­ния и функционирования природных и природно-антропогенных сис­тем в единых единицах измерения. Теоретической основой энергети­ческого баланса является концепция открытых термодинамических неуравновешенных систем. Энергия поступает в природную геосис­тему главным образом от солнечного излучения, а в природно-антропогенную систему из двух источников - солнечного излучения, которое превращается в химическую энергию тканей растений, и от искусственной энергии в виде топлива, товаров и услуг, определяемой накопленной энергоемкостью. В пределах рассматриваемой системы только незначительная часть энергии (менее 1 %) используется для удовлетворения потребностей людей, остальная часть подвергается разнообразным преобразованиям, которые сопровождаются потерей тепла. Конечный этап этих преобразований - определенное количест­во энергии, накопленное в первичной продукции растений и в опреде­ленных товарах. Универсальность энергетических характеристик обеспечивает их применение к сложным природным и природно-антропогенным геосистемам, что превращает использование метода энергетического баланса в эффективное средство исследования про­блем окружающей среды.

Ландшафтно-геофизические исследования направлены на вы­деление вертикальной структуры и функционирования геокомплекса. В качестве основного объекта рассматривают стексы — суточные со­стояния структуры и функционирования ПТК.

Изучение геокомплексов проводится главным образом при ста­ционарных наблюдениях, где изучают трансформацию солнечной энергии, влагоооборот, биогеоцикл, вертикальную структуру ПТК. Многолетняя апробация методики позволила проводить ландшафтно-геофизические исследования не только стационарным, но и экспеди­ционным маршрутным методом с опорой на базу стационарных на­блюдений в регионе исследований.

Первоначально в ПТК выделяют геомассы по их соотношению - геогоризонты. Геомассы и геогоризонты являются системообразую­щими элементами вертикальной структуры геокомплекса, а ведущим процессом рассматривается изменение вертикальной структуры.

Геомассы выделяют по однородности агрегатного состояния, близким значениям удельной массы и специфическому функциональ­ному назначению. Например, в почве имеются педомасса различного мехсостава, литомасса (включения), гидромасса (почвенная влага), фитомасса корней, мортмасса (подстилка, торф), зоомасса (почвенная мезофауна).

Геогоризонты - сравнительно однородные слои в вертикаль­ном профиле геокомплексов. Каждый геогоризонт характеризуется специфичным набором и соотношением геомасс. Геогоризонты лег­ко выделяются визуально, их набор изменяется в течение года в от­личие от ярусной структуры растительности или генетических гори­зонтов почв.

Индексация геогоризонтов построена на следующих правилах: в индексе горизонта классы геомасс указываются в порядке их убыва­ния (по массе); после класса геомасс через запятую указывают все ви­ды; после индекса указывается его граница относительно поверхности почвы (в метрах). Прирост или убыль геомасс показывается стрелками вверх или вниз, а индексы фотосинтезируюнщх фитомасс, находя­щихся в пассивном состоянии зимой, даются в скобках.

Стационарные наблюдения позволили обосновать индикацию стексов по вертикальной структуре геокомплексов. Суточное состоя­ние выделяется по сочетанию следующих трех групп признаков: тер­мического режима, увлажнения и изменения вертикальной структуры.

Лекция № 10.

Тема: Геоэкологическая оценка и нормирование качества окружающей среды.

1. Основные понятия.

2. Оценка качества воздуха.

Основные понятия.

Геоэкологическая оценка и нормирование качества окружающей среды производится с целью установления пре­дельно допустимых норм воздействия, гарантирующих экологиче­скую безопасность населения, сохранение генофонда, обеспечиваю­щих рациональное использование и воспроизводство природных ре­сурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности. Под воздействием понимается антропогенная деятельность, связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных интересов и вносящая физические, химические, биологические изменения в при­родную среду. Количественные и качественные характеристики таких воздействий рассматриваются как антропогенная нагрузка.

Оценка качества окружающей среды отражает состояние ее при­родной составляющей, включая естественные природные процессы и явления и антропогенно обусловленные нарушения природной среды, а также социально-экономические условия жизнедеятельности насе­ления с учетом уровня жизни, экономического климата, социально-экологической обстановки, в том числе демографической и медико-географической. Особое внимание уделяется определению физиче­ской величины воздействия на компоненты окружающей среды и оценке значимости такого воздействия. Наиболее простым и часто применяемым методом оценки значимости является сравнение вели­чины воздействия с существующими нормативами качества окру­жающей среды.

Выбор показателей оценки может быть дифференцирован в зави­симости от социально-экономического назначения геосистем. Для природоохранных объектов нагрузка должна сводиться к минимуму и не превышать фоновых значений. Лесохозяйственные геосистемы оцениваются с точки зрения возможности сохранения биоразнообра­зия территорий, восстановления используемого ресурсного потенциа­ла. Сельскохозяйственные - по показателям территориального рас­пространения угодий, интенсивности физических и химических воз­действий, оценки состояния отдельных компонентов (загрязненности почв, вод, переуплотнения почв, развития эрозионных процессов), энергетическому балансу геосистем. Антропогенные нагрузки для на­селенных пунктов, как правило, оцениваются через показатели качества среды обитания человека - качества воздушного и водного бас­сейнов (выраженные в санитарно-гигиенических нормах).

Социально-экологические характеристики состояния населения включают степень детериорированности (нарушенности) окружаю­щей среды, медико-географическую обстановку и уровень комфорт­ности. Оценка детериорированности объединяет традиционные ком­плексные оценки загрязнения природных сред и площади нарушен­ных экосистем. В числе медико-демографических показателей учиты­вается детская и общая смертность, рождаемость, средняя ожидаемая продолжительность жизни, показатель миграции. Уровень комфорт­ности связан с анализом климатических параметров и природных предпосылок болезней. Ключевым этапом геоэкологической оценки качества окружающей среды является интегральная оценка природно­го, антропогенного и социально-экологического фона через картогра­фирование источников антропогенных воздействий, структуры ПТК и отдельных компонентов, медико-географической и социально-экологической обстановки.

В связи с расширением региональных исследований и развитием геоинформационных технологий усиливается внимание к использова­нию количественных методов и математического моделирования как средства аналитической обработки больших массивов экологической информации, оценивания и территориальной дифференциации.

Нормирование качества окружающей среды подразумевает на­ложение граничных условий (нормативов) как на само воздействие, так и на факторы природной среды и отклики экосистем. Первона­чально были разработаны нормативы санитарно-гигиенического нор­мирования, касающегося условий среды обитания человека. Экологи­ческое нормирование учитывает допустимую нагрузку на экосистему, при которой отклонение от нормального состояния системы не пре­вышает естественных изменений.

Нормативы качества выражаются в предельно допустимых концентрациях (ПДК) вредных веществ, которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здо­ровье человека или состояние экосистемы. Нормативы устанавлива­ются и утверждаются специально уполномоченными государствен­ными органами в области охраны окружающей природной среды, са­нитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов.

Санитарно-гигиенические и экологические нормативы не указы­вают на источник воздействия и не регулируют его деятельность. Эти требования отражают научно-технические нормативы предельно допустимых вы­бросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) вредных веществ, а также технологические, строительные, градостроительные нормы и правила, содержащие требования по охране окружающей природной среды. При условии соблюдения этих нормативов предприятиями региона содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарно-гигиенического нормирования.

Оценка качества воздуха.

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конст­рукции и окружающую среду в целом.

ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) - концентрация, которая при ежедневной работе в течение 8 часов или при другой продолжитель­ности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья.

ПДК максимально разовая (ПДКмр) - концентрация вредного ве­щества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных реакций в организме человека. Поня­тие ПДКмр используется при установлении предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ.

ПДК среднесуточная (ПДКсс) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом вды­хании. Величина ПДКСС выступает в качестве «эталона» для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне.

Среди комплексных показателей загрязнения атмосферы наибо­лее распространенным является индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДКсс средних со­держаний различных веществ:

ИЗА = ∑ Сi / ПДКсс, (1)

где Сi — концентрация загрязняющего вещества в воздухе; ПДКсс - его предельно допустимая концентрация.

В городах для сопоставления данных о загрязненности несколь­кими веществами атмосферного воздуха комплексные ИЗА должны быть рассчитаны для одинакового количества примесей. При состав­лении ежегодного списка загрязнения атмосферы городов ИЗА рас­считывают для первых по концентрации пяти веществ. При исследо­вании атмосферного загрязнения важно изучать не только уровни за­грязнения по городу в целом, но и проводить подфакельные наблюде­ния за основными стационарными источниками выбросов. При выбо­ре точек наблюдения следует учитывать, что некоторые низкие источ­ники (автотранспорт, трубы жилых домов) могут повлиять на локаль­ный уровень загрязнения более существенно, чем высоко располо­женные источники. Система наблюдения должна фиксировать флук­туации загрязнения не только в пространстве, но и во времени.

В по­следние годы также получили развитие наблюдения за атмосферными осадками и снежным покровом.

Лекция № 11.

Тема: Геоэкологическая оценка и нормирование качества окружающей среды.

Нормирование качества воды.