Особенности организации геоэкологического мониторинга средних и малых городов (на примере г. Биробиджана)

УДК 502:911.37

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СРЕДНИХ И МАЛЫХ ГОРОДОВ

В.Б. Калманова, P.M. Коган Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, г. Биробиджан

Для комплексного анализа экологического состояния урбанизированных территорий была разработана и обоснована детальная (подробная) система контроля качества природных компонентов, а также выбраны ингредиентные критерии, разработаны интегральные показатели и оценочные шкалы. Для средних и малых городов, вследствие ограниченных возможностей аналитических информационных центров, оптимизированы системы отбора проб как во временном, так и в пространственном отношении.

Процесс урбанизации стал объектом междисциплинарного изучения параллельно с ростом и концентрацией городского населения, смещением индустриальнопромышленного, научного и культурного развития человечества в города и усложнением специфических и неспецифических экологических проблем преобразованных человеком территорий.

Несмотря на многообразие типов городов, дифференцированных на основе следующих критериев: географическое положение; история возникновения; преобладающее направление развития; количество, плотность и здоровье населения и т.д. - объединяющим фактором могут служить экологические показатели, характеризующие особенности влияния урбанизированных комплексов на живые организмы (человек - растительность -животные).

Городские территории являются предметом антропоцентрических геоэкологических исследований, которые проводят для разработки показателей оценки и зонирования территории, а также создания программ улучшения комфортности проживания. В основе работ лежат принципы мониторинга как системы регулярного слежения и контроля экологического состояния и антропогенного изменения геосистем [1, 5]. Геоэкологические проблемы по-разному оцениваются и решаются в крупных, средних и малых городах вследствие отличий в масштабах воздействия на окружающую природную среду.

Разработанные к настоящему времени методики анализа урбосреды включают обычно исследование отдельных природных объектов (воздуха, почвы, растительности, твердых атмосферных осадков, водных систем) с последующим обобщением результатов; расчет интегральных показателей, районирование и оценку экологических ситуаций с использованием геохимических, картографических и геоинформационных технологий обработки наземных и дистанционных данных [6, 12].

Преобладают, в основном, два подхода: геохимический и биоцентрический. В первом изучаются особенности распределения и круговорота веществ, обусловленные техногенезом, внутри и между различными объектами окружающей природной среды (ООПС) химическими и физико-химическими методами [4,8], во втором -ответные реакции биотических компонентов и человека

на изменение экологических факторов [16]; при этом проводятся биоиндикационные и медико-экологические исследования. Следует также выделить работы, связанные с изучением стационарных и нестационарных источников загрязнения; разработкой методов расчета, моделирования и нормирования поступления, аккумуляции, рассеивания и трансформации поллютантов в окружающей среде [14]. Особенность урбанизированных территорий как объектов исследования взаимоотношения и взаимовлияния природных компонентов и антропогенных факторов связана с закономерностями формирования и скоростью изменения качества городского пространства, несопоставимыми с естественными природными процессами.

Выбор направлений регулирования и оптимизации качества урбогеосистем возможен на основе комплексного анализа всех природных объектов городской территории с использованием взаимодополняющих геохимических, биоиндикационных, геоинформационных, медико-биологических и математических методов нахождения зависимости между состоянием депонирующих и транзитных сред, с одной стороны, и биологических объектов, - с другой.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям городских территорий, в настоящее время отсутствует методическое обоснование организации многоцелевого урбогеомониторинга для оценки современного состояния и прогноза изменения качества среды при различных сценариях развития.

Система контроля качества объектов городской среды должна содержать, по нашему мнению, три основных блока: объекты мониторинга, оценку фактического состояния, прогноз потенциальной стабильности (рис. 1).

Цель первого блока - выяснение распространения ареалов конфликтных ситуаций между человеком и природой и создание баз данных (БД): природных объектов (погодные и климатические условия, почвы, геоморфологические особенности, растительность, поверхностные и подземные воды); источников загрязнения (параметры и пространственное распределение); поллютантов (свойства); экологической оценки планировочной структуры, в том числе описание экологического каркаса. Содержащиеся здесь данные позволяют создать про-

СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

II

Объекты фактического состояния территории

карты

Рис. 1. Блок-схема организации контроля качества объектов городской среды

грамму мониторинга, обосновать выбор природных объектов в соответствии со степенью трансформации и значимостью для городской среды и разработать критерии их оценки.

Система мониторинга (2 блок) создается в целях своевременного прогноза и предупреждения (управления) возможных негативных последствий на основании оперативного, целенаправленного сбора и обработки информации об ООПС. Одной из главных задач мониторинга является выявление тенденций изменения состояния отдельных природных компонентов, природных и природ-но-техногенных систем под влиянием антропогенного прессинга. Блок включает данные, необходимые для организации постоянного наблюдения за изменением качества городской территории: маркерные поллютан-ты, сеть наблюдения, компонентные критерии и интегральные показатели оценки природных объектов; а также аналитическую систему обработки и представления результатов, организованную в атрибутивном и картографическом виде [11].

Целью экологического мониторинга является создание системы представления результатов одномерного и многомерного анализа природных компонентов и элементарных территориальных единиц (ЭТЕ), ранжирования территории по степени экологической напряженности, которые, в конечном итоге, необходимы для формирования блока прогноза потенциальной стабильности города.

Целью третьего блока является прогноз изменения природных объектов и разработка программы экологически сбалансированного развития урбосреды, включающей шкалу стабильности для оценки антропоцентрической комфортности.

Определенные проблемы связаны с обоснованием сети наблюдений, от построения которой во многом зависит возможность получения необходимого и достаточного массива данных для интегральной и дифференциальной экологической оценки ООПС.

Существующие методы выделения ареалов для экологических исследований можно классифицировать следующим образом:

1. Выделение равномерной сетки или со сгущением в местах экологической напряженности или пунктов мониторинга, размер которой зависит от площади населенного пункта. Недостатком метода является трудность получения достоверных значений экологических факторов для некоторых полигонов и необходимость анализа каждой элементарной поверхностной ячейки;

2. Выделение полигонов с центром в точках стационарного мониторинга, основанного на предположении о том, что они распределены в пространстве репрезентативным образом с учетом функционально-территориальной структуры. Однако в крупных городах сеть мониторинга не охватывает отдельных районов, особенно селитебных, а в средних и малых населенных пунктах наблюдения осуществляются в нескольких точках или вообще отсутствуют;

3. Выделение статистически значимых зон с учетом функциональной структуры города. Наиболее простым примером таких ареалов является разбиение территории

по административным районам, но при этом не учитываются разности площадей и неравномерность соотношения структур города между собой;

4. Выделение ландшафтных комплексов (природных, природно-техногенных и техногенных). Но при ограниченной сети мониторинга трудно получить данные о состоянии каждого ландшафта.

Для средних и малых городов наилучшим может являться неравномерная сеть со сгущением в районах действия основных загрязнителей (промышленные предприятия, теплоэнергетические комплексы, автомагистрали).

Интервал отбора зависит от объекта и его свойств и должен охватить динамику выброса, накопления и переноса поллютантов по временам года, при этом нужно учитывать неравномерность работы предприятий и особенности сезонного переноса загрязняющих веществ. Последний фактор значим для урбанизированных территорий, в которых основными источниками загрязнения являются градообразующие предприятия и топливо - транспортные комплексы.

Кроме того, оптимизация системы отбора проб как во временном, так и пространственном отношении особенно важна для средних и малых городов вследствие ограниченных возможностей аналитических информационных центров.

Для комплексного анализа экологического состояния урбосистемы также необходимы: выбор ингредиентных (компонентных) критериев; разработка интегральных показателей и оценочных шкал; выделение элементарных территориальных единиц, в качестве которых могут выступать операционно-территориальные единицы (ОТЕ), природно-антропогенные комплексы, функциональные зоны; определение для них численных значений показателей и выполнение интегральной оценки (количественной или балльной); ранжирование ЭТЕ по экологическому состоянию и объединение в более крупные иерархические единицы.

Компонентные критерии выбираются по значимости для оценки конкретного объекта. Например, для растительности - фоновое содержание маркерных поллютантов и признаки состояния (объем кроны, окрас листвы, хлорозы, некрозы, суховершинность, механические повреждения) [10]; для атмосферного воздуха - ПДКс.с. и ПДК м. р. маркерных поллютантов [8]; для водных объектов - гидрофизические и гидрохимические характеристики; для почв - показатели химического (фоновое содержание примесей, pH, емкость катионного обмена, окислительно-восстановительный потенциал и т.д.) и физического (водопроницаемость порозность, захламленность, степень упакованности) состояний [13].

На основании отобранных критериев может быть получена комплексная оценка объектов окружающей среды, урболандшафтов и всей территории на основе применения набора двух классов показателей. Локальные (точечные) показатели могут быть количественными или переведенными в экспертные шкалы. Например, для воздуха - комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА), для водоемов - индекс загрязнения воды (ИЗВ), для почв - суммарный показатель концентрации

(СПК), для растительности - шкалы оценки экологического состояния и СПК [2, 3, 16] и т.д. Для характеристики межфазового переноса загрязнителей можно использовать результаты корреляционного анализа содержания химических веществ в различных средах. Для пространственной оценки состояния территории следует применять обобщенные индексы качества (1к), которые учитывают степень и площадь антропогенного воздействия (в целом или по зонам) [16].

Предлагаемая блок-схема (рис. 1) позволит на основе качественного и количественного анализа производить дифференциальную оценку депонирующих (почвы, дендрофлоры, твердых атмосферных осадков) и транзитных (гидрологической сети и атмосферного воздуха) сред, находить закономерности их взаимного влияния, определять комфортность проживания, а также разрабатывать рекомендации по восстановлению (сохранению) стабильности урбогеосистем.

Описанные выше принципы организации геоэкологического мониторинга могут считаться универсальными. Но для конкретной территории в зависимости от цели исследования необходимо выбрать систему территориального распределения пробных площадок, определить маркерные поллютанты, схему пространственно-временного отбора проб, компонентные и комплексные критерии оценки антропогенного воздействия.

Предложенная схема применена для Биробиджана -административного и промышленного центра Еврейской автономной области, который относится к категории средних городов юга Дальнего Востока. Для этого создана БД источников загрязнения и загрязнителей, выбраны маркерные поллютанты и биоиндикаторы, разработана система оценки территории. Для характеристики современного состояния проведено четырехлетнее исследование (2003-2006 гг.) качества атмосферного воздуха, почв, растительности, твердых атмосферных осадков с применением неравномерной сети пробных площадок размером 10*10 м со сгущением вдоль автомаги-

стралей и промышленных объектов. При отборе проб учитывался временной интервал (с учетом степени накопления загрязнителей): образцы почв отбирались в августе-сентябре, снега - в конце зимы, перед снеготаянием, органов растений - в августе. Реестр химических загрязнителей включает свыше 200 неорганических, органических соединений и технических продуктов [9]. Маркерные поллютанты выделены на основе учета объемов выбросов, классов токсичности, количества проб, превышающих ПДК, и особенностей Буреинской ландшафтно-геохимической провинции: для атмосферного воздуха - оксиды азота, серы, углерода, твердые вещества; для почв - pH и тяжелые металлы (Си, Ъа, Бе, РЬ, Мп, №); для водных объектов - тяжелые металлы (Си, 2\\. Бе), нитраты, нитриты, азот аммонийный, хлориды, фенолы, нефтепродукты и легко окисляемые органические вещества, для твердых атмосферных осадков - pH, сульфаты, хлориды, Си, Ъ\л. Бе, РЬ, Мп, №, Со, Сс1. Биоиндикаторы определены по результатам исследования содержания тяжелых металлов (ТМ) в коре и листве основных видов урбодендрофлоры [6, 17].

В качестве покомпонентных критериев химического загрязнения ООПС использованы ПДК и фоновые концентрации на эталонных площадках, которые выбраны с учетом планировочной структуры, преобладающих направлений воздушных масс и природно-техногенных геохимических барьеров.

Локальными показателями качества природных объектов являлись для атмосферы - КИЗА, для водных объектов - ИЗВ и экспертные шкалы, для почв и твердых атмосферных осадков - СПК, для растительности -СПК и морфологические признаки листвы и коры дендрофлоры.

Для общей оценки экологического состояния ООПС была разработана 5-балльная шкала. Низший балл (1) использовался для наиболее благоприятных, а высший (5) для наименее благоприятных значений показателей (табл. 1). Для оценки значимости вклада каждого пока-

Таблица 1

Шкала оценки показателей экологического состояния почв, растительности, твердых атмосферных осадков, балл

Оценка в баллах і-того показателя (СІ) Величина СПК тяжелых металлов Растительность Оценка экологической обстановки

признаки состояния городской растительности, %

растительность почва снег объем кроны окрас листвы хлорозы и некрозы суховершиг ность механические повреждения

листва кора

і < 17 <19 <14 <10 густая зеленая 0 0 0 хорошее

2 18-35 20- 39 15-29 11-21 слабо ажурная светлее обычной до 10% <24 <25 <20 удовлетвори- тельное

3 36-53 40- 59 30-44 22-32 частично изрежена мельче, светлее обычной до 45% 25-50 26-53 21-40 неудовлет- ворительное

4 54-71 60- 79 45-59 33^13 изрежена светлее и желтее обычной 51-75 54 42-60 весьма неудовлет- ворительное

5 >72 > 80 >60 >44 сильно изрежена прошлог одняя листва >76 сухостой прошлых лет >61 кризисное

Весовой коэффициент (КІ) 1 4 5 1 1 1 2 3 2

зателя введен коэффициент (К), который зависит от времени отклика объекта на состояние окружающей среды. Так, например, для почв и коры деревьев, которые испытывают многолетнее действие загрязнителей, К равен 5 и соответственно 4, а для твердых атмосферных осадков и листвы - 1. Применение коэффициентов позволяет сопоставлять показатели, измеренные в разных единицах и вносящие различный вклад в формирование экологической ситуации.

Для характеристики пробных площадок использованы средневзвешенные показатели экологического состояния (ПЭКС), рассчитанные по формуле (1), дающие представление об уровне и категории загрязнения и позволяющие провести балльную оценку экологической ситуации (табл. 2).

пэкс = ^кгсг

¿=1 / ¿=1

где - С оценка в баллах ¡-того показателя ООПС, К. -весовой коэффициент ¡-того показателя ООПС.

Таблица 2

Шкала оценки показателей экологического состояния пробных площадок

Балл Уровень загрязнения Категория загрязнения Оценка экологического состояния

0 1 '-j слабый допустимая относительно удовлетворительная

1,8-2,5 средний умеренно опасная конфликтная

2,6-3,3 выше среднего (высокий) средне опасная напряженная

3,4-4,1 высокий (очень высокий) опасная критическая

4,2-5,0 максимальный очень опасная кризисная

На основе разработанной шкалы была произведена экологическая оценка пробных площадок г. Биробиджана и показано, что 4 % участков относится к высокоопасному уровню загрязнения (юг, юго-восток, центр города), 60 % к среднеопасным (юг, восток, центр города), 8 % к относительно чистым районам.

Таким образом, эколого-геохимическая обстановка в городе по загрязнению природных объектов оценивается как удовлетворительная (умеренно-опасная). Особо напряженные ситуации сложились в зонах главных автомагистралей, промышленных центров и железных дорог, слабо загрязнены рекреационные зоны, северо-за-падные территории (фоновая), а также некоторые участки селитебных районов.

Работа выполнена в рамках проекта ДВО РАН № 06-111-09-389.

ЛИТЕРАТУРА:

1. БалунцаВ.И. Геоэкологическое районирование крупного города: подходы, понятийный аппарат, принципы // География и природные ресурсы. 1990. № 1. С. 16-19.

2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1985. 217 с.

3. Геохимия окружающей среды // Сает Ю.Е., Ре-вичБ.А., ЯнинЕ.П. и др. М.: Недра, 1990. 335 с.

4. Города и городские агломерации в региональном развитии. М.: ИГ РАН, 2003. 330 с.

5. Городская среда: принципы и методы геоэкологических исследований. Иркутск: Изд-во СО РАН, 1990. 223 с.

6. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. 548 с.

7. Калманова В.Б. Комплексная оценка функциональной значимости и экологического состояния дендрофлоры г. Биробиджана // Региональные проблемы. 2005. № 6-7. С. 67-72.

8. Касимов Н.С. Эколого-геохимическая оценка состояния городов // Экогеохимия городских ландшафтов. М.: Изд-во Московского университета, 1995. С. 20-39.

9. Коган P.M. Антропогенные загрязнители территории Еврейской автономной области. Владивосток: Даль-наука, 2001. 167 с.

10. Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. М.: Наука. 1974. 354с.

11. Макаров В.З., Новаковский Б.Н. Эколого-географи-ческое картографирование городов. М.: Научный мир, 2002. 214 с.

12. Скрипалыцикова Л.Н., Харук В.И., Зубарева О.Н., Перевозчикова В. Д., ГрешиловаН.В. Экологический мониторинг техногенных ландшафтов на основе наземных и дистанционных методов // География и природные ресурсы. 2002, № 3. С. 31-39.

13. Строганова М.Н., Мягкова А.Д. Городские почвы: генезис, классификация, функции. М. 1997. С. 15-88.

14. Тихомиров Н.П., Потравный И.М., Тихомиров Т.М. Методы анализа и управления эколого-экономичес-кимирисками. М.: Юнити, 2003. 350 с.

15. Уфимцева М. Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт Петербурга. СПб.: Наука. 2005. 339 с.

16.Хомич B.C., Какарека С.В., Кухарчук Т.И., Кравчук Л.В. Пространственный анализ загрязнения природной среды городов // География и природные ресурсы. 2004. № 3. С. 42-48.

17. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред.Н.С. Касимова. М.: 1995. 327 с.

The detailed system for monitoring of natural components quality has been developed and proved for the complex analysis of the ecological condition in the urbanized territories. Systems of sample chozing are optimized for the average and small cities owing to the limited opportunities of their analytical information centres in the temporal as mell as in the spatial aspects.