Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»



А.З. Разяпов







            Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды


        Монография









ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ

Москва 2011

УДК 574
    Р17



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.И. Родионов (РХТУ);
     д-р хим. наук, проф., засл. деятель науки РФ С.Б. Саввин (ГЕОХИ, РАН)




     Разяпов, А.З.
Р17 Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды : моногр. / А.З. Разяпов. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. - 220 с.

         ISBN 978-5-87623-372-1




          Монография посвящена методологическим основам, принципам организации и аппаратурно-методическому обеспечению многоуровневых систем мониторинга загрязнений окружающей среды. Приведена классификация и общая характеристика методов контроля. Дано определение ключевых понятий и терминов, используемых в области экологических измерений, контроля и мониторинга. Рассмотрена большая группа лабораторных методов анализа компонентно-концентрационного состава загрязнений. Уделено внимание экспрессным методам контроля и мобильным системам, включая методы и средства дистанционного зондирования. Рассмотрены перечни загрязняющих веществ, подлежащих обязательному контролю в природных объектах.
          Предназначена для студентов и аспирантов технических вузов, изучающих прикладные экологические дисциплины, а также широкому кругу читателей, интересующихся проблемами экологии, охраны окружающей среды и экологической безопасности.

УДК 574

ISBN 978-5-87623-372-1

© А.З. Разяпов, 2011

    ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.................................................4
Введение ...................................................8
Глава 1. Состояние биосферы и масштабы экологических проблем.14
  1.1. Общие сведения и основные понятия экологии ........ 18
  1.2. Проблемы регионального и глобального уровня ....... 31
  1.3. Отраслевые экологические проблемы ................. 42
  1.4. Проблемы урбанизированных территорий .............. 49
  1.5. Экологические проблемы России ..................... 54
  Библиографический список................................ 60
Глава 2. Общая характеристика методов контроля и систем мониторинга.........................................62
  2.1. Введение в геоэкометрику и определение основных понятий.63
  2.2. Объекты исследования и номенклатура загрязнений ... 74
  2.3. Возможности методов и систем мониторинга загрязнений ... 87
  2.4. Геоинформационные мониторинговые системы .......... 99
  Библиографический список............................... 105
Глава 3. Лабораторные методы исследования загрязнений ...107
  3.1. Терминология и общая характеристика методов ...... 107
  3.2. Классификация и основы методов анализа............ 113
  3.3. Перспективы дальнейшего развития методов анализа . 120
  3.4. Оценка пределов спектрального детектирования...... 130
  Библиографический список............................... 137
Глава 4. Мобильные средства и системы дистанционного зондирования ......................................139
  4.1. Общие сведения и основные понятия................. 139
  4.2. Портативные приборы и мобильные комплексы......... 143
  4.3. Передвижная лаборатория на железнодорожной платформе .. 153
  4.4. Физические основы дистанционного зондирования ..... 160
  4.5. Оценка возможности лидарной системы детектирования. 168
  Библиографический список................................ 174
Глава 5. Специальные методы и системы контроля............176
  5.1. Биоиндикация и биотестирование ................... 176
  5.2. Методы контроля физических факторов воздействия .. 182
  5.3. Радиация и радиационный мониторинг................ 186
  5.4. Методы и средства контроля аэрозольных загрязнений. 193
  5.5. Контроль качества жилых и рабочих помещений ...... 205
  Библиографический список............................... 210
Заключение............................................... 211
Краткий терминологический словарь ........................214
Сведения об авторе........................................219

3

    ПРЕДИСЛОВИЕ


   Экологическая наука и связанные с ней прикладные научнотехнические направления (охрана природы, рациональное природопользование, экологическая безопасность и др.) приобретают в настоящее время особую актуальность и значимость в связи глобальными кризисными явлениями и необходимостью решения комплекса проблем, связанных с непрерывным ростом уровня и масштабов антропогенных воздействий на жизненно важные компоненты экосистем и биосферу в целом.
   Дальнейший прогресс и новые подходы в решении этих проблем отчетливо прослеживаются как в плане осмысления пройденного пути и обобщения накопившегося к настоящему времени фактического материала, так и с общенаучной, методологической позиции - признании важнейшей роли экологии и системы экологических дисциплин в структуре современного естествознания. В этой связи выдающийся естествоиспытатель прошлого, один из создателей экологии Александр Гумбольдт высказался следующим образом: «Когда отдельные явления представлены и частные наблюдения описаны, то можно возвыситься до общих идей: бесплодное накапливание данных препятствовало бы успеху науки...»
   В последнее время по экологии и различным ее современным направлениям издано множество монографий, справочников и учебников, опубликованы десятки лекционных и практических курсов. Однако в этих изданиях недостаточное внимание уделено современным методам исследования параметров и характеристик окружающей среды. В большинстве учебников и учебных пособий эти вопросы затрагиваются лишь с общеизвестных позиций и носят в основном описательный характер. Исключением являются пособия Международного независимого эколого-политологического университета (МНЭПУ)¹ и ряд фундаментальных монографий по экоинформатике Российской академии наук¹ ². Из справочной литературы нельзя не отметить книгу, изданную под редакцией президента НИТУ «МИСиС» профессора

    ¹ Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Ч. 1 и 2 / Под ред. Ю.А. Афанасьева, С.А. Фомина. М., 1998 и 2001 гг.

    ² Арский Ю.М. и др. Экоинформатика. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992; Крапивин В.Ф., Потапов И.И. Методы экоинформатики / Под ред. Ю.М. Арского. М.: ВИНИТИ РАН, 2002.

4

Ю.С. Карабасова «Экология и управление: термины и определения»¹. Она содержит более 1000 терминов, относящихся к различным разделам современной экологии, является настольной книгой студентов, обучающихся по целому ряду специальностей: охрана окружающей среды, промышленная экология, экологический мониторинг, безопасность жизнедеятельности в техносфере и др.
   В настоящее время назрела необходимость в издании монографии или специального учебного пособия, которое целиком было бы посвящено систематическому изложению вопросов, связанных с методологическими основами и аппаратурно-методическим обеспечением систем экологических измерений и мониторинга.
   Название предлагаемой книги, ее цели и задачи отражают стремление автора восполнить в какой-то мере этот пробел и представить на суд читателя свое видение проблем в той области систем экологических измерений, которая в первую очередь связана с изучением уровня, масштабов и характера загрязнений объектов окружающей среды - непрерывно развивающегося и обновляющегося направления прикладной экологии.
   Изложение основного материала книги сопровождается вставками-дополнениями справочно-информационного характера, заимствованными из общеизвестных источников (справочников, словарей) научно-технического и гуманитарного профиля, а также сведениями, доступными в интернете. Кроме того, в ряде разделов книги приведена портретная галерея выдающихся ученых, внесших заметный вклад в развитие естественных наук, тесно связанных с экологией. Эти сведения в изложении автора могут быть полезны для понимания и усвоения студентами изучаемого предмета в систематизированном виде с дополнениями из пограничных (смежных) с экологией научных дисциплин. Вставки-дополнения и портреты ученых преследуют также и иную, может быть самую главную цель - вызвать интерес у студентов к знаниям, поиску, научным исследованиям.
   Основное внимание в книге уделено, как уже отмечалось, методам и средствам контроля загрязнений объектов окружающей среды. Значительное место отведено системам экологического мониторинга, которые в настоящее время (особенно за рубежом) используют богатейший арсенал современных физико-химических методов и аппаратурно-технических средств. Уделено также внимание наиболее на--------   ¹ Карабасов Ю.С. Экология и управление: термины и определения. М.: МИСиС, 2001.

5

глядным примерам практического использования этих методов и средств. В ряде разделов книги изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора.
   Монография состоит из пяти глав. В первой главе дана общая характеристика состояния биосферы и рассмотрены основные экологические проблемы. Подчеркнуто, что подавляющее большинство этих проблем обусловлено крупномасштабными выбросами загрязняющих веществ в различные слои атмосферы, сбросами в водные системы и почвы.
   Во второй главе рассматриваются современные методы контроля и многоуровневые системы экологического мониторинга. Приведена классификация методов контроля с изложением основ и их потенциальных возможностей. Дано определение ключевых понятий и терминов, используемых в области экологических измерений, контроля и мониторинга. Дано также определение вновь введенного автором термина экологическое измерение, предложено выделить новую область знаний в прикладной экологии - геоэкометрику, предметом которой, по мнению автора, являлись бы как методологические основы, принципы и сами методы экологических измерений, так и технические средства (системы), используемые для этих целей.
   Центральное место книги занимают третья, четвертая и пятая главы, посвященные современным методам контроля и системам экологического мониторинга. Рассмотрена большая группа лабораторных методов анализа загрязнений, а также экспрессные методы и мобильные системы, включая методы и средства дистанционного зондирования. Рассмотрены также специальные методы и средства контроля, такие, как биоиндикация и биотестирование, радиация и радиоэкологические методы, а также и другие методы контроля физических факторов воздействия. Учитывая важность изучения аэрозольной компоненты атмосферных загрязнений, автором собраны и обобщены материалы, относящиеся к методам исследования счетной и массовой концентрации взвешенных частиц, химического и дисперсного их состава. Кроме того, уделено внимание проблемам локального и микролокального уровня - особенностям контроля экологических параметров и характеристик жилых и рабочих помещений, подверженных различным техногенным воздействиям (загрязнениям).

6

   Некоторые разделы книги написаны по материалам лекционного курса и семинарских занятий, проведенных автором в последние примерно десять лет со студентами старших курсов и аспирантами на кафедре теплофизики и экологии металлургического производства Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». В этих же разделах использованы материалы дипломных и диссертационных работ студентов и аспирантов, научным руководителем которых являлся автор книги.
   Четвертая глава написана при активной консультационной помощи докт. техн. наук, проф. Д.А. Шаповалова (Государственный университет по землеустройству) и канд. техн. наук В.В. Егорова (Институт космических исследований РАН). Раздел, посвященный проблемам радиоэкологического контроля, основан на материалах, представленных канд. техн. наук В.В. Гориным и канд. техн. наук А.Б. Зарубиным (МосНПО «Радон»). Автор приносит им свою благодарность и надеется на дальнейшее сотрудничество.
   Автор выражает особую благодарность докт. техн. наук, проф. Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева (РХТУ) А.И. Родионову и докт. хим. наук, проф. С.Б. Саввину (Институт геохимии и аналитической химии РАН им. В.И. Вернадского), взявших на себя труд рецензирования работы и сделавших ряд весьма полезных замечаний по существу затронутых в книге проблем.
   Я понимал, что собрать в небольшой по объему книге столь обширный и разнородный материал представляет собой достаточно трудную задачу, тем не менее, предпринял попытку это осуществить. Насколько мне удалось реализовать намеченное - судить читателю. Рассчитываю на доброжелательную критику и замечания ученых, преподавателей и специалистов-практиков. Отзывы и пожелания будут восприняты с благодарностью.

7

    ВВЕДЕНИЕ


                           Природа! Мы ею окружены и объяты - бессильные выйти из неё, бессильные глубже в неё проникнуть.
                          Непрошеная, она без предупреждения вовлекает нас в свой хоровод и кружит, покуда мы, уставшие, не выскользнем из её рук... Мы живем среди неё, но мы ей чужды. Непрестанно говоря с нами, она не выдает нам своей тайны. Мы постоянно на неё воздействуем, но власти над ней мы не имеем.
И.В. Гете «Гимн природе»

   На пороге нового тысячелетия стало очевидным, что дальнейшее устойчивое социально-экономическое развитие мирового сообщества немыслимо без решения фундаментальных проблем экологии и экологической безопасности. Всемирные конференции и форумы по проблемам охраны природной среды, проведенные в последние два-три десятилетия на самом высоком уровне, со всей убедительностью свидетельствуют о необходимости объединения усилий по преодолению нарастающего экологического кризиса. В этой связи нельзя не отметить знаменательное событие современной истории - вступление в силу 2005 г. Киотского протокола, ратифицированного руководителями и парламентариями подавляющего большинства стран мира, включая нашу страну - Российскую Федерацию. На смену этому крупнейшему международному проекту уверенно идут Копенгагенские соглашения 2009 г., еще более усиливающие требования по сокращению выбросов парниковых газов, влияющих на климатические и другие глобальные биосферные процессы.
   В последнее время достигнут существенный прогресс в решении проблем сохранения биоразнообразия и экосистем на нашей планете. В октябре 2010 г. в японском городе Нагое на Конференции стран -участниц Конвенции ООН по биоразнообразию был согласован и одобрен стратегический план «Цели-2020». Этот план, в частности, предусматривает увеличение территорий заповедников и национальных парков на суше с нынешних 12,5 до 17 %, а также расширить площадь морских заповедников до 10 % (в настоящее время она составляет менее 1 %). Особое внимание было уделено спорной проблеме, связанной с генетическими ресурсами. Принятый на конференции Протокол по генетическим ресурсам, который также называют ABS (International Regime on Access and Benefit Sharing of Genetic

8

Resources), призван регламентировать механизм использования биологических и генетических ресурсов, а также обеспечить справедливые и равноправные распределения экономических выгод от реализации генетических ресурсов животных, растений и грибов.
   Во второй половине прошлого века заметную роль в решении экологических проблем человечества сыграли международные форумы и конференции, проведенные под эгидой и при содействии ООН. Среди них наиболее значимыми являются Стокгольмская конференция 1972 г. и конференция в Рио-де-Жанейро в 1992 г.
   Стокгольмская конференция положила начало развитию международных и государственных организаций по сохранению окружающей среды. Органы по охране окружающей среды были организованы практически во всех странах мира. На конференции был образован постоянно действующий орган ООН по окружающей среде (ЮНЕП) со штаб-квартирой в г. Найроби (Кения). В ознаменование даты начала конференции в Стокгольме было принято решении об установлении 5 июня Всемирного дня охраны окружающей среды. В этот день предлагалось проводить мероприятия, подтверждающие стремление стан и народов к сохранению и улучшению окружающей среды.
   Конференция ООН по окружающей среде и развитию, состоявшаяся в Рио-де-Жанейро в 1992 г. с участием глав государств и правительств более 170 стран мира, приняла программный документ «Повестка дня на XXI век» - план действий, направленный на реализацию концепции устойчивого развития. В этом документе впервые было констатировано, что мир, дальнейшее успешное развитие человечества и охрана окружающей среды взаимозависимы и неразделимы.
   Исключительное внимание, уделяемое экологическим проблемам, обусловлено тем, что весьма ощутимыми становятся негативные последствия широкомасштабных антропогенных воздействий на биосферу, непрерывно возрастающего загрязнения атмосферы, гидросферы и почвенно-растительного покрова. Оценки последних десятилетий показывают, что объемы промышленных выбросов и сбросов загрязняющих веществ приобретают угрожающий характер и могут привести в недалеком будущем к необратимым процессам в экосистемах на региональном уровне и в глобальных масштабах. Острейшими проблемами практически на всех континентах планеты вот уже на протяжении последних нескольких десятилетий являются проблемы существенного снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха, повышения качества питьевого водоснабже

9

ния, а также управления (утилизация, переработка) промышленными и бытовыми отходами.
   Особую тревогу вызывает загрязнение природной среды урбанизированных территорий и промышленно-урбанизированных регионов, где проживает более половины населения планеты. Эти густонаселенные территории характеризуются высокой степенью концентрации промышленного и научно-технического потенциала, насыщенностью автотранспортными средствами, объектами энергетики, стройиндустрии, многофункциональными системами жизнеобеспечения населения. Несмотря на ощутимые достижения в создании ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий в промышленности, энергетике и на транспорте, а также постоянное совершенствование санитарно-гигиенического и природоохранного нормирования, серьезным фактором риска для здоровья людей большинства городов мира по-прежнему остается загрязнение атмосферного воздуха.
   В последние годы экологическая ситуация в крупных городах и промышленных центрах России только ухудшается, поскольку не снижаются темпы роста числа автомобилей, существенно возрастает уровень шума, мощность различного рода излучений. И в этой связи не ослабевает поток жалоб жителей на неблагоприятную экологическую обстановку на городских территориях, особенно в связи с высоким загрязнением воздушной среды жилых массивов, зон отдыха и т.п. Не меньшее число жалоб поступает и на ухудшение качества воды естественных водоемов, захламление территорий и загрязнение почв.
   Трудно переоценить роль методов и систем измерений многочисленных параметров и характеристик природных процессов и антропогенных воздействий, влияющих на состояние и нормальное функционирование среды обитания человека, животного и растительного мира.
   Действующие в настоящее время системы контроля (мониторинга) глобальных параметров и характеристик биосферы под эгидой различных международных организаций, располагают достаточно разветвленной сетью станций наблюдения наземного и аэрокосмического базирования, которые обеспечивают получение многомерной информации о геофизических, гидрометеорологических и других процессах, протекающих в различных слоях атмосферы, на подстилающей поверхности и в гидросфере. Так, в частности, основное

10

внимание в программах наблюдения Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) уделяется проблемам, связанным с оценкой уровня и динамики фонового загрязнения компонентов биосферы с учетом вклада антропогенной составляющей, обусловленной многочисленными источниками выбросов (сбросов) загрязняющих веществ.
   При создании в Российской Федерации Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) декларировалось, что одной из основных ее задач является оперативный контроль энерго-экологического, медико-биологического и социальноэкономического состояния окружающей среды. Однако, как это неоднократно отмечалось научной общественностью, действующие в настоящее время системы и службы мониторинга окружающей среды не удовлетворяют требованиям оперативного информационного обеспечения управления в области охраны, рационального использования природных ресурсов и экологически безопасного устойчивого развития страны и ее регионов. Кроме того, в результате продолжающегося сокращения наблюдательных сетей, снижения технического уровня измерительных систем и ухудшения их метрологического обеспечения значительно снижается информативность и достоверность получаемых данных.
   Прямо противоположные тенденции прослеживаются за рубежом, где в последние годы получили дальнейшее развитие национальные и региональные системы экологического мониторинга. Совершенствуется аппаратурно-методическая и информационно-аналитическая база этих систем, непрерывно растет число автоматических станций наблюдения, все шире используются современные методы и технологии, включая мобильные комплексы и средства дистанционного зондирования.
   Предваряя последующее более детальное изложение используемых в книге основных терминов, понятий и определений, ограничимся несколькими предварительными замечаниями относительно содержания и смысловой нагрузки некоторых ключевых понятий и в первую очередь таких, как воздействие на окружающую среду, загрязнение и загрязняющие вещества, а также мониторинг (экологический мониторинг) и контроль (экологический контроль).
   В книге дано определение введенного автором термина «экологическое измерение», характеризующего специфический вид (класс)

11