ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ
реклама
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Инженерная защита окружающей среды» А.М. АСОНОВ, К.Р. ВОЛКОВА ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Екатеринбург 2005 1 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Инженерная защита окружающей среды» А.М. АСОНОВ, К.Р. ВОЛКОВА ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Курс лекций для студентов специальности 280202 - инженерная защита окружающей среды Екатеринбург 2005 УДК 504.062.36 Курс лекций по дисциплине «Экологический мониторинг, методы и приборы контроля окружающей среды» предусматривает изучение студентамиэкологами основ мониторинга окружающей среды, технических, химических и биологических методов и средств контроля состояния всех компонентов окружающей среды – земля, вода, воздух. Материал курса лекций предполагает, что студенты уже прослушали курсы «Теоретические основы защиты окружающей среды», «Общая экология», «Промышленная экология», «Науки о земле» и «Общая химия». Содержание и объем курса соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для студентов специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды». Курс лекций предназначен для студентов вышеуказанной специальности всех форм обучения. Авторы: А.М. Асонов, д-р биологических наук, профессор (УрГУПС) К.Р. Волкова, ассистент кафедры ИЗОС (УрГУПС). Рецензенты: С.А. Шавнин, д-р биологических наук, профессор (УГЛТУ), директор НИИ Экотоксикологии УГЛТУ. Н.Б. Гмызина, доцент кафедры инженерной защиты окружающей среды, канд.техн. наук,(УрГУПС). © Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2005 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ....................................................................................................................... 5 1. Мониторинг окружающей природной среды ........................................................... 7 1.1. Объекты, цель и задачи мониторинга................................................................. 7 1.2. Виды и структура мониторинга .......................................................................... 8 1.3. Оценка состояния окружающей среды............................................................. 11 1.4. Анализ состояния окружающей природной среды ......................................... 12 1.5. Нормы экологически допустимого воздействия на объекты окружающей среды.................................................................................................... 12 1.6.Основные характеристики негативных последствий антропогенных изменений ........................................................................................ 13 2. Организация службы наблюдений за состоянием окружающей среды............................................................................................................................... 16 2.1. Общие положения организации службы наблюдений за состоянием окружающей среды ............................................................................... 16 2.2. Организация в России наблюдения за состоянием природной среды ........................................................................................................................... 18 2.3. Организация службы наблюдения за состоянием окружающей среды на железнодорожном транспорте.................................................................. 23 2.4. Единая государственная система мониторинга............................................... 19 2.5. Технология обработки и предоставления экологической информации в виде карт мониторинга .................................................................... 23 3. Система экологического контроля за загрязнением окружающей природной среды в России ........................................................................................... 26 3.1. Государственный экологический контроль ..................................................... 26 3.2. Полные, целевые и совместные проверки природоохранной деятельности на предприятиях ................................................................................. 27 3.3. Производственный экологический контроль на предприятии ...................... 30 3.4. Общественный экологический контроль ......................................................... 30 3.5. Ведомственный экологический контроль ........................................................ 33 3.6. Ответственность и наказание за нарушения, связанные с загрязнением объектов окружающей среды ........................................................... 33 3.7. Экологический мониторинг как лицензируемый вид деятельности............................................................................................................... 34 4. Фоновый и биологический мониторинг ................................................................. 36 4.1. Фоновый мониторинг: региональные и базовые станции, биосферные заповедники .......................................................................................... 36 4.2. Организация системы наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в природных средах на сухопутных станциях фонового мониторинга ............................................................................. 38 4.3. Биологический мониторинг ............................................................................... 41 4.3.1. Диагностический мониторинг. Принцип отбора организмов для мониторинга................................................................................................................... 44 3 4.3.2. Прогностический мониторинг ........................................................................... 46 5. Мониторинг природных сред................................................................................... 47 5.1. Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха ............................................ 47 5.2. Мониторинг загрязнения гидросферы.............................................................. 50 5.3. Мониторинг загрязнения почв .......................................................................... 58 5.4. Мониторинг урбанизированных территорий................................................... 59 5.5. Экологический мониторинг зон влияния источников выбросов и сбросов на состояние объектов окружающей природной среды....................... 60 6. Отбор, предварительная подготовка, консервация и хранение проб объектов природной среды ................................................................................. 62 6.1. Отбор проб атмосферного воздуха ................................................................... 62 6.2. Отбор проб атмосферных осадков, их консервация и хранение ................... 68 6.3. Отбор проб поверхностных и подземных вод ................................................. 70 6.4. Отбор проб донных отложений......................................................................... 71 6.5. Отбор проб почвы ............................................................................................... 71 6.6. Отбор проб растительного материала .............................................................. 72 6.7. Отбор тканей животных ..................................................................................... 73 7. Приборы для измерения физических параметров атмосферы и гидросферы ................................................................................................................. 74 7.1.Метрологические приборы для измерения физических параметров атмосферы .............................................................................................. 74 7.2. Гидрологические приборы и установки ........................................................... 79 8. Методы и приборы экологического контроля........................................................ 88 8.1. Методы контроля за выбросами, сбросами и состоянием окружающей природной среды ................................................................................ 88 8.2. Хроматографические методы ............................................................................ 89 8.3. Электрохимические методы .............................................................................. 91 8.4. Оптические методы ............................................................................................ 94 8.5. Приборы, оборудование и материалы для оснащения лаборатории мониторинга......................................................................................... 97 Библиографический список .................................................................................... 101 4 ВВЕДЕНИЕ Понятие «мониторинг» (от английского глагола «to monitor» – контролировать, проверять) означает наблюдение за каким-либо процессом или состоянием чего-либо, например окружающей среды, с целью контроля и прогноза. Историческим началом мониторинга состояния окружающей среды считают организацию в начале XIX века на угольных шахтах Англии и Бельгии наблюдений за уровнем содержания окиси углерода в воздухе. В качестве своеобразных «датчиков» загазованности угольных штреков использовались канарейки, морские свинки и тараканы. Комплексные и регулярные наблюдения за изменением состояния окружающей среды относятся к началу XX века. Значительную часть их представляли метеорологические и некоторые другие геофизические наблюдения, т.е. длительное время наблюдения производились лишь за изменениями состояния окружающей среды, обусловленными естественными природными причинами. Выявленные тенденции изменения состояния среды со всей очевидностью доказывают, что вхождение человечества в индустриальную стадию своего развития с бесконтрольным использованием природных ресурсов представляет реальную угрозу разрушения всех элементов биосферы – атмосферы, гидросферы и литосферы. Ухудшение состояния природной среды связано с недооценкой возросшей мощности производства как промышленного, так и сельскохозяйственного, способного к изменению природы не только на местном, но и на региональном и даже глобальном уровнях. Использование неэкологичных технологий, требующих значительных энергоресурсов и природного сырья, низкий коэффициент использования последних, недостаточная переработка отходов производства, включая отходящие газы, сточные воды, жидкие и твердые технологические продукты, приводят к загрязнению почвы, водных объектов и атмосферы, снижают качество окружающей человека природной среды. Эти факторы влекут за собой рост заболеваемости людей, снижают продолжительность их жизни. Сегодня в период бурного развития техники и технологий, вовлечения в технологический процесс огромных объемов мировых запасов природных ресурсов (руды, нефть, газы, вода, лес и др.) становится чрезвычайно важным организация постоянного контроля за состоянием природной среды, выявление тенденций в ее изменениях. Контроль позволяет осуществлять научнообоснованное управление качеством окружающей среды с выработкой на перспективу технической политики и природоохранной деятельности государств, принимать незамедлительные практические действия по экологизации производства и ликвидации ущерба, нанесенного окружающей среде ранее. Таким образом, на современном уровне развития человечества изучение изменений и колебаний состояния окружающей среды под воздействием антропогенных факторов на фоне естественных представляет собой актуальную задачу в проблеме сохранения среды обитания, пригодной для жизни на земле. В 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде был 5 официально выдвинут и получил международное признание и распространение термин «мониторинг окружающей среды». Мониторинг окружающей среды призван выявлять критические и экстремальные ситуации, факторы антропогенного воздействия на окружающую среду, производить оценку и прогноз состояния объектов наблюдения для регулирования взаимного влияния объектов техносферы, гидросферы, литосферы, атмосферы и биосферы, т.е. мониторинг окружающей среды – это система наблюдения, оценки и прогноза состояния окружающей природной среды в связи с хозяйственной деятельностью человека. Главным в мониторинге окружающей среды являются информационная система наблюдений, оценка текущего состояния среды и тенденций его изменения в условиях антропогенного воздействия. Сумма получаемых при мониторинге данных является научной основой планирования мероприятий по восстановлению утраченного естественного равновесия. Первое межправительственное совещание по мониторингу состоялось в г. Найроби (Кения) в 1974 году. На нем обсуждались основные положения и цели программы глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). ГСМОС включает мониторинг климата, качества воздуха и воды, условий здравоохранения биологический мониторинг. С этого периода в большинстве стран мира начала развиваться служба мониторинга за состоянием окружающей среды. В нашей стране специальную информационную систему наблюдения и анализа состояния биосферы предложил и возглавил академик Ю.А. Израэль, назвав ее «Мониторингом антропогенных изменений окружающей природной среды». 6 1. МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 1.1. Объекты, цель и задачи мониторинга Мониторинг окружающей среды является многоуровневой информационной системой, охватывающей слежение за всем циклом антропогенных воздействий от источников воздействия до реакции отдельных природных сред и сложных экологических систем. Объектами мониторинга окружающей среды являются: – природные среды (атмосферный воздух, поверхностные воды суши, морские воды, почва и земной покров, ландшафты, геологическая среда) – источники антропогенного воздействия, приводящие к поступлению в окружающую среду токсичных, опасных и экологически вредных веществ (сточные воды, промышленные выбросы, жидкие и твердые некондиционные продукты и т.д.), к изменению сложившегося или естественного состояния природных сред, изменению ландшафта территорий; – природные ресурсы (водные, земельные, лесные и прочие биологические); – факторы воздействия среды обитания (шум, тепловое загрязнение, физические поля); – состояние биоты, ее ареалов и экосистем. Основная цель мониторинга окружающей среды – обеспечение системы управления природоохранной деятельности современной и достоверной информацией, позволяющей: – оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистемы и среды обитания человека; – выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений; – оценить предпосылки для определения мер по исправлению возникших негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб. Задачи мониторинга окружающей среды: – наблюдение за источниками антропогенного воздействия; – наблюдение за факторами антропогенного воздействия; – наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия; – оценка фактического состояния природной среды; – прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды. В компетенцию мониторинга окружающей среды входят следующие вопросы: – выделение (определение) объекта наблюдения; – обследование выделенного объекта наблюдения; – составление информационной модели для объекта наблюдения; – планирование измерений; 7 – оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели; – прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения; – предоставление информации в удобной для использования форме и доведения ее до потребителя. Следует отметить, что мониторинг окружающей среды включает в себя только наблюдение, оценку и прогноз состояния природной среды (рис. 1). Вопросы разработки, планирования и реализации планов природоохранной деятельности относятся к области управления качеством окружающей среды. Рис. 1. Составные части мониторинга Получение достоверной оценки состояния природной среды и прогноз ее изменения позволит принимать научно-обоснованные решения для предотвращения отрицательных последствий техногенного пресса на природу, выработать стратегию оптимальных отношений человека с окружающей его природной средой. 1.2. Виды и структура мониторинга В зависимости от целей и объектов наблюдений различают три вида мониторинга окружающей среды: санитарно-гигиенический, экологический и климатический. Санитарно-гигиенический мониторинг – контроль загрязнения окружающей среды и сопоставление ее качества с гигиеническими нормативами предельнодопустимых концентраций (ПДК), разработанными для защиты здоровья населения. Экологический мониторинг – наблюдение, оценка и прогноз антропогенных изменений в экосистемах и ответной реакции биоты на эти изменения. Климатический мониторинг – контроль и прогноз колебаний климатической системы. По своей структуре он похож на экологический, но охватывает только ту часть биосферы, которая влияет на формирование климата: атмосферу, океан, ледяной покров и др. Климатический мониторинг тесно смыкается с гидрологическими наблюдениями. Кроме того, при проведении наблюдений за окружающей средой используются понятия: базовый мониторинг (система слежения за состоянием и прогнозирование изменений природных процессов); глобальный мониторинг (система слежения за изменением биосферных процессов, включая антропогенные воз8 действия); импактный мониторинг (наблюдения за локальными и региональными антропогенными воздействиями в опасных зонах). Классификация мониторинга по наблюдениям за реакцией составляющих биосферы При организации мониторинга состояния биосферы представляется необходимым создание мониторинга реакции биотической составляющей (биологический мониторинг) и абиотической составляющей (геофизический мониторинг) биосферы на антропогенные воздействия. – Биологический мониторинг рассматривает состояние живой (биотической) составляющей биосферы, отклик биоты на антропогенное воздействие, ее отклонение от нормального на различных уровнях: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, уровне сообщества. – Геофизический мониторинг рассматривает реакции неживой (абиотической) составляющей как в микро-, так и в макро- масштабах. Классификация мониторинга по факторам и объектам воздействия – Ингредиентный мониторинг рассматривает влияние загрязнителей окружающей среды (химических, энергетических, биологических) на биоту. Особое внимание уделено токсичным, стойким и подвижным (мобильным) веществам, имеющим опасные дочерние продукты (при распаде и превращениях) и опасным при воздействии в сочетании с другими веществами. – Мониторинг различных сред ведет наблюдение за атмосферой (приземный и верхний слой атмосферы), атмосферными осадками; гидросферой (поверхностные и подземные воды суши, воды океанов и морей); литосферой (почвы). В этом виде мониторинга особое внимание обращается на миграцию загрязняющих веществ из одной среды в другую, на пути их переноса и распространения. – Мониторинг источников загрязнения исследует источники воздействий на окружающую среду: точечные стационарные (заводские трубы, выпуски сточных вод и т. п.), точечные подвижные (транспорт), площадные источники (сельскохозяйственные поля с внесенными химическими веществами, города и т. п.). – Мониторинг объектов воздействия исследует живые организмы по их числу, биомассе, плотности популяции и т. д. В этом типе мониторинга наблюдения ведутся за: а) важнейшими популяциями, характеризующими своим присутствием состояние благополучия той или иной экосистемы (для арктической системы таким видом является лемминг) или популяциями, представляющими большую хозяйственную ценность (ценные сорта рыб и т.д.); б) популяциями наиболее чувствительными к данному либо комплексному виду воздействия; в) популяциями-индикаторами. К этой категории мониторинга относятся элементы как живой, так и неживой (конструкции, здания и т. д.) составляющей биосферы. 9 Классификация мониторинга по масштабам воздействия – Мониторинг по пространственным масштабам воздействия изучает воздействия, относящиеся к точке, небольшим площадям, районам, регионам и техногенным объектам в глобальном масштабе. Наблюдение ведется за количеством загрязняющих веществ поступающих в ту или иную части пространства, количеством объектов воздействия на исследуемой территории. – Мониторинг, учитывающий изменения во временных масштабах (исторический или палеомониторинг) осуществляет наблюдения за изменениями, происходившими в прошлом. По некоторым признакам (годовые кольца деревьев, годовые слои в ледниках, на дне океанов) можно восстановить имевшие место изменения в прошлом, спрогнозировать изменения в будущем за различные интервалы времени. Классификация мониторинга по методам наблюдений Классификация носит вспомогательный характер и указывает на метод измерения показателей окружающей среды (химический, физический, биологический). Для водных объектов используются гидробиологические показатели. Измерения по химическим показателям называют иногда «химическим мониторингом». Структура мониторинга включает 4 основных блока: наблюдения, оценка фактического состояния, прогноз состояния, оценка прогнозируемого состояния. Блок-схема системы мониторинга представлена на рис. 2. Информационная система (мониторинг) НАБЛЮДЕНИЯ Управление Оценка фактического состояния Регулирование качества среды ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ Оценка прогнозируемого состояния Прямая связь Обратная связь Рис. 2. Блок-схема системы мониторинга (по Ю.А. Израэлю, 1979 год) Как отмечалось ранее, мониторинг включает наблюдения за источниками и характером антропогенного воздействия, сохранением окружающей природной 10 среды, экосистем и биосферы в целом. В качестве эталона используются объекты, зачисленные в категорию фоновых (не подвергнутых техногенному влиянию). Важнейшими элементами современного мониторинга окружающей среды являются оценка ее фактического состояния и прогноз на будущее. Следует напомнить, что вопросы принятия решений по регулированию качества окружающей среды не относятся к мониторингу, а являются прерогативой управленческой деятельности. В таблице 1 приведена система наблюдений, используемая при проведении мониторинга окружающей среды. Таблица 1 Система наблюдений за окружающей средой Вид наблюдений Источники воздействий Характер воздействий Состояние окружающей природной среды Состояние экосистем Состояние биосферы в целом Состояние человека Объекты наблюдений Локальные естественные (вулканы, извержения газов, нефти и др.) и антропогенные (выбросы, сбросы и др.) источники поступления загрязнений и других воздействий Виды загрязнений, характер излучений, режим поступлений загрязнений (эпизодически, постоянно и т.д.), интенсивность шумов и др. Географические, физические, геохимические, химические, биохимические, биологические, данные о состоянии среды. Реакция биоты: организмов, популяций, сообществ; изменение структуры и функций экосистем. Изменение погоды, климата, баланса продукционнодеструкционных процессов в биосфере и др. Данные о состоянии физического и психического здоровья населения. В процессе мониторинга важно иметь данные, как об абиотической составляющей среды, так и состоянии биоты, о функционировании экосистем и их реакции на воздействия. Эта область мониторинга охватывается геофизическими и экологическими методами контроля окружающей природной среды. 1.3. Оценка состояния окружающей среды Чрезвычайно ответственным элементом мониторинга является оценка фактического и прогнозируемого состояния природной среды. Очевидно, что по результатам измерений, даже с достаточной точностью, только одного фактора или отдельного элемента среды нельзя ответить достоверно о ее состоянии. В этом случае используются интегральные характеристики и показатели. Показатели объекта наблюдения сравниваются с показателями такого же объекта на территории, принятой за фон. Оценка состояния окружающей среды осуществляется также в сравнении со специально выработанными критериями (нормативами), обеспечивающими высокое качество того или иного элемента природы. Такими нормативами явля11 ются предельно-допустимая концентрация (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве. Определение допустимых для экосистемы антропогенных воздействий (на фоне естественной изменчивости ее состояния) основывается на понятии экологического резерва данной системы и интервале допустимых констант ее состояния. Существенную роль в этом вопросе играет понятие устойчивости системы и зависимость между величиной воздействия и эффектами, вызываемыми этим воздействием, а также наличие порога указанных эффектов. Экологический подход к определению допустимых нагрузок отличается от санитарно-гигиенического, целью которого является определение границы загрязнения среды безопасной для здоровья отдельного человеческого организма, а также для населения в целом. Например, ПДК для фенола в питьевой воде 0,001 мг/л, а в воде водного объекта 0,1 мг/л, ПДК меди и цинка в питьевой воде выше, чем ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения. При экологическом нормировании учитывается совместное, коллективное сопротивление, реакция экосистемы, биоценоза в целом на любое воздействие, хотя при этом «критическим» звеном может оказаться какой-либо отдельный вид. Основным критерием при определении допустимой экологической нагрузки является отсутствие снижения продуктивности, стабильности и разнообразия экосистемы. Гибель отдельного организма, особи не представляется в этом случае критической ситуацией. 1.4. Анализ состояния окружающей природной среды Универсальным инструментом изучения самых разных антропогенных воздействий на природную среду, методом для оценки последствий таких воздействий является всесторонний анализ окружающей природной среды, предложенный Росгидрометом в 1972 году и принятый практикой. Анализ осуществляется в три этапа. Первым этапом является анализ эффектов воздействия различных факторов на окружающую природную среду, включая анализ реакций элементов биосферы, определение видов ущерба, выявление критических факторов воздействия на элементы биосферы. Второй этап анализа окружающей природной среды ставит своей задачей определение допустимых экологических нагрузок на отдельные природные экосистемы (воды, почвы, города, района). К третьему этапу относятся расчет, определение допустимых нагрузок на экосистему целого региона с учетом экономических и социальных аспектов. Этот этап в значительной степени определяет «принятие решения», т.е. стратегию регулирования (управления) качеством природной среды. 1.5. Нормы экологически допустимого воздействия на объекты окружающей среды Проблема управления качества природной среды решается на основе эколо12 гического прогнозирования с использованием эколого-экономических моделей. Регулирование качества природной среды начинается с определения экологического допустимого воздействия, выработки норм такого воздействия в каждой точке среды, для каждого организма и системы. Сегодня это осуществляется средствами системы нормативов в виде предельно-допустимых концентраций (ПДК) предельно-допустимых экологических нагрузок (ПДЭН). Кроме того, используются критерии, направленные на постепенное достижение ПДК источников негативного воздействия на окружающую среду. К таким нормативам относятся нормы предельно допустимых выбросов и сбросов (ПДВ и ПДС), а также временно согласованных выбросов и сбросов (ВСВ и ВСС). При выработке таких норм требуется учет большого числа факторов. Так, при разработке ПДВ необходим учет гидрометеорологических факторов, рельефа, распространения загрязнения во времени и пространстве, а также распределение в пространстве и во времени подвергаемых воздействию организмов, чувствительных к этому воздействию. 1.6.Основные характеристики негативных последствий антропогенных изменений Окружающая среда подвержена непрерывным изменениям под влиянием естественных причин и под воздействием человеческой деятельности. Воздействия на объекты окружающей среды носят различный характер, отличаются по своей направленности и величине, неравномерности распределения в пространстве и во времени. Естественные изменения состояния биосферы обладают весьма важной особенностью – эти изменения, как правило, происходят около некоторого среднего значения, относительно постоянного уровня. В качестве примера можно привести относительное постоянство климатических характеристик крупных регионов, природного состава различных сред (почва, вода, воздух и т.д.), характера круговорота веществ в природе, состояния крупных природных систем. Эти средние значения могут существенно изменяться лишь в течение длительных интервалов времени (тысяч и миллионов лет). Исключение составляют изменения, вызванные стихийными бедствиями катастрофического характера (извержение вулканов, землетрясения, тайфуны и т.д.). Однако такие изменения носят относительно локальный характер. Естественные изменения изучаются геофизическими службами: гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др. Антропогенные изменения состояния природной среды стали особенно значимы в последние полвека в связи с начавшейся технической революцией в мире и, как следствие, энерговооруженностью человека. Сегодня воздействие человека на природную среду столь значительно, что оно способно в отдельных случаях приводить не только к резкому изменению среднего состояния среды небольших регионов, но и к изменениям, носящим глобальный характер, таким 13 как, например, появление «озоновых дыр», потепление климата и т.д. Следует отметить, что изменения антропогенного характера могут быть намеренными и ненамеренными. К намеренным антропогенным изменениям состояния природной среды можно отнести существенные изменения, направленные на удовлетворение потребностей человеческого общества – разработка сельскохозяйственных угодий, мелиорация земель, строительство крупных водохранилищ, городов, поселков и т.д. К ненамеренным антропогенным изменениям состояния природной среды относят истощение крупных массивов земли, их засоление и, как следствие, вывод их из оборота, гибель или существенную трансформацию экосистем некоторых крупных озер, загрязнение Мирового океана нефтепродуктами, ионами тяжелых металлов и органикой, наступление пустынь, закисление поверхностных вод и почв и т.п. Наиболее серьезные проблемы негативных последствий антропогенных воздействий могут быть связаны с воздействиями, характеризуемыми: 1) масштабностью проявления эффектов и признаков изменений, вплоть до глобального охвата; 2) значительной инерционностью последствий; 3) остротой негативных последствий. К первой категории наиболее серьезных проблем антропогенных воздействий на состояние биосферы следует отнести загрязнение Мирового океана и трансграничное и трансконтинентальное распространение некоторых загрязняющих веществ на дальние расстояния. В Мировой океан уже сейчас, по разным оценкам при добыче на шельфе, с судов (при авариях танкеров), при смыве с берегов и через атмосферу поступает около 5 млн т. нефтепродуктов в год. Это наносит большой ущерб морским экосистемам, нарушает газовый и энергетический баланс между океаном и атмосферой из-за образования тонкой нефтяной пленки на поверхности океана. Этот эффект сильнее всего проявляется в полярных областях океана, где из-за низких температур скорости разложения органики и, в частности нефтепродуктов, чрезвычайно низки. Реки, незнающие границ, переносят загрязняющие вещества на сотни и даже тысячи километров (фенол в Екатеринбурге – дельта Оби и Северный ледовитый океан). К первой категории серьезных проблем антропогенного воздействия необходимо отнести и возможное изменение климата. Так, аэрозоли антропогенного происхождения могут повлиять на изменение радиационного баланса атмосферы. Различные природные преобразования, связанные со строительством ирригационных сооружений, урбанизацией, уменьшением площадей, занятых лесами, распашкой земель ведут к значительным изменениям глобального климата. Все возрастающее использование человеком энергии ведет к прямому нагреву тропосферы. К этому же эффекту приводит накопление в тропосфере двуокиси углерода и некоторых других веществ, поглощающих длинноволновую радиацию, образующуюся при отражении от земли солнечной (ультрафиолетовой) радиации. Появление нефтяных пленок в океане нарушает энерго- и газообмен между океаном и атмосферой. Диффузия галогеноуглеродов (например, фреон) и закиси азота в стратосферу может повлиять на озоновый слой ат14 мосферы – озоносферу, что приведет к изменению температурного распределения в стратосфере. По мнению ряда специалистов, к аналогичному эффекту может привести увеличение количества полетов и мощности двигателей воздушной авиации. Картина возможных антропогенных изменений климата усложняется тем, что эти изменения накладываются на естественную изменчивость колебания климата. В связи с этим прогноз возможных изменений климата даже на ближайшие десятилетия затруднен. Среди ученых нет пока единодушного мнения о направленности и величине изменений климата, хотя преобладает мнение о тенденции к его потеплению. Ко второй категории экологических проблем относятся эффекты, носящие инерционный характер. Накопление с малыми скоростями некоторых веществ в зонах, подверженных техногенному влиянию, может нанести существенный урон тому или иному объекту биосферы и сообществу. Например, время диффузии из приземного слоя атмосферы в верхнюю атмосферу галогеноуглеродов и закиси азота чрезвычайно велико и измеряется годами. Возможно, что уже сегодня в тропосфере находится достаточное количество веществ для негативного влияния на озоносферу, но эффекты воздействия проявятся еще не скоро. В качестве другого примера можно привести миграцию ртути из атмосферы в водные объекты. Попадая в атмосферу при сжигании твердого топлива (или при работе предприятий цветной металлургии) в виде паров металла, неорганических соединений, ртуть довольно быстро выпадает на поверхность суши. Ее дальнейшее перераспределение между сушей и водными объектами происходит очень медленно – ежегодно смываются лишь доли процента выпавшей на сушу ртути. В водоемах под влиянием микроорганизмов соединения ртути трансформируются в высокотоксичные органические соединения (метилртуть), что приводит к их накоплению в биоте, а водоем становится непригодным для рыбохозяйственных, хозяйственно-питьевых и даже ирригационных целей. К третей категории проблем антропогенного загрязнения следует отнести распространение радиоактивных продуктов, имеющих способность к накоплению в некоторых организмах (грибы) и природных зонах, а также хлорсодержащих ядохимикатов, канцерогенных веществ (бенз(а)пирен). Сюда же можно отнести крупные стихийные бедствия: снежные лавины, оползни, провалы в земной коре и т.д. 15 2. ОРГАНИЗАЦИЯ СЛУЖБЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА СОСТОЯНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 2.1. Общие положения организации службы наблюдений за состоянием окружающей среды Экологический мониторинг проводится на четырех уровнях — глобальном (планетарном), национальном, региональном и локальном. Каждый из них ограничен своими пределами. Так, глобальный мониторинг отражает информацию по биосфере всей планеты, национальный — в пределах какой-либо республики, страны, региональный связан с наблюдениями, отражающими определенные экосистемы в области, районе, а локальный разрабатывается на уровне промышленных, энергетических, транспортных объектов, отдельных, поселков и городов. Все уровни мониторинга иллюстрируются графическими материалами, в том числе картами соответствующих масштабов, на которых показываются все параметры, характеризующие экологическую обстановку на изучаемой территории. При проведении глобального и национального мониторингов выполняются комплексные наблюдения за объектами окружающей среды по следующим параметрам. Атмосфера. Определяется химический, радионуклидный состав газовой и аэрозольной фазы воздуха, снега и дождя, их температура и влажность. Гидросфера. Анализируется химический и радионуклидный состав поверхностных (реки, озера и водохранилища) и грунтовых вод, взвесей и донных отложений в природных водостоках и водоемах. Выясняется тепловое загрязнение поверхностных и грунтовых вод. Почва. Исследуется химический и радионуклидный состав деятельного слоя почвы. Биота. Проводится наблюдение за химическим и радиоактивным загрязнением сельскохозяйственных угодий, растительного покрова, почвы, наземных сообществ домашних и диких животных, птиц, насекомых, водных растений, рыб и планктона. Урабанизационная среда. Контролируется химический и радиационный фон воздушной среды населенных пунктов, химический и радионуклидный состав продуктов питания, питьевой воды и т.д. Население. Определяются характерные демографические параметры, а именно, численность, плотность населения, рождаемость и смертность, возрастной состав, заболеваемость, уровень врожденных уродств и аномалий и социально-экономические факторы. Для организации глобальной сети станций комплексного фонового мониторинга (КФМ) в рамках международной программы «глобальная система мониторинга окружающей среды» (ГСМОС) в 1987 году издан справочник «Проце- 16 дуры и методы комплексного фонового мониторинга загрязнений окружающей среды». Весьма примечательно, что при формировании перечня контролируемых ингредиентов – загрязнителей атмосферного воздуха – мнение специалистов СССР и США практически полностью совпали. В этот перечень включены следующие ингредиенты: взвешенные в воздухе вещества (пыль), мутность атмосферы, озон (в тропосфере), закись и окись углерода (СО, СО2), двуокись серы, сульфаты, активные углеводороды, фреоны, хлорорганические соединения (гексахлорциклогексан (ГХЦГ), полихлордифенилы (ПХД), 3,4 – бенз(а)пирен), свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, окислы азота. При разработке проектов регионального и локального экологических мониторингов собирается информация об источниках поступления и перераспределения загрязнений в конкретном регионе. 1. Фиксируются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами. Определяется количество и качество сбросов сточных вод в водные объекты, в том числе поверхностных стоков с селитебных территорий, территорий с интенсивным земледелием, внесение поллютантов (загрязняющих веществ) на земную поверхность и в подпочвенный слой вместе с удобрениями и ядохимикатами при сельскохозяйственной деятельности. Собираются данные о местах захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов, в техногенных авариях, приводящих к выбросу в атмосферу опасных веществ и разливу жидких нефтепродуктов и других загрязняющих и опасных веществ и т.д. 2. Анализируются процессы переноса загрязняющих веществ в атмосфере, их миграции в водной среде, перераспределения загрязняющих веществ в пределах ландшафтно-геохимического сопряжения с учетом геохимических барьеров, биохимических и биогеохимических круговоротов. 3. Проводится сбор и анализ данных о состоянии антропогенных источников эмиссии загрязнителей (выбросы, выпуски), с указанием мощности источника эмиссии и их месторасположения, гидродинамических условий поступления поллютантов в окружающую среду. Примером организации регионального мониторинга может служить программа полевых исследований загрязнений в г. Сент-Луис (США). С этой целью было организовано непрерывное наблюдение в приземном слое атмосферы с помощью сети из 25 контрольно-измерительных станций. Накопленные данные были необходимы для разработки и оценки моделей, совмещаемых с информацией об атмосферных процессах. Измерения в верхних слоях атмосферы проводились с помощью метеорологических зондов и аэростатов, контрольноизмерительные станции предназначались для автоматического циклического опроса газоанализаторов и датчиков метеопараметров, предварительной обработки данных и передачи их в центр сбора и обработки информации по коммутируемым городским телефонным линиям связи. Схема размещения региональной сети из 25 станций составлена по кольцевому принципу в радиусе 5, 11, 20 и 45 км от центра г. Сент-Луиса. Каждая контрольно-измерительная станция оснащена микрокомпьютером для управле17 ния станцией. В режиме накопления данных станция принимает сигналы от датчиков два раза в минуту и обрабатывает их, усредняя сигналы, поступающие в течение минутного интервала. Эта информация накапливается и хранится в течение 48 часов, после чего передается в закодированном виде на центральный пункт. 2.2. Организация в России наблюдения за состоянием природной среды Экологические проблемы локального, регионального и глобального характера являются предметом особого внимания и в нашей стране. Следует отметить, что до 1987 года практически отсутствовала официальная информация об экологической обстановке и степени заболеваемости людей в России. Последние 30 – 40 лет экологическая политика в области охраны воздушного бассейна была направлена на широкое развитие работ по установлению предельно-допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ для каждого источника и предприятия. Нормативы ПДВ устанавливались на уровне, при котором выбросы загрязняющих веществ не приведут к превышению ПДК, утвержденного Минздравом СССР и России. Для обеспечения этих работ были подготовлены общесоюзные документы со статусом нормативных: «Методика расчета концентраций в атмосфере воздуха вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» и «Временная методика нормирования промышленных выбросов в атмосферу». Для оценки эффективности работ по снижению загрязненности атмосферного воздуха в середине 60-х годов была создана Общегосударственная служба наблюдений и контроля загрязнения природной среды (ОГСНК). В нее вошли подразделения Госкомгидромета СССР, Минздрава СССР и лаборатории промышленных предприятий. В настоящее время в городах России контролируется в воздухе порядка 80 загрязняющих веществ. В каждом городе систематически измеряются концентрации 8 различных компонентов. Наблюдения ведутся в 246 городах на 659 стационарных постах Росгидромета и охватывают все города с населением свыше 100 тыс. человек. Наблюдения за состоянием поверхностных вод суши по гидробиологическим показателям охватывают более 190 водных объектов, на которых расположено 280 пунктов контроля. Программа наблюдений включает от 2 до 6 показателей. Наблюдения за загрязнением поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям проводятся более чем на 1200 водных объектах. Отбор проб ведется на 1795 пунктах (2360 створах) по физическим, химическим и гидрохимическим показателям. Наблюдения за загрязнением морской среды по гидрохимическим показателям проводится на 11 морях, омывающих территорию Российской Федерации. Отбор проб ведется на 452 морских пунктах наблюдения по 24 ингредиентам. Наблюдения за загрязнением почв ведутся в 246 хозяйствах, расположенных 18 на территории 36 субъектов Российской Федерации на площади более 40 тыс. га. В контрольных пробах определяются до 21 наименований пестицидов и до 24 ингредиентов промышленных загрязнений. Сеть станций, осуществляющих наблюдение за химическим составом и кислотностью осадков, состоит из 125 станций федерального уровня и 153 пунктов, предназначенных для измерения рН. Контроль загрязнения снежного покрова на территории России осуществляется на 478 пунктах. В пробах определяются ионы сульфатов, нитратов, аммония, рН, а также 1,2 бенз(а)пирен, тяжелые металлы. Система фонового мониторинга ориентирована на получение информации о состоянии природной среды на территории Российской Федерации, мало или полностью не подвергнутой техногенному влиянию. На ее основании проводятся оценки и прогноз состояния территорий, находящихся под действием антропогенных факторов. В России, кроме региональных, существуют 7 станций комплексного фонового мониторинга (СКФМ), которые расположены в биосферных заповедниках: Баргузинском, Центрально-Лесном, Воронежском, Приокско-Терраском, Астраханском, Кавказском, Алтайском. Наблюдения за радиационной обстановкой окружающей природной среды на стационарной сети осуществляются путем измерения мощности экспозиционной дозы гамма - излучения на местности (около 1400 пунктов), измерения выпадения радиоактивных аэрозолей из атмосферы (около 460 пунктов), измерения концентраций радиоактивных аэрозолей в приземном слое атмосферы (около 50 пунктов) и определения содержания трития, стронция-90 в пробах атмосферных осадков, морских и пресных вод (около 50 пунктов). 2.3. Единая государственная система мониторинга В настоящее время в программы мониторинга природной среды должны включаться как составные части во все отрасли народного хозяйства – эксплуатируемые и проектируемые промышленные, энергетические, транспортные и строительные объекты. В соответствии со статьями 68, 70 и 71 Закона Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды», а также Постановлением Правительства № 1229 от 24 ноября 1993 г., образована «Единая государственная система экологического мониторинга» (ЕГСЭМ). В настоящее время на государственной сети мониторинга окружающей среды проводятся наблюдения за состоянием загрязненности воздуха в городах и промышленных центрах, поверхностных вод суши и морей, почв, трансграничным переносом веществ, загрязняющих атмосферу, химическим составом атмосферных осадков и снежного покрова, общим радиоактивным загрязнением природной среды и состоянием растительного покрова Земли. Определяется также фоновое состояние атмосферы. Разработанная Государственная научно-техническая программа по экологическим проблемам включает 4 подпрограммы: – экономические и правовые основы рационального природопользования; 19 – экологическое нормирование; – совершенствование систем и сред контроля охраны природы и использования природных ресурсов; – научно-техническое обеспечение окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. В качестве базовых принципов при организации ЕГСЭМ выступают: – организация опорных пунктов сбора и обработки экологической информации на локальном, региональном и федеральном уровнях, имеющих прямые связи с научно-исследовательскими институтами и органами МЧС России; – интеграция ЕГСЭМ в международные системы мониторинга и глобальные базы данных; – максимальное использование имеющихся в ведомственных системах сбора экологической информации вычислительных мощностей и научнометодических разработок. Компоненты ЕГСЭМ – уже существующие ведомственные системы наблюдения и контроля состояния окружающей среды и природных объектов: Роскомгидромет; Государственная автоматизированная система контроля радиационных объектов, Госатомнадзор России, мониторинг лесного фонда Роскомлеса; агрохимслужба и мониторинг загрязнения сельскохозяйственных земель Минсельхоза России; мониторинг геологической среды МПР России; санитарный контроль качества среды обитания и здоровья населения Госсанэпиднадзора России и других систем наблюдения и контроля, создаваемых ведомствами для информационного обеспечения решения задач. В Постановлении Правительства РФ о создании ЕГСЭМ предполагалось, что уже в 1994 г. будут разработаны и утверждены нормативные документы, определяющие порядок функционирования и развития системы экологического мониторинга в стране в целом, а в 1994–1996 гг. обеспечено внедрение в регионах и на предприятиях систем наблюдения и контроля выбросов и сбросов. Методическую помощь должно было осуществлять Министерство охраны окружающей среды Российской Федерации (нынешний правопреемник – Министерство природных ресурсов Российской Федерации), которому также предписывалось организовать взаимодействие ЕГСЭМ, наблюдательных систем ПВО Минобороны России и Российской системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС). Осенью 1994 г. на Пятой сессии Межгосударственного экологического совета (МЭС) стран СНГ были приняты документы: «Концепция Межгосударственной системы экологического мониторинга», «Основные принципы создания Информационного центра экологического мониторинга и научно-технических разработок» и «Предложения об использовании космических средств для целей экологического мониторинга в странах — членах МЭС». Создание такой системы является дальнейшим развитием идей ЕГСЭМ на основе международнопризнанных критериев и параметров. В самостоятельную задачу, стоящую перед МЭС, выделена оценка трансграничных переносов, в первую очередь — в части выполнения странами СНГ 20 обязательств по участию в европейской системе мониторинга лесов на территориях, входивших в 500-километровую зону вдоль границ бывшего СССР. Однако и по сей день ЕГСЭМ как информационная система о состоянии окружающей среды, о тенденциях и степени ее изменения, обеспечивающая все уровни управления необходимой экологической информацией (ретроспективной, текущей и прогнозной) для принятия своевременных управленческих решений, не функционирует. Так называемый «фоновый» экологический мониторинг был организован на сети станций гидрометеорологических наблюдений, малое количество которых не позволяет обеспечить достоверность региональных оценок состояния окружающей среды. Кроме того, службы погоды и экологического мониторинга исследуют факторы, обладающие существенно различной изменчивостью, а набор исследуемых переменных в экологическом мониторинге значительно шире, чем при гидрометеорологических наблюдениях. Эти обстоятельства представляются принципиально важными, поскольку на ЕГСЭМ возложены не только функции контроля состояния объектов природы, но и предупреждения аварий и катастроф, что предъявляет к экологическому мониторингу повышенные требования по плотности сетей, единству методической и приборной базы, а также по связности данных во времени и пространстве. Анализ состояния действующих в стране систем ведомственных средств наблюдения и контроля природной среды показывает, что все они имеют ряд следующих существенных недостатков: – недостаточная представительность концептуальной базы проводимого комплекса эколого-информационных работ; – разобщенность и методическая несовместимость ведомственных служб экологического контроля, дублирование работ различными ведомствами, слабая степень автоматизации процессов получения, передачи, обработки, хранения и доведения информации до потребителя; – отсутствие вневедомственной сети центров обработки экологической информации, единых унифицированных методик и программ измерения экологических параметров окружающей среды, алгоритмов комплексной обработки экологических данных и прогностических моделей оценки экологической обстановки применительно к полному комплексу природоохранных мероприятий и рациональному использованию природных ресурсов; – значительное отставание в оснащении станций, постов и обсерваторий современным парком приборов и метрологическим обеспечением; – несовершенство применяемой методологии мониторинга; – ориентировка работ по экологическому мониторингу на второстепенные процессы и явления в виде аномальных изменений отдельных компонентов среды без учета интегральных воздействий техносферы на природу. Первостепенные проблемы организации мониторинга связаны с решением трех главных задач: 1) создание сети пунктов наблюдения; 2) возможность оперативного контроля объектов; 21 3) выбор контролируемых параметров и показателей состояния объектов и индивидуальных аналитических параметров, необходимых и достаточных для адекватного описания состояния экосистемы. Концепция создания комплексной системы мониторинга природной среды в целом в настоящее время практически не реализована, так как существующая система состоит из отдельных подсистем мониторинга качества объектов природной среды (вода, воздух, почва), методологически слабо связанных между собой. Поэтому на первой стадии ее организации целесообразно создавать системы мониторинга отдельных сред с последующей их методологической и метрологической увязкой. Для построения системы оперативного экологического контроля необходимо создание методологии и аппаратуры автоматического оперативного слежения за возможными экологическими правонарушениями на базе следующих приборов контроля: – приборы типа «химический сторож» для автоматического контроля возможных нелегальных залповых сбросов и отбора проб сбросов; – приборы типа «черный ящик» для автоматического непрерывного контроля и документирования состояния вод, сбрасываемых предприятиями или станциями очистки и воздушных выбросов предприятий промышленноэнергетического комплекса; – приборы типа «анализатор отпечатков пальцев» для идентификации виновников загрязнения путем сравнения состава веществ загрязнения и состава вещества в потенциальных (подозреваемых) источниках загрязнения; – приборы для автоматического отбора, хранения и подготовки к анализу пробы объектов окружающей среды в непрерывном режиме. Подобная аппаратура обеспечивает возможность функционирования многоступенчатой системы контроля природной среды, представляющей собой открытую иерархическую структуру, где «на нижней ступени» установлена сеть простых датчиков, управляющих устройствами отбора пробы и включающих более сложные анализаторы старших ступеней в случае обнаружения аномалий состава и свойств контролируемой среды. «В Водном кодексе Российской Федерации (1995)» определены основные принципы государственного управления использованием и охраной водных ресурсов: – устойчивое развитие (сбалансированное развитие экономики и улучшение состояния естественной окружающей среды); – выработка единых подходов рационального использования и охраны всего бассейна и его частей в пределах границ отдельных субъектов Российской Федерации (объединение бассейнового и административно-территориального принципов). Проблемы определения степени антропогенной нагрузки на водоемы и объемов переносов веществ-загрязнителей не могут быть решены периодическим отбором и анализом проб. Необходима непрерывная фиксация в реальном времени контролируемых параметров, поскольку, во-первых, длительность гене22 рации аварийных и нелегальных сбросов может быть много меньше интервала между измерениями, во-вторых, достоверная оценка эффекта от суммарных потоков загрязнения возможна не по отдельным значениям ряда наблюдений, а по интегралу контролируемого параметра по времени. Эффективна установка датчиков интегральных показателей воды в гидросооружениях в репрезентативных точках акватории. Непрерывная информация об изменении контролируемых параметров, поступая в реальном времени на терминалы природоохранных органов, позволяет доказательно фиксировать как общий объем загрязнений, так факты и объемы аварийных и нелегальных сбросов. 2.4. Технология обработки и предоставления экологической информации в виде карт мониторинга В сложную программу мониторинга среды включаются различные вопросы, связанные как непосредственно с организацией непрерывной системы слежения и контроля (регуляторов) за состоянием среды, так и с разработкой методик по их осуществлению, определяющих критерии предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ и нагрузок на природный ландшафт. Важное место в этой программе занимает своевременное получение, обработка и выдача нужной информации. Предусматривается, что отдельные (локальные) комплексные станции мониторинга выдают информацию в цифровой форме, а базовые комплексные (региональные) станции обрабатывают эту информацию и с помощью различных современных методов переводят ее в картографическую форму. Подобные карты создаются в настоящее время Государственным комитетом РФ по гидрометеорологии и контролю природной среды. На рис. 3 представлена схема поступления информации для создания карт в программах мониторинга среды. Приведенная схема поступления информации о конкретном регионе совершенствуется в направлении увеличения емкости банка данных и сосредоточения в нем всей необходимой информации о регионе, в том числе и социальноэкономической. Это позволит создавать карты любой нужной тематики для различных целей: контроля состояния среды, проведения проектнопланировочных работ, отраслевого и территориального планирования и т.д. С целью налаживания непрерывной системы слежения и управления состоянием окружающей среды в локальном масштабе на картах отражают две группы показателей: 1) показатели, характеризующие состояние среды и мероприятия по сохранению и улучшению геогигиенических свойств и санитарноэпидемиологической обстановки территории; 2) показатели, характеризующие мероприятия по сохранению и улучшению продуктивности естественных и антропогенных ландшафтов, сохранению их естественного равновесия и допустимых нагрузок. 23 Обе группы содержат сложный комплекс физико-географических, геофизических, химических, технологических и биологических данных, которые в сочетании могут давать представление об экологическом, экономическом, эстетическом и моральном ущербе, наносимом окружающей среде. При организации мониторинга среды в глобальном масштабе используются также показатели, характеризующие порегиональное отклонение от нормальных условий по запыленности и газовому составу атмосферы, отклонения в общей продуктивности как отдельных природных элементов среды регионов и акваторий, так и в целом природных территориальных комплексов, солнечной радиации и других общих параметров среды по крупным регионам. Перечисленные показатели находят свое отражение на картах мониторинга среды. Карты требуют различной степени подготовки как по времени, так и по техническому воплощению. На это оказывают влияние многие факторы. - стационарные и передвижные пункты контроля среды - локальные станции контроля среды - региональные станции контроля среды (банк информации по состоянию среды региона) - национальные станции контроля среды - станции глобального мониторинга - информация аэрокосмических съемок - карта состояния среды Рис. 3. Схема поступления информации Разработку методики такого картографирования затрудняет то, что последствия процесса загрязнения или другие нарушения отдельных элементов среды проявляются по-разному. В качестве примера можно привести довольно дли- 24 тельный процесс накопления загрязняющих веществ в растительных сообществах и мгновенное интенсивное загрязнение атмосферы или водного бассейна вследствие поломки технических устройств промышленных предприятий. В этой связи при разработке программ мониторинга среды карты разграничивают на опреративно-инвентаризационные, создаваемые ежесуточно, и базовые. Переиздание последних должно осуществляться ежегодно. Показатели, которые характеризуют отклонения в состоянии отдельных элементов среды по наиболее динамичным явлениям, названных академиком Герасимовым И.П. «горячие точки» региона, находят отражение на ежесуточно создаваемых оперативно-инвентаризационных картах. Такие карты составляются для районов с активным проявлением неблагоприятных природных процессов, появлением природно-очаговых заболеваний, с чрезмерной техногенной нагрузкой, в которых проявляются отклонения от предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ. Автоматическое составление и размножение оперативных карт целесообразно производить на оттисках с карты «Состояние ландшафтов и организация мониторинга среды», отпечатанных неяркими красками. Для создания карт мониторинга региона (особенно отражения вопросов прогноза состояния среды) необходимо наличие данных, характеризующих перспективную потребность региона в естественных ресурсах, возможное поступление загрязняющих веществ и различные виды нарушений среды, а также планируемые мероприятия (с указанием сроков) по предотвращению ухудшения среды. Поэтому основой для разработки мониторинга региона и соответствующих карт, кроме данных, поступающих непосредственно со станций мониторинга, являются также постоянно разрабатываемые социально-экономические и научно-технические прогнозы, прогнозы использования естественных ресурсов, а также прогнозы глобальных изменений среды и их возможных крупных региональных последствий. Четкая локализация на базовых картах всех выявленных в регионе объектов и явлений, отражающих состояние среды, основные направления и причины ее изменения, а также создание дополнительных оперативных карт, отражающих наиболее динамичные явления, позволит наладить удобную форму наблюдений и контроля за состоянием окружающей среды в регионе. Своевременная передача имеющейся информации о нарушениях среды в картографической форме органам управления региона позволит осуществлять оперативные меры по улучшению среды, систематически производить оценку сложившейся ситуации и определять перспективы дальнейших ее возможных изменений. 25 3. СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В РОССИИ Экологический контроль – правовая мера обеспечения рационального природопользования и охраны окружающей среды от вредных воздействий. В систему экологического контроля входят следующие виды деятельности: сбор информации о подконтрольных объектах, ее обработка, оценка и передача для принятия управленческих решений. Цель экологического контроля – обеспечение соблюдения действующих природоохранных и ресурсосберегающих правил требований и норм на всех этапах производства, строительства или иной деятельности человека, связанной с прямым или косвенным изменением состояния окружающей среды. Задачами экологического контроля являются: – формирование информационной базы состояния окружающей среды и ее изменений; – получение необходимой и достоверной информации о состоянии окружающей природной среды, выявление вредных воздействий на отдельные компоненты или среду в целом, профилактика экологического ущерба. К объектам контроля загрязнения природной среды относят: – источники воздействия на окружающую среду; – объекты повышенного экологического риска; – объекты природной среды (атмосферный воздух, вода, недра и др.); – группы населения, испытывающие негативные воздействия факторов окружающей среды; – радиационный фон и уровень радиационного воздействия. Субъектами контроля загрязнения природной среды являются: – органы государственной власти, уполномоченные на организацию и ведение работ по экологическому мониторингу (органы СЭН, Роскомгидромета и т.д.); – органы местного самоуправления; – предприятия (юридические и физические лица). По своим видам экологический контроль подразделяется на государственный, производственный, ведомственный и общественный. 3.1. Государственный экологический контроль Задачей государственного экологического контроля является обеспечение выполнения правовых требований по рациональному использованию природных ресурсов и охране окружающей среды от загрязнения всеми государственными органами, предприятиями, организациями и гражданами. Государственный контроль источников загрязнения природной среды входит в компетенцию специально уполномоченных на то государственных органов, среди которых ведущую роль играет Государственная служба охраны окружающей природной среды, являющаяся структурным подразделением МПР РФ. 26 Как центральные, так и территориальные органы службы охраны окружающей природной среды координируют, в пределах своей компетенции, деятельность специально уполномоченных государственных органов РФ в области охраны окружающей среды и их территориальных органов, осуществляющих эти функции в сферах управления: Роскомзем, Роскомрыболовство, Роскомгидромет, Роскартография (Роскомнедра, Роскомлес, Роскомвод – службы МПР), а также других министерств и ведомств и их территориальных органов, которые участвуют в решении вопросов в области охраны окружающей природной среды. В территориальном природоохранном органе на каждое предприятие, подлежащее контролю, должно быть заведено дело, материалы которого отражают деятельность предприятия в вопросах охраны природы, отчетные материалы, результаты проверок и т.д. Государственный контроль природоохранной деятельности предприятия осуществляется путем проверок со стороны территориального органа госслужбы охраны окружающей природной среды. Проверки могут быть полными, целевыми и совместными. 3.2. Полные, целевые и совместные проверки природоохранной деятельности на предприятиях Виды контроля классифицируются по следующим признакам: – по способу определения контролируемого параметра – прямой и расчетный; – по месту контроля – источник выделения (образования), источник выброса (сброса); – по объему проведения контроля – полный, выборочный; – по продолжительности измерений – периодический, непрерывный; – по используемым средствам измерений – лабораторный, полуавтоматический, автоматический; – по форме проведения контроля – плановый, внеплановый, инспекционный. Полные (плановые проверки) охватывают весь круг вопросов, связанных с природоохранной деятельностью. В них включаются: проектная документация, разрешение на работу с вредными веществами с указанием условий их выброса или сброса, характеристика всех источников загрязнения окружающей среды, наличие и выполняемость природоохранных мероприятий и т.д. Источники выбросов вредных веществ в атмосферу и сброса сточных вод в водные объекты, подлежащие контролю, отбирают на основе данных нормативов ПДВ и ПДС, а также данных статистической отчетности. В число контролируемых источников выбросов входят источники, выбросы которых по вышеуказанным веществам составляют 70 и 90%, для предприятий первой и второй категории опасности, соответственно. Перечень наиболее опасных загрязняющих атмосферу веществ, подлежащих 27 контролю на источниках, составляется из веществ трех групп: – основные (СО, SO2, NOх, пыль); – первого класса опасности (аммиак, бенз(а)пирен, пятиокись ванадия, свинец и его соединения, хром шестивалентный); – вещества, для которых по данным наблюдений на контролируемой территории зарегистрирована концентрация более 5 ПДК. Основным методом оценки соблюдения нормативов загрязнения окружающей среды является сравнение фактических выбросов (сбросов), полученных с помощью непосредственных измерений или расчетных методов, с нормативами ПДВ (ПДС). В соответствии с «Рекомендациями по делению предприятий на категории опасности в зависимости от массы и видового состава, выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ» (ЗапСибНИИ, Новосибирск, 1987) категории опасности предприятий (КОП) рассчитываются по формуле n КОП = ∑ 1 M i ⋅ Ai , ПДК i (1) где Мi – масса выброса i-го вещества, т/год; ПДКi – среднесуточная предельно-допустимая концентрация i-го вещества, мг/м3; n – количество загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятием; Аi – безразмерная константа, позволяющая соотнести степень вредности i-го вещества с вредностью сернистого газа. Таблица 2 Значение Аi для веществ различного класса опасности Константа Аi 1 1,7 Класс опасности 2 3 1,3 1,0 Значения КОП рассчитываются при условии, когда 4 0,9 Mi Mi > 1 . При <1 ПДК i ПДК i значения КОП не рассчитываются и принимаются равными нулю. Таблица 3 Граничные условия для деления предприятий на категории опасности в зависимости от КОП Категория I II III IV Значения КОП КОП >106 106 > КОП ≥ 104 104 > КОП ≥ 103 КОП < 103 28 Методическое руководство, контроль достоверности результатов измерений лаборатории промышленных предприятий осуществляют специализированные инспекции по контролю за источниками загрязнения Госслужбы охраны окружающей среды ООС области. Предприятия и организации ежегодно согласовывают со специализированными инспекциями Госслужбы ООС утвержденные руководителем предприятия планы-графики контроля выбросов вредных веществ в атмосферу и соблюдения нормативов ПДВ, а также планы-графики контроля качества сбрасываемых сточных вод и их влиянием на водный объект. В планах-графиках отражаются точки отбора проб, периодичность отбора и перечень загрязняющих компонентов. Контроль источников выбросов вредных веществ в атмосферу производится предприятиями исходя из определения категории источников выбросов в разрезе каждого вредного вещества, т.е. категория устанавливается для сочетания «источник-вещество» для каждого источника с каждым выбрасываемым им загрязняющим веществом. Исходя из категории источников выбросов определяются сроки и периодичность контроля: I категория – 1 раз в квартал при каждом режиме выброса из источника, учтенным при разработки нормативов ПДВ (ВСВ); II категория – 2 раза в год при каждом режиме выброса из источника, учтенным при разработки нормативов ПДВ (ВСВ); III категория – 1 раз в год; IV категория – 1 раз в 5 лет. Основным методом контроля выбросов в атмосферу, сброса сточных вод в водный объект должны быть прямые измерения. В ряде случаев могут использоваться действующие расчетные методики, утвержденные в установленном порядке. Эти методики используют балансовые оценки или удельные показатели на единицу расходуемого сырья (материалов) или выпущенной продукции. Для крупных источников загрязнения необходимо предусматривать организацию непрерывного автоматизированного мониторинга выбросов (сбросов). Помимо полных проводят целевые проверки, в которых контролируются отдельные вопросы природоохранной деятельности (выполнение природоохранных мероприятий, ранее выданных предписаний, проверка газо- и водоочистных сооружений, свалок, прудов-накопителей и т.п.). К целевым проверкам относят также предупредительный надзор за ходом строительства и реконструкции объектов, обследование предприятий по жалобам и заявлениям граждан и т.д. Совместные проверки проводятся с другими контролирующими органами, администрацией, профсоюзами, по жалобам и заявлениям граждан и т.д. В соответствии с планом проверок проверяющий заблаговременно ставит в известность руководство предприятия о целях и характере проверки. О проведении внеплановых проверок руководство предприятия оповещается по прибы29 тии проверяющего на предприятие. 3.3. Производственный экологический контроль на предприятии В соответствии с природоохранным законодательством промышленные предприятия и организации обязаны осуществлять производственный экологический контроль выбросов вредных веществ в атмосферу и сбросов сточных вод в водные объекты, отходов, а также контроль их влияния на окружающую среду. Для этого на предприятиях организованы службы охраны окружающей среды, имеющие соответственные положения, утвержденные руководителем предприятия. В этом положении определены должностные лица, ответственные за природоохранную деятельность, структура и численность лабораторий, осуществляющих контроль выбросов в атмосферу, сбросов сточных вод, отходов, порядок ведения отчетной документации, а также другие вопросы организации работ. 3.4. Организация службы наблюдения за состоянием окружающей среды на железнодорожном транспорте Производственный контроль загрязнения окружающей среды, осуществляемый на железной дороге, является составной частью общегосударственного мониторинга России. Общее руководство по соблюдению на железнодорожном транспорте требований природоохранного законодательства осуществляет начальник дороги. Организация работы и ответственность за экологическую безопасность, состояние природной среды, соблюдение законодательства по охране окружающей природной среды, осуществление природоохранных мероприятий, направленных на улучшение экологической обстановки на предприятиях дороги, возлагается соответственно на главного инженера дороги, начальников и главных инженеров служб, самостоятельных отделов управления дороги, руководителей и главных инженеров предприятий дорожного подчинения, начальников и главных инженеров отделений дороги, а также их структурных подразделений. Разработку и внедрение природоохранных мероприятий, анализ загрязнения окружающей среды, выявление причин несоблюдения природоохранного законодательства подведомственными предприятиями осуществляют отраслевые службы дороги, руководители предприятий дорожного подчинения, руководители отделений дороги, а также их структурных подразделений. Организационно-методическое руководство работой по соблюдению природоохранного законодательства, контроль состояния экологической безопасности и охраны окружающей природной среды осуществляют отдел охраны природы дороги, секторы охраны природы и экологические лаборатории отделений дороги. Постоянный контроль экологической обстановки, наличия всей необходимой природоохранной документации на линейном предприятии осуществляет 30 освобожденный инженер-эколог или другой работник, выполняющий эти функции, который назначается приказом руководителя подразделения, предприятия. Организация обучения и повышения квалификации работников дороги в области экологической безопасности и охраны природной среды по утвержденной учебной программе возлагается на отраслевые службы, самостоятельные отделы управления дороги, отдел охраны природы. В соответствии с указанием МПС № 113-у от 14.08.96 г. на отделениях дороги, природоохранным структурным подразделением является сектор охраны природы и производственная экологическая лаборатория по контролю за загрязнением окружающей природной среды (выбросы, сбросы загрязняющих веществ, загрязнение почвы), на линейных предприятиях железнодорожного транспорта – инженер-эколог или другой работник, выполняющий эти функции по совместительству. Оперативное руководство инженерами-экологами и работниками, выполняющими эту работу по совместительству, осуществляют главные инженеры, которые несут ответственность за проведение технической политики в подведомственных подразделениях с учетом требований экологии и охраны природной среды. В соответствии с требованиями статьи 11 Закона РФ «Об охране окружающей природной среды», начальникам служб, самостоятельных отделов, отделений дороги, предприятий при осуществлении управленческой деятельности надлежит руководствоваться принципами приоритетности охраны жизни и здоровья человека, обеспечения благоприятных условий для жизни, труда и отдыха населения, научно обоснованным сочетанием экологических и экономических интересов общества, обеспечивающих реальные гарантии прав человека на здоровую и благоприятную для жизни окружающую природную среду. На железнодорожном транспорте ведется планирование работ по экологической безопасности и охране окружающей природной среды. Целью планирования работы по охране природы является организация таких производственных процессов во всех подразделениях предприятий, которые обеспечат благоприятные экологические условия для жизни и отдыха населения, удовлетворяющие требованиям законодательных актов по охране природной среды и другой нормативной, директивной природоохранной документации. План природоохранных мероприятий включает в себя: – место выполнения мероприятия; – наименование мероприятия; – срок выполнения; – источник финансирования; – предполагаемые затраты; – фактическое освоение средств за отчетный период; – достигаемый экологический эффект. В годовые планы включаются первоочередные мероприятия, направленные 31 на снижение негативного воздействия на природную среду предприятий железнодорожного транспорта (уменьшение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, сбросов загрязненных сточных вод в природную среду, уменьшение количества образования и размещения на территории предприятия отходов производства, их повторное использование или утилизация); на уменьшение непроизводительных расходов, связанных с отсутствием или несвоевременностью разработки разрешительных природоохранных нормативов. Планы природоохранных мероприятий утверждаются руководителями структурных подразделений и берутся ими на контроль. С целью выполнения мероприятий, необходимость которых возникает в ходе повседневной работы, – в обеспечении приказов, постановлений, предписаний, указаний, разработанных по результатам проведения проверок, обследований контролирующих и вышестоящих органов аварийных и чрезвычайных ситуаций, – разрабатываются оперативные планы природоохранных мероприятий и утверждаются руководителями структурных подразделений. Контроль по вопросам экологической безопасности и охраны окружающей среды осуществляется администрацией подразделений дороги, работниками отдела охраны природы; ответственными за охрану природы служб, самостоятельных отделов управления дороги, предприятий дорожного подчинения, работниками секторов охраны природы отделений дороги и производственных экологических лабораторий; ответственными за охрану природы предприятий. При проверке состояния охраны окружающей природной среды в подразделениях следует обращать внимание на: – наличие природоохранной документации; – срок действия нормативной документации на предприятии; – правильность ведения природоохранной документации; – достоверность и своевременность предоставления отчетных данных в вышестоящие органы; – наличие лицензий на экологические виды работ; – техническое состояние и эффективность работы установок по очистке газа, сточных вод; – наличие приборов учета водопотребления и водоотведения; – наличие транспортных средств и передвижной техники, контроль выбросов отработанных газов; – наличие договоров или других разрешительных документов на право передачи отходов; – наличие документов по землеотводу; – наличие экологической экспертизы на строящиеся и реконструируемые объекты. По результатам проверки составляется акт, на основании которого намечаются меры по устранению выявленных недостатков, при необходимости издается приказ или письменное указание о привлечении к ответственности лиц, допустивших нарушение природоохранного законодательства. Контроль за устранением выявленных нарушений возлагается на главного 32 инженера предприятия. 3.5. Общественный экологический контроль Осуществляется органами исполнительной власти общей компетенции – Правительством РФ, правительством Субъектов РФ. Общественный экологический контроль проводится путем заслушивания на заседаниях отчетов и докладов руководителей государственных структур исполнительной власти в области природопользования и охраны окружающей природной среды; контроля исполнения законов, иных нормативным правовых актов в данной сфере соответствующими органами исполнительной власти; по вопросам отмены принимаемых министерствами и ведомствами актов, если они противоречат Конституции РФ, уставам субъектов РФ, указам Президента РФ, постановлениям Правительства. 3.6. Ведомственный экологический контроль Контроль осуществляется министерствами и ведомствами в лице их специальных подразделений – управлений или отделов охраны окружающей среды. Ведомственный контроль ограничивается отраслевой сферой, в то время как государственный экологический контроль носит надведомственный характер. Основная цель ведомственного контроля – обеспечение выполнения плановых мероприятий, правил и нормативов охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов на объектах контроля. К таким объектам относятся: предприятия, организации и учреждения, подчиненные данному министерству, ведомству или не подчиненные, но находящиеся на территории министерства, ведомства и обслуживающие их нужды. 3.7. Ответственность и наказание за нарушения, связанные с загрязнением объектов окружающей среды По результатам контроля предприятия инспектирующий орган может принять решение об ограничении, приостановлении или прекращении эксплуатации отдельных установок, цехов, производств, а также применение санкций к должностным лицам и руководящим работникам предприятия. Основаниями для принятия решений являются: – выброс (сброс) загрязняющих веществ без наличия разрешения (отсутствие или невыполнение сроков разработки нормативов ПДВ (ПДС); – невыполнение утвержденных планов мероприятий по сокращению выбросов (сбросов) загрязняющих веществ и создание повышенного уровня загрязнения атмосферы в период неблагоприятных метеорологических условий; – отсутствие или невыполнение мероприятий по предотвращению залповых выбросов (сбросов), создающих высокие и экстремально высокие уровни загрязнения окружающей среды; 33 – непринятие мер по предотвращению чрезвычайных (аварийных) ситуаций на предприятии и аварийное отключение крупных очистных установок; – нарушение правил эксплуатации газо- и водоочистных установок; – начало эксплуатации технологического оборудования без предусмотренных проектом газо- и водоочистных установок, или отсутствие заключения Государственной экспертизы на проект строительства (реконструкции); – выпуск экологически опасной продукции; – при превышении установленных нормативов содержание загрязняющих веществ в выбросах 30% транспортных средств из проверенной партии или при отсутствии контроля отходящих газов. Превышение нормативов ПДВ (ПДС) или их отсутствие является достаточным основанием для принятия немедленных запретительных мер для эксплуатации оборудования, установок, цехов, предприятия в целом. Решение о санкциях принимается с учетом неблагоприятного воздействия выбросов (сбросов) на загрязнение среды в городе или районе. Одним из важных элементов контроля природоохранной деятельности является проверка выданных инспектирующими органами предписаний, обязывающих предприятие устранить выявленные в ходе проверок нарушения природоохранного законодательства. В соответствии с Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» (статья 84) неподчинение предписаниям органов, осуществляющих государственный экологический контроль, влечет административную ответственность. С другой стороны, требования предписания должны быть выполнимы, а срок его исполнения – объективным. Невыполнение этих условий ведет к недоразумениям и ненужным конфликтам между предприятием и органом контроля. При составлении акта проверки сроки предписаний согласовываются с руководством предприятия, а в случае разногласия окончательное решение предпринимается руководителем соответствующего природоохранного органа. В случае невыполнения предписаний виновные могут привлекаться к дисциплинарной ответственности или штрафу, после чего выдается новое предписание с новыми сроками завершения работ. При этом за каждое последующее невыполненное предписание должны следовать более жесткие санкции. 3.8. Экологический мониторинг как лицензируемый вид деятельности Экологический мониторинг является лицензированным видом деятельности в области охраны окружающей среды. В соответствии с постановлением Правительства РФ №168 от 26.02.1996 г. и «Временным порядком организации и проведения лицензирования отдельных видов деятельности в области охраны окружающей среды» (Приложение 3 к приказу Минприроды России от 18.06.1996 г. за № 282) для организаций, претендующих на получение лицензий по виду деятельности «Проведение измерений и анализов в области аналитического контроля», наряду с заявлением и 34 другими документами, необходимо предоставить в лицензионный орган: 1. Для лабораторий, осуществляющих производственный экологический контроль на своем предприятий - копии свидетельства об оценке состояния измерений в лаборатории (аттестации) ведомственной метрологической службой и паспорта лаборатории, в которых указаны область аттестации и отражены сведения о нормативном и методическом обеспечении аналитических работ, материально-технической базе, составе и квалификации персонала, включая информацию о повышении квалификации специалистов; или копии аттестата аккредитации и паспорта аккредитованной лаборатории. 2. Для лабораторий, осуществляющих производственный экологический контроль не на своем предприятии,– копии аттестата аккредитации и паспорта аккредитованной лаборатории. 3. Для лабораторий (постов), осуществляющих государственный контроль только за выбросами отработанных газов от автомобилей, – копии аттестата аккредитации или свидетельства об аттестации ведомственной метрологической службой при участии местных природоохранных органов и представителя ЦСМ (центр стандартизации и метрологии). Порядок аккредитации экоаналитических лабораторий определен в документе Госстандарта России – РД «Аттестация специализированных инспекций аналитического контроля Госкомэкологии РФ и аккредитованных экоаналитических лабораторий». Работы по аккредитации лабораторий могут выполняться только органами по аккредитации. 35 4. ФОНОВЫЙ И БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ 4.1. Фоновый мониторинг: региональные и базовые станции, биосферные заповедники Представительные данные об уровне фонового загрязнения объектов природной среды и его динамике являются составной частью той первичной информации, которая необходима для оценки и прогноза состояния окружающей среды, а также разработки природоохранной стратегии на национальном или международном уровне. Для получения и использования информации о фоновом состоянии окружающей природной среды заинтересованные страны участвуют в многостороннем сотрудничестве по проблеме «Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС)». Генеральной задачей этого сотрудничества является создание интегрированной сети станций комплексного фонового мониторинга, расположенных на территориях сотрудничающих стран, организация обработки и анализа получаемой информации и широкого использования ее в регионе сотрудничающих стран, а также в рамках международного сотрудничества. Для сети фоновых станций разработана и согласована программа наблюдений, определяющая перечень приоритетных загрязняющих веществ и объектов природной среды, подлежащих фоновому мониторингу. Программой предусмотрено определение содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и осадках, природных водах, донных отложениях, почвах и биоте (флоре и фауне). Система фонового мониторинга ориентирована на получение информации о состоянии природной среды, на основании которой проводятся оценки и прогноз этого состояния под воздействием антропогенных факторов. Основными задачами фонового мониторинга являются: – наблюдения и оценка фонового состояния биосферы, – прогноз и выявление тенденций изменения этого состояния. Концепция фонового мониторинга предполагает осуществление наблюдений на региональных и базовых станциях, а также в биосферных заповедниках, т.е. создание соответствующей наблюдательной сети. В настоящее время нет общепризнанных критериев выбора мест расположения региональных и базовых станций. И этот вопрос является достаточно сложным сам по себе, чтобы его решить только путем априорных рассуждений. При разработке критериев выбора мест расположения региональных и базовых станций следует учитывать специфические особенности этих станций. Базовые станции служат для получения информации о базовом (исходном) состоянии биосферы и поэтому должны располагаться в районах с заведомо полным (насколько это вообще возможно в современном мире) отсутствием антропогенного влияния не только в настоящее время, но и в течение многих десятилетий в будущем. Полагают, что для всего земного шара будет достаточно З0 – 40 сухопутных станций и 8 – 12 океанических. 36 На базовых станциях измеряют лишь: в атмосфере – сернистый газ и взвешенные частицы, озон, двуокись углерода; в воде морей – углеводороды нефти. Региональные станции служат для получения информации о состоянии биосферы в зонах, подверженных некоторому антропогенному влиянию. Они могут размещаться как вблизи урбанизированных районов, так и на их границах. Количество и местоположение региональных станций, а также и программа наблюдений должны устанавливаться таким образом, чтобы как можно скорее выявлять все неблагоприятные тенденции короткопериодных изменений, в то время как наблюдения на базовых станциях должны позволить установить те медленные неблагоприятные изменения, которые характеризуют состояние всей биосферы, а поэтому являются наиболее опасными с точки зрения своих последствий. На региональных станциях контролируется содержание в атмосферном воздухе сернистого газа, взвешенных частиц и свинца; в воде – углеводородов нефти и ртути; в пищевых продуктах, биоте и организме человека – радионуклидов, ДДТ и других хлорорганических соединений, а также свинца, микробных загрязнений. Биосферные заповедники, с точки зрения мониторинга, совмещают в себе признаки базовых и региональных станций, хотя программа наблюдений в них является более широкой, и, прежде всего, за счет экологических и биологических исследований, часть которых направлена на решение таких задач, как сохранение генофонда и охрана дикой флоры и фауны. Разнообразие загрязняющих веществ и природных объектов, к каждому из которых необходим индивидуальный методический подход, и низкий уровень концентраций веществ, характерный для фоновых районов, выдвинули задачу разработки методических рекомендаций, специально предназначенных для проведения работ на фоновых станциях и в обслуживающих их аналитических лабораториях. Специалистами СССР были разработаны методические рекомендации по проведению наблюдений в рамках темы «Создание, унификация и внедрение методов определения загрязняющих веществ на фоновом уровне в объектах окружающей среды и изучение сопутствующих физико-химических процессов». Функции головной организации по их разработке были возложены на Лабораторию мониторинга природной среды и климата Госкомгидромета и АН СССР, которую возглавлял член корреспондент АН СССР Ю.А.Израиль. При разработке методических рекомендаций для сети фоновых станций принимались во внимание техническая оснащенность и традиционность в проведении аналитических работ в сотрудничающих странах и допускалось использование нескольких вариантов методик определения заданного ингредиента в одном и том же объекте окружающей среды. Для определения степени сопоставимости результатов, получаемых при применении различных методик и аппаратуры, в ходе научно-технического сотрудничества была проведена серия сравнений методов и приборов. Сравнения методов и приборов включали: 37 – межлабораторный анализ модельных растворов стандартных образцов, – межлабораторный анализ единых проб атмосферных осадков, почвы и растительности, – одновременный параллельный отбор проб атмосферного воздуха и осадков различными пробоотборными установками в совместных экспедиционных экспериментах (на территории Болгарии, Венгрии, ГДР и Чехословакии) и определение химического состава этих проб различными методами. В ходе работ, проведенных в 1981– 1985 гг. в рамках указанной выше темы, был разработан комплекс методических рекомендаций для определения содержания загрязняющих веществ в объектах природной среды, предусмотренных программой фонового мониторинга. 4. 2 Организация системы наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в природных средах на сухопутных станциях фонового мониторинга Одним из принципов фонового мониторинга является комплексность, обусловленная многообразием взаимосвязей загрязняющих веществ с окружающей природной средой. Информационной базой фонового мониторинга наряду с другими данными служат данные о содержании загрязняющих веществ в компонентах экосистем (атмосферный воздух, осадки, вода, почва, биота). В связи с этим программа фонового мониторинга включает в себя систематические измерения на фоновых станциях концентраций загрязняющих веществ в природных объектах, а также проведение вспомогательных гидрометеорологических наблюдений (табл.4). Таблица 4 Программа наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в объектах природной среды на сухопутных фоновых станциях (утверждена Советом уполномоченных по проблеме ГСМОС, Бухарест, 1982 г.) Среда Атмосфера (на высоте 2 м от подстилающей поверхности) Атмосферные выпадения, снежный покров Загрязняющие вещества и показатели Взвешенные частицы, аэрозольная мутность атмосферы, озон, окись углерода, двуокись углерода, окислы азота, углеводороды, двуокись серы, сульфаты, 3, 4бензпирен, ДДТ и другие хлорорганические соединения, свинец, ртуть, кадмий, мышьяк. Свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, 3, 4-бензпирен, ДДТ и другие хлорорганические соединения, рН, анионы и катионы по программе ВМО 38 Частота наблюдений Ежесуточно Осадки: интегральные пробы за декаду, месяц. Сухие выпадения: интегральная проба за месяц. Снежный покров: интегральная проба на всю глубину покрова — перед его сходом Загрязняющие вещества и показатели Поверхностные, Свинец, ртуть, метил-ртуть, кадподземные воды, мий, мышьяк, 3, 4-бензпирен, донные отложения ДДТ и другие хлорорганические и взвеси соединения, биогенные элементы Среда Почва Биологические объекты Свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, 3, 4-бензпирен, ДДТ и другие хлорорганические соединения, биогенные элементы Свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, 3, 4-бензпирен, ДДТ и другие хлорорганические соединения, биогенные элементы Частота наблюдений Вода и взвеси: в характерные гидрологические периоды (половодье, летняя и зимняя межень, паводки дождевые). Донные отложения: один раз в год Один раз в год Частота зависит от биологии объекта Перечень веществ, включенных в программу, составлен с учетом таких их свойств, как распространенность и устойчивость в окружающей среде, способность к миграции на большие расстояния, степень их негативного воздействия на биологические и геофизические системы различных уровней. Данные гидрометеорологических наблюдений используются для расчета параметров, характеризующих степень загрязнения природной среды и интерпретации их динамики. Вместе с тем гидрометеорологические данные являются самостоятельными характеристиками состояния природной среды. Метеорологические наблюдения включают наблюдения за температурой и влажностью воздуха, скоростью и направлением ветра, атмосферным давлением, облачностью (количеством, формой, высотой), солнечным сиянием, атмосферными явлениями (туман, метели, грозы, пыльные бури, пожары и др.), атмосферными осадками (количество и интенсивность), снежным покровом (высота, содержание влаги), температурой почвы (на поверхности и глубине), состоянием поверхности почвы; прямой, рассеянной, суммарной и отраженной радиациями и радиационным балансом; градиентами температуры, влажности и скорости ветра на высоте от 0,5 до 10 м, градиентами температуры, влажности почвы на глубине от поверхности до 20 см, тепловым балансом. Данные о температуре воздуха и атмосферном давлении используют при приведении объема проб воздуха к нормальным условиям; данные о количестве и интенсивности осадков позволяют рассчитать потоки загрязняющих веществ на подстилающую поверхность; содержание влаги в снежном покрове используют при расчете величины накопления загрязняющих веществ на подстилающей поверхности за зимний период. Гидрологические наблюдения включают наблюдения за высотой уровня, расходом и температурой воды, толщиной льда и явлениями ледового режима, уровнем грунтовых вод, распространением водной растительности. Гидрометеорологические наблюдения проводятся в соответствии с руководствами, принятыми в каждой стране. 39 Места размещения станций комплексного фонового мониторинга Район размещения станций по своим ландшафтным и климатическим характеристикам должен быть представительным для данного региона. Оценку репрезентативности предполагаемого района размещения станции начинают с анализа климатических, топографических, почвенных, ботанических, геологических, экономических и других материалов. После выбора представительного района учитывают имеющиеся на данной территории источники загрязнения. Если количество внутрирегиональных источников незначительно и они рассредоточены, можно ожидать, что они не окажут существенного влияния на уровень концентрации загрязняющих веществ в природных объектах в выбранном районе. При наличии крупных локальных источников (административно-промышленных центров с населением более 500 тыс. жителей) удаленность наблюдательного полигона фоновой станции должна составлять не менее 100 км. Если указанное требование выполнить невозможно, то необходимо расположить станцию таким образом, чтобы повторяемость приземного ветра, обусловливающего перенос загрязняющих веществ от источника в направлении станции, не превышала 20–30%. При определении района расположения станции комплексного фонового мониторинга необходимо учитывать его доступность, обеспеченность электроэнергией и жилищно-бытовыми условиями для обслуживающего персонала. Станция комплексного фонового мониторинга включает стационарный наблюдательный полигон и химическую лабораторию. На наблюдательном полигоне выполняется отбор проб атмосферного воздуха и атмосферных выпадений, вод, почв, растительности, а также проводятся гидрометеорологические и геофизические измерения. В химической лаборатории станции проводится обработка и анализ той части проб, которая не подлежит пересылке в региональную лабораторию. Наблюдательная площадка, на которой размещаются пробоотборные установки и измерительные приборы для определения химического состава и физических характеристик воздуха, должна быть репрезентативной. Площадку выбирают на ровном участке ландшафта с малой степенью закрытости горизонта, избегая близости строений, лесных полос, холмов и других препятствий. При выборе площадки рекомендуется пользоваться также критериями выбора места для размещения метеорологических станций с учетом того, что метеорологические наблюдения на фоновой станции могут быть использованы для изучения долговременных климатических изменений. Наблюдения за фоновым уровнем загрязняющих веществ в почвенном и растительном покрове осуществляют на стационарных площадках, характеризующих наиболее типичные ландшафты. Выбору места размещения стационарных почвенных пробоотборных площадок предшествует обследование почв для установления кумулятивных горизонтов и определения пространственного варьирования содержания приоритетных загрязняющих веществ, проводимое специалистом-почвоведом по типовым руководствам, принятым в каждой стране. На основании обследования состав40 ляется описание почв каждой площадки с указанием мощности и глубины залегания исследуемых горизонтов и количества индивидуальных проб с одной пробоотборной площадки. Площадки для отбора проб растительного материала размещают вблизи площадок, где отбирают пробы почв. Для каждого участка, выбранного для режимных наблюдений, проводят геоботаническое описание растительного покрова по общепринятой методике. Места стационарных наблюдений за водными объектами (река, озеро) в фоновых районах должны обеспечивать непрерывность наблюдений в течение длительного времени и располагаться вдали от плотин, дренажноирригационных систем, водозаборов, сбросов сточных вод, в том числе очищенных. Основными критериями выбора места регулярного отбора проб являются: интенсивный водообмен на значительном участке русла (акватории), отсутствие непосредственного влияния притоков. При выборе места стационарных наблюдений должно быть проведено рекогносцировочное обследование водного объекта. В него включаются: комплексное обследование водосборного бассейна, изучение морфометрических и гидрологических характеристик выбранного объекта в различные фазы гидрологического режима, а также отбор максимально возможного количества разовых проб для оценки пространственной и временной изменчивости загрязнения вод. При рекогносцировочном обследовании отбор проб донных отложений производится в тех же точках, что и отбор поверхностных вод. Пробы донных отложений отбираются без нарушения структуры грунта. Для наблюдения за подземными водами могут использоваться существующие в районе фоновой станции наблюдательные скважины, приближенные к гидрометеорологическим постам. Число скважин определяется сложностью природных условий района размещения фоновой станции. Минимальное число скважин для небольших бассейнов, имеющих однородное строение, ограничивается тремя на каждый водоносный горизонт: по одной скважине в областях питания, напора и разгрузки. После рекогносцировочных исследований и аналитических определений составляют паспорта на пробоотборные площадки, водные объекты и скважины и методические рекомендации для режимных наблюдений. 4.3. Биологический мониторинг Биологический мониторинг – система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Биологами накоплен значительный объем информации о функционировании живых систем на разных уровнях организации как в норме, так и в случае отрицательного воздействия антропогенных факторов, которая может быть использована при создании программ мониторинга. Реализация всего комплекса мероприятий по внедрению службы биологического мониторинга в масштабах отдельно взятой страны означает создание системы наблюдения и контроля со41 стояния биоты наземных и водных экосистем по регионам, число которых определяется общегосударственной службой мониторинга окружающей среды. В рамках информационной структуры биологического мониторинга наблюдение и контроль должны проводиться на основе единых методов сбора, хранения и выдачи данных полевых и лабораторных исследований. Создание теории биологического мониторинга в нашей стране принадлежит В. Д. Федорову (1975). Многие теоретические аспекты биологического мониторинга широко обсуждались в мировой литературе. Структура биологического мониторинга, состоящая из отдельных подпрограмм, строится исходя из принципа, основанного на уровнях организации биологических систем. При таком подходе можно выделить субклеточный, клеточный, организменный, популяционный биоценологический уровни организации, которым будут соответствовать генетический, биохимический, физиологический и экологический мониторинги соответственно (рис. 4). Рис. 4. Структура биологического мониторинга С точки зрения информативности, перечисленные подпрограммы биологического мониторинга наряду с мониторингами загрязнения биоты, продуктивности биосферы, мониторингом исчезающих и находящихся на грани исчезновения видов животных и растений и мониторингом важнейших видов, популяций, сообществ и экосистем одноценны и не имеют преимуществ друг перед другом относительно вопроса об очередности их внедрения. Основные объекты наблюдения биологического мониторинга – отклики биологических систем разного уровня (от молекулярного до экосистемного) и факторы среды, воздействующие на них. В одной из первых отечественных публикаций по теории биологического мониторинга В. Д. Федоров писал, что пока не существует программы биологического мониторинга для биологических явлений, хотя потребность в ней остро ощущается. В этой же работе подчеркивалось, что объектом биологического мониторинга являются не загрязнения и не их действие на среду обитания, а биологические системы и их отклики на эти воздействия, позволяющие судить об отклонениях от нормы. Вместе с тем контроль воздействующих факторов необходим и должен охватывать наблюдения за судьбой загрязняющих веществ в пищевых цепях. Исходя из этого делается вывод о необходимости включения в систему контроль биологического мониторинга наблюдения за факторами окружающей среды и содержанием в ней и в самих организмах наи42 более распространенных загрязнителей. В работах зарубежных исследователей преобладает точка зрения, согласно которой, главной целью и задачей биологического мониторинга являются разработка и внедрение разнообразных биологических методов и способов оценки качества окружающей среды с помощью организмов. Основное внимание при этом уделяется созданию автоматических систем оповещения, в которых используется регистрируемая реакция биологического отклика организма на появление отклонения от нормы в окружающей среде. Отмечая большую важность этого направления в системе знаний о биологическом мониторинге, следует иметь в виду, что биологический мониторинг призван, прежде всего, расширять и углублять систему знаний и методов наблюдений, оценки и прогноза состояния биотической составляющей биосферы в целях создания основы для управления качеством окружающей среды. В состав биологического мониторинга независимо от степени разработанности конкретных программ должны входить три вида деятельности: разработка систем раннего оповещения, диагностика (диагностический мониторинг) и прогнозирование (прогностический мониторинг). При разработке систем раннего оповещения важнейшим является подбор подходящих организмов и создание автоматизированных систем, способных с достаточно большой точностью выделить сигнал «отклика» на фоне «шума». Согласно определению, биологический мониторинг призван разрабатывать стратегию и тактику не только наблюдения и контроля, но и оценку, и прогнозы состояния окружающей среды. Поэтому биологический мониторинг включает два вида деятельности: диагностический и прогностический мониторинги (рис.5). Рис. 5. Диагностический и прогностический мониторинг 43 Полученные в ходе реализации программ диагностического и прогностического мониторингов данные используются для: – установления степени загрязнения биотической компоненты окружающей среды токсическими веществами; – оценки нарушения состояния биоты и определения опасности для здоровья людей, животных и растительного мира; – разработки мер контроля, стандартов качества окружающей среды, конкретных программ мониторинга. 4.3.1. Диагностический мониторинг. Принцип отбора организмов для мониторинга Установление норм и стандартов качества окружающей среды по социальным, эстетическим и другим показателям является сложной самостоятельной проблемой. Оценка качества окружающей среды ведется по наиболее важным показателям, характеризующим состояние нормы абиотической или биотической составляющей биосферы. Одним из таких показателей состояния нормы служит количественное содержание веществ антропогенного происхождения в биотической и абиотической составляющих биосферы. Мониторинг загрязнения биоты включает в себя наблюдения за уровнем загрязнения биотической составляющей, движением по цепям питания, временем накопления и выведения загрязняющих веществ. В зависимости от среды обитания он подразделяется на мониторинг загрязнения биоты пресных вод, мониторинг загрязнения биоты морской среды, мониторинг загрязнения биоты суши (рис. 6). Фоновый мониторинг загрязнения проводится в рамках мониторинга загрязнения биосферных заповедников. Наблюдение за миграцией и временем пребывания загрязняющих веществ в абиотической составляющей биосферы осуществляется, как подчеркивалось ранее, в рамках геохимического и геофизического мониторингов. Рис. 6. Структура мониторинга загрязнения биоты 44 Критерии отбора организмов зависят от исходных посылок программ биологического мониторинга. В случае загрязнения водной среды программа биологического мониторинга ориентируется на использование таких организмов, с помощью которых можно было бы ответить на следующие вопросы: а) какие потенциально опасные вещества накапливаются в биоте и с какой скоростью? б) имеются ли какие-либо доказательства устойчивого изменения водной среды? В первом случае критерием отбора видов для мониторинга будет служить способность организмов накапливать контролируемые вещества с сохранением их жизнедеятельности в условиях загрязнения. Второй критерий основывается не только на необходимости измерения уровня концентрации загрязняющих веществ в организмах, но также их сезонных изменений и изменений, связанных с их положением в пищевой сети. В систему биологического мониторинга загрязнения водной среды должны входить группы организмов, которые реагируют не только на уровень загрязнения и на факторы, вызывающие изменения водной среды, но и на присутствие или отсутствие специфических загрязнений. Учитывая существующую специализацию использования водных организмов, для удобства их объединяют в две основные группы: организмы-индикаторы и организмы-мониторы. Организмы-индикаторы используются для идентификации изменений в окружающей среде, обусловленных действием смеси загрязнений, например промышленных стоков. Они могут быть полезны при идентификации устойчивых физических или химических изменений в водной среде. Присутствие индикаторных организмов в виде высоких плотностей популяций или отсутствие чувствительных индикаторных организмов может служить показателем загрязнения водной среды. В то же время изменение видового состава или плотности популяции не всегда связано с загрязнением. Использование организмовиндикаторов ограничено из-за недостатка знания об естественных изменениях численности популяции данного вида в естественных сообществах. Известно, например, что виды, относящиеся к планктонным организмам, особенно чувствительны к «естественному фону» изменений параметров среды. Организмы-мониторы используют для количественного определения относительных уровней загрязнения водной среды путем измерения концентраций загрязняющих веществ в их тканях. К организмам-мониторам предъявляются следующие требования: накопление загрязняющих веществ до определенного уровня не должно приводить к гибели; оседлый образ жизни; численность особей в изучаемом районе должна быть достаточной для отбора проб без ущерба их воспроизводства, в случае долгосрочных наблюдений используемые виды должны быть многолетними; легкость взятия пробы и адаптации к лабораторным условиям. Таким образом, диагностический мониторинг предполагает обнаружение, идентификацию и определение концентрации загрязняющих веществ в биотической составляющей на основе широкого использования организмовиндикаторов и организмов-мониторов. 45 4.3.2. Прогностический мониторинг Исследования, направленные на получение прогноза состояния биотической составляющей окружающей среды (прогностический мониторинг), идут по двум направлениям в зависимости от поставленной задачи и особенностей объекта исследования. Одно из них – биотестирование, другое – экотоксикология. Эти сравнительно недавно сформировавшиеся направления исследования достаточно близки к исследованиям морской и пресноводной токсикологии, санитарной гидробиологии, медицинской токсикологии и других токсикологических направлений. Под токсикологией в узком смысле понимают область науки, которая изучает отрицательные воздействия химических веществ на живые организмы и оценивает вероятности их возникновения. В широком смысле токсикологическая оценка включает не только идентификацию, количественную оценку и интерпретацию нежелательных эффектов химических агентов, но и количественный анализ путей и механизмов первичных актов взаимодействия вредных веществ с чувствительными организмами, их клетками, тканями и органами. Рассмотрим одно из направлений прогностического мониторинга – биотестирование, которое включает (рис. 5): изучение связи доза – эффект на тестобъектах; изучение порога отклика; острые, подострые, хронические, короткие и продолжительные опыты на генетическом, клеточном и организменном уровнях; зависимость продолжительности жизни от дозы вещества; влияние на плодовитость и потомство; изучение механизмов токсичности и процессов детоксикации. Понятие «биотестирование» вошло в практику водной токсикологии сравнительно недавно, в 1981 г. Под биотестированием понимается биологическая оценка качества воды по реакции тест-организмов, помещаемых в испытуемую водную среду. Тест-организмы, используемые для целей биотестирования, должны удовлетворять ряду требований. Они должны быть легко доступны в течение года и иметь экологическое или промысловое значение. Независимо от того, культивируются ли они в лабораторных условиях или отбираются перед опытом из естественных мест обитания, они должны быть одного размера и возраста для того, чтобы снизить возможные вариации чувствительности, связанные с этими показателями. В целом опыты по биотестированию должны быть несложными, недорогими и желательно краткосрочными. Экспериментальное исследование процессов нарушения биогеохимических циклов и трофических связей привело к созданию целого направления в системе биологического мониторинга загрязнения – экотоксикологии. Это направление охватывает: определение скорости накопления, трансформации, распада и выведения токсических веществ с помощью лабораторных и полевых искусственно изолированных экосистем; изучение движения токсических веществ по цепям питания в полевых и лабораторных условиях. 46 5. МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ СРЕД 5.1. Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха Регулярные наблюдения и контроль за загрязнением воздуха производятся на постах, которые подразделяются на три категории: 1. Стационарные посты служат для систематических и длительных наблюдений. Они представляют собой специальные павильоны, оснащенные необходимыми приборами и аппаратурой для отбора проб воздуха, непрерывной регистрации содержания вредных примесей в атмосфере и для определения метеорологических параметров. 2. Маршрутные посты служат также для постоянных наблюдений. Наблюдения на этих постах проводятся с помощью автолаборатории. 3. Передвижные (подфакельные) посты служат для разовых наблюдений под дымовыми и газовыми факелами. Они выбираются каждый раз на различных расстояниях от источника загрязнения в зависимости от режима ветра. Выбор мест расположения постов наблюдений является весьма ответственным этапом и осуществляется совместно учреждениями гидрометеорологической и санитарно-эпидемиологической служб. При этом выбранные пункты должны отвечать следующим основным условиям, отражающим характерное состояние воздушной среды города с охватом различных по своему назначению территорий: – располагаться на открытых, проветриваемых со всех сторон площадках с непылящим покрытием; – размещаться в жилых районах с подветренной стороны (по отношению к господствующему направлению ветра) от крупных промышленных предприятий на расстоянии от 10 до 40 средних высот труб. – их местоположение должно обеспечивать выявление источников загрязнения воздуха в данной части города выбросами конкретных предприятий различного назначения, а также автотранспорта. Важным показателем сети контроля загрязнения воздуха является число стационарных и маршрутных постов, которое определяется из расчета один пост на площади около 10–20 км2, в крупных городах и один пост на площади 5–10 км2 в городах со сложным рельефом. В системе контроля загрязнения атмосферного воздуха определяются такие распространенные загрязняющие вещества, как пыль и сажа (весовое содержание), сернистый газ, окись углерода и двуокись азота, которые измеряются на всех пунктах во всех городах страны. Дополнительно к этому в тех городах, где имеются источники специфического загрязнения, организуются наблюдения за их содержанием в атмосфере, включая пары серной кислоты, аммиак, сероводород, сероуглерод, фенол, фтористый водород, хлор, метилмеркаптан и др. Важное место отводится определению тяжелых металлов в воздухе некоторых городов (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, железо, марганец, никель, хром, олово, ванадий, цинк и др.). Ведутся исследования по мониторингу углеводородов 47 и озона. Выброс вредных веществ в атмосферу – процесс динамичный. Так, по некоторым загрязняющим веществам в РФ в период 1992–1996 гг. наблюдалось снижение среднегодовой концентрации в атмосферном воздухе (диоксида серы и формальдегида – на 11–13%; бенз(а)пирена – на 39%), а по другим (сероводород, оксид углерода, оксид и диоксид азота) – увеличение концентрации (3– 8%). Для наглядности на рис. 7 показана динамика изменения содержания взвешенных веществ, диоксида азота, формальдегида и бенз(а)пирена за период с 1992 по 1996г. (по данным, представленным в Государственном докладе «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 г.»). При активном воздействии антропогенных источников, к которым относятся все объекты и производственные подразделения, входящие в систему управления отходами производства и потребления, на окружающую среду происходят процессы физико-химического превращения, оседания и вымывания загрязняющих веществ. Рис. 7. Средние концентрации загрязняющих веществ, мг/м3, по городам России На протекание этих процессов большое влияние оказывает трансграничный массоперенос, в результате которого меняются не только климатические (метеорологические) характеристики (температура, влажность, давление) атмосферного воздуха, но и состав и концентрация загрязняющих веществ в воздушной среде. Этот процесс усугубляется тем, что во многих регионах увеличивается число несанкционированных свалок. Многолетние метеорологические наблюдения показали, что доминирующими для Европейской части РФ направлениями переноса воздушных масс являются северо-западное и западное. Поэтому, учитывая направление трансграничных массопереносов, можно провести экспертную оценку данных по выбросам с учетом предварительного моделирования (прогнозирования) развития процесса загрязнения атмосферного воздуха. Например, результаты моделиро- 48 вания трансграничного переноса свинца и кадмия, входящих в состав многих видов отходов, показали, что территория России подвержена загрязнению этими веществами со стороны других стран значительно сильнее, чем территории этих стран от российских источников. Так, «импорт» этих веществ (металлов) в Россию из Польши, Германии и Швеции более чем в 10 раз превышает их «экспорт» из России. «Импорт» свинца из Украины, Белоруссии и Латвии в 5–7 раз превышает его «экспорт» из России, а «импорт» кадмия из этих стран и Финляндии в 5–7 раз выше, чем «экспорт» из России. В абсолютных значениях выпадение, например, свинца на европейской территории России ежегодно составляет: от Украины около 1100 т, от Польши и Белоруссии – примерно 190 т, от Германии – более 130 т. Для наглядности «взаимного» загрязнения территорий России и других стран свинцом и кадмием в табл. 7 приведены данные Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации в 1996 г.». Таблица 5 Вклад зарубежных стран в загрязнение территории России тяжелыми металлами Выпадение т/год Страна Украина Польша Белоруссия Германия Финляндия Швеция Литва Латвия Эстония на территорию РФ на территорию друот других стран гих стран от РФ свинца 1100,8 192,9 184,8 132,5 84,5 59,2 50,6 46,4 30,7 кадмия 406,2 88,5 66,9 56,2 53,7 31,6 14,2 10,3 63,0 свинца 204,2 8,9 32,3 5,0 24,9 24,0 14,0 61,0 59,0 кадмия 58,2 26,0 8,0 2,0 6,6 6,0 3,4 1,5 1,5 Отношение «импорт/экспорт» для свинца 5 > 10 6 > 10 3 2,5 4 0,8 0,5 кадмия 7 3,0 8 > 10 8 5 4 7 >10 При анализе загрязнения вредными веществами определенной территории (город, регион) необходимо учитывать не только трансграничный массоперенос, но и собственный «вклад» в процесс загрязнения среды, в том числе и отходов производства и потребления. Например, при анализе данных мониторинга о загрязнении среды свинцом и кадмием следует учитывать, что от источников, расположенных на территории РФ, выпадает около 70% этих веществ, а 30% приходится на долю источников других стран. В то же время в западных регионах РФ доля трансграничного загрязнения значительно превышает 30%. Следовательно, при разработке системы мониторинга атмосферного воздуха любого уровня (глобального, регионального или локального) необходимо предусмотреть функциональные возможности проведения контроля и прогнозирования развития ситуации с учетом как трансграничных загрязнений взвешенными, газообразными или аэрозольными соедине49 ниями и веществами, так и загрязнения от «собственных» источников. 5.2. Мониторинг загрязнения гидросферы Организация мониторинга загрязнения гидросферы предполагает исследование химического и радионуклидного состава поверхностных (реки, озера и водохранилища) и подземных вод, взвесей и донных отложений в природных водостоках и водоемах, а также выяснение теплового загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Системный подход к мониторингу поверхностных вод предполагает рассмотрение схемы структурно-функциональной организации мониторинга не только с позиций административно- управленческой принадлежности водных объектов, но и с точки зрения их экосистемной организации и социальноэкологической значимости. Иерархия вертикальной структуры объектов мониторинга состоит из трех уровней организации: – биосферный (глобальный) уровень; – региональный уровень (бассейновый); – локальный уровень. Распределение водных объектов поверхностных вод в данной иерархической пирамиде осуществляется следующим образом. Объекты глобального уровня мониторинга Глобальный уровень организации мониторинга включает водные объекты и параметры их среды биосферного значения, оказывающие влияние на общепланетарные явления и процессы. К этой категории относятся: – шельфовые зоны морей и океанов; – внутренние моря, речные системы крупных рек; – трансграничные речные системы; – водные объекты, включенные в международный реестр объектов особого внимания; – водные объекты, вовлеченные в жизненный цикл представителей биоты из Международной Красной Книги; – источники загрязнения, представляющие международную и национальную опасность; – водные объекты международного и национального значения. Объекты регионального мониторинга: – бассейны крупных и средних рек, внутренних водоемов (морей, озер); – каскады гидротехнических сооружений и водохранилищ; – водные объекты, расположенные на территории нескольких субъектов РФ; – межбассейновое распределение стока и водных ресурсов; – крупные объединенные водохозяйственные системы, регионального значения; – объекты региональной или областной значимости. Объекты локального (местного) уровня мониторинга: – водохозяйственные системы отдельных промузлов; 50 – водозаборные сооружения общественного водоснабжения – гидротехнические сооружения; – водные объекты особого пользования; – водные объекты особо охраняемых территорий. Данный перечень объектов мониторинга поверхностных вод демонстрирует существование вертикальной экосистемной и официальной градации при организации мониторинга водных объектов различных структурных уровней. На основании такой уровневой классификации можно рассмотреть возможность построения системы мониторинга водных объектов в системе Министерства природных ресурсов (рис. 8). Водный объект- сосредоточение природных вод на поверхности суши либо в горных породах. Объем воды или часть водной массы (водного объекта), потенциально возможные к использованию, обладающие данным качеством и количеством, есть водный ресурс. Формирование параметров водного ресурса, безусловно, связано с самим водным объектом, его естественными природно-климатическими факторами и степенью антропогенного вмешательства. Таким образом, водный объект является основной структурой во всей мониторинговой системе поверхностных вод. Правительство Российской Федерации Субъект федерации Правительство субъекта федерации Министерство природных ресурсов Министерство природных ресурсов Система поддержки принятия решений Бассейновые водохозяйственные объединения Региональный информационно-аналитический центр (РИАЦ) Бассейновый информационно-аналитический центр комплексного мониторинга Система контроля природных и сточных вод Территориальный комитет природных ресурсов Мониторинг поверхностных вод Территориальный центр санитарноэпидемиологического надзора Структуры при федеральных и международ-ных программах Предприятия госстатотчетность форма 2ТП-водхоз Специализированные научные подразделения Мониторинг подземных вод Госстатотчетность Рис. 8. Система мониторинга водных объектов в системе МПР РФ 51 Система мониторинга водного объекта, как источника водного ресурса, является составной частью других видов мониторинга (экологического, биологического, водного и т.д.) и методологически включает следующие структурнофункциональные блоки, рассматриваемые в рамках системного подхода: – объект мониторинга; – получение исходной информации; – анализ первичной информации; – прогноз; – информационно-справочная система. Система поддержки принятия решений; – принятие решений, управление. Системный подход подразумевает функционально связанное соподчинение всех блоков системы мониторинга. Поэтому схематичное изображение системы мониторинга не является линейным, а есть замкнутое, неоднократно циклическое образование. Водный объект или, как правило, их несколько, в крупных водохозяйственных системах рассматривается с целью получения первичной информации по определенным его свойствам и характеристикам. Параметры водного объекта: – качество вод; – количество водной массы; – количество водного ресурса; – динамика изменений параметров; – морфометрические характеристики (глубина, размеры, объем, площади другие) – гидродинамические характеристики (скорость течения, расход, водообмен и другие). Перечень анализируемых в водах компонентов разными субъектами мониторинга различен. Перечень определяемых показателей загрязнения воды устанавливается: с учетом целевого использования водотока или водоема; состава сбрасываемых сточных вод; требований потребителей информации. Наблюдения по гидрохимическим показателям согласно РД 52.24.309-92 должны проводиться по обязательной и сокращенной программам (табл. 6). Перечень характерных для данного пункта загрязняющих веществ для наблюдений по сокращенным программам устанавливается на основании данных о составе сбрасываемых сточных вод в районе пункта наблюдения. Качество питьевой воды регламентировалось ГОСТ 2874–82. Он содержал 17 показателей нормируемых химических загрязнений, в то время как ПДК загрязняющих веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования разработаны для более чем 1200 ингредиентов. Новый нормативный документ СанПиН 2.1.4.559–96 расширил перечень по52 казателей качества питьевой воды. По неорганическим веществам введено восемь показателей: кадмий, никель, хром, ртуть, бор, барий, кремний, цианиды; по органическим – девять показателей: нефтепродукты, СПАВы, окисляемость, фенольный индекс, гербициды, инсектициды, формальдегид, хлороформ. Безусловно, это более высокие требования, которые предъявляются к качеству питьевой воды, прошедшей соответствующую водоподготовку. Таблица 6 Программа контроля водных ресурсов по гидрологическим и гидрохимическим показателям Полная (обязательная) программа Расход воды, м3/с Скорость течения, м/с Уровень, м (водоемы) Визуальные наблюдения Температура, 0С Цветность, град Прозрачность, см Запах, баллы Растворенная СО2, мг/дм3 Взвешенные вещества, мг/дм3 Водородный показатель (рН) Хлорид-ион, мг/дм3 Сульфат-ион, мг/дм3 Гидрокарбонаты, мг/дм3 Кальций, мг/дм3 Магний, мг/дм3 Натрий, мг/дм3 Калий, мг/дм3 ХПК, мгО2/дм3 БПК, мгО2/дм3 Аммоний, мг/дм3 Нитрит-ион, мг/дм3 Фосфаты, мг/дм3 Железо (общ.), мг/дм3 Кремний, мг/дм3 Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, пестициды, тяжелые и цветные металлы Сокращенные программы 3 2 1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + основные Большое количество загрязняющих примесей, которые приходится учитывать при оценке качества природной среды и большой диапазон изменения их концентрации, делают невозможным сравнение данных разного генезиса по качеству без выработки единых критериев. Использование критериев и оценки качества вод, состояния водных объектов 53 рассматриваются в рамках нескольких подходов. Гидрохимические и физические критерии Использование отдельных ингредиентов и показателей качества воды, или их отношения к ПДК является основным подходом в санитарно гигиенической характеристике оценки состояния водного объекта или качества вод. В настоящее время Росгидромет РФ в сводках и бюллетенях использует индекс загрязненности воды (ИЗВ), введенный с 1988 г., на основании которого воды причисляют к одному из семи классов. При этом учитывается кратность превышения ПДК по строго ограниченному числу ингредиентов (для поверхностных вод – по шести, для морских – по четырем). Необходимо отметить, что такая сокращенная методика оценки, удобная для экспресс–отчетности, недостаточна для решения задач планирования и управления территориями. Биологические критерии Суть биологической оценки качества воды состоит в определении ее воздействия на живые организмы. Преимуществами данного подхода являются: результат воздействия на состояние живого организма, с одной стороны, и интегральность оценки, практически недостижимая при использовании физикохимических методов анализа – с другой стороны. Вместе с тем данный подход оказывается наименее разработанным по сравнению с физико-химическими методами и системой санитарно-гигиенического контроля. Система биологического мониторинга водных объектов включает два уровневых подхода: – оценка природных водных объектов (экосистемный, биоценотический, популяционный, организменный); – биотестирование с использованием тест-объектов (бактерии, водоросли, макрофиты, простейшие, кишечнополостные моллюски, ракообразные, рыбы, иногда амфибии, птицы, млекопитающие). Наиболее изученные характеристики параметров водного объекта прослеживаются в отношении водохранилищ, прудов. Для водотоков наибольшая изученность и возобновляемость информации имеется по зарегулированным водотокам. Следует отметить, что сеть постов Росгидромета за последние годы значительно сократилась. В настоящее время стационарная сеть наблюдений состоит из 4000 пунктов и охватывает более 1200 водных объектов страны. На пунктах стационарной сети перечень наблюдаемых ингредиентов и показателей качества воды определяется составом и объемом сточных вод, их токсичностью и требованиями, предъявляемыми со стороны потребителей воды. Все это обусловливает некоторое различие программ наблюдения для разных пунктов стационарной сети. Тем не менее, определение ряда показателей, относящихся к наиболее общим требованиям к качеству воды для санитарнобытового и рыбо-хозяйственного водопользования, является обязательным для всех пунктов сети и входит в общую программу. Сюда относятся: температура воды, взвешенные вещества, цветность, рН, растворенный кислород, БПК5, ХПК, запахи, главные ионы, биогенные компоненты и такие широко распро54 страненные загрязняющие вещества, как нефтепродукты, детергенты, летучие фенолы, пестициды, соединения тяжелых металлов. В зависимости от целей проведения и определяемых ингредиентов наблюдения подразделяются на режимные, специальные и оперативные. В основе режимных наблюдений лежат следующие принципы: комплексность и систематичность, согласование сроков их проведения с характеристиками гидрологической системы, определение состава и свойств воды едиными или обеспечивающими требуемую точность методиками. Комплексность наблюдений обуславливается проведением наблюдений по гидрохимическим, гидрологическим и гидробиологическим показателям. В рамках режимных наблюдений проводят следующие работы: – наблюдения по установленной программе; – получение и накопление данных о состоянии водоемов и водотоков; – формирование и пополнение банка данных; – передача информации потребителям; – разработка и представление прогнозов состояния водотоков и водоемов. Деятельность режимных наблюдений регламентируется пакетом документов: руководящий документ 52.24.309-92 «Охрана природы. Гидросфера. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Росгидромета». Этот документ устанавливает следующие требования к организации и проведению режимных наблюдений: – формирование сети наблюдений; – установка категорийности пунктов; – формирование программ и работ; – порядок внесения изменений в состав сети; – анализ проб; – обработка и обобщение материалов. Руководящий документ 52.18.263.90 «Положение. Охрана природы. Гидросфера. Организация и порядок проведения наблюдений за содержанием остаточного количества пестицидов, регуляторов роста растений и основных токсических продуктов их разложения в объектах природной среды». Руководящий документ 52.24.609.99 «МУ. Организация и проведение наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в донных отложениях». Специальные наблюдения проводятся на каждом предприятии и регламентируются следующим списком документов: Руководящий документ 52.24.508-96 «МУ. Организация и функционирование подсистемного мониторинга за состоянием трансграничных поверхностных вод суши». Руководящий документ 52.24.354-94 «МУ. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием поверхностных вод суши в районах разработки месторождений нефти, газа, газокомпенсата». Руководящий документ 52.24.353-94 «Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод». 55 Руководящий документ 52.18.595-96 «Федеральный перечень методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей среды». Оперативные наблюдения осуществляются при возникновении различных чрезвычайных ситуациях, связанных с загрязнением водных объектов. Таким образом, полная программа наблюдений на каждом пункте сети состоит из определения перечисленного выше обязательного перечня показателей, а также специфических загрязняющих веществ, характерных для сточных вод, поступающих в наблюдаемый водный объект. Эта программа может видоизменяться с учетом местных особенностей загрязнения, важности водного объекта в народнохозяйственном отношении и других факторов. Для обеспечения оптимальной информацией о качестве воды, для оценки изменения уровня загрязнения и для оценки эффективности мероприятий по охране окружающей среды все пункты стационарной сети наблюдений подразделяются на четыре категории (табл. 7). Таблица 7 Категории пунктов наблюдений системы Росгидромета и их расположение пунктов на водных объектах Категория пункта наблюдения I Расположение пункта наблюдений с учетом комплекса факторов народнохозяйственного значения и размера водоема или водотока Районы городов с населением свыше 1 млн жителей; места нереста и зимовья особо ценных видов промысловых организмов Состояние воды водоема или водотока Район повторяющихся аварийных сбросов загрязняющих веществ и заморных явлений водных организмов, районы организованного сброса сточных вод, в результате чего наблюдается высокая загрязненность воды (превышение 100 ПДК по одному или нескольким показателям качества воды) II Районы городов с населением от 1 до 0,5 млн жителей; район важного рыбохозяйственного значения (места нереста и зимовья ценных видов промысловых организмов, предплотинные участки рек); при пересечении реками государственной границы. Районы организованного сброса сточных вод, в результате чего наблюдается систематическая средняя загрязненность воды (превышение от 10 до 100 ПДК по одному или нескольким показателям качества воды) III Районы городов с населением менее 0,5 млн. жителей; замыкающие створы больших и средних рек; устья загрязненных притоков больших рек и водоемов Районы организованного сброса сточных вод, в результате чего наблюдается систематическая низкая загрязненность воды (превышение до 10 ПДК по одному или нескольким показателям качества воды) IV Район территорий особо охраняемых природных объектов Незагрязненные участки водоемов и водотоков Существующая сеть пунктов контроля в системе Росгидромета на водных объектах, несомненно, является базовой. Длительные ряды наблюдений за гидрологическим режимом, качеством вод дают надежную базовую информации. Категорию пункта наблюдений определяют с учетом комплекса факторов. В 56 основу организации и проведения режимных наблюдений в пунктах Росгидромета положены следующие основные принципы: комплексность и систематичность наблюдений, согласованность сроков их проведения с характерными гидрологическими ситуациями, определение показателей состава и свойств воды едиными обеспечивающими требуемую точность методиками. Программа работ в зависимости от категории пунктов различается не только по объему наблюдаемых показателей, но и по срокам наблюдений. Периодичность проведения наблюдений по гидрохимическим показателям устанавливают в соответствии с категорией пункта (табл. 8). Таблица 8 Периодичность наблюдений по гидрохимическим показателям Периодичность проведения наблюдений Ежедневно Ежедекадно Ежемесячно В основные фазы водного режима I Сокращенная программа 1 Сокращенная программа 2 Категория пункта наблюдений II III Визуальные наблюдения Сокращенная программа 1 Сокращенная программа 3 IV - Обязательная программа Подводя итог рассмотренному материалу по организации системы мониторинга поверхностного питьевого водоисточника, являющегося составной частью общей системы мониторинга окружающей природной среды, следует отметить, что она должна базироваться на основе территориальноведомственного принципа, позволяющего максимально полно использовать возможности существующих и ведомственных подсистем. Так же, как и в случае атмосферного воздуха, автоматизация наблюдений за уровнем загрязнения пресных вод представляет собой важнейшее направление развития системы контроля качества вод суши. В настоящее время создана первая опытная локальная система автоматизированного контроля на р. Москва. Эффективность работы автоматизированных систем полностью определяется возможностями измерения необходимого набора показателей качества воды (детекторами и датчиками для мониторов), так как остальные звенья системы (электроизмерительные схемы, вычислительные устройства, программы обработки данных и т.д.) и средства телеметрии разработаны в достаточной степени. На автоматизированных станциях надежно измеряются такие показатели, как температура воды, растворенный кислород, рН, электропроводность, мутность. Обычно мониторы позволяют проводить определение уровня воды. Ведется большая работа по созданию детекторов с использованием ионселективных электродов для определения таких ионов, как медь, фтор, хлор, нитрат, цианид, а также сероводорода, аммиака, первичной продукции и деструкции и т. д. Определение большинства загрязняющих веществ, в том числе токсичных, 57 с помощью автоматизированных систем в ближайшем будущем является проблематичным. Однако громадным преимуществом таких систем является непрерывность наблюдений, даже если она может быть обеспечена для ограниченного числа показателей качества воды. Сейчас нет альтернативного способа для контроля за резкими изменениями качества воды. Сочетание автоматизированных непрерывных наблюдений ограниченного числа параметров с дискретными лабораторными анализами проб воды на содержание специфических и распространенных загрязняющих веществ, видимо, является единственной реальной перспективой для системы контроля качества пресных вод. 5.3. Мониторинг загрязнения почв При организации мониторинга загрязнения почв исследуется химический и радионуклидный составы деятельного слоя почвы. Критерии составления перечня подлежащих контролю веществ основываются на их токсичности, распространенности, а для химических средств защиты растений дополнительно – на их устойчивости. Целый ряд токсичных металлов может поступать на поверхность почв за счет локальных промышленных выбросов; к ним относятся ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ванадий, никель, кобальт, хром, медь, цинк, марганец, молибден, бериллий, селен, сурьма. Из органических веществ промышленного происхождения контролю подлежат прежде всего вещества, обладающие способностью поступать и накапливаться в сельскохозяйственной продукции, а также способные к миграции вместе с поверхностными и подземными водными стоками. Полный перечень этой группы веществ еще недостаточно изучен, однако, контроль таких сильных канцерогенов, как полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и бенз(а)пирена—их представителя и индикатора присутствия ПАУ, а также таких токсичных веществ, как полихлорбифенилы (ПХБ), представляется совершенно необходимым. Кроме почвы как таковой, объектами наблюдений являются и атмосферные выпадения (осадки, сухие выпадения, снежный покров), позволяющие судить о величине потока загрязняющих веществ на земную поверхность. Эти наблюдения относятся к изучению миграционного цикла в системе атмосфера—земля. Наблюдения за уровнем загрязнения почв подразделяются на две категории. К 1-й категории относятся почвы сельскохозяйственных районов. Отбор проб осуществляется два раза в год: весной после таяния снега (до применения пестицидов) и в конце вегетационного сезона (в течение 10 дней после сбора урожая). Пробы постоянно отбираются на одних и тех же полях, которые являются представительными для данного района с учетом их хозяйственного использования и типа почв. Ко 2-й категории – почвы вокруг промышленно-энергетических объектов. Основной отбор проб производится один раз в год весной после таяния снега в 64 точках, расположенных равномерно по 8 азимутам в радиусе до нескольких 58 десятков километров от объекта. Кроме того, производится дополнительный отбор проб один раз в год осенью после уборки урожая в 16 точках по четырем азимутам. 5.4. Мониторинг урбанизированных территорий При организации мониторинга урабанизационной среды контролируется химический и радиационный фоны воздушной среды населенных пунктов, химический и радионуклидный составы почв, продуктов питания, питьевой воды и т.д. Согласно данным Государственного доклада «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 г.», продолжается процесс деградации почв вследствие загрязнения их вредными веществами, выбрасываемыми в окружающую среду промышленными предприятиями и автотранспортом. Эколого-токсикологический мониторинг почв вокруг крупных промышленных агломераций на содержание тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, нитратов и других токсикантов показал, что значительная часть обследованных сельскохозяйственных территорий загрязнена элементами I и II класса опасности (табл. 9). Таблица 9 Загрязнение урбанизированных территорий тяжелыми металлами Элемент Свинец Кадмий Ртуть Цинк Мышьяк Хром Никель Медь Кобальт Класс опасности I I I I I II II II II Обследовано тыс. гектаров 31125 29674 14063 38040 6083 11327 18589 37411 17041 Загрязнено тыс. гектаров 519 184 Нет 326 3 71 527 1416 328 Доля загрязненных почв, % 1,66 0,62 0 1,92 0,05 0.62 2,84 3.79 1,92 Данные, полученные в результате мониторинга в некоторых регионах, позволили составить картограммы, установить источники загрязнения и выработать необходимые рекомендации, направленные на улучшение ситуации. Согласно экспертным данным института Геоэкологии РАН крайне высокой и высокой степенью техногенного загрязнения отличаются крупные многофункциональные города с приоритетом химического, нефтехимического, металлургического производств в Кемеровской, Мурманской, Новгородской, Тверской, Белгородской, Челябинской, Новосибирской и ряде других областей. Ухудшение экологической ситуации наблюдается не только внутри границ городов, но и далеко за их пределами. Техногенные выбросы от промышленных источников и транспорта распространяются на прилегающие территории, являясь причиной загрязнения сельскохозяйственной продукции, ухудшения состояния древостоя и снижения его фитоцидной роли. При этом зоны 59 влияния городов простираются на десятки километров, а крупных промышленных агломераций – на сотни километров, например: Московской – на 200 км. Тульской – 120, Среднеуральской – 300, Кемеровской – 200 км и т.д. Во многих городах и регионах основным загрязнителем окружающей среды является автотранспорт. В результате сжигания органического топлива в двигателях транспортных средств в окружающую среду выбрасывается большое количество тяжелых металлов, сажи и др. Так, поступление свинца в окружающую среду от автотранспорта составляет примерно 4 тыс. т/год. Наибольшее загрязнение свинцом наблюдается в Московской, Самарской, Калужской, Нижегородской и Владимирской областях. Не меньшую опасность для окружающей среды представляют токсичные отходы производства и потребления, которых в хранилищах, накопителях, складах, могильниках, полигонах и других объектах наблюдения в РФ накопилось более 1400 млн т. Негативное влияние отходов на состояние земель обусловлено трудностями, связанными с их переработкой, утилизацией и хранением. Отсутствие в России развитой системы управления отходами является одной из причин захламления территории и возникновения несанкционированных свалок. Мониторинг экологического состояния урбанизированных территорий развивается медленными темпами. Наиболее продвинутыми в этом направлении являются некоторые крупные города и промышленные зоны, в которых, по оценкам специалистов, сложилась сложная экологическая ситуация. 5.5. Экологический мониторинг зон влияния источников выбросов и сбросов на состояние объектов окружающей природной среды Экологический мониторинг зон влияния источников выбросов и сбросов на состояние окружающей природной среды организуется территориальным органом службы охраны окружающей среды МПР и органом Росгидромета или органом местного самоуправления муниципального образования. В ряде случаев на крупных предприятиях эта работа систематически проводится службами охраны природы (лаборатории охраны окружающей среды). Экологический мониторинг зон влияния может производиться как на стационарных постах наблюдения, так и на передвижных постах (маршрутные наблюдения). Перечень контролируемых веществ определяется так же, как и при контроле за источниками выбросов (сбросов) в окружающую среду. Особенностью этих измерений является возможность выделения вклада предприятия в загрязнение природной среды, что необходимо для сравнительной оценки в спорных или конфликтных ситуациях. С этой целью проводятся одновременные измерения загрязнения атмосферного воздуха с наветренной и подветренной сторон (в водных объектах – выше и ниже сброса по течению, соответственно). При достаточно большом объеме измерений удается сделать вполне определенные выводы о вкладе предприятия в загрязнение атмосферы 60 (водного объекта). Для определения вклада предприятия в загрязнение окружающей природной среды лучшим способом является проведение отбора и анализа проб непосредственно от источников загрязнения (выбросов и сбросов промышленных предприятий) одновременно с мониторингом зон влияния. Информационные потоки, получаемые в результате экологического мониторинга, объединяются в единую информационную систему, создаваемую правительствами субъектов РФ. Эта информация подлежит обязательному учету государственными органами и органами местного самоуправления при принятии ими решений по вопросам социально-экономического развития, охраны окружающей среды и экологической безопасности. Данные экологического мониторинга, относящиеся к экологической информации, не подлежат засекречиванию. 61 6. ОТБОР, ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА, КОНСЕРВАЦИЯ И ХРАНЕНИЕ ПРОБ ОБЪЕКТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 6.1. Отбор проб атмосферного воздуха Количественный анализ атмосферных примесей производится после их концентрирования, которое осуществляется путем протягивания исследуемого воздуха через соответствующие поглотительные среды (жидкие, твердые) или фильтрующие материалы. Для обеспечения контакта между жидкой поглощающей средой и анализируемым воздухом применяются различные поглотительные приборы. Фильтрующие материалы закрепляются в соответствующих фильтродержателях. Для отбора проб воздуха на наличие в нем аэрозолей в виде взвешенных частиц (пыли), тяжелых металлов, сульфатов, 3,4- бенз(а)пирена и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), ДДТ, хлорорганических пестицидов (ХОП) широко применяется метод принудительной фильтрации воздуха через фильтр. Фильтрация воздуха осуществляется фильтровентиляционными установками (аспираторами). Конструкция фильтровентиляционной установки включает побудитель расхода воздуха, измеритель расхода воздуха, фильтродержатель с защитой от атмосферных выпадений и кассету для твердых сорбентов при определении ХОП. В аспираторах применяются фильтры различных типов, через которые проскок аэрозолей размером менее 0,3–0,5 мкм (микрон) не превышает 10%. Тип фильтра подбирается в соответствии с назначением отбираемой пробы и методом ее анализа. Объем суточных проб воздуха для определения каждого из указанных выше ингредиентов задается в зависимости от применяемого метода анализа. Расход воздуха и сечение фильтродержателя рассчитывают исходя из заданного объема пробы и диапазона допустимой линейной скорости потока через фильтр выбранной марки. Перед отбором проб производят смену фильтров. В фильтрационных установках для определения пыли, тяжелых металлов, 3,4-бенз(а)пирена и других ПАУ, полициклических ароматических углеводородов, ДДТ и других ХОП (хлорорганические пестициды), сульфатов используются следующие фильтроматериалы: для отбора проб и определения пыли, тяжелых металлов (ФПП, АФА-160-ХИ (ВП), АФА-20-ХП (ВП), Сарториус, Сыннор 3(4), FN-11); 3,4-бенз(а)пирена и других ПАУ (ФПА и ФПП, АФА-20ХП (ВП)): ДДТ и других ХОП (АФА-20-ХП (ВП)); сульфатов все перечисленные фильтры. Для улавливания загрязняющих веществ в виде газа используются сорбенты: – силохром С-80 и С-120 (фракции-0,3–0,5 мм) или соответствующие жидкости (поглотители). Кроме фильтроматериалов для проведения анализа воздуха необходимы: предварительно очищенная калька, бумажные пакеты, ножницы, пинцет, стеклянные банки с герметичной пробкой на 400 мл. Для отбора проб воздуха фильтровентиляционные установки размещают на 62 открытой площадке наблюдательного полигона или возле объекта наблюдения. При этом входное отверстие пробоотборника должно быть ориентировано горизонтально и вверх, что исключает влияние направления скорости ветра на эффективность пробоотбора. При подготовке фильтровентиляционных установок к работе фильтры пинцетом извлекают из упаковки, накладывают на сетку фильтродержателя и закрепляют прижимным устройством. После окончания экспонирования операции выполняют в обратном порядке. Для определения содержания ДДТ и других ХОП в атмосферном воздухе отбирают аэрозольную и парогазовую составляющие указанных веществ. В фильтровентиляционной установке для этой цели должна быть предусмотрена кассета для твердого адсорбента (силохром С–80 или С–120). В фильтрационную установку, предназначенную для отбора проб воздуха, с целью определения концентрации пыли ставят фильтры, предварительно высушенные до постоянной массы и взвешенные. По окончании экспонирования фильтра фиксируют объем пробы воздуха, который приводят к нормальным условиям по формуле V0 = 273 PV PV = 0 , 359 ( 273 + t ) 760 273 + t , (2) где P - среднее атмосферное давление за время фильтрации, мм. рт.ст; V – объем пробы, м3, t – средняя температура воздуха за период отбора пробы, С0. Экспонированные фильтры упаковывают в бумажные маркированные пакеты, адсорбент переносят в маркированную стеклянную банку с герметичной пробкой. В случае определения ДДТ и других ХОП, 3,4-бен(а)пирена и других ПАУ (полициклонические ароматические углеводороды) пробы хранят в сухом прохладном помещении или холодильнике. Из каждой партии фильтров и сорбентов по три неэкспонированных образца направляют в аналитическую лабораторию для определения фонового содержания ингредиентов в фильтре и сорбенте. Методические указания по отбору проб атмосферных аэрозолей или воздуха от промышленных и бытовых источников загрязнения для указанных выше ингредиентов в каждом конкретном случае составляют на основании изложенных общих принципов и исходя из конкретной пробоотборной аппаратуры, выбранных типов фильтров и использованных методов анализов проб. Объем воздуха, отобранного для анализа, измеряется при помощи газовых счетчиков или находят как произведение времени отбора пробы на расход аспирации, которая определяется при помощи реометров, встроенных в электроаспираторы. Точность анализа зависит от правильности измерения объема воздуха, поэтому оно должно производиться с большой тщательностью. Особое внимание следует обращать на то, что условия заводской калибровки могут значительно отличаться от условий их эксплуатации. При получении новых аспираторов 63 должна быть проведена калибровка расходомеров согласно методике, описанной в книге «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» (Госкомгидромет, 1997 г.). В качестве устройств для измерения расхода воздуха в аспираторах используются реометры и ротаметры. Реометр – прибор для измерения расхода протекающего газа (рис. 9). Основной частью реометра является стеклянная трубка 1, в которую впаяна перегородка с отверстием посередине – диафрагма. К трубке 1 припаивают или присоединяют (рис. 9, б) при помощи резиновых трубок манометрическую трубку 2 с двумя расширениями: в левой части снизу – 3, а в правой наверху – 4. В качестве манометрической жидкости применяют очищенный керосин плотностью 0,82 или воду (при положительной температуре воздуха). При прохождении воздуха через гориРис. 9. Реометры зонтальную трубку реометра создается сопротивление движению воздуха, причем получается определенная разность давлений до диафрагмы и после нее. До диафрагмы имеет место повышенное давление, а после нее — пониженное. Давление воздуха передается на манометрическую жидкость, уровень которой поднимается на различную высоту в трубке. В зависимости от диаметра отверстия в диафрагме скорость прохождения воздуха колеблется в определенных пределах. При одной и той же диафрагме высота манометрической жидкости соответствует скорости прохождения воздуха. Шкала прибора градуируется обычно в единицах расхода газа (см3/мин, дм3/час). Ротаметр – прибор для измерения расхода жидкости и газа при постоянном перепаде давления. Ротаметр состоит из вертикальной конической трубы, по которой поток идет снизу вверх. Внутри трубы находится поплавок из эбонита или алюминия, увлекаемый потоком вверх. Одновременно поплавок приводится во вращение благодаря наклонным бороздкам на его поверхности и поднимается до тех пор, пока не образуется достаточное пространство для прохождения потока, уравновешивающего вес поплавка, чем и объясняется постоянный перепад давления. Поднятие поплавка непосредственно отсчитывается по шкале. Расход среды определяется кольцевым сечением между поплавком и трубой, при постоянном перепаде давления. Отбор проб воздуха на газовые примеси производится в поглотительные приборы, заполненные в лаборатории соответствующими жидкостями или адсорбентами. Поглотительные приборы при помощи резиновых шлангов присоединяются к аспиратору. Для защиты ротаметров от брызг поглотительного 64 раствора к выходным штуцерам присоединяют патроны, заполненные промытым и высушенным силикагелем с диаметром зерен 0,3-0,5 мм. Рис. 10. Схема отбора проб воздуха 1 – поглотительный прибор, 2 – резиновый шланг, 3 – защитный патрон с силикагелем, 4 – тройник, 5 – резиновая пробка, 6 – термометр, 7 – кронштейн, 8 – аспиратор Входные трубки поглотительных приборов присоединяются при помощи коротких отрезков резинового шланга встык к распределительной гребенке из стекла или фторопласта. В нерабочее время все штуцеры гребенки должны быть закрыты заглушками. При наличии у используемого аспиратора разгрузочного крана последний перед первым отбором открывают, а регулировочные краны ротаметров закрывают. Затем включают прибор и устанавливают скорость аспирации в каждом канале в зависимости от определяемого вещества и одновременно включают секундомер. Регулировка производится при максимально открытом разгрузочном кране, прикрываемом лишь в случае невозможности установить требуемую величину расхода воздуха на всех каналах. Эту операцию следует производить очень быстро, так как ошибка при подсчете времени на 1 мин. дает погрешность в определении концентрации на 5%. При повторных отборах обычно бывает достаточно лишь небольшой коррекции расхода воздуха. В ходе отбора проб необходимо внимательно следить за тем, чтобы скорость аспирации поддерживалась на заданном уровне с максимально возможной точностью. По окончании времени отбора выключают аспиратор, отсоединяют поглотительные приборы, закрывают их заглушками и помещают в ящик для транспортировки. Записывают среднюю температуру воздуха, измеренную с точностью до 10С в начале, середине и конце периода отбора проб по термометру, установленному перед ротаметром аспиратора. В период 70 – 80 гг. выпускалось несколько моделей аспираторов: ЭА-822, ПРУ-4, М-114 и др. Как правило, они были предназначены для отбора и концентрирования одного типа загрязняющего вещества – либо газы, либо аэрозоль. Модель аспиратора М-114 отличалась от остальных тем, что наряду с отбором газовых проб она обеспечивала одновременный отбор аэрозолей. В качестве побудителя расхода воздуха использовался бытовой пылесос. Возможность соединения в одном приборе канала с небольшим разрежением и высокой производительностью (необходимыми для отбора проб на аэрозольные фильт65 ры) и канала с небольшим расходом и большим разрежением (необходимым для отбора газовых проб) достигнута в приборе использованием эжекторного преобразователя разряжения. Прибор комплектовался одним или двумя блоками ротаметров или реометров, обеспечивающих одновременный отбор 4-8 проб на газовые загрязнители и одной пробы на аэрозоли. Схема аспиратора М-114 представлена на рисунке 11. Рис. 11. Аспиратор М-114 1 – универсальный воздухозаборник, 2 – реометр, 3 – раструб для крепления фильтродержателя, 4 – блок реометров, 5 – тройник, - 6 – поглотительный прибор, 7 – раструб для крепления эжектора, 8 – эжектор, 9 – регулировочный вентиль, 10 – регулятор расхода пылевого канала, 11 – входной штуцер эжектора, 12 – отверстие пылевого канала, 13 – измерительная диафрагма, 14 – корпус фильтродержателя пылевого канала, 15 – фильтродержатель, 16 – штуцера для крепления реометра, 17 – ротаметр, 18 – штатив для крепления защитных патронов, 19 – защитный патрон, 20 – регулировочный винт, 21 – штатив для поглотителей Отечественной промышленностью и зарубежными фирмами выпускается множество аспираторных установок различного назначения с электрическими и пневматическими двигателями, которые по внешнему виду значительно отличаются от первых образцов, однако, принцип их действия не изменился. Наиболее простым из современных аспираторов является аспиратор АМ-5м сильфонного типа. (Сильфон - тонкостенная цилиндрическая трубка или камера с волнообразными складками – гофрами). Аспиратор предназначен для просасывания исследуемой газовой смеси с вредными веществами через индикаторные трубки конкретных типов, типоразмеров, анализируемых газовых сред при экспрессном определении (измерении) вредного вещества в воздухе (воздух рабочей зоны, рудничный воздух и др.) в атмосфере населенных пунктов и предприятий, в выбросах промышленных предприятий и выхлопных газах автомобилей. Аспиратор представляет собой сильфонный насос ручного действия, работающий на всасывании воздуха за счет предварительно сжатого сильфона и выброса воздуха из сильфона через клапан при сжатии пружины. Некоторые типы современных аспираторов приведены в таблице 9. 66 Таблица 9 Типы и характеристики аспираторов Тип аспиратора Принцип действия ПУ- ЗЭ/220 ПУ- ЗЭ/12 ПУ- 4Э** ПУ- 2Эп ПУ- 4Эл* ПУ- 1Эп. электрический ПУ- 1Б ПУ- 1И ПУ - 1Н ПУ- 4ЭС воздуха рабочей зоны, воздуха и атмосферного воздуха воздуха рабочей зоны, воздуха рабочей зоны, микробной воды с Область применения - воздуха рабочей зоны, конц. ОВ, атмосферного воздуха атмосферного воздуха и обсеменендля отбора атмосферного воздуха на на сорбц. и промышленных вы- промышленных выброности на продуктов в емкость проб при контроле фильтры АФА трубки бросов сов чашки Петри их разложе- для послед. H2S , S02 ния анализа NO2 Число каналов 5 5 4 2 4 1 1 1 1 4 Диапазон расхода, 0,2-2,0 0,5-5,0 0,2; 0,2 0,1-1,5 >200 0,25; 0,25 0,5-1,5 80-400 40-200 0,1-1,0 л/мин 2,0-20 2,0-20 0,3; 0,3 (до 4,0) 100л,250л 2,0; 4,0 (5,0-10,0 мл/мин по Суммарный расход, 400 200 < 48 25 <4,0 1,5 (4,0) воде) л/мин Сопротивление поглотителя, кПа 0-4 0-2 0-5 0 - 15 0 -15 0 - 20 Погрешность, % ±10 ±10 ±5 ±5 ±5 ±5 Агрегатное состояние пробы аэрозоли аэрозоли Питание Время отбора, мин Масса, кг газы + пары + аэрозоли от элект. от аккумусети 220 В лятора 12 В 2 - 30 5 2 - 30 5 газы + пары ±10 ±5 биологич. аэрозоли газы, пары, вода от элект. сети 220 В, от аккумулятора 12 В 2 - 99 5,5 2 - 99 5,5 .±5 ±5 газы + пары от элект. сети 220 В, от аккумулятора 12 В 2 - 99 4,5 2 -99 4,0 67 0,5 - 1,5 2,0 2 - 99 8,5 2 - 99 4,0 ПУ- 1П ПУ-2П пневматический воздуха рабочей зоны, атмосферного воздуха и промышленных выбросов 1 0,5-6,0 2 0,2-5,0 2,0-20 6 25 0 - 25 0 - 20 ±5 ±5 газы + пары + аэрозоли от сети сжатого воздуха 20 6,0 не ограничено 3,0 5,5 6.2. Отбор проб атмосферных осадков, их консервация и хранение Представительными являются такие пробы атмосферных осадков, в которых исходное содержание определяемых веществ не подвергается изменению в момент сбора, хранения и доставки проб к месту анализа. Значительное искажение получаемых данных по концентрациям определяемых ингредиентов может быть результатом загрязнения приемной поверхности осадкосборника сухими выпадениями в период без дождей, изготовления приемной поверхности осадкосборника из материалов, содержащих определяемые вещества, а также использования недостаточно чистой посуды. Поэтому важное значение имеет конструкция осадкосборника и материал, из которого он изготовлен, а также чистота используемой посуды. В соответствии с программой мониторинга фонового загрязнения атмосферных осадков в пробах определяют группу неорганических веществ и группу органических веществ. Приемная поверхность осадкосборника, предназначенного для отбора проб осадков при определении неорганических загрязняющих веществ (тяжелых металлов, анионов и катионов), может быть изготовлена из полиэтилена, стойкого стекла типа иенского или пирекс или тефлона; для отбора проб с целью определения органических веществ (ПАУ и ХОП) — из стекла или эмалированного металла. Наилучшим типом осадкосборника, рекомендуемого для станций фонового мониторинга, является автоматический осадкосборник, снабженный крышкой, открываемой по сигналу датчика. Сигнал возникает при попадании первых капель дождя на датчик. Для отбора проб осадков можно использовать полиэтиленовые или эмалированные цилиндрические сосуды с высотой стенок не менее 30 см. Другой вариант неавтоматического осадкосборника может быть предложен в виде сварного конуса из полиэтилена или нержавеющей стали, соединенного с приемным сосудом. Осадкосборники устанавливают на пробоотборной площадке на деревянных подставках (типа столика) либо укрепляют растяжками на высоте 1,7–2 м от подстилающей поверхности. Площадь, приемной поверхности осадкосборника рассчитывается по формуле: S= V , I (3) где S - площадь, приемной поверхности осадкосборника, м2; V - заданный объем пробы, л; I – среднее из многолетней декадной или месячной суммы осадков для данного района, мм. Отбор проб на каждый вид анализа проводят индивидуальным осадкосборником. В соответствии с программой наблюдений на фоновой станции одновременно отбирают четыре пробы: для определения свинца, кадмия и мышьяка; для определения ртути; для определения анионов и катионов; для определения 68 3,4-бензпирена, ПАУ, ДДТ и других ХОП. На пробоотборной площадке устанавливают чистые осадкосборники. Для этого приемную поверхность обрабатывают моющими средствами, промывают водой, а затем дистиллированной водой. В стационарном режиме работы фоновой станции снятие проб осадков производят ежедневно в установленное время. В случае отсутствия осадков приемную поверхность неавтоматических осадкосборников промывают дистиллированной водой и оставляют открытой в течение суток. По истечении суток операцию повторяют. Для получения суммарной месячной (декадной) пробы осадков проводят накопление суточных проб. Суточные осадки из осадкосборников сливают в соответствующие бутыли (колбы), емкость которых должна превышать необходимый для анализа объем пробы в 1,5–2 раза. Пробы, в которых определяют содержание неорганических веществ, хранят в полиэтиленовых бутылках, пробы, в которых определяют органические вещества, – в стеклянных. В соответствии с определяемыми в осадках ингредиентами бутыли маркируют (свинец, кадмий, мышьяк; ртуть; анионы, катионы, 3,4-бензпирен и другие ПАУ, ДДТ и другие ХОП). Объем месячной (декадной) пробы осадков для определения каждого ингредиента задается аналитической лабораторией в зависимости от применяемого метода анализа. Минимально необходимый для анализа объем может составлять при определении свинца и кадмия 0,2–1 л; мышьяка 0,2–0,5 л; ртути 0,1– 0,5 л; 3,4-бензпирена и других ПАУ 1–2 л; ДДТ и других ХОП 1–2 л; анионов, катионов порядка 1 л. Пробы осадков, в которых определяют содержание тяжелых металлов, консервируют непосредственно после отбора концентрированной азотной кислотой из расчета 5 мл кислоты на 1 л пробы. В пробы, в которых определяют ртуть, кроме азотной кислоты дополнительно вносят бихромат калия из расчета 0,2 г соли на 1 л пробы. Пробы осадков, в которых определяют содержание ХОП и ПАУ, консервируют после того, как накоплен необходимый объем пробы, т. е. консервации подвергают аликвоту из средней месячной (декадной) пробы дважды перегнанным n-гексаном из расчета 20 мл на 1 л аликвоты. При отрицательных температурах воздуха снег из осадкосборника переносят в чистую посуду и переводят в жидкое состояние при комнатной температуре. Затем проводят все операции, как при обработке жидких проб. Месячные (декадные) пробы осадков, в которых определяют содержание тяжелых металлов, хранят в прохладном темном месте, пробы, в которых определяют органические вещества, хранят в холодильнике. Отбор проб снега проводят на наблюдательной площадке станции фонового мониторинга в период накопления в нем максимального запаса влаги. В нескольких точках наблюдательной площадки с ненарушенным снежным покровом вырезают снегомером керны снега на всю глубину снежного покрова, при этом следят, чтобы нижняя часть керна не была загрязнена частицами почвы. Количество точек, в которых отбирают пробы, определяют на месте, исходя из необходимого объема пробы, запаса влаги в нем и равномерного охвата вы69 бранной площади отбора. Отобранную пробу переносят в эмалированный сосуд, закрывают и доставляют на фоновую станцию, где ее растапливают при комнатной температуре. Отстоявшуюся пробу декантируют или фильтруют через бумажный фильтр с белой лентой, разливают в полиэтиленовые и стеклянные бутылки и консервируют так же, как пробы атмосферных осадков. Для определения сульфатов пробу не консервируют. Отфильтрованные твердые частицы с фильтром высушивают на воздухе, складывают осадком вовнутрь, помещают в конверт из кальки и хранят в конверте до анализа. 6.3. Отбор проб поверхностных и подземных вод Отбор проб поверхностных вод проводят в типичных для района наблюдений водных объектах, при этом количество пунктов режимных наблюдений в зависимости от морфологии водных объектов может изменяться от 1 до 5 и более. На постоянном гидрохимическом створе рек отбор проб проводят не менее шести раз в год в основные гидрологические фазы (во время половодья на подъеме, пике и спаде; в летнюю межень; при прохождении дождевого паводка; в зимнюю межень). На озерах и водохранилищах отбор проб проводят четыре-пять раз в год: весной – незадолго до вскрытия водоема (до выхода воды на лед) и в период гомотермии; летом – во время наибольшего нагрева воды и низкого уровня, осенью – перед ледоставом. В проточных водоемах с большим колебанием уровня воды отбирают пробы при максимальном подъеме уровня. В постоянных пунктах наблюдения пробы отбирают со следующих горизонтов: при глубине водоема до 2 м – 0,2–0,5 м от поверхности или у нижней кромки льда зимой; при глубине – до 10 м – 0,2–0,5 м от поверхности или у нижней кромки льда зимой и придонный (0,5 м от дна); при глубине более 10 м кроме поверхностного и придонного горизонтов отбирают промежуточный слой, соответствующий половине глубины водного объекта. Отбор проб поверхностных вод производят с помощью батометра мгновенного или длительного наполнения. При отборе проб с больших глубин водоема используют лебедку. Пробы воды отбирают в нескольких точках водоема с разных горизонтов. Для получения осредненной пробы для каждого горизонта объединяют пробы со всей площади водоема, отобранные с одинаковых глубин. Для этого пробу сливают в чистую, предварительно промытую исследуемой водой полиэтиленовую (анализ на содержание тяжелых металлов) и стеклянную (анализ на содержание органических веществ) емкости. Осредненную пробу воды некоторое время отстаивают, а затем, исключая взбалтывание, разливают в соответствующие чистые бутылки, которые предварительно ополаскивают исследуемой водой. В случае медленного или плохого отстаивания пробу воды фильтруют через бумажный фильтр, при этом первую порцию фильтрата (порядка 20–50 мл) отбрасывают. Для отбора проб подземных вод устанавливают специальный кран, располагаемый как можно ближе к выходу воды из скважины. Перед отбором скважину прокачивают от старой, застоявшейся в стволе воды. Посуду ополаскивают несколько (3–5) раз отбираемой водой. 70 Для артезианских скважин отбирают две пробы, взятые с интервалом времени 24 ч. Для эксплуатируемых скважин пробы отбирают два раза в год (в весенний и осенний периоды) в первый год эксплуатации скважин, в дальнейшем, если качество воды стабильно, отбор проводят 1 раз в год. При значительных колебаниях состава воды отбирают не менее девяти проб в год – по три в осенний, весенний и летний периоды. Отобранную пробу отфильтровывают. Объем пробы воды зависит от метода анализа и составляет при определении содержания свинца, кадмия и мышьяка 2–3 л; ртути 0,5–1 л; 3,4-бензпирена и других ПАУ 1–2 л; ДДТ и других ХОП 2–5 л. Пробы поверхностных и подземных вод консервируют сразу же после их разлива в соответствующие бутылки. Консервация и хранение проб аналогичны консервации и хранению проб атмосферных осадков. 6.4. Отбор проб донных отложений Отбор проб донных отложений для определения содержания загрязняющих веществ производят в тех же точках, что и отбор поверхностных вод. Пробы донных отложений без нарушения структуры грунта отбираются с помощью грунтовой трубки (например, ГОИН-1,5), позволяющей отбирать пробы донных отложений на глубину до 1,5 м. Для анализа стратификационную колонку рекомендуется расчленить на части, величина которых зависит от режима формирования донных отложений и которые могут быть смешаны с аналогичными частями колонок других пунктов для получения средней пробы по горизонту. При режимных наблюдениях пробы верхних слоев донных отложений отбирают донным щупом (например, ГР-69), дночерпателем или драгой. Предварительную обработку и хранение проб донных отложений производят аналогично обработке и хранению проб почвы. 6.5. Отбор проб почвы По программе режимных наблюдений отбор проб почвы проводят ежегодно на стационарных площадках, количество которых может изменяться в зависимости от разнообразия почвенно-растительного покрова района наблюдений. Отбор проб почвы при режимных наблюдениях проводят из следующих горизонтов: подстилки (опада, дернины), верхнего гумусового на глубину 0–5 см и иллювиального. Мощность и глубина залегания иллювиального горизонта, количество индивидуальных проб для каждой площадки указываются в ее паспорте. Если обследование почв не проводилось, ограничиваются отбором проб из верхних горизонтов (подстилки, горизонта 0–5см). В этом случае смешанную пробу составляют из 20–25 индивидуальных проб, отобранных в точках, равномерно расположенных на площади 1 га. Пробы, отобранные в разных точках площадки, смешивают отдельно по горизонтам и отбирают средний образец весом около 1 кг. Пробы почвы тщательно перемешивают, освобождают от инородных вклю71 чений и высушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния или в сушильном шкафу при температуре 40–50°С. Образец растирают в фарфоровой ступке и просеивают через почвенное сито 0,5 мм. Из образца почвы отбирают средние пробы: для анализа на тяжелые металлы – 50 г, хранят в полиэтиленовых запаянных пакетиках; для анализа на ПАУ и ХОП – по 100 г, хранят в хлопчатобумажных мешочках или бумажных пакетах в прохладном, сухом месте. Средние пробы перед анализом дополнительно измельчают до размера порядка 0,1мм. 6.6. Отбор проб растительного материала Отбор проб травянистой растительности проводят в период накопления ею максимальной биомассы. Отбор проб древесной (лиственной) растительности и мохового покрова проводят один раз в год в конце вегетационного периода. Отбор проб хвойной растительности проводят в начале и в конце вегетационного периода (май, октябрь). Масса исходной пробы должна составлять 1– 2 кг, масса сухой пробы – 200 г. Древесная растительность. Для постоянного отбора проб в районе фоновой станции на площади примерно 10 км2 выбирают пять площадок размером 1–10 га. На каждой площадке отбирают смешанные пробы, которые составляют путем объединения нескольких десятков отдельных проб, отбираемых с деревьев различных видов пропорционально их доле участия в составе древостоя. В хвойном лесу смешанную пробу составляют путем объединения образцов хвои, взятых от 25 деревьев возраста 20–40 лет. При отборе проб ножницами на штанге в смешанном или сосновом лесу из средней части кроны, а в еловом из нижней части кроны вырезают по одной ветке. От нее отрезают побег последнего годового прироста (хвойные) или отбирают все листья. Травянистая растительность. Пробы отбирают с элементарных площадок площадью от 0,25 до 1 м2 в зависимости от густоты травянистого покрова. Смешанную пробу составляют из четырех-пяти индивидуальных проб. Отбирают надземные органы растений, для чего всю траву на выбранных площадках срезают ножницами под корень. Моховой покров. Индивидуальные пробы отбирают с элементарных площадок площадью 0,25 м2. Смешанную пробу составляют из четырех-пяти индивидуальных проб. Для анализа отбирают только зеленые части растений. Отобранные пробы упаковывают в полиэтиленовые или бумажные пакеты. В течение 48 ч пробы направляют в лабораторию для дальнейшей обработки. Пробы растительного материала промывают дистиллированной водой, высушивают при комнатной температуре или в сушильном шкафу при температуре 40–50 0С до воздушно-сухого состояния и взвешивают. Высушенные пробы подвергают грубому измельчению с помощью ножниц и тонкому измельчению на мельнице, затем из них отбирают средние пробы: для анализа на тяжелые металлы по 50 г – хранят в запаянных полиэтиленовых пакетах; для анализа на ХОП и ПАУ по 100 г – хранят в хлопчатобумажных мешочках или бумажных пакетах. 72 6.7. Отбор тканей животных Пробы тканей позвоночных животных (млекопитающие, рыбы) берут у особей, добытых нехимическим путем в период их регулярного промысла или отстрела по программе регуляции численности популяции, а моллюсков – в ходе гидробиологических обследований, регулярно осуществляемых по программе мониторинга. Из всех добытых позвоночных животных одного вида рекомендуется брать молодых особей (не сеголеток). Отбор проб тканей животных одного вида из одной и той же географической местности проводят один раз в 1–3 года в одни и те же сроки. От свежей туши крупного хищного животного (волк, лисица) отрезают по куску мышечной ткани (~100 г) и жира (~50 г), а от небольших промысловых хищников (куница, соболь и т. д.) – заднюю половину тушки без хвоста. У рыб (щука, окунь, судак) также берется мышечная (100 г) и жировая (50 г) ткань. Мелкие особи (весом до 300 г) теплокровных животных (без шкурки) и рыб берут на пробу целиком. Каждый кусок ткани (или тушку) без измельчения упаковывают в фольгу или стеклянную тару и маркируют отдельно. В этикетке, которую привязывают к упакованной пробе, указывают: вид животного, его пол, возраст, название пробы, дату и место добычи (указывают удаленность в километрах от ближайшего населенного пункта или других мест хозяйственного использования). Если животные добыты в тех местах, где они могут кормиться почти исключительно дикими животными, это отмечают на этикетке или в сопроводительном к пробам письме. Пробы позвоночных берут от 1–3 животных одной и той же стаи. Затем упакованные и маркированные пробы, взятые от одной и той же особи, связывают вместе и сразу замораживают. В связи с этим биологический материал от диких млекопитающих рекомендуется собирать в зимний сезон. Пробу моллюсков вместе с раковиной весом ~50 г собирают из особей одного вида, упаковывают с единой для них этикеткой и замораживают. В замороженном состоянии пробы тканей животных хранят и доставляют в аналитическую лабораторию. 73 7. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ 7.1.Метрологические приборы для измерения физических параметров атмосферы Анемометры – метеорологические приборы для измерения скорости ветра, а в некоторых конструкциях и направления ветра. Простейшим таким анемометром является флюгер Вильда (академик, С-Петербург, 70-е гг. XIX века). Угол отклонения α связан со скоростью ветра V соотношением: V = B tgα , cos α где В зависит от форм, размеров и веса доски. Флюгер Вильда устанавливается на открытом месте на столбе, на высоте 8–10 м над землей. Анемометр ручной индукционный АРИ-49 Ветер Анемометр АРИ-49 (рис. 13) предназначен для измерения мгновенных значений скорости ветра в наземных условиях. Рис. 12. Флюгер Вильда Основные технические характеристики: Пределы измерений, м/с ............................... 2—30 Цена деления шкалы, м/с ............................... 1 Погрешность, м/с не более .......................... ± (0,5 +0,05 v), где v — скорость ветра Габаритные размеры, мм ............................... 120X200 Масса, кг не более ......................................... 0,35 Краткое описание Действие прибора основано на измерении угловой скорости вращения трехчашечной вертушки с помощью магнитоиндукционного тахометра. Чувствительным элементом прибора является трехчашечная вертушка, закрепленная на вращающейся в подшипниках оси. На нижнем конце оси закреплена магнитная система, Рис 13. Анемометр ручной индукционный АРИ-49 состоящая из постоянного магнита, 74 (4) магнитопровода и температурного компенсатора. В нижней части корпуса анемометра смонтирован преобразователь угловой скорости в угол поворота стрелки, состоящий из металлического колпачка, расположенного в кольцевом зазоре между магнитом и магнитопроводом, волоска и стрелки. Скорость ветра определяется по положению стрелки относительно шкалы, закрепленной на плате. Наблюдение за положением стрелки производится через окно, имеющееся в нижней части корпуса прибора. Прибор снабжен ручкой, а также комплектуется специальным наконечником, навертываемым на хвостовик вместо ручки, когда прибор устанавливается на деревянном шесте. При действии на прибор воздушного потока вращающаяся вместе с осью магнитная система создает вращающееся магнитное поле, вызывающее в металлическом колпачке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем магнита возникает момент, под действием которого колпачок поворачивается, закручивая волосок. Угол поворота оси с колпачком пропорционален скорости вращения вертушки, следовательно, отклонение стрелки прибора пропорционально скорости ветра. Анемометр работает на открытом воздухе при температуре -40, +45°С. Прибор соответствует ГОСТ 7193-74. Барометр – (от греческого «барос» - тяжесть и «метр» - измеряю) – метеорологический прибор, служащий для измерения атмосферного давления. Наиболее распространенными стандартными приборами, обладающими большой точностью показаний, являются жидкостные барометры, в которых определяемое давление воздуха уравновешивается давлением столба жидкости. Последнее легко может быть определено, если известны высота этого столба и удельный вес жидкости. Обычно этой жидкостью является ртуть, особенно подходящая для указанной цели в силу своего весьма большого удельного веса: атмосферное давление на уровне моря эквивалентно давлению ртутного столба высотой около ¾ м. Кроме ртутных барометров используются металлические барометры или анероиды, особенно распространенные в быту. Для абсолютных измерений, особенно в экспедициях, применяются гипсотермометры или термобарометры. Гипсотермометром измеряется температура кипения воды, которая зависит от внешнего давления, причем эта зависимость исследована весьма точно. Принцип устройства ртутного барометра был дан в знаменитом опыте Торричелли, ученика Галилея, поставленном в 1643 году. Барограф метеорологический М-22 Барограф М-22 (рис. 14) предназначен для непрерывной регистрации атмосферного давления. Барограф изготовляется двух типов: суточный М-22с с продолжительностью одного оборота барабана 26 ч и недельный М-22н с продолжительностью одного оборота барабана 176ч. Регистрация атмосферного давления производится на специальной диаграммной ленте. 75 Основные технические характеристики: Пределы регистрации, мбар ................................................. 780—1060 Габаритные размеры, мм ...................................................... 140X225X200 Масса, кг ................................................................................. 2,5 Краткое описание Прибор состоит из чувствительного элемента — блока анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса. Действие барографа основано на свойстве анероидных коробок деформироваться при изменении атмосферного давления. Суммарная деформация блока анероидных коРис. 14. Барограф метеорологический М-22 робок через передаточный механизм передается стрелке с пером. Перо производит запись изменений атмосферного давления на диаграммной ленте, закрепленной на барабане, вращаемом часовым механизмом. Влияние температуры окружающего воздуха на величину деформации анероидных коробок компенсируется изгибом биметаллической пластинки термокомпенсатора. Диаграммная лента разделена по вертикали горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 1 мбар, а по горизонтали — вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного барографа и 2 ч для недельного. Прибор имеет приспособление, позволяющее наносить пером на диаграммной ленте отметки времени в нужный момент. Отметка времени производится нажимом на кнопку этого приспособления, выведенную наружу. Установка пера на требуемое деление ленты, соответствующее измеренному значению атмосферного давления, осуществляется вращением установочного винта, при помощи которого перо перемещается по всей высоте барабана. Регулировка прибора для записи атмосферного давления в другом диапазоне производится на месте его эксплуатации. Прибор предназначен для работы в помещении при температуре воздуха — 10, +45°С. Барограф соответствует ГОСТ 6359—63. Гигрометр – прибор для определения содержания водяного пара в воздухе (или измерения относительной влажности воздуха). Наиболее распространен волосяной гигрометр. В его устройстве применяется человеческий волос, способный изменять свою длину, в зависимости от влажности воздуха, в котором он находится. Гигрометр метеорологический М-19 (МВ-1) Гигрометр М-19 (МВ-1) (рис. 15) предназначен для измерения относительной 76 влажности воздуха. Основные технические характеристики: Пределы измерений, % ............... 30-100 Габаритные размеры, мм ............... 20X158X290 Масса, кг ........................................ 0,25 Краткое описание Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Прибор состоит из чувствительного элемента, передаточного механизма, стрелки, шкалы и металлической рамки, на которой закреплены детали прибора. Чувствительным элементом служит обезРис. 15. Гигрометр жиренный человеческий волос. Изменение метеорологический М-19 (МВ-1) длины волоса с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы прибора. Натяжение волоса обеспечивается специальным грузиком. С помощью регулировочного винта можно при необходимости перемещать стрелку относительно шкалы прибора. Изменение чувствительности прибора достигается изменением длины рычага, перемещающего стрелку. Гигрометр рассчитан на работу при температуре воздуха —50, +55°С. Гигрометр соответствует ТУ 25-04-1862-72. Гигрометр волосной в круглой оправе М-68 (МВК) Гигрометр волосной в круглой оправе М-68 (МВК) для измерения относительной влажности воздуха в складских и промышленных помещениях. Основные технические характеристики: Диапазон измерения относительной влажности (при температуре —10, +35°С), % ..........................................30–100 Основная погрешность измерения, % ...................................не более 10 Габаритные размеры, мм .........................................................⎠125X40 Масса, кг ...................................................................................0,25 Рис. 16. Гигрометр волосной в круглой оправе М-68 Краткое описание Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять длину в зависимости от изменения относительной влажности воздуха. Прибор состоит из чувствительного элемента (двух пучков равномерно натянутых обезжиренных человеческих волос), передаточного механизма, пружины для 77 создания начального натяжения чувствительного элемента, шкалы, стрелки и корпуса. Изменение длин пучков волос преобразуется с помощью передаточного механизма в угловое перемещение стрелки по шкале. Гигрометр рассчитан на работу при температуре воздуха -35, +45°С. Гигрометр соответствует ТУ 25-04-1808-72. Гигрограф метеорологический М-21 Гигрограф М-21 (рис. 17) предназначен для непрерывной регистрации относительной влажности воздуха в наземных условиях. Прибор поставляется двух типов: суточный М-21с с продолжительностью одного оборота барабана часового механизма 26 ч и недельный М-21н с продолжительностью одного оборота барабана часового механизма 176 ч. Регистрация изменений относительной влажности воздуха производится на специальной диаграммной ленте. В зависимости от формы корпуса гигрограф выпускается в двух вариантах: М-21 и М-21А Краткое описание Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять длину при изменении влажности воздуха. Чувствительным элементом прибора служит пучок обезжиренных человеческих волос. Прибор состоит из чувствительноРис. 17. Гигрометр метеорологический М-21 го элемента, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса. Изменение длины пучка волос с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, закрепленной на барабане часового механизма. Вращение барабана с лентой осуществляется часовым механизмом. Чувствительный элемент прибора предохраняется от повреждений специальной защитой. Прибор имеет приспособление, позволяющее наносить пером стрелки на диаграммной ленте отметки времени записи при закрытом корпусе прибора. Психрометр аспирационный МВ-4 Психрометр МВ-4М (рис. 18) предназначен для измерения температуры и определения влажности воздуха с применением психрометрических таблиц на метеорологических станциях и в промышленных условиях. Основные технические характеристики Пределы измерений относительной влажности воздуха, % ............... 10–100 Цена деления термометров, °С .............................................................. 0,2 Масса, кг ................................................................................................... 1,2 78 Краткое описание Работа прибора основана на зависимости разности температур сухого и смоченного термометров от влажности окружающего воздуха. Прибор состоит из двух одинаковых ртутных термометров (ГОСТ 15055—69), закрепленных в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа представляет собой трубку, раздваивающуюся книзу, и защитные планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединен с аспиратором. Аспирационная головка состоит из заводного механизма и вентилятора, закрытых колпаком. Пружина заводного механизма заводится специальным ключом. Рис. 18. Психрометр аспирационный МВ-4М При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке. Сухой термометр будет показывать температуру воздуха, а показания смоченного термометра будут меньше из-за охлаждения, вызванного испарением воды с поверхности батиста, облегающего резервуар термометра. Для определения влажности по показаниям сухого и смоченного термометров используют психрометрические таблицы. В эксплуатации прибор не требует специальной дополнительной защиты от солнечной радиации. Прибор рассчитан на работу при температуре воздуха -10, +40°С. 7.2. Гидрологические приборы и установки Батометр – прибор для взятия пробы воды заданного объема и с заданной глубины водоема. Известны: 1. Батометры для взятия проб воды с целью определения в ней методами химического анализа состава растворенных в ней веществ (солей и газов) и определения физических свойств воды. 2. Батометры для взятия проб воды с целью определения количества и крупности (минералогического и химического состава) взвешенных в воде частиц твердого вещества – наноса. 3. Батометры для взятия проб воды на санитарные исследования. Для взятия проб воды на химический анализ используется батометр Молчанова. Батометр Молчанова ГР-18 Батометр ГР-18 (рис. 19) предназначен для взятия проб воды на озерах с одновременным измерением температуры воды. 79 Основные технические характеристики: Емкость батометра, л не менее .........................................4 Масса посыльного груза, кг................................................0,6 ±0,01 Глубина погружения, м.......................................................50 Габаритные размеры, мм ....................................................630X310X135 Масса, кг ...............................................................................50 Краткое описание Отбор проб воды производится путем опускания прибора на тросе на заданную глубину с последующим мгновенным закрыванием крышек цилиндров при помощи пружинного механизма. Пружинный механизм приводится в действие посыльным грузом. Батометр состоит из двух одинаковых цилиндров, изготовленных из органического стекла емкостью 2 л каждый, связанных между собой металлической рамой, состоящей из двух оснований — верхнего и нижнего. Донышки цилиндров, связанные между собой коромыслом, открываются и отводятся вместе с центральной осью и временно закрепляются в таком положении с помощью двух подпружиненных собачек, расположенных у верхнего края оси. В верхней части центральной оси имеется паз с винтом для подвеса батометра к тросу и гоРис. 19. Батометр Молчанова ГР-18 ловка, ударом по которой посыльным грузом разводятся подпружиненные собачки и закрываются донышки и верхние торцы цилиндров. Внутри каждого цилиндра имеется термометр для измерения температуры воды (ГОСТ 6083—69). Термометры закреплены внутри цилиндра на специальных кронштейнах. Два непрозрачных кольца, надетых на каждый цилиндр, защищают термометры от попадания на них прямых солнечных лучей. На нижней стороне каждого донышка имеется кран для слива пробы воды. Прибор соответствует ТУ 25-08-803-70. Для взятия пробы с целью определения количества и крупности взвешенных в воде частиц твердого вещества (наноса) чаще всего используется батометрбутылка и батометр вакуумный. Эти батометры, в отличие от батометра Молчанова, позволяют собирать пробу постепенно, в течение нескольких минут, т.е. осредненную по времени. Чаще используется батометр-бутылка на штанге, реже батометр-бутылка в тяжелом грузе, подвешиваемом на тросе. Батометр-бутылка на штанге ГР-16М Батометр-бутылка ГР-16М предназначен для взятия проб воды со взве80 шенными наносами при длительном наполнении. Основные технические характеристики Глубина взятия проб интеграционным способом при скоростях течения до 1 м/с, м ............................................ 1,0 — 3,5 Глубина взятия проб точечным способом при скоростях течения до 1,5 м/с, м ......................................... 0,5 — 1,5 Габаритные размеры, мм ........................................................... 790X110X140 Масса (без штанги в укладке), кг.............................................. 5 Краткое описание Батометр состоит из однолитровой молочной бутылки, которая вставляется в металлическую обойму и закрепляется в ней с помощью зажимной ленты и винта. Обойма с бутылкой устанавливается с помощью муфты на штанге (от вертушки ГР-21) и закрепляется винтом. Бутылка снабжена металлической головкой с двумя трубками — водозаборной и воздухоотводной. На концы обеих трубок навинчиваются насадки, соответствующие скорости течения. Скорость течения, м/с <1 1–2 >2 Диаметр отверстия насадки, мм на водозаборной трубке 6 4 4 на воздухоотводной трубке 1,5 2 4 При взятии пробы прибор ориентируется в потоке по указателю-визиру на штанге так, чтобы водозаборная трубка располагалась против течения, а воздухоотводная — по течению, причем обе — в одной вертикальной плоскости. Заполнение бутылки происходит при постоянном гидростатическом напоре, обусловленном разностью высот (4 см) внешних концов обеих трубок. Для заполнения бутылки со скоростью, близкой к скорости течения в потоке, к комплекту прибора прилагается пять насадок с отверстиями соответствующих размеров. Прибор соответствует ТУ 25-04-1741-71. Батометр-бутылка в грузе ГР-15 Батометр-бутылка в грузе ГР-15 (рис. 20) предназначен для взятия проб воды со взвешенными наносами при длительном наполнении. Основные технические характеристики: Глубина взятия проб интеграционным способом при скорости течения до 2,5 м/с, м ........................................... от 1 до 15 Глубина взятия проб точечным способом, м ...................от 0,5 до 1,5 Габаритные размеры, мм в укладке без груза .............................................................450X160X136 в сборе с грузом ...................................................................895Х265Х170 Масса в сборе с грузом, кг..................................................не более 40 81 Краткое описание Батометр состоит из груза рыбовидной формы и однолитровой молочной бутылки. Груз имеет корпус, хвостовое оперение и откидную головку с вертиРис. 20. Батометр-бутылка в грузе РГ-15 кальным пазом, через который наружу выходят две трубки. Хвостовое оперение имеет передвижной грузик для балансировки прибора на тросе. Груз подвешивается к тросу карабином-скобой за кольцо подвеса. В корпусе груза помещается бутылка, закрепляемая неподвижно посредством откидной скобы и поддона. Бутылка снабжена металлической головкой, через которую проходят две трубки — водозаборная и воздухоотводная. На концы обеих трубок навинчивается соответствующая скорости течения пара насадок: Скорость течения, м/с <11—2>2 Диаметр отверстия насадки, мм на водозаборной трубке 6 44 на воздухоотводной трубке 1,5 2 4 В пазу откидной головки груза обе трубки располагаются в одной вертикальной плоскости. Бутылка вкладывается в полость груза до упора дном в пружинящий поддон и закрепляется откидной планкой, после чего закрывается передняя откидная часть груза. Груз крепится к тросу и опускается с лебедки. В потоке при воздействии течения воды на хвостовое оперение груза водозаборная трубка бутылки устанавливается против течения, а воздухоотводная – по течению. Прибор соответствует ТУ 25-04-1750-71. Батометр вакуумный модернизированный ГР-61 Батометр ГР-61 (рис. 21) предназначен для взятия проб воды со взвешенными наносами при длительном наполнении. Основные технические характеристики Глубина взятия проб точечным способом при скорости течения до 3 м/с, м ........................................ 0,1—20 Цена деления шкалы, мл....................................................... 20 Габаритные размеры, мм ...................................................... 670X240X220 Масса комплекта (в укладке), кг .......................................... не более 17 Краткое описание Действие батометра основано на засасывании через заборный наконечник пробы воды за счет разрежения, создаваемого насосом в вакуумной камере. 82 Батометр вакуумный состоит из вакуумной камеры, ручного воздушного насоса и водозаборного наконечника, соединенных между собой двумя резиновыми шлангами, а также крана-тройника со Рис. 21. Батометр вакуумный модернизированный ГР-61 струбцинкой. Вакуумная камера представляет собой цилиндрический сосуд, нижняя часть которого заканчивается конусом, имеющим на конце кран для сливания пробы. В верхней части камеры (крышке) установлены три крана, два из них соединяются при помощи резиновых шлангов с насосом и водозаборным наконечником, через третий кран в вакуумную камеру поступает атмосферный воздух. В центре крышки имеется отверстие, герметически закрытое пробкой, служащее для промывания камеры, а также для установки вакуумметра. Вдоль цилиндрической части камеры прорезано смотровое окно, закрытое органическим стеклом. По обеим сторонам смотрового окна на прижимной рамке нанесены деления шкалы. Оцифровка шкалы трехлитровой камеры нанесена через 25 делений. Заборный наконечник представляет собой изогнутую металлическую трубку, с карабинами для крепления на грузе или штанге. Ручной насос и заборный наконечник соединены с вакуумной камерой резиновыми шлангами. Прибор применяется на равнинных и горных реках. Работа с прибором может производиться с лодки, катера, понтона, мостика, люльки, а на малых реках — с берега. В зимнее время прибор опускается со льда. Прибор соответствует ТУ 25-04-1748-71. Батометр для взятия проб воды на санитарные исследования представляет собой стеклянную бутыль, укрепляемую вертикально на подставке, скрепленную со штангой. Перед взятием пробы бутыль закрывается пробкой, к которой привязан шнур. После погружения батометра на заданную глубину пробка выдергивается, вода свободно втекает в батометр. Вертушка гидрометрическая – прибор для измерения скорости течения воды в водоеме. Главная часть прибора – рабочее колесо (лопастной винт, ротор), вращающиеся в омывающем его потоке воды. Обороты колеса фиксируются механическим счетчиком на корпусе прибора или передаются системой электрической сигнализации наблюдателю. Действие прибора основано на существовании зависимости V=f(n), (5) где V–скорость течения набегающей на прибор воды, м/сек; n – число оборотов рабочего колеса в сек. С 1790 г., когда появилась первая вертушка, предложено более 200 различных моделей. 83 Можно выделить 4 основных типа вертушек: 1. Вертушки, позволяющие измерить вектор скорости (величина и направление). 2. Вертушки, которые будучи направленными под некоторым углом к направлению потока, позволяют измерить величину проекции скорости потока на направление вертушки. 3. Вертушки, которые и без соблюдения условий ориентирования прибора по отношению к направлению течения, позволяют определять величину скорости набегающего потока. 4. Вертушки, позволяющие измерить только величину скорости потока и причем только при условии ориентирования прибора строго навстречу потоку. Измеритель течений ГР-42 Измеритель течений ГР-42 (рис. 22) предназначен для измерения скорости и направления течений в озерах и водохранилищах. Основные технические характеристики: Пределы измерения: скорости течения, м/с.................................................................... 0,02 — 07 Габаритные размеры, мм; узла измерения направления течения.......................................... 575X320X390 узла измерения скорости течения (в укладке)........................... 210X215X230 блока питания......................................................................... ....... 325Х155Х175 специального груза (в укладке).................................................... 625X210X200 Масса, кг узла измерения направления течения (в укладке)...................... 28,0 узла измерения скорости течения (в укладке)...................... 2,6 блока питания......................................................................... ...…7,5 специального груза (в укладке).................................................... 20,0 Специальный груз поставляется по требованию заказчика для работ при скоростях течения более 0,7 м/с с применением сетевых гидрометрических вертушек типа ГР-21М, ГР-55. Краткое описание Измеритель течений состоит из двух самостоятельных узлов: для измерения скорости течения и для измерения направления течения. Измерение скорости течения основаРис. 22. Измеритель течений ГР-42 но на зависимости угловой скорости вращения вертушки от скорости течения. Узел направления разработан на базе дистанционного потенциометрического компаса ПДК-3, датчик которого установлен на раме с вертлюгом, имеющей хвостовое оперение, обеспечивающее 84 ориентацию ее в потоке. Рама служит также для монтажа и ориентации против течения гидрометрической вертушки. В качестве отсчетного устройства для измерения направления течения применен трехкатушечный магнитоэлектрический логометр, образующий совместно с датчиком следящую систему, что позволяет измерять угол между положением корпуса прибора и магнитным меридианом, т. е. направление течения. Скорость течения воды определяется по количеству замыканий контакта шестилопастной гидрометрической вертушки в единицу времени с помощью тарировочного графика. Прибор рассчитан на работу в полевых условиях с плавсредств (в летний период) и со льда (в зимний период). Измеритель течений соответствует ТУ 25-04-1865-73. Гидрометрическая вертушка ГР-21М Гидрометрическая вертушка ГР-21М (рис. 23) предназначена для измерения скоростей течения в водотоках. Опускается в поток на штанге или тросе. Основные технические характеристики: Пределы измерения, м/с................................................................ 0,04 — 5,0 Глубина погружения, м: на гидрометрической штанге ....................................................... до 3 на тросе .......................................................................................... до 20 Габаритные размеры укладочного ящика, мм ........................ 375X200X160 Масса (в укладке), кг ................................................................... не более 6 Краткое описание Работа гидрометрической вертушки основана на преобразовании угловой скорости вращения Рис. 23. Гидрометрическая вертушка ГР-21М винта под действием набегающего потока в частоту следования электрических импульсов. Между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в единицу времени существует определенная зависимость, устанавливаемая при тарировке. Вертушка состоит из корпуса, винта, управляющего контактным преобразователем, и хвостового оперения. Корпус, в котором расположен контактный преобразователь, — водонепроницаемый и заполнен маслом. Сигнальное устройство состоит из электрического звонка или лампочки, управляемых контактным преобразователем. Один электрический импульс в сигнальной цепи отмечается через 20 оборотов винта. Для счета числа импульсов в единицу времени используется секундомер. Прибор рассчитан на работу в полевых условиях с плавсредств или с гидрометрических сооружений (мостик, люлька) в летний период и со льда в зимний период. Вертушка рекомендуется для эксплуатации на реках равнинного типа. 85 Прибор соответствует ТУ 25-04-1629-71. Микровертушка ГР-96 Микровертушка ГР-96 (рис. 24) предназначена для измерения скорости течения воды. Опускается в поток на штанге. Основные технические характеристики: Пределы измерения, м/с................................................................ 0,04 — 2,0 Габаритные размеры укладочного ящика, мм ........................... 325X190X140 Масса (в укладке), кг..................................................................... 5,5 Рис. 24. Микровертушка ГР-96 Краткое описание Определение скорости течения воды основано на зависимости между скоростью течения набегающего потока и угловой скоростью вращения лопастного винта. Скорость течения в любой точке потока определяется по тарировочному графику. Прибор состоит из вертушки и регистратора импульсов. Вертушка состоит из корпуса, ходовой части с лопастным винтом и кон- тактного устройства. Преобразование числа оборотов винта в электрические сигналы основано на использовании электропроводных свойств воды, составляющей электрическую цепь линии связи. Сигналы в линии связи следуют через один оборот лопастного винта. Регистратор импульсов состоит из усилителя и электромеханического счетчика. Усилитель предназначен для формирования и усиления электрических импульсов, а электромеханический счетчик — для суммирования их количества. Отсчет времени производится по секундомеру. Микровертушка ГР-96 рекомендуется для эксплуатации в лабораторных условиях, а также в естественных руслах и каналах при отсутствии травы, водорослей и пр. Прибор соответствует ТУ 52-08-320-75. Гидрометрическая вертушка ГР-99 Вертушка ГР-99 (рис. 25) предназначена для измерений скоростей течения воды как в отдельных точках, так и интеграционным способом. Опускается в поток на штанге или тросе. Основные технические характеристики Пределы измерения, м/с................................................................ 0,05 — 5 86 Диаметр лопастного винта, мм .................................................... 80 Габаритные размеры укладочного ящика, мм............................ 355X210X235 Масса (в укладке), кг .................................................................... не более 9 Краткое описание Определение скорости течения воды основано на функциональной зависимости между скоростью течения набегающего потока и угловой скоростью вращения лопастного винта. Прибор состоит из вертушки и пульта со счетчиком импульсов. Преобразование числа оборотов лопастного винта вертушки в Рис. 25. Гидрометрическая вертушка ГР-99 электрические импульсы осуществляется с помощью магнитоуправляемого контакта (геркона). Суммирование импульсов, поступающих от контактов геркона, осуществляется регистратором импульсов. Пульт состоит из электромеханического счетчика, секундомера и устройства, обеспечивающего синхронное включение и выключение счетчика и секундомера. Скорость течения воды определяется по тарировочному графику. Вертушка ГР-99 рекомендуется для эксплуатации на реках равнинного и горного типа с плавсредств или с гидрометрических сооружений (мостик, люлька). Прибор соответствует ТУ 25-04-1933-74. Выпускаемые в настоящее время метрологические и гидрологические приборы имеют современный дизайн, оснащены микропроцессорами, позволяющими получать исследуемую величину непосредственно на дисплее, но основной принцип их работы сохранен. 87 8. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 8.1. Методы контроля за выбросами, сбросами и состоянием окружающей природной среды Получение полной и оперативной информации экологического состояния объектов окружающей среды является важнейшей и наиболее трудной задачей мониторинга. Вопросы повышения производительности и оперативности измерений, регулярности контроля, масштабности охвата одновременным контролем, автоматизации и оптимизации технических средств и самого процесса контроля становятся определяющими в оценке эффективности того или иного мониторинга в целом. Методы экологического контроля можно условно разделить на контактные и неконтактные. Контактные методы предусматривают непосредственный контакт исследователя с контролируемым объектом (пробой) при использовании физических или физико-химических методов анализа. В настоящей работе рассматриваются контактные методы экологического контроля как наиболее распространенные и имеющие большой период использования их на практике. Физико-химические методы исследования основаны на взаимосвязи между составом системы и ее физическими и физико-химическими свойствами. В решении аналитической задачи физико-химическими методами обычно намечаются следующие этапы: 1. Приготовление стандартных систем, отличающихся друг от друга только содержанием определяемых веществ. 2. Количественная оценка некоторого свойства системы для каждого из стандартных растворов. 3. Графическое выражение установленной зависимости (построение калибровочного графика). 4. Измерение выбранного свойства для исследуемой системы и определение концентраций определяемых веществ. Физико-химические методы исследований объектов окружающей среды классифицированы соответственно используемым свойствам системы: хроматографическим, электрохимическим и оптическим. Таблица 10 Физико-химические методы Хроматографические 1. хроматография на бумаге; 2. хроматография в тонком слое; 3. газовая хроматография; 4.газожидкостная хроматография Электрохимические 1. полярографический; 2.амперометрическое титрование; 3. кондуктометрический; 4. кулонометрический; 5. потенциометрический; 6. ионометрия 88 Оптические 1. колориметрический; 2. нефелометрический; 3. турбидиметрический; 4. рефрактометрический; 5. люминесцентный 8.2. Хроматографические методы Метод газовой и газожидкостной хроматографии Газовая хроматография (ГХ) представляет собой метод разделения летучих соединений, основанный на распределении вещества между двумя фазами, одна из которых неподвижная (стационарная) с большой поверхностью, а другая – газ, протекающий через неподвижную фазу. Если стационарная фаза твердая, мы говорим о газоадсорбционной хроматографии. При этом адсорбционными наполнителями колонок служат силикагель, молекулярные сита, активированный уголь. Если стационарная фаза – жидкость, мы говорим о газожидкостной хроматографии (ГЖХ). В этом случае основой разделения является процесс распределения вещества пробы между тонкой пленкой жидкости, нанесенной на поверхность инертного твердого носителя, и газовой фазой. Газовая хроматография была введена в практику в 1952 году. Ее достоинства – высокая чувствительность, скорость, точность и простота. Аппаратурное оформление Газовый хроматограф состоит из: – баллона с газом-носителем (азот, гелий); – регулятора расхода газа-носителя; – испарителя – системы ввода пробы; – термостатов; – термостатируемой колонки; – детектора; – усилителя; – самописца. Рис. 26. Схема хроматографа Сущность метода В газожидкостной хроматографии разделяемые компоненты перемещаются по колонке с помощью газа-носителя, распределяясь между ним и стационарной фазой, нанесенной на твердый носитель определенной степени зернения. 89 Компоненты смеси в соответствии со своими коэффициентами распределения селективно удерживаются стационарной фазой до тех пор, пока не образуют отдельных зон в газе-носителе. Эти зоны выносятся из колонки газомносителем и регистрируются детектором в виде сигналов, являющихся функцией времени. Рис. 27. Хроматограмма Запись результатов хроматографического анализа на диаграммной ленте называется хроматограммой. Ось ординат фиксирует сигнал детектора в милливольтах, а ось абсцисс – время поступление сигнала. Чаще всего продолжительность ГЖХ измеряется минутами, т.е. очень мала, так как быстро устанавливается равновесие между стационарной и подвижной фазами, что позволяет использовать высокие скорости газа-носителя. Газовая хроматография дает возможность разделять соединения с практически одинаковыми температурами кипения за счет использования селективных стационарных фаз. Для газохроматографического процесса характерный параметр – время удерживания, т.е. время от момента ввода пробы до выхода максимума пика. Несколько соединений могут иметь одинаковые или близкие значения удерживания, однако каждое соединение имеет только одно определенное время удерживания. В большинстве случаев оно не зависит от присутствия других компонентов, но, например, при анализе водных растворов ряд авторов наблюдали изменение времени удерживания компонентов, элюируемых после высокополярного соединения, присутствующего в смеси в большой концентрации. Метод газовой хроматографии широко применяется, например для анализа воздуха производственных помещений. При исследовании углеводородов, как более сложных соединений, пробы воздуха отбирают с помощью электроаспиратора в концентрационную трубку с силикагелем АСМ (фракция 0,1-0,3) длинной 5 см и внутренним диаметром 3 мм. Отбор производят при комнатной температуре со скоростью 0,3-1 л/мин. Объем пробы воздуха должен составлять не более 20-30 л. Сконцентрированные на силикагели вещества вымывают 0,3 мл ацетона или хлороформа и 10-20 мкл полученного раствора анализируются на хроматографе с пламенноионизационным детектором. 90 Газовый хроматограф «Цвет – 104» Он снабжен тремя детекторами: катарометром; пламенно-ионизационным (ПНД); электронно-захватным (ЭЗД). Конструкция прибора предусматривает возможность переключения с одного типа детектора на другой, а также позволяет работать в режиме программирования. Разделение компонентов анализируемой воздушной смеси происходит на капиллярных колонках со скваланом или пропиленгликолем (длина колонки 5070 или 120 см и внутренний диаметр 0,25 мм) при 1000С. Хроматография на бумаге и в тонком слое Хроматография выполняется на специальной хроматографической бумаге или на пластинах, с нанесенным на нее тонким слоем сорбента (силикагель). На хроматографическую бумагу специальной иглой наносится 5, 2 или 1 мкл раствора, полученного после отмывки твердого сорбента или жидкого поглотителя в поглотительных трубках. При ТСХ (тонкослойной хроматографии) хроматографию проводят на пластинке с силикагелем, на которую также наносится капля исследуемого раствора с исследуемыми компонентами. Затем на пластину наносится специфический для определяемого вещества растворитель, или ее помещают в хроматографическую камеру, в которую предварительно ввели растворитель. Камера 30 мин насыщается парами растворителя. Затем пластину вынимают и помещают на 10 мин в сушильный шкаф при температуре 1000С или выдерживают в течение 30 мин в вытяжном шкафу при комнатной температуре. Далее опрыскивают хроматограмму растворами (проявителями). Определяют площади окрашенных мест и по ним рассчитывают концентрации или соскребают силикагель, растворяют вещество из каждой зоны растворителем и определяют концентрацию фотоэлектроколориметрическим методом. 8.3. Электрохимические методы Полярографический метод Полярографией называют электрохимический метод анализа, в основе которого лежит зависимость между характером поляризации рабочего электрода и составом раствора, в котором он находится. Зависимости предоставляют в виде кривой – полярограммы (рис. 28), вычерченной в координатах, соответствующих основным переменным, которые характеризуют ход этого процесса. Анализ полярограммы позволяет сделать вывод о том, какие ионы из числа определяемых и в какой концентрации присутствуют в растворе. 91 Рис. 28. Поляризационная кривая Метод позволяет определить миллионные доли граммов вещества в 1 см3 используемого раствора. Полярографии поддаются практически все катионы металлов, многие анионы, неорганические и органические вещества, способные к электрохимическому окислению или восстановлению. Этот метод нашел широкое применение в санитарно-химическом анализе: витаминов, сточных вод, ядовитых веществ и вредных продуктов при патологических изменениях тканей и т. п. Полярографический метод впервые был предложен в 1922 г. Я. Гейеровским, получившим за это Нобелевскую премию по химии. Достоинства полярографии следующие: – возможность установления качественного и количественного состава пробы; – возможность аналитического определения ряда веществ (ионов), присутствующих в растворе без предварительного их разделения; – возможность осуществления практически неограниченного количества повторных определений при использовании одной и той же пробы. Разряд иона на электроде может начаться лишь при некотором характерном для данного процесса значении электродного потенциала. По достижении последнего начинается разряд ионов и сила тока возрастает. До этого момента подводимая к электроду электроэнергия расходуется на увеличение заряда электрода и, следовательно, на увеличение потенциала последнего. Этот потенциал, соответствующий началу электрохимического восстановления или окисления вещества, называют потенциалом разряда. Его значение зависит от природы вещества и электролита, а также концентрации вещества в электролите. Как правило, используют два вида электродов – ртутно-капельный и твердый микроэлектрод. Кондуктометрический метод Метод основан на зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости вещества от концентрации и природы его компонентов. Другими словами, сущность метода состоит в измерении электропроводимости растворов. Для целей санитарно-химического анализа он может найти дальнейшее развитие при исследовании состава различных солевых растворов, определении концентраций кислот и растворов, органических соединений. 92 Обычной аппаратурой для измерения электропроводимости является мост Уитстона, примененный Кольраушем (прибор Кольрауша), использовавшим переменный ток. Этот метод до сих пор является универсальным и доступным. Установку легко собрать из приборов, выпускаемых отечественной промышленностью. Кулонометрический метод Метод базируется на измерении количества электрической энергии, затраченной на осуществление данного электрохимического процесса в данной пробе. Ценность этого метода для целей санитарно-химического анализа заключается в том, что он может быть применен не только для определения содержания металлов, но и для определения сложных органических соединений, санитарнохимический анализ которых другими методами трудоемок и требует больших затрат рабочего времени. Потенциометрический метод Метод основан на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Величина потенциала зависит от природы электрода, концентрации и природы раствора, в который опущен электрод, от характера химических реакций, температуры и т. п. В потенциометрии электроды играют роль индикаторов. В прямой потенциометрии определяют значение электродного потенциала, вычисляя затем концентрацию определяемого иона в растворе. Этот метод часто используется в рН-метрии. В объемном методе анализа при потенциометрическом титровании цветной индикатор заменяют металлическим электродом. Окончание реакции определяется по резкому изменению электродного потенциала в эквивалентной точке — скачок потенциала. Ионометрический метод В последнее десятилетие возникла и развивается новая область физико-химического исследования — ионометрия, основной задачей которой является разработка, изучение и применение широкого круга ионоселективных электродов, обратимых к большому числу катионов и анионов. Ионометрия находит применение и в практике санитарно-химического анализа, например, при определении галогенидов в природных водах в связи с нормированием их содержания в питьевой воде. Ионоселективные электроды получают на основе различных веществ: твердых и жидких ионитов, моно- и поликристаллов, антибиотиков, хелатов. В настоящее время предложено и исследовано несколько десятков типов ионоселективных электродов (К+, Na+, Сa2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, La3+, CN-, SCN-, J-, Вг-, Сl-, F-, NO3 -, ClO4 - и др.), многие из которых выпускаются промышленностью. Появление большого числа новых электродов значительно расширило инструмен93 тальную базу потенциометрического метода, с помощью которого осуществляется контроль за ионным составом разнообразных сред. Амперометрическое титрование Амперометрическое титрование – титрование, сопровождающееся слежением за изменением предельного тока, восстановления или окисления определяемого вещества. При наличии в лаборатории полярографа с его помощью можно проводить амперометрическое титрование. Однако вследствие дороговизны полярографа рациональнее использовать более простой и дешевый прибор, серийно выпускаемый отечественной промышленностью. В санитарно-химических лабораториях этот прибор широко апробирован для анализа сточных вод. Достоинства метода: – возможность количественного определения веществ, которые электрохимически не восстанавливаются и не окисляются; – высокая селективность метода; – возможность применения для анализа окрашенных и мутных растворов, что очень важно при санитарно-химическом анализе сточных вод; – возможность работы с растворами высокой концентрации посторонних веществ (преимущество по сравнению с кондуктометрическим методом); – более высокая точность анализа (на 5%) по сравнению с обычной полярограммой; – независимость результата анализа от температуры; – возможность применения для анализа больших количеств вещества; – возможность быстрого проведения титрования; – более простое и недорогостоящее аппаратурное оформление по сравнению с аппаратурным оформлением полярографического анализа. 8.4. Оптические методы Колориметрический метод Метод анализа, основанный на сравнении качественного и количественного изменения световых потоков при их прохождении через исследуемый и стандартный растворы, называется колориметрическим. Это общее определение. Однако если подойти более строго, то данный метод основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом, и правильнее называть его абсорбционным спектральным анализом. Существуют спектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа. Первый основан на измерении в монохроматическом потоке света (свет с определенной длиной волны λ), а второй — на измерении в не строго монохроматическом пучке света. Если рассматривать вопрос под таким углом зрения, то колориметрия — метод, осно94 ванный на измерении в видимой части спектра. В большинстве случаев под колориметрией подразумевают все методы определения концентрации вещества в растворе по поглощению света. Этим методом определяют в воде крезолы, фенолы, нефтепродукты формальдегиды, амины, алкилбензолсульфонаты, минеральные масла, цианиды, сульфиды, ртуть, кальций, барий, железо, никель. Сущность метода. Определяемый компонент при помощи химической реакции переводят в окрашенное соединение, после чего каким-либо инструментальным или визуальным способом измеряют интенсивность окраски полученного раствора. Таким образом, в колориметрии играют существенную роль, вопервых, правильно выбранные условия протекания химической реакции по переводу определяемого компонента в окрашенный раствор и, во-вторых, знание оптических свойств окрашенных растворов, что позволяет правильно выбрать способ измерения интенсивности окраски. Приборы, применяемые в колориметрии, делятся на два типа: 1) приборы непосредственного сравнения — пробирки, цилиндры, колбы, колориметры. Используя эту группу приборов, производят визуальное сравнение интенсивностей окрасок испытуемого и стандартного растворов; 2) фотометры — приборы, основанные на сравнении абсолютных или относительных интенсивностей световых потоков, прошедших через растворы. Они позволяют обходиться без непосредственного сравнения окрасок исследуемого и стандартного растворов, за счет применения соответствующих оптических систем. Фотометры бывают визуальные и фотоэлектрические. Фотометры, в которых используется поглощение монохроматического света, называются спектрофотометрами. Рефрактометрический метод Рефракцией называют изменение направления прямолинейного распространения света при переходе из одной среды в другую вследствие взаимодействия света со средой. Рефрактометрия — измерение избирательного преломления светового потока, падающего на поверхность пробы исследуемой среды. Преломление света оценивается по показателю преломления, который зависит от состава индивидуальных веществ и систем, а также от того, какие молекулы и в какой концентрации встретит на своем пути световой луч, так как под действием света молекулы разных веществ поляризуются по-разному. Достоинства метода. Измерение показателя преломления является весьма простой операцией, которая может быть осуществлена с высокой точностью и затратой очень малого количества вещества и минимального времени. Точное определение показателя преломления обеспечивает и точность определения содержания анализируемого вещества. Рефрактометрия находит применение для определения состава как двухкомпонентных растворов, так и тройных систем. Однако в последнем случае кроме определения показателя преломления необходимо установить плотность рас95 твора, также зависящую от состава системы. Рефрактометрический анализ сложных систем целесообразен в тех случаях, когда систему можно рассматривать как двойную или тройную. Например, если растворенные вещества представляют собой смесь относительно стабильного состава, то всю ее можно уподобить компоненту бинарной системы, считая другим компонентом растворитель. Последнее бывает необходимо при санитарно-химическом определении бензина в сточной воде. В некоторых случаях ряд веществ предварительно удаляют, а оставшуюся часть рассматривают как двух- или трехкомпонентную систему. Существуют два основных вида рефрактометров – конструкции Аббе и Пульфриха. Принцип их действия основан на определении предельного угла преломления света. Отечественные модели ИРФ-22 и РП считаются наиболее удобными в обращении и работа с ними менее утомительна. Эти две модели рекомендуются для использования в практике санитарно-химического анализа. Принцип работы обоих типов рефрактометров очень прост. На чистую поверхность измерительной призмы с помощью стеклянной палочки наносят несколько капель исследуемой жидкости. Затем вращают маховичок до тех пор, пока призменный блок не займет такого положения, при котором предельный луч совместится с оптической осью зрительной трубы, а граница света и темноты — с видимым в трубу пересечением двух прямых линий, через которое проходит эта воображаемая ось. По положению наблюдаемой в визирную трубку отсчетной линии определяют значение показателя преломления. Люминесцентный метод Данный метод основан на зависимости спектра сигнала, переизлученного пробой контролируемого вещества под воздействием облучающего сигнала. Физический эффект этого явления объясняется следующим. Способность атомов и молекул поглощать энергию, поступающую к ним извне, вызывает их возбуждение. Избыточная энергия атомов и молекул, полученная при возбуждении, может быть израсходована на ионизацию вещества, на фотохимические реакции, на нагрев вещества. Кроме того, возбужденные атомы или молекулы способны отдавать избыточную энергию в виде света. Большинство твердых веществ при сильном нагревании светятся, т. е. наблюдается тепловое излучение раскаленного тела. Естественно, что чем больше энергии при данной температуре поглощает тело, тем больше оно ее излучает. У некоторых веществ наблюдается холодное свечение — люминесценция, т.е. свечение при комнатной температуре без нагревания. Это излучение является неравновесным и продолжается долгое время после прекращения действия внешнего возбуждающего фактора. Люминесценцией называется избыток теплоты над температурным излучением в случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно от 10-10 с и более. 96 В зависимости от вида люминесценции обычно рассматриваются следующие разделы люминесцентного анализа: 1. Флуоресценция, основанная на свечении вещества при поглощении световой энергии; 2. Катодолюминесценция, вызванная бомбардировкой быстрых электронов; 3. Хемилюминесценция — свечение, вызванное протеканием специфических химических процессов. Все люминесцирующие вещества объединяются под общим названием люминофоры. Что касается аппаратного применения данного метода, то, например в санитарно-химических лабораториях обычно пользуются отечественные флуориметры ЭФ-3М, предназначенные для количественного анализа витаминов и других ингредиентов санитарно-химического пищевого анализа, а также других флуоресцирующих веществ в растворе. Этот прибор может быть использован также для титрования растворов с люминесцентными индикаторами, т. е. для целей санитарно-химического анализа сточных вод. В заключение необходимо отметить также несколько широко распространенных физических методов исследований объектов окружающей среды. Термографический метод. Базируется на тепловом расширении жидкостей (ртути или спирта) или изменений с нагреванием электрического сопротивления или силы термоэлектрического тока. Акустический метод. Основан на изменении параметров акустического поля при контакте с пробой исследуемой среды. Механический метод. Базируется на измерении механических характеристик пробы исследуемого объекта. 8.5. Приборы, оборудование и материалы для оснащения лаборатории мониторинга Производственные и исследовательские экологические лаборатории оснащаются целым комплексом оборудования для проведения мониторинговых исследований различных сред. Рассмотрим основные приборы и оборудование лабораторий мониторинга. Фотометр фотоэлектрический (КФК-3) Рис. 29. Общий вид фотометра Принцип действия фотометра основан на сравнении светового потока, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока, прошедшего через исследуемую среду. Световые потоки фотоприемником 97 преобразуются в электрические сигналы, которые обрабатываются микро-ЭВМ фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации. Анализатор жидкости «Флюорат-02» Рис. 30. Общий вид анализатора жидкости Анализатор жидкости «Флюорат02» предназначен для измерения массовой концентрации неорганических и органических примесей в воде, воздухе, почве, технических материалах, продуктах питания после переведения примесей в раствор. Прибор позволяет работать с несколькими методами анализа: люминесценция, фотометрия, хемолюминисценция, фосфоресценция. Анализатор нефтепродуктов (АН-2) Анализатор содержания нефтепродуктов лабораторный АН-2 предназначен для определения нефтепродуктов в воде и почве. В основу работы анализатора положен экстракционно-фотометрический метод определения содержания нефтепродуктов в воде. Извлечение полярных соединений и неполярных углеводородов производится путем экстрагирования анализируемой пробы воды экстрагентом. На хроматографической колонке с окисью алюминия очищают экстракт от полярных соединений и получают элюат. Фотометрическим методом в инфракрасной области спектра определяют содержание нефтепродуктов в элюате, которое характеризует с Рис. 31. Общий вид АН-2 учетом объема пробы воды и экстрагента содержание нефтепродуктов в пробе воды. Ионометр-кондуктомер (АНИОН-4154) В основу измерений положена прямая потенциометрия – измерение значения электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента специального электрода и преобразование ее в значения рН. Прибор адаптирован к методу градуировочного графика. Рис. 32. Общий вид ионометра Метод градуировочного графика заключает98 ся в построении графика зависимости ЭДС электродной системы от концентрации градуировочных (стандартных) растворов с известным значением рН с последующим нахождением рН анализируемого раствора по измеренному в нем значению потенциала электродной системы. Градуировочный график строится микропроцессором прибора автоматически на основе введенных в него значений ЭДС электродной системы в стандартных растворах (двух и более) и соответствующих им значений рН. Аналитические электронные весы Принцип действия весов основан на компенсации массы груза электромагнитной силой, создаваемой системой автоматического уравновешивания. Весы состоят из электронного блока, дисплея, платформы и ветрозащитного кожуха. Наибольший предел взвешивания для весов данного типа – 210 г. Весы позволяют производить взвешивание в процентах, подсчет мелких деталей, производить выбор единицы измерения из 13 имеющихся. Рис. 33. Общий вид аналитических электронных весов Весы лабораторные технические Технические весы предназначены для измерения массы предметов, материалов, сыпучих и жидких веществ. Наибольший предел взвешивания для разных моделей от 0,55– 6500 кг. В весах предусмотрены: цифровой отсчет, Рис. 34. Общий вид технических полуавтоматическая калибровка, выборка массы тары во всем диапазоне взвешивания. Они электронных весов оснащены программами: переключения единиц измерения массы, подсчета количества штук (деталей), взвешивания в процентах, определения массы нестабильных образцов (усреднение). Сушильный шкаф Рис. 35. Сушильный шкаф Сушильный шкаф предназначен для сушки и испытания материалов при температуре в атмосфере воздуха. Диапазон рабочих температур 50-250 0С. 99 Аквадистиллятор электрический (ДЭ-10) Аквадистиллятор предназначен для производства дистиллированной воды путем тепловой перегонки воды по ГОСТ 2874 «Вода питьевая». Прибор используется также для очистки воды от радионуклидов в чрезвычайных ситуациях. Оснащение лабораторий мониторинга включает в себя также электроплитки с закрытой спиралью, центрифугу, фильтровальный аппарат с насосом, холодильник, мельница для дробления (истирания) проб почвы, донных отложений, растительности; набор почвенных сит, кюветы малированные 30х40 см, кюветы полиэтиленовые 30х40 см, набор лабораторных термометров 0— 200°С, штативы лабораторные, штативы для пробирок, Рис. 36. Аквадистиллятор пинцеты, ножницы, грушы резиновые, шланги резиновые и силиконовые, фильтры для отбора проб атмоэлектрический (ДЭ-10) сферных аэрозолей, трубки сорбционные или склянки поглотительные для отбора проб газообразных загрязняющих веществ. 100 Библиографический список 1. Родзан В.И., Семенцов Г.В. Основы экологического мониторинга (инженерные задачи рационального природопользования): Учеб. для студентов радио – и электротехнических специальностей //Под редакцией Н.Г. Малышева. – Таганрог: ТРТИ, 1998. – 260 с. 2. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. – М.: Гидрометиздат, 1984. – 560 с. 3. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометиздат, 1985. – 272 с. 4. Перегуд Е.А. Горелик Д.О. Инструментальные методы загрязнения атмосферы. – Л.: Химия, 1981. – 383 с. 5. Маслов Н.Н., Коробов Ю.И. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: Учеб. для вузов. – М.: Транспорт, 1996. – 238 с. 6. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек: Учеб. пособ. для вузов. – М.: Высшая школа, 1986. – 416 с. 7. Инженерная экология. Учебник. Под редакцией В.Т.Медведева – М.: Гардарики, 2002. – 687 с. 8. Лотош В.Е. Экология природопользования. – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. ут-та, 2000. – 540 с. 9. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте: Учеб. для вузов //Под ред. проф. Зубрева Н.И., Шарповой Н.А. – М.: УМК МПС России, 1999. – 592 с. 10. Экологическая экспертиза. Учеб. пособие для студ. высш. учеб. завед. //Под редакцией В.М. Питулько – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 480 с. 11. Ревина С.К. система контроля природной среды и рациональное природопользование. – М.: - Знание, 1985. – 40 с. 12. Голицин А.Н. Основы промышленной экологии: Учебник – М., 2002. 13. Трушина Т.П. Экологические основы природопользования. – Ростов н/д.: «Феникс», 2001. – 384 с. 14. Источники в Интернете: http://www.permecology.com http://priroda.admsurdut.ru http://www.mnr.gov.ru 101 Александр Михайлович Асонов Ксения Рифовна Волкова Экологический мониторинг, методы и приборы контроля окружающей среды Курс лекций для студентов специальности 280202- инженерная защита Редактор С.В.Пилюгина 620034, Екатеринбург, ул. Колмлглрова,66,УрГУПС Редакционно-издательский отдел ___________________________________________________________________ Подписано в печать Заказ Бумага писчая №1 Тираж? Формат 60х84 1/16 Цена договорная 102 Усл.п.л. Уч. изд.л
