Общая теория экологических величин и измерений

С учетом изложенных выше общих тенденций можно выделить несколько позиций, требующих более детального рассмотрения и, по сути, определяющих правила оценки эко-логического состояния территории [2], [5]. В первую очередь, это концепция комплексной оценки состояния природной среды (экологического состояния территорий), а также выбор наиболее информативных критериев оценки состояния экосистем и их биотической, абиотической, медико-демографической и эколого-гигиенической составляющих при строгом соблюдении требований метрологии.

Исходным и концептуальным положением такого подхода к оценке состояния окружающей среды при разработке нормативных принципов природопользования является отказ от механической (балльной) суммации состояний отдельных сред и переход к оценке состояния экосистемы в целом. Оно характеризуется функциональным единством всех входящих в нее компонентов, что позволяет общую оценку в последующем раскрыть через оценку состояний формирующих ее биотических (биома) и абиотических (геома) компонентов (сфер, сред). По сути, такой подход базируется на принципе от общего к частному, от оценки всей системы к оценкам составляющих ее компонентов, что обеспечивает учет прямых и обратных связей. Предлагаемая оценка состояния экосистемы проводится на основе ограниченного числа критериев, обеспечивающих при совместном рассмотрении уверенную квалификацию ее состояния. Принципиально важно, что такой подход позволяет избежать не только явного субъективизма балльных оценок, но и последовательно раскрыть причины современного состояния экосистемы и разработать конкретные рекомендации по ее нормальному функционированию. Кроме того, рассматриваемая концепция позволяет достаточно экономичными способами (статистические данные, материалы аэрофотосъемок, ограниченный объем лабораторных анализов) получить информацию о состоянии экосистемы (экологического состояния определенной территории) и, исходя из результатов этой оценки, планировать ее более трудоемкие и затратные исследования.

Практическая реализация концепции может осуществляться только на основе единого подхода к оценке состояния как экосистемы, так и слагающих ее компонентов. Для этого экосистема и биома ранжируется на зоны нарушений, а геома — на соответствующие им классы состояний.

В настоящее время выделяют четыре уровня природно-антропогенных экологи-ческих нарушений — нормы (Н), риска (Р), кризиса (К) и бедствия (Б), которые достаточно уверенно корреспондируются с директивными документами. В основу выделения этих уровней положено ранжирование нарушений экосистем по глубине и необратимости, т.е. по реальным имеющим физическое выражение морфологическим факторам.

В соответствии со сделанными разъяснениями предлагается выделять следующие классы состояний и зоны нарушений:

1. Зона экологической нормы (Н), или класс удовлетворительного (благоприятного) состояния среды. Она включает в себя территории без заметного снижения продуктивности и устойчивости экосистем, ее относительной стабильности. Значение прямых критериев оценки ниже ПДК или фоновых (деградация земель менее 5% площади).
2. Зона экологического риска (Р), или класс условно удовлетворительного (неблагоприятного) состояния среды. Она включает территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, их нестабильным состоянием, ведущим в дальнейшем к спонтанной деградации экосистем, но еще с обратимыми нарушениями. Территории требуют разумного хозяйственного использования и планирования мероприятий по их улучшению. Значения прямых критериев оценки незначительно превышают ПДК или фон (деградация земель от 5 до 20% площади).
3. Зона экологического кризиса (К), или класс неудовлетворительного (весьма неблагоприятного) состояния среды. Она включает территории с сильным снижением продуктивности и потерей устойчивости экосистем и трудно обратимыми нарушениями. Необходимо хозяйственное выборочное использование территорий и планирование их глубокого улучшения. Значения прямых критериев оценки значительно превышают ПДК или фон (деградация земель от 20 до 50% площади).
4. Зона экологического бедствия — катастрофы (Б), или класс катастрофического состояния сред. Она включает в себя территории с полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями экосистем, исключающими территорию из хозяйственного использования. Значения прямых критериев оценки в десятки раз превышают ПДК или фон (деградация земель более 50% площади).

Как уже отмечалось, выделение зон и классов экологического состояния территории должно осуществляться на основе небольшого числа наиболее представительных показателей, но обязательно с использованием и взаимным учетом тематических, пространственных и динамических критериев оценки. Эти показатели служат предметной основой при разработке нормативов и законодательной базы природопользования. Здесь важно подчеркнуть, что единого интегрального показателя состояния экосистемы в настоящее время не существует, однако число наиболее представительных показателей может быть сведено к оптимальному минимуму. Таким образом, оценка экологического состояния территории состоит из интегральной морфологической оценки состояния экосистемы с расшифровкой ее через характеристику состояния геосфер (среды обитания). Только такая комплексная оценка отвечает на вопрос не только о современном состоянии экосистемы, но и причинах этого состояния с учетом влияния техногенеза.

Принципиально важно для создания общей теории экологических измерений вообще и для экологической метрологии, в частности, является выбор и научное обоснование критериев оценки экологического состояния территории.

Единицы и системы единиц экологических величин

В настоящее время существует несколько подходов к классификации и иерархии показателей оценки состояния (классов) экосистем и геосферных оболочек Земли. Предлагается выделять биотические показатели, которые включают в себя три класса показателей: тематические, пространственные и динамические. В состав тематических входят ботанические (геоботанические и биохимические), зоологические и почвенные показатели оценки. За исключением биохимических они характеризуют ресурсный потенциал анализируемого компонента, а через него состояние экосистемы [20].

Нормирование и стандартизация являются важнейшими средствами регулирования природопользования, широко применяемыми как в отечественной, так и в зарубежной практике управления качеством окружающей среды [17]. По своей сущности они относятся к административным методам регулирования. В последние годы в связи с развитием экономических методов они все чаще применяются в тесной взаимосвязи с последними, расширяют диапазон возможностей органов управления и придают необходимую гибкость в достижении целей управления. Нормирование как процесс установления количественных пределов, в которых допускается изменение характеристик нормируемого объекта, тесно связано с понятием «норма». Общенаучного толкования этого понятия до настоящего времени нет, поэтому в большинстве случаев она рассматривается и определяется как среднее или через описание чего-либо оптимального или патологии.

В любом случае нормирование осуществляется исходя из понимания челове-ком своих потребностей, которые удовлетворяются показателями рассматривае-мого объекта, в рамках которых он считается нормальным, «хорошим». Затем выявляются границы количественных изменений показателей нормируемого объ-екта, т.е. определяется норма. При этом определяющим моментом является мет-рологическая правомерность показателя нормируемого объекта.

Под экологическим нормированием понимается научно обоснованное ограничение воздействия хозяйственной и иной деятельности на ресурсы биосферы, обеспечивающее как социально-экономические интересы общества, так и его экологические потребности. Экологические интересы с позиций ноосферного подхода диктуются необходимостью взаимосвязи параметров антропогенных воздействий с критическими параметрами биосферы в процессе коэволюции природы и человека, где Разуму отводится направляющая роль [10].

• Стандарты качества природных сред (воздух, вода и др.)
• Параметры выбросов и сбросов
• Правила охраны природы и рационального использования природных ресурсов
• Методы определения параметров состояния природных объектов и интенсивности хозяйственных воздействий
• Требования к устройствам, аппаратам и сооружениям по защите ОС
• Требования к средствам контроля и измерения состоя¬ний окружающей природной среды
• Требования к информации о состоянии ОС

Рис. 1. Классификация стандартов в области экологии [17]_

Разработанные и утвержденные в установленном порядке нормативы выступают в качестве стандартов. Единой классификации экологических нормативов (стандартов) в России в настоящее время не существует, однако для ориентира полезным будет рис. 1, где даны основные ее признаки [17].

При генерализации можно выделить три основные категории экологических нормативов, используемых или разрабатываемых в целях природопользования.

Это экологические нормативы экосистем, нормативы качества компонентов окружающей среды и нормативы антропогенных воздействий на окружающую среду, включая связанные с ними технические и технологические нормативы.

Под экологическим нормативом экосистемы понимается граница количественного изменения параметров экосистемы, устанавливаемая из условия сохранения ее структуры и функции, а также всех экологических компонентов, необходимых для учета в хозяйственной деятельности. При этом понимается норма для экосистемы, оцениваемой человеком [8], [19].

Методы и средства экологических измерений окружающей среды

Нормирование качества компонентов окружающей среды применяется на практике значительно шире. Теоретически этот вид нормативов должен зависеть как от ценности объектов, подлежащих охране, так и от целей их использования.

Все экосистемы разделяют на 3 категории [12], [16]:

1. уникальные или заповедные;
2. широко распространенные естественные;
3. сильно преобразованные или искусственные.

Очевидно, что требования к качеству объектов окружающей среды при переходе от первого ко второму и третьему типу экосистем должны смягчаться.

Цели использования также налагают ограничения на нормативы качества объектов окружающей среды. Например, земли, передаваемые под промышленную застройку, не требуют такого же качества, как пахотные; водные объекты, предназначенные для сплава и судоходства, не должны иметь нормативов воды питьевого качества и т.д. Экосистемный подход к нормированию качества компонентов окружающей среды требует учета природных взаимосвязей между ними, например, путей миграции химических элементов, порогов воздействия на биоту и т. п. Так, нормативы содержания биогенов и пестицидов в почвах должны учитывать требо-вания к качеству водных объектов, расположенных в пределах сельхозугодий.

Отличительной чертой экологического нормирования качества компонентов окружающей среды является учет следующих основных требований:

• необходимость защиты экологических систем, биологических сообществ в целом; при такой постановке вопроса потеря отдельных особей в популяциях не представляет опасности, если она не снижает потенциальной продуктивности, видового разнообразия, стабильности экосистемы;
• учет движения загрязняющих веществ по трофическим цепям с выделением «критического» по чувствительности и последствиям звена с учетом трансфор-мации загрязняющих веществ и их совместного действия.

Поэтому в основе экологического нормирования должны лежать следующие основные принципы [13]:

• принцип цели (приоритет долгосрочных последствий для общества и природы в целом над краткосрочными экономическими интересами отдельных приро-допользователей, региональных интересов над локальными и т.д.);
• принцип опережения (организация исследований по разработке норматива должна предшествовать началу планируемого воздействия);
• принцип порога (установление критических пороговых значений воздействия хозяйственной деятельности, не превышение которых гарантирует сначала экологическую безопасность, а затем взаимодействие общественных и экологических систем, т.е. создание нооценозов);
• принцип саморегуляции (учет в хозяйственной деятельности не только положительных, но и отрицательных обратных связей, соблюдение баланса положительного и отрицательного экологических эффектов в системах стимулирования социально-экономического развития);
• принцип «слабого звена»;
• принцип «больше не значит лучше» (переход на путь интенсификации технико-экономического развития за счет максимального качественного совершенства при минимальном количественном росте);
• принцип «джиу-джитсу» (максимальное использование внутрисистемных сил, способных действовать в нужном для общества направлении и компенсировать отрицательное антропогенное воздействие);
• принцип снижения удельного риска (развитие только таких направлений роста материального потребления, при которых обеспечивается снижение антропогенной нагрузки на единицу площади и единицу производимой продукции).

Экологические нормативы качества компонентов окружающей среды относятся ко вторичным нормативам согласно приведенной на рис. 1 классификации. В развитых странах вторичные нормативы понимаются как ограничители вредных воздействий, наносящих ущерб материальным и иным общественным ценностям.

Экологические эталоны и образцовые средства экологических измерений

В настоящее время в связи с не разработанностью проблем экологизации хозяйственной деятельности, отставания от развитых стран в общем уровне прикладных экологических исследований, которые используются в экологическом нормировании, система нормативов качества компонентов окружающей среды недостаточно разработана.

Она включает в первую очередь санитарно-гигиенические регламенты качества компонентов среды (первичные нормативы согласно рис.1).

Санитарно-гигиенические нормативы — это качественно-количественные показатели, соблюдение которых гарантирует безопасные или оптимальные условия существования человека. В связи с высокой социальной значимостью охраны здоровья человека санитарно-гигиеническое нормирование в нашей стране было разработано и внедрено в практику управления природопользования хронологически первым. Например, предельно допустимые гигиенические концентрации (ПДК) содержания в атмосферном воздухе первых 10 веществ были утверждены еще в 1951 году, тогда как национальные стандарты качества воздуха на содержание 6 веществ в США были приняты в 1980 году. Поэтому методологическая база гигиенического нормирования в настоящее время является теоретически обоснованной, методически проработанной и организационно оформленной.

ПДК — количество загрязняющего вещества в окружающей среде, при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени не влияющее на здоровье человека и не вызывающее неблагоприятных воздейст-вий у его потомства [9], [11].

В настоящее время установлены ПДК для более 1000 химических веществ в воде, более 250 в атмосферном воздухе, более 30 в почве. Кроме того, для атмосферного воздуха установлены безопасные ориентировочные уровни воздействия (ОБУВ) более чем для 400 веществ.

Гигиенические ПДК устанавливаются из принципа охраны здоровья человека и должны учитывать отдаленные последствия (мутагенные, канцерогенные и т.д.).

Атмосферный воздух. Максимально-разовая ПДК (ПДК_мр) - концентрация 20 - 30 минутного осреднения, определяется на основании изучения, прежде всего рефлекторного действия веществ: обонятельной функции организма, функционального состояния зрительного анализатора и т.п.

Среднесуточная ПДК (ПДК_сс) - концентрация длительного осреднения, определяется на основе изучения резорбтивного (обще токсического, аллергенного, гонадотоксического, эмбриотропного, мутагенного и т.п.) действия атмосферных загрязнений.

ПДК для химических веществ устанавливается исходя из концентрации пороговости их действия. Для определения ПДК строится зависимость доза - эффект, по которой определяется минимально действующая и максимально недействующая концентрация. В качестве ПДК принимается подпороговая максимально недействующая концентрация с соответствующим коэффициентом запаса, устанавливаемым в зависимости от потенциальной опасности соединения. Коэффициент запаса чаще всего принимается равным 2-10 [11], [15].

Определение ПДК осуществляется по наиболее чувствительным тестам. При этом концентрация, которая оказывает прямое или вредное косвенное воздействие или к которой адаптируется организм, признана недопустимой. ОБУВ определяется экспертным и расчетным методом. Из аналогичных санитарно-гигиенических соображений исходят при нормировании допустимых уровней шума.

Гигиеническое регламентирование содержания радиоактивных веществ в атмосфере имеет свои принципиальные особенности. В первую очередь, отличие заключается в принципе отсутствия порога действия радиации, т.е. признается, что любое поступление в организм человека того или иного радионуклида сопряжено с риском для здоровья. В качестве основного гигиенического норматива воздействия радиации для лиц категории Б (т.е. для лиц, непосредственно не работающих с источниками излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могущих подвергаться воздействию радиоактивных веществ) установлен предел дозы (ПД). Предел дозы — это предельная эквивалентная доза за год для ограниченной части населения (лиц категорий Б). ПД обуславливает очень малый риск проявления вредных эффектов. Вероятность возникновения соматических (прямого повреждения или появления заболеваний) и генетических (проявлений вредных воздействий на потомках в 2-3 поколениях) эффектов, по крайней мере, на порядок величины ниже по сравнению с риском от комплекса факторов различной природы («фонового» риска). Допустимая концентрация для лиц категории Б (ДК) является производной величиной от ПД и устанавливается из расчета достижения дозового предела к концу жизни (70 лет) при среднегодовом объеме вдыхаемого воздуха 7,3 х 10⁶литров.

В отличие от химического вещества, ДК устанавливается в единицах радиоактивности беккерелях (Б_к) в кубическом метре. ДК, рассчитанные из условия формирования ПД за счет облучения от радионуклидов, поступающих в организм только по ингаляционному пути, табулированы в «Нормах радиационной безопасности» (НРБ - 76/87). В связи с необходимостью учета всех путей поступления радионуклидов в организм, а также внешнего облучения, на внутреннее облучение от веществ, поступивших по ингаляционному пути, будет приходиться только часть ПД, поэтому рассчитанные ДК практически будут всегда меньше приведенных в НРБ.

Водные объекты. Для водных объектов ПДК устанавливается в зависимости от целей водопользования. Различают ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого (ПДК_хп), культурно-бытового (ПДК_кб) и рыбохозяйственного водопользования (ПДК_рх). В основе регламентирования содержания загрязняющих веществ в водных объектах лежат тесты, учитывающие следующие показатели вредного воздействия:

• токсикологический - исходит из оценки влияния веществ на организм человека (для ПДК_хп, ПДК_кб) и гидробионтов (ПДК_рх);
• органолептический - исходит из оценки влияния веществ на органолептические показатели качества воды (цвет, запах и т.п.);
• общесанитарный - исходит из оценки влияния веществ на процессы самоочищения водных объектов. Наименьшая допустимая по каждому тесту концентрация принимается в качестве ПДК с указанием лимитирующего показателя вредности, по которому она установлена.

ОБУВ для пестицидов в водных объектах определяется путем экспрессной оценки токсичности вещества. Важно отметить, что при разработке ПДК_рхучитываются ряд экосистемных показателей, таких как обеспечение качества среды обитания рыб, поддержания их кормовой базы и т.д. В этом смысле они наиболее близки к экологическим нормативам.

ДК_бдля радиоактивных веществ в воде является гигиеническим нормативом. Табулированные в НРБ величины определены, исходя из формирования ПД только за счет радионуклидов, поступающих с водой, поэтому с учетом всех пу-тей поступления в организм и внешнего облучения требуют корректировки в сторону снижения для каждого конкретного объекта нормирования, исходя из годового потребления воды человеком (800 кг).

Почвы. Определение ПДК загрязняющих почву веществ осуществляется по ряду тестов, учитывающих 6 показателей вредного воздействия: органолептического, общесанитарного, фитоаккумуляционного, миграционно-водного, миграционно-воздушного, токсикологического.

В эксперименте используется дерново-подзолистая эталонная почва. Минимальная из 6-ти допустимых концентраций принимается в качестве ПДК. Таким образом, при установлении ПДК для почв реализованы как гигиенические (через токсикологический показатель), так и некоторые экологические (через другие показатели) подходы к нормированию содержания загрязняющих веществ.

Все вышеизложенные нормативы относятся к национальным, действующим на территории России. В реальной жизни люди подвергаются целому комплексу факторов воздействия. При этом одновременное воздействие нескольких факторов одной природы определяется как комбинированное действие различной природы - сочетанное действие. О комплексном действии говорят, когда одно и то же соединение поступает в организм различными путями. В настоящее время в практике нормирования природопользования учитывается комбинированное действие (например, нескольких химических соединений; нескольких радионуклидов, нескольких источников шумовых нагрузок и т.д.) и комплексное (учет суммарной дозы облучения организма с учетом всех путей поступления радионуклидов).

При совместном действии нескольких химических веществ возможны 5 вариантов эффекта на организм человека: независимое действие, суммирование, антагонизм, синергизм (эффект, превышающий суммирование), изменение ха-рактера действия (например, появление мутагенных свойств).

В настоящее время на уровне нормативов учитывается комбинированное действие химических веществ. При этом наиболее изученным является эффект суммирования.

где C_i- концентрация веществ в окружающей среде; ПДК_i- соответствующее ПДК веществ в воздухе, воде.

Принципы суммирования можно применять и при расчете комплексного действия, например, по формуле:

где: в числителе концентрация, а в знаменателе ПДК вещества, поступающе-го в организм с воздухом, водой, пищей.

В настоящее время учитывается эффект суммирования при действии 33 комбинаций вредных веществ в воздухе. В водных объектах эффект суммирования учитывается через лимитирующий показатель вредности.

По другим эффектам имеются лишь обрывочные данные научных исследова-ний, в нормативах они не учтены. Резюмируя практику регламентирования качества компонентов окружающей среды, следует отметить:

• разработка и установление качества компонентов окружающей среды осуществляется, главным образом, на основе санитарно-гигиенических принципов;
• санитарно-гигиенические нормативы не могут служить базой для защиты природных компонентов, т.к. не учитывают соотношения порогов чувствительности человека и других природных объектов, пренебрегают эффектами кумуляции и миграции, изменением химических форм в окружающей среде, региональными экологическими особенностями.

Перспективы нормирования качества компонентов окружающей среды связаны с созданием единой системы эколого-гигиенического нормирования, где в качестве норматива устанавливается наиболее жесткий количественный показатель для человека и различных экосистем.

Наиболее широко применяются в практике природопользования нормативы антропогенных воздействий на окружающую среду. Под антропогенным воздействием понимается прямое и косвенное влияние человека, различных форм его хозяйственной деятельности во множестве проявлений на окружающую среду. Нормативы антропогенных воздействий — это широкий класс экологических нормативов, включающих нормативы выбросов загрязняющих веществ в атмо-сферу, сбросов в водные объекты, размещения твердых отходов, квоты изъятия природных ресурсов, а также многочисленные нормы и регламентации различных сторон хозяйственной деятельности, изложенные в санитарно-гигиенических, строительных, природоохранных нормах и правилах, включая технологические, планировочные, рекреационные и иные нормативы [17], [19]. Наиболее распространенные формы антропогенных воздействий связаны с прямым изъятием природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Нормативы изъятия биологических видов природных ресурсов представляются в форме квот - законодательно установленных норм добычи разрешенных к отстрелу (отлову, сбору и т.п.) особей популяции хозяйственно ценных видов животных и растений. Они носят региональный характер (рис. 1).

Современные формы природопользования, учет и планирование материальных ресурсов, обеспечение взаимозаменяемости и кооперирования производства, улучшение качества продукции и окружающей среды связано с повсеместным использованием измерительной техники. Совершенствование технологий измерения, возможность определения технического состояния и своевременное выявление возникших дефектов систем является одним из важных условий, от выполнения которого зависит эффективность и надежность их функционирования. В связи с этим создание курса «Теоретические основы метрологии экологических измерений» и введения его в программы обучения студентов биологических, тех-нических и экономических специальностей весьма актуально и отвечает современным требованиям макроэкологии.