1.4. Методы исследования

К современным методам исследований состояния ок­ружающей среды относятся системный анализ, моделиро­вание, прогнозирование, мониторинг, географические ин­формационные системы (ГИС).

Системный анализ заключается в том, что изучаемый объект рассматривается как единая целостная система, со­стоящая из взаимодействующих компонентов и элементов. С помощью этого метода выявляется многообразие связей и зависимостей между составными частями системы, опре­деляется их значимость. Едиными целостными системами являются природно-территориальные комплексы и отдель­ные геосферы географической оболочки.

Природно-территориальный комплекс состоит из взаи­мосвязанных природных компонентов, связи между кото­рыми могут быть прямыми и обратными. Рассматривая, например, состояние атмосферы с точки зрения системно­го подхода, отмечаем, что атмосфера состоит из газов, твердых и жидких частиц. Выделяем источники поступления газов и аэрозолей: природные и антропогенные. Под­робно их рассматриваем, выявляем влияние этих источ­ников на состояние атмосферы, последствия изменения состава атмосферного воздуха на окружающую среду: при­родные компоненты и здоровье человека.

Моделирование - это создание моделей, в той или иной степени подобных оригиналу. При моделировании исследуется ке сам объект, а его модель. Традиционной моделью географии является географическая карта. Боль­шое значение моделирование объясняется тремя свойства­ми моделей:

1. при моделировании изменяется величина изобража­емых систем до нужного масштаба;

2. моделирование позволяет изучить динамику при­родных процессов, отличающихся малой или зна­чительной скоростью протекания;

3. моделирование позволяет упростить сложные гео­графические системы, выделить ограниченное число элементов и их связей.

Моделирование состоит из нескольких этапов.

Первый этап — качественный анализ. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Модель должна соответствовать двум требованиям: отражать те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания и должна быть адекватна оригиналу.

Второй этап моделирования — математическая реали­зация логической структуры модели. С применением мате­матических методов выводятся зависимости в модели.

Третий этап предусматривает проверку соответствия модели оригиналу. Для этого проводится эмпирическая проверка - сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом.

Четвертый этап - экспериментирование с моделью. Основная цель этапа — выявление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры, управление поведением моделируемой системы, а также пригодность модели для прогнозирования.

Прогнозирование (экологическое) - предсказание воз­можного поведения природных систем в результате есте­ственных процессов и антропогенного воздействия. Глав­ная цель прогноза - оценка предполагаемой реакции окружающей среды на воздействие человека, решение за­дач будущего рационального использования природных ресурсов в связи с ожидаемыми состояниями окружающей среды.

Прогнозы классифицируют по времени, по масштабам прогнозируемых явлений и по содержанию.

По времени различают следующие виды прогнозов:

• сверхкратковременные (до одного года),

• краткосрочные (до 3-5 лет), среднесрочные (до 10-15 лет), долгосрочные (до нескольких десятков лет),

• сверхдолгосрочные (на столетия и более отдаленную перспективу).

По масштабам прогнозируемых явлений прогнозы де­лятся на четыре группы:

1. глобальные;

2. региональные;

3. национальные (государственные);

4. локальные.

При прогнозировании одновременно приходится учиты­вать три типа изменений:

1. целенаправленные изменения природной среды, ко­торые сознательно производятся человеком;

2. нецеленаправленные изменения, происходящие бла­годаря взаимосвязям в природе;

3. естественные фоновые изменения, происходящие без участия человека.

Основные принципы ландшафтно-экологического про­гнозирования:

1. комплексность прогноза, т.е. необходимость пред­видения изменений природных компонентов и ком­плексов;

2. динамический подход к прогнозируемому объекту;

3. пространственно-временное единство прогноза, от­ражающее одновременность изменений систем во времени и пространстве;

4. качественно-количественный характер прогноза, т.е. количественные и качественные показатели изменения природной среды.

Понятие «мониторинг» в переводе с латинского monitor означает «тот, кто напоминает, предупреждает».

Мониторинг — это система наблюдений, оценки и прогно­за состояния окружающей среды под воздействием антро­погенных воздействий. Цель мониторинга — выявить изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенного воздействия.

Выделяют различные виды мониторинга как по характе­ру загрязнения среды, так и по методам и целям наблюде­ния. В соответствии с тремя уровнями загрязнений разли­чают глобальный, региональный, импактный мониторинг.

Глобальный мониторинг предусматривает наблюдение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и прогноз их возможных изменений.

Региональный мониторинг охватывает отдельные ре­гионы, в пределах которых процессы и явления отлича­ются по природному характеру или по антропогенным воздействиям от общего базового фона.

Импактный мониторинг предусматривает осуществле­ние наблюдений в особо опасных зонах и местах, обычно непосредственно примыкающих к источникам загрязняю­щих веществ. Важное значение имеет базовый (или фоно­вый) мониторинг. Его задача - слежение за состоянием природных систем и природными процессами при отсут­ствии региональных антропогенных влияний. Для осуще­ствления базового мониторинга используют удаленные от промышленных регионов территории, в том числе био­сферные заповедники.

По методам ведения выделяют следующие виды мони­торинга:

• биологический (с помощью биоиндикации);

• дистанционный (авиационный и космический);

• аналитический (химический и физико-химический анализ).

По объектам наблюдения выделяют:

• мониторинг отдельных компонентов (почвы, воды, воздуха);

• мониторинг биологический (флоры и фауны).

При мониторинге качественно и количественно харак­теризуется экологическое состояние воздуха, воды, по­чвенного покрова, растительности и животного мира, климатические изменения.

При организации мониторинга решаются задачи разно­го уровня. И.П.Герасимов предложил различать три сту­пени мониторинга:

На первой ступени главное внимание уделяется на­блюдению за состоянием окружающей среды с точки зре­ния ее влияния на здоровье населения. На этой ступени используются такие показатели, как заболеваемость, смер­тность, рождаемость, продолжительность жизни и т.д. Наблюдения на этой ступени может опираться на систему наблюдательных постов и работу санитарно-гигиенических служб.

На второй ступени основным объектом наблюдений выступают природные, природно-технические геосистемы. Для этой ступени существенны показатели биопродуктивности, способности природных систем к самоочищению, величины предельно-допустимых концентраций загрязня­ющих веществ. Наблюдения должны проводиться на ос­нове стационаров, ключевых участков.

Задача третьей ступени — наблюдение, оценка и про­гноз за глобальными параметрами окружающей среды, а именно, за загрязнением атмосферы и Мирового океана, мировым балансом влаги, изменением биопродуктивности суши и океана. Цель указанной ступени мониторинга - оценка последствий этих изменений для здоровья и дея­тельности людей. Основу сети глобального мониторинга должна составлять система биосферных полигонов.

Общая структура аппаратных средств сети наземных измерений в системе комплексного мониторинга включает:

для низового уровня мониторинговой сети:

• стационарные посты по воздуху и воде;

• передвижные и стационарные лаборатории по со­стоянию атмосферы, воды, почвы, снега;

• передвижные станции контроля выбросов и сбро­сов;

• инспекционные службы;

• службы получения данных от населения.

Для среднего уровня сети:

• центры сбора и обработки информации, полученные в низовых сетях (отличающиеся друг от друга спе­цификой и сложностью решаемых задач).

Для высшего уровня сети:

• пользователи информации, полученной в центрах ее сбора и обработки. Непосредственными пользо­вателями данных являются инспекторы по охране окружающей среды.

Географические информационные системы- (ГИС) - это компьютерные системы, предназначенные для сбора, хранения, обработки и распространения пространственно-координированной информации. ГИС состоят из несколь­ких подсистем: ввода информации, обработки информации, выдачи информации.

Подсистема ввода информации включает устройства для преобразования пространственной информации в циф­ровую форму и ввода ее в базы данных. Такими устрой­ствами являются цифрователи и сканеры. С помощью цифрователя на исходной карте обводят контуры, просле­живают линии и другие обозначения, а. в память компь­ютера поступают текущие координаты этих контуров и линий в цифровой форме. Сканеры автоматически считы­вают информацию по всей карте. Вся цифровая информа­ция поступает в базы данных. Базы данных - это сово­купность данных по какой-либо теме в цифровой форме с соблюдением определенных правил хранения и выдачи.

Подсистема обработки информации состоит из само­го компьютера, системы управления и программного обеспечения. Различные программы позволяют проводить анализ территории, моделировать явления и процессы, со­поставлять и оценивать варианты решения поставленных задач и т.д.

Подсистема вывода информации - комплекс устройств для визуализации обработанной информации. Это экраны, принтеры и другие устройства, с помощью которых выво­дятся результаты моделирования и варианты решений в той форме, которая задана пользователем.

В состав специализированных картографических гео­графических информационных систем входит подсистема издания карт, позволяющая изготовлять и печатать кар­ты; ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической информацией, могут включать специализированную подси­стему обработки изображений.

В географических информационных системах использу­ется два принципа организации пространственной инфор­мации: послойный и объективно-ориентировочный. Суть послойного принципа в том, что информация о какой-то территории организуется в виде серии тематических сло­ев, отвечающих конкретным потребностям. Каждый слой может содержать информацию, относящуюся к одной или нескольким темам. Например, для целей изучения при­родных ресурсов такими темами могут выступать данные по геологии коренных пород и четвертичных отложений, по почвам, типам землепользования, высоте местности, уклонам рельефа и т.д.

При объективно-ориентировочном подходе группировка объектов происходит в соответствии с логическими взаи­мосвязями между ними, с построением иерархии. Одним из важных свойств ГИС является получение новой ин­формации на основе имеющейся.

ГИС используется для решения самого широкого кру­га задач, основные из них:

• поиск и рациональное использование природных ресурсов;

• мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явлений, оценка воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безо­пасности страны и регионов;

• контроль условий жизни населения, здравоохране­ние и т.п.;

• создание тематических карт и атласов, оперативное картографирование и т.д.