К настоящему времени ФГУП НИИ «Атмосфера» разработало методологию организации и функционирования компьютерных банков данных о параметрах выбросов, проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы города выбросами промышленности и автотранспорта, определения допустимых вкладов предприятий (квот) в уровни приземных концентраций[11], а также рекомендации по практическому использованию информации таких компьютерных систем для управления качеством воздушного бассейна.
Во исполнение Приказа Госкомэкологии № 66 от 16.02.99 г. «О применении системы сводных расчетов при нормировании выбросов» в 12 областях Российской Федерации территориальные органы Госкомэкологии РФ приступили к созданию компьютерных банков данных о выбросах промышленных предприятий и автотранспорта и внедрению системы сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленности и автотранспорта в практику воздухоохранной деятельности на базе программного комплекса «Эколог-Город». К настоящему времени наиболее полно развернуты работы в Госкомитетах по охране окружающей среды Пермской, Псковской и Новгородской областей, комитете по охране окружающей среды г. Воронежа. В Санкт-Петербурге на базе НИИ Атмосфера осуществляется поддержание работы в оперативном режиме компьютерного банка данных о выбросах промышленности и автотранспорта Санкт-Петербурга[12]. Использование данных методик показало свою эффективность и может быть рекомендовано к применению в Москве.
2.2 Методики оценки загрязнения водных ресурсов
Проведению водоохранных мероприятий должна предшествовать комплексная оценка антропогенной нагрузки на водные ресурсы. Водные бассейны, как известно, являются сложными динамическими системами, на что указывал профессор Ф.Н.Мильков[13]. Речной бассейн следует рассматривать как парагенетическую систему, где отмечается взаимодействие сопряженных взаимозависимых элементов, связанных однонаправленным потоком вещества и энергии. Поэтому при оценке и прогнозе последствий антропогенного воздействия на водные ресурсы необходимо использовать:
1. Бассейновый подход, позволяющий оценивать динамику формирования стока, устанавливать пути движения вещества разной природы, определять степень устойчивости к антропогенному загрязнению, способствовать применению научно обоснованных систем природопользования[14]. Привязка процессов антропогенного воздействия к определенным структурным элементам речной сети позволяет более четко проводить их корреляцию с природными условиями, прослеживать пути движения и рассеивания загрязняющих веществ, оценивать самоочищающие свойства речной системы.
2. Комплексное изучение факторов антропогенного воздействия и показателей ухудшения состояния водных ресурсов с учетом условий развития негативных процессов на речных водосборах определенных порядков.
3. Информацию о состоянии водных ресурсов, получаемую как методами наземного мониторинга, так и дистанционного зондирования[15].
4. Автоматизацию математической обработки фактического материала, проведение многофакторного анализа состояния водных ресурсов в связи со структурой водно-эрозионных морфосистем[16].
5. Применение автоматизированных систем картирования: состояния морфосистем разного порядка и ранга с учетом распределения осадков, водопроницаемости рельефообразующих пород, облесенности, характера почвенного покрова, особенностей морфоскульптуры, вида и степени антропогенного воздействия на поверхностные и подземные воды, то есть характера регулирования стока, объема промышленных и бытовых стоков загрязненных вод и др.; показателей последствий хозяйственной деятельности человека – сокращения объемов местного стока, загрязнения вод, усиления процессов водной эрозии.
6. Выявление морфосистем наиболее подверженных антропогенному воздействию и их классификация по типам воздействия и последствий хозяйственной деятельности человека.
7. Определение механизмов функционирования типичных для региона морфосистем в условиях интенсивного антропогенного воздействия, а также формирование расчетных моделей для определения оптимального варианта использования водных ресурсов и системы водоохранных мероприятий.
Данный методический подход был апробирован при оценке природных ресурсов и показал свое преимущество перед традиционными методами исследований.
При оценке состояния водных ресурсов региона с помощью геоинформационных технологий в районах с интенсивным антропогенным воздействием на природную среду выполяются следующие виды работ:
1. Изучение структуры исследуемых речных бассейнов: ранжирование водотоков и бассейнов; оценка структуры бассейнов (площадей, опирающихся на водотоки разных порядков, соотношение длин водотоков разных порядков, соотношение углов слияния водотоков и другие показатели). Определение структуры бассейна позволяет выявлять механизмы его функционирования, как морфосистемы. В качестве интегрального показателя устройства бассейна могут служить его энтропийные свойства.
2. Сбор сведений о природных условиях, истощении и загрязнении поверхностных и подземных вод. При этом можно использовать фондовые материалы организаций экологического мониторинга, а также данные полевых наблюдений и аэро-космические фотоснимки.
3. Выявление основных факторов, определяющих условия развития негативных природных процессов на водосборах малых рек, а также показателей состояния водных ресурсов.
4. Районирование территории путем построения отраслевых карт как по природно-хозяйственным условиям региона (геолого-геоморфологическим, гидрогеологическим, ландшафтным), так и по степени антропогенного воздействия на водные ресурсы (сокращению речного стока, истощению динамических запасов подземных вод, загрязнению поверхностных и подземных вод). Создание моделей по всему набору показателей на основе совмещения отраслевых карт в геоинформационной системе.
5. Выделение основных показателей и факторов, проведение их ранжирования по «вкладу» в общее ухудшение состояния водных ресурсов. Разработка моделей, ориентированных на выделение бассейнов с разной степенью нарушения в функционировании.
6. Построение обобщающих карт: районирования по интегральному показателю условий развития негативных природных процессов; районирования по интегральному показателю ухудшения состояния водных ресурсов. Для этого используются материалы обработки результатов мониторинга природно-хозяйственных условий с помощью новых геоинформационных технологий.
7. Анализ результатов районирования, разработка схем охраны и рационального использования водных ресурсов региона.
Наиболее удобной формой представления информации о структуре речных бассейнов, природных и антропогенных факторах является серия карт, каждая из которых характеризует отдельные свойства природной среды. К ним относятся карты: топографические, геологические, геоморфологические, гидрологические, гидрогеологические, ландшафтные.
Масштаб карт определяется целями и задачами исследования. Для общих оценок больших территорий, например, административных областей используются карты мелких масштабов (1:500000). Напротив, для небольших регионов, где необходимо оценить динамику конкретных процессов, рекомендуется использовать карты крупных масштабов (1:100000 и крупнее).
Картографической основой могут также служить данные аэро- или космической съемки. Аэрокосмические снимки особенно необходимы для выявления контуров зон антропогенных воздействий, а также последствий хозяйственной деятельности человека.
Геолого-геоморфологические условия территории являются важнейшими факторами формирования структуры речных бассейнов, они определяют направленность и интенсивность природных и антропогенных процессов. Так, геоморфологическими условиями определяются характер и интенсивность водной эрозии, транспортирующая способность воды, а следовательно, и перенос загрязняющих веществ. От литологического состава рельефообразующих пород зависят состав аллювиального материала и способность его к перемещению. Важным факторов в функционировании эрозионных морфосистем является соотношение уклонов водотоков разного порядка. Изучение уклонов притока и принимающего водотока необходимо для выявления зон аккумуляции или эрозии, что позволяет проследить путь миграции загрязняющих веществ.
Гидрогеологическая карта отображает общие условия обводненности территории подземными водами и позволяет выявлять связь этих вод с поверхностным стоком.
Ландшафтные карты несут в себе информацию о структуре бассейнов, как сложных систем, о характере и свойствах поверхности водосборов, их устойчивости к антропогенным воздействиям.
Районирование территории можно проводить на основании многофакторного анализа и классификации природно-хозяйственных систем, характеризующихся большим количеством факторов. При этом следует использовать компьютерные программы «кластер анализа», представляющего собой совокупность методов, предназначенных для представления облака многочисленных точек – объектов в виде относительно удаленных друг от друга сгустков-кластеров. Для построения кластерных структур наиболее часто используется алгоритм, реализующий метод динамичных сгущений. В процессе кластер-анализа для всех объектов строятся звездчатые диаграммы, на которых показываются в обобщенном виде природно-хозяйственные условия, или состояние водных ресурсов. Количество лучей на этих диаграммах соответствует количеству факторов, а нормированному значению каждого фактора соответствует длина луча.