книги / Опасные природные процессы. Вводный курс
.pdfГшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов
Литомониторинг. В 80-е годы введен термин «литомониторинг», который в отличие от мониторинга окружающей среды характеризуется более узко он рассматривает в качестве объекта мониторинга только литосферу (точнее, ее верхние горизонты).
По Г.К. Бондарику, литомониторинг — это система оценки состояния приповерхностной области литосферы, взаимодействующей с орудиями и продуктами труда, и прогноза ее функционирования. Таким образом, это подсистема мониторинга среды обитания человека, включающей техно сферу.
Литомониторинг и мониторинг геологической среды нетождественны, так как нетождественны понятия «литосфера» и «геологическая среда».
Мониторингом геологической среды называется система постоянных на блюдений, оценки, прогноза и управления геологической средой или какойлибо ее частью, проводимая по заранее намеченной программе с целью обеспечения оптимального функционирования рассматриваемой природно технической системы.
Виды эколого-геологического мониторинга
Комплексный мониторинг. Наблюдения ведутся за системами, включа ющими все элементы верхних горизонтов литосферы.
Частные виды мониторинга: атмосферы; гидросферы биосферы литосферы техносферы и др.
Главной целью мониторинга литосферы является установление тенден ций развития и изменения верхних горизонтов литосферы с учетом их эко логических последствий для человека и других организмов в пределах кон кретной эколого-геологической системы. На основе этих данных принимают рекомендации и управляющие решения по последующим аспектам:
1)оптимизация функционирования эколого-геологической системы;
2)обеспечение экологически благоприятных условий ее существования:
3)устойчивость развития.
Основу организационной структуры эколого-геологического монито ринга составляет так называемая автоматизированная информационная система (АИС), которая создается на базе ЭВМ
Математическое моделирование. Математика давно получила признание в качестве инструмента изучения явлений и процессов реального мира.
151
Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем
Расширение области использования математики при анализе природных объектов, ее применение в новых областях связаны с понятием «модель».
Моделирование — это метод исследования практически любого науч ного направления. Требования к созданию корректных моделей являются общими. Отличительной особенностью геоэкологического моделирования является невозможность получения окончательного, удовлетворяющего все стороны решения.
Модель обычно не описывает явление во всей его полноте, она отража ет тот особый, специфический ракурс, в котором мы хотим рассмотреть ис следуемую систему. Модель подчеркивает отдельные, представляющие инте рес для исследователя черты системы и намеренно затушевывает, упрощает или даже искажает остальные ее свойства. Реальное явление всегда сложнее модели.
Построение математической модели является основой основ, централь ным этапом исследования. От качества модели зависит судьба всего дальней шего анализа.
Конструирование модели — дело деликатное. Однако от исследователя обязательно требуется глубокое знание моделируемого объекта (процесса), его поведения в различных ситуациях, а также владение математическими методами.
Представление о процессе обычно формируется на базе наблюдений. Однако только экспериментального материала, как бы хорош он ни был, не достаточно. Нужно некоторое обобщение, т.е. обобщенный взгляд на мате риал, результатом чего и станет определенная концепция. В геологии кон цепции, как правило, формируются в виде теоретических гипотез. Многие из них родились как догадки, которые лишь позже были подтверждены ма териалом наблюдений.
Построение математической модели всегда опирается на систему гипо тез, отражающих понимание исследователем изучаемого объекта. При мате матическом моделировании геологические объекты удобно рассматривать как некие системы (например, горная порода — это система минеральных образований).
Под геоэкологическим моделированием понимается создание моделей состояния той или иной территории, возникающей при реальных или воз можных изменениях геологического компонента природной среды в процес се взаимодействия последнего с источниками воздействия, как природными, так и техногенными. Создание подобных моделей предполагает поэтапное их формирование — от мысленных моделей к физическим, знаковым (кар тографическим) и математическим.
В процессе моделирования решаются следующие группы задач: создание моделей состояния эколого-геологической ситуации той или
иной территории;
152
Глава 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов
построение моделей эколого-геологического прогноза:
разработка и выбор модели устойчиво развивающейся эколого-геоло гической системы территории;
корректировка постоянно действующей модели устойчиво развиваю щейся эколого-геологической системы.
В процессе исследований выделяют цепочки причинно-следственных связей. Примерами могут служить прогнозные модели изменения экологи ческих функций литосферы в связи с загрязнением грунтов, подземных вод. подтоплением территории, экзогенными процессами и т.п.
Математические модели создаются на основе обобщения пакета частных моделей в единую прогностическую систему. Построение и функционирова ние подобных моделей предполагает использование быстродействующих ЭВМ. В реальной ситуации возможно наличие большого числа случайных факторов. Поэтому приоритет в моделировании следует отдать методам веро ятностного моделирования, с помощью которого можно имитировать слож ные процессы, протекающие внутри системы и, как правило, не поддающи еся аналитическому решению.
Создание модели — процесс непрерывный, но в нем условно можно выделить 3 этапа:
1)определение режима использования территории;
2)описание словесного портрета модели, выявление основных параме тров среды;
3)объединение результатов исследования природной среды, техносфе ры, биосферы, т.е. построение модели оптимальной устойчиво развиваю щейся системы.
Основные задачи геоэкологических исследо ваний для России
Экология (с греч. «экое» — дом, «логос» — наука) — наука о доме, о месте жительства. Дом этот очень большой — вся Земля. Термин «экология» ввел естествоиспытатель XIX в. Эрнст Геккель. С тех пор изучается взаимосвязь живых существ с окружающим их миром. Удалось открыть, а потом и четко сформулировать многие экологические принци пы, закономерности. Это очень важно, потому что. зная правила и законы природы, можно их использовать на благо человека.
Человек плохо приспособлен к окружающим его условиям. Он может су ществовать в очень узких климатических рамках: ниже 15 — мерзнет, выше 35° — страдает от жары, не способен более 5 дней обходиться без воды, не об ладает развитой мускулатурой. Скорость передвижения в среднем не превы шает 10—15 км/ч. Он полностью беззащитен: для обороны или нападения
153
Разде! /. Принципы эволюции и взаимодействия с южных систем
нет ни острых клыков, ни когтей, ни защитного панциря, тонкая кожа не спасает от капризов природы. Органы чувств развиты очень слабо: узкий угол зрения, в темноте видит плохо, обоняние и слух намного слабее, чем у других млекопитающих. Трудно представить, что такой вид смог не толь ко выжить в суровых условиях, но и достичь высокой численности, рас пространиться на значительные территории, приспособить «под себя» эту планету.
В течение долгих тысячелетий человек вел себя как обычный хищник, его добычу составляли в основном больные, ослабленные животные. Не об ладая особой силой, скоростью передвижения, он не мог нанести особый ущерб стадам животных. К тому же мозг наших далеких предков был не на столько развит, чтобы разработать хитроумный план охоты.
Однако примерно 15 тыс. лет назад ситуация изменилась. К эпохе верх него палеолита люди уже использовали различные орудия охоты, научились делать ловчие ямы. В течение одной охоты он мог истребить целое стадо. Так человек стал самым могущественным хищником на Земле. Численность промысловых животных сократилась. Человек вынужден был перейти от охоты к земледелию и скотоводству.
Сельскохозяйственные угодья покрывают сейчас 37% суши (11% — по ля, 26% — пастбища), в России — 14% суши (8% — пашни). Сведение лесов приводит к изменению экосистем.
Продуктивность растительного покрова биосферы снизилась на 15—20%. К каким последствиям для природы и человека это может привести, пока точно не известно. Однако главная опасность очевидна: снижение проду ктивности биосферы приводит к уменьшению ее устойчивости, т.е. способ ности поддерживать свое состояние долгое время, несмотря на различные внешние воздействия.
Вся биосфера в течение миллионов лет жила за счет энергии Солнца. Человечество стало третьим по величине источником энергии на нашей пла нете. Люди вырабатывают 0,02% той энергии, которая приходит к Земле с солнечными лучами, это лишь немного меньше, чем поступает из глубин Земли. Казалось бы. 0,02% — это очень мало. Но в экологии существует «правило 1%»: изменение энергетики экосистемы более чем на 1% выводит ее из равновесия.
Все мощнейшие геологические и климатические явления на Земле — извержения вулканов, тайфуны, циклоны — имеют суммарную энергию не более 1% энергии солнечного излучения, поступающего на поверхность пла неты. Поэтому энергетический вклад человечества не так уж и мал.
Промышленность сама по себе не является ни плохой, ни хорошей для экологии Земли — все зависит от того, как люди пользуются ее могущест вом. Человечество превратилось, по словам академика В.И. Вернадского, в новую геологическую силу, способную «перестраивать своим трудом и мыс
154
Гшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов
лью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше». В то же время развитие промышленности создало колоссальные экологические проблемы, которые могут привести к кризису современной цивилизации.
С середины XX в. стали происходить необратимые, подчас катастрофи ческие, изменения геологической среды. Человек изымает из недр Земли в гигантских масштабах полезные ископаемые, прежде всего нефть, уголь, газ, горючие сланцы, торф, а также привносит в геологическую среду продукты их переработки.
Например, количество только механически извлекаемого материала при добыче полезных ископаемых и строительстве превышает 100 млрд, т в год, что примерно в 4 раза больше массы материала, сносимого в океаны речны ми водами в процессе денудации — разрушения и удаления пород суши. Ежегодный объем наносов, перемещаемых всеми текучими водами на зем ной поверхности, составляет не более 13 км \ это в 30 раз меньше, чем пе ремещается горных пород при всех видах строительства и добычи полезных ископаемых.
Таким образом, техногенная деятельность по своим масштабам и интен сивности не только стала соизмеримой с некоторыми природными геологи ческими процессами, но и существенно их превосходит.
Не менее важной проблемой стала концентрация вблизи поверхности Земли веществ и химических элементов, ранее находившихся в рассеянном состоянии. Наиболее экологически опасно поступление в геологическую среду техногенных радионуклидов в виде отходов атомной промышленно сти или в результате выбросов, аварий, ядерных взрывов, захоронений ра диоактивных веществ.
Масштабы воздействия человека на геологическую среду особенно ощу тимы в районах горнодобывающих предприятий, крупных карьеров и т.п. Здесь на значительных площадях происходит нарушение земель, из недр из влекаются и перемещаются гигантские объемы горных пород. Это вызывает необратимые изменения в геологической среде: меняются напряженное со стояние массивов горных пород, их термический режим, гидрогеологиче ские условия и т.п.
Экологическая служба в нашей стране зародилась только в 1990 г. До это го понятия «экология» в Советском Союзе как бы не существовало. В 90-х го дах произошел всплеск экологического сознания общества. Экологическая обстановка в России плохая, а местами даже катастрофическая. Хотя Рос сия — это единственная страна, которая сохранила самый большой массив ес тественных экосистем. Площадь России — 18 млн км2, из них 11 млн км2 — естественная экосистема, которая способна себя восстанавливать, где природа еще живет по своим высшим законам, давая жить человеку. Наш запас све жего чистого воздуха использует вся планета. Использование природных ре
155
Разде] /. Принципы зволюции и взаимодействия с южных систем
сурсов должно осуществляться на благо страны. Очень важно не наносить ей смертельных ран.
Все экологические процессы очень инерционны. Сейчас 14—15% тер ритории России — зона экологического неблагополучия. Здесь проживает около 50 млн человек. После 1996 г. в России сильно упала продолжитель ность жизни (сейчас она составляет около 60 лет для мужчин). Идет заметное сокращение численности населения России. В этих процессах доля экологи ческих причин не меньше 30—40%, а может быть, и 50—60%. По экологиче ским причинам преждевременно умирает 240—320 тыс. россиян, еще сотни тысяч заболевают. Дешевле и эффективнее предупредить возникновение эко логических проблем, чем потом их преодолевать.
19 декабря 1991 г. был принят базовый экологический закон России — «Об охране окружающей природной среды». Этот закон определяет прин ципы охраны окружающей среды. Он устанавливает:
права граждан в сфере охраны окружающей среды; основные правовые институты охраны природы; особо охраняемые природные территории; зоны чрезвычайной экологической обстановки; требования к различным видам деятельности;
основы экологического контроля и образования; виды экологических правонарушений и ответственности за них.
В течение нескольких лет аналитики МЧС составляют прогнозы чрез вычайных ситуаций. По своей сути это прогнозы экологического характе ра, которые остро ставят проблемы взаимоотношения человека с окружаю щей средой, в том числе с агрессивной средой, созданной самими людьми.
Данные прогнозы ставят сугубо практические цели — дать информацию о потенциальных природных и техногенных рисках, привлечь внимание к все возможным узким местам, которые имеются в стране. Есть категория чрезвы чайных ситуаций, главным образом связанных с природными катаклизмами и стихийными бедствиями (землетрясения, наводнения и т.д.), предотвращать которые людям пока не по силам. Но и тут можно минимизировать послед ствия, если заблаговременно готовить соответствующие финансовые и мате риальные ресурсы, организовать работу с населением. А техногенные аварии и катастрофы, причиной которых, как правило, является не злой рок, а чело век, человеческий фактор, работники МЧС просто обязаны предвидеть и предотвращать.
Все, кто работает в МЧС, просто не имеют права ограничивать свою ра боту только организацией работ по ликвидации последствий тех или иных ЧП. Нужна и профилактическая работа. Составление и публикация годовых прогнозов — это как раз один из элементов такой работы.
Методики прогнозирования чрезвычайных ситуаций только нарабатыва ются. Сегодня эти прогнозы аналитики МЧС строят на основе анализа ста
156
Гшва 4. Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов
тистических данных последних лет и мониторинга происходящих в России природных и техногенных процессов. Многое предсказывается довольно точно.
ВРоссии довольно сложная социально-экономическая обстановка, ко торая приводит к свертыванию некоторых мероприятий, направленных на предотвращение опасных природных явлений, к возрастанию техногенных опасностей, вызванных износом оборудования на предприятиях, и др. Нуж на государственная политика, основанная на экономических механизмах стимулирования мероприятий, направленных на обеспечение безопасно сти населения и территорий. В число приоритетов государственной поли тики не на словах, а на деле должна войти природоохранная деятель ность. В последнее время все чаще сталкиваемся с фактами, когда непо средственными причинами чрезвычайных ситуаций становится не что иное, как увеличение антропогенного воздействия на окружающую при родную среду.
Россия — одно из крупнейших золотодобывающих государств мира, по этому состояние рек, на которых велась и ведется добыча золота (Амур, Се ленга, Ангара, Енисей, Обь, Колыма), тревожит экологов, так как в произ водстве золота используются цианиды. Один выброс, одна оплошность — и целая река Тисса на 10 лет оказалась загубленной. Погибли микроорганиз мы, планктон, рыба и др.
Экологическая катастрофа случилась и на Северном Кавказе. Там в те чение многих лет нарушались канализационные сети, в аварийном режиме эксплуатировались технологические системы. Разливы нефти произошли из-за наличия дыр в нефтепроводах, которые в свою очередь стали резуль татом деятельности воровских заводов. Если будет порядок в стране — ката строф станет меньше. Ведь все катастрофы в той или иной степени — резуль тат безалаберности конкретных людей.
Устойчивое развитие страны подразумевает сбалансированность трех важнейших элементов:
социального благополучия; экономического развития; высокого качества окружающей среды.
ВРоссии по каждому из этих элементов существует много проблем. Однако можно выделить приоритетные направления:
создание сильного и богатого государства, благоденствие людей — гра ждан этого государства;
активная экологическая политика — как государства, так и населения; перестройка структуры экономики страны.
Человек — первый обитатель Земли, который реально угрожает прак тически всем своим соседям по планете и даже самому существованию по родившей его биосферы. Развитие человечества сопровождалось разруше
157
Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
нием среды обитания организмов. Полностью уничтожены многие виды животного и растительного мира, исчезающие виды занесены в Красную книгу. К концу XX в. тропические леса потеряли 15—20% флоры и фауны.
Когда-то лесами была занята большая часть суши планеты. Сейчас — около 1/3 планеты. На остальной части суши они уничтожены в резуль тате развития сельского хозяйства, промышленности, пожаров, обогрева и т.п.
Сокращение лесных площадей и их деградация — одна из глобальных проблем экологии (причины: опустынивание, эрозия почв, усиление пар никового эффекта).
Основная задача геоэкологии — изучение и оценка изменения геологи ческой среды в результате хозяйственной деятельности человека, в том числе ее техногенного загрязнения. При этом учитывается загрязнение других компонентов природной среды (атмосферы, растительности, почв, воды) и возможное его влияние на здоровье людей и животный мир.
Таким образом, предметом геоэкологии являются знания не только о состоянии геологической среды и всех ее компонентов в отдельности, но и о происходящих в них процессах, активизация которых может приво дить к нежелательным последствиям в других сферах, прежде всего в био сфере.
Основные эколого-геологические задачи
/. Ресурсная задача
Она включает следующие задачи: 1) оценка структур и типов строения литосферы с учетом ее ресурсной эколого-геологической функции; 2) оцен ка минеральных ресурсов и экологических последствий их освоения и экс плуатации; 3) повышение эффективности использования природных ре сурсов с учетом их эколшической значимости: 4) оценка и сохранение ре сурсов подземных вод питьевого и технического назначения с учетом nv экологического значения: 5) оценка состояния и динамики изменения гид родинамической и балансовой структуры подземных вод с экологических позиций; 6) обоснование управления состоянием и свойствами массивов техногенных и природных горных пород с целью сохранения или улучше ния их экологических свойств; 7) разработка экологически обоснованных рецептур и технологий утилизации твердых и жидких продуктов техногене за, промышленных и бытовых отходов.
//. Геодинамическая задача
Эта задача направлена на: 1) изучение изменения литосферы под влия нием природных и антропогенных геологических процессов с учетом их не
158
Глава 4 Общие принципы прогноза опасных атмосферных процессов
гативного воздействия на биоту; 2) целевое оценочное районирование лито сферы для прогноза развития негативных процессов и оценки комфортности проживания населения; 3) оценку устойчивости территории к техногенным воздействиям, отрицательно влияющим на экологическое состояние террито рии; 4) эколого-геологическое обоснование инженерной защиты территорий, объектов, сооружений и населения от негативных экологических последст вий, вызванных техногенезом; 5) эколого-геологическое обоснование инже нерной защиты территорий от опасных (катастрофических) геологических процессов.
///. Геофизико-геохимическая задача
Эта задача предполагает изучение; 1) геопатогенных природных и техно генных геохимических аномалий и аномалий геофизических полей, негатив но воздействующих на биоту; 2) закономерностей техногенной миграции хи мических элементов, ухудшающих экологическое состояние компонентов литосферы; 3) изменения химии горных пород под влиянием техногенеза с учетом сохранения или изменения их экологических свойств; 4) эколого геохимического воздействия на литосферу различных видов технической деятельности человека; 5) эколого-геологического обоснования захороне ния токсичных и радиоактивных отходов (изоляция в литосфере и подзем ной гидросфере); 6) рецептур и технологии обезвреживания и изъятия из природных кругооборотов токсичных и радиоактивных элементов и со единений путем осаждения и изомерных замещений, накопления и нейт рализации на геохимических барьерах, разбавления для улучшения или сохранения экологического состояния территории; 7) оценки состояния и динамики изменения химического состава (качества) подземных вод с эколого-геологических позиций; 8) оценки защищенности подземных вод от техногенного загрязнения с учетом сохранения ими своих экологиче ских свойств.
Выводы
Установление биологической комфортности терри тории в зависимости от экологических функций литосферы требует комп лексного изучения геолого-географической обстановки.
Эколого-геологические исследования должны проводиться целенапра вленно и быть ориентированы на конечную цель — анализ влияния лито сферы, ее экологических функций на формирование и изменение условий существования биоты.
Роль разных наук геологического цикла в эколого-геологических ис следованиях неодинакова и зависит от характера рассматриваемой задачи.
159
Рейде i I. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем
Выполнение эколого-геологических исследований должно проводить ся в рамках единого научного направления, ответственного за оценку эко логических функций литосферы.
Обеспечение устойчивого функционирования и дальнейшего развития производительных сил России и сопредельных территорий, а также безо пасных условий для проживания населения невозможно без разработки и внедрения эффективной системы предупреждения ЧС, вызванных опасны ми природными процессами. Создание такой системы — комплексная про блема, включающая решение многих организационных и научных задач. Среди них наиболее важными являются выявление районов активизации тех или иных процессов, факторов их развития и параметров проявления, оцен ка возможных последствий и особенно разработка мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций, связанных с опасными процессами.
Рассмотрим экологически неблагополучные регионы России.
Мурманская область.
Выбросы предприятий цветной металлургии, горнодобывающая про мышленность. машиностроение, отходы военных баз и др.
Бытовые стоки содержат тяжелые металлы (никель, фтор). В подзем ных водоносных горизонтах в районе комбината «Печенганикель» содер жание загрязняющих веществ превышает ПДК в 24—25 раз.
Центральная Россия. Высокая плотность населения (до 100 чел./км2). Естественные ландшафты сохранились только в заповедниках. В результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. пострадали Брянская, Орловская, Калужская, Тульская области и Поволжье. В Брянской области 24 района загрязнены радионуклидами.
Москва и Московская область. Много экологически опасных произ водств. Всего на территории области расположено 3,5 тыс. предприятий (из них более 2 тыс. — в Москве). Столица — чемпион по загрязнению воды (более 100 наименований загрязняющих веществ). Основной виновник — автотранспорт (90% выбросов в городе). Попавшие в воздух тяжелые ме таллы оседают в радиусе 80—100 км. Почвы особенно сильно загрязнены кадмием: например, на территории музея-усадьбы «Горки Ленинские» его концентрация превышает в 70—100 раз природное значение.
Центрально-Черноземныйрайон России. Более 70% территории распахано. Загрязнение почв пестицидами. Канализационные стоки. Промышленность: Лебединский горно-обогатительный, Старооскольский металлургический. Михайловский горно-обогатительный, Курская ТЭЦ, Новолипецкий метал лургический.
К экологически неблагополучным регионам относятся также Среднее Поволжье и Прикамье, Калмыкия, низовья Волги и Северный Прикаспий, Краснодарский край, Уральский район, северо-запад Сибири, Кузбасс, Нориль ский промышленный центр, юг Восточной Сибири.
160