Цели экологического мониторинга

    При обнаружении повышенных концентраций одного из анализируемых веществ, проводится повторный отбор и анализ проб. В случае подтверждения данных анализов об увеличении содержания загрязняющих веществ, проводится детальное обследование данного участка для выяснения причин загрязнения. 

    Грунтовые воды 

    Контроль за грунтовыми водами осуществляется по всем существующим водозаборным скважинам, а также по специально пробуренным на территории лицензионного участка. Бурение скважин осуществляется до источника загрязнения и после него с учетом  направления течения подземных вод.

    Скважину для отбора проб грунтовых вод в зависимости от глубины их залегания (в среднем 2-3 м, при глубоком залегании до 8 м), пробуривают ручным или механическим буром. Стенки крепят перфорированной, пластмассовой обсадной колонной и для фиксации устье скважины обсыпают грунтом тяжелого гранулометрического состава (суглинок. глина). Верхняя часть трубы должна быть герметично закрыта, для 'того чтобы предотвратить попадание осадков и пыли. Перед взятием пробы производят откачку или водоотлив с помощью ручного насоса, при этом необходимо исключить внесение загрязняющих веществ в воду вместе со шлангом.

    Подземные и грунтовые воды отбирают согласно ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб» 1 раз в квартал (в марте, июне, сентябре и декабре) (прил. 3). На каждую пробу заполняется сопроводительный талон. Для мониторинга полигона ТБ и производственных отходов осуществляться отбор проб грунтовых вод. Периодичность отбора такая же, как и на контрольных площадках - 1 раз в квартал.

    Количественный состав подземных и грунтовых вод контролируется по таким физико-химическим показателям, как хлориды, сульфаты, фенолы, нефть и нефтепродукты, СПАВ, сухой остаток, взвешенные вещества, фосфаты (мг/дм³), удельная электропроводность (См/мх10"⁴), рН, азот аммонийный и токсичность - ежеквартально, а цинк, хром, железо общее, никель, марганец и свинец - один раз в год (Постановление..., 2003).

    Оценка качества подземных (грунтовых) вод производится на основании данных физико-химического анализа и сравнения их с фоновыми концентрациями веществ в пробе, отобранной с учетом поверхностного стока. При выявлении повышенного содержания ЗВ в подземных и грунтовых водах производится повторный отбор проб на данной площадке (затем через 10, 30, 60 дней) и осуществляется детальное обследование рассматриваемого участка для выяснения причин загрязнения. Допускаются более частые интервалы отбора (ГОСТ 17.1.3.12-86). 

    Экосистема как объект математического моделирования

    Специфика биологии как науки заключается в том, что она имеет дело с наиболее сложными объектами живой природы. Ж. Моно в своей книге "Необходимость и случайность" утверждает, что “биологические явления нужно описывать не в терминах необходимости, а в терминах случайности”. В случае с биологической изменчивостью, наблюдения над краткой последовательностью событий не позволяют высказать каких-либо суждений о дальнейшем поведении системы. Усредненные характеристики, в отличие от физики и других "точных наук", имеют слишком общее и условное значение, поскольку важны отдельные явления во всем их индивидуальном проявлении (вне зависимости от того, какова вероятность их появления). Ситуация в биологии, увиденная глазами математика, такова. На некотором поле элементарных событий с весьма малой вероятностью заданы некоторые существенные по своим последствиям события. Если одно из них реализуется, то сразу же возникает другое поле событий с иным распределением вероятностей. Отсюда ясно, что некие маловероятные явления могут дать толчок к другим явлениям, развивающимся теперь уже на новом поле событий. Сложность биологического мира такова, что он не может быть описан короче, чем с помощью прямой записи всех наблюдаемых явлений

    Важнейшая  особенность биологических систем состоит в том, что происходящие в них явления идут как бы на двух уровнях. Один - "поверхностный", когда явления протекают в некоторых установившихся или медленно эволюционирующих внешних условиях (по Н.Н. Моисееву [1990] - "дарвинский" процесс, обусловленный медленным накоплением новых количественных особенностей), другой - "глубинный", организменный, клеточный или генно-моле-кулярный, который включается в действие, когда резко изменяются условия существования экосистемы (квазидарвинский или бифуркационный процесс). Например, события, протекающие в изучаемом водном объекте, при спокойном режиме его существования могут быть, на некотором приемлемом уровне адекватности, описаны в сжатой форме с помощью системы дифференциальных уравнений, Составляющими этих уравнений являются, предположим, скорости, с которыми одни биологические виды поедают другие. Но, когда условия существования в этом водном объекте резко изменяются, модель, описывающая трофические явления на поверхностном (схематическом) уровне, оказывается бесполезной.

    Таким образом, можно выделить два принципиально различных механизма, определяющих динамику экосистемы: адаптационный и бифуркационный. Зная характеристики среды, можно со значительной точностью прогнозировать тенденции в изменении параметров системы, функционирующей по адаптационному механизму: экосистема будет двигаться по некоторой траектории внутри ограниченного коридора в направлении вектора стабилизации. Однако существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, приводящее к качественному изменению организации системы: порождается множество путей дальнейшего развития, выбор которых непредсказуем и зависит от сочетания случайных обстоятельств и флуктуаций внешней среды в момент бифуркационного перехода.

    Вся история становления экологии свидетельствует о важности и постоянном интересе исследователей к оценке воздействия среды на биоценотические компоненты экосистем. Среди стрессоров окружающей среды Р. Шуберт [1986] выделяет три группы:

    биотические факторы среды (паразитизм, инвазии, хищничество, конкуренция);

    природно-климатические факторы (солнечная активность, водность, температурный режим, ветер, давление)

    антропогенные стрессоры (химическое загрязнение, радиационное излучение, рассеяние тепловой энергии, шум, рекреация и проч.)

    К приведенным определениям следует добавить несколько уточнений:

    действие большинства загрязняющих факторов, зависит от уровня воздействия, а в некотором диапазоне "доз" эти действия не только безвредны, но и жизненно необходимы как для всей системы, так и для отдельных ее компонентов (например, такие микроэлементы как Cu, Cd, Ni и др.);

    должен быть подчеркнут обязательно "экосистемный" характер ущерба, поскольку нельзя назвать "загрязнением" негативное действие фактора на некоторые не ключевые подсистемы при общем позитивном характере влияния на остальные опорные узлы;

    само по себе действие фактора может проявляться не прямо, а опосредовано через другие факторы (например, обогащение водных экосистем биогенными элементами приводит к экстенсивному росту растительности, которая является субстратом, убежищем и пищей для прочих организмов; однако, параллельно этому начинаются негативные процессы, характерные для эвтрофных условий: замутненность воды, дефицит солнечной энергии и растворенного кислорода и проч.)

    Совокупность закономерно связанных факторов среды, воздействующих на компоненты биоценоза, называют комплексным градиентом (англ. сomplex gradient). При этом сформулированы следующие основные положения факториальной экологии [см., например, Розенберг с соавт, 1999]:

    “жизнедеятельность организма зависит от того ресурса, количество которого минимально” (закон минимума Либиха);

    “стресс организма зависит от того фактора, вредное действие которого максимально” (закон лимитирующего фактора Шелфорда);

    “любой фактор имеет экологический минимум и экологический максимум”, диапазон между которыми называется “пределами толерантности”;

    организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого, причем организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам наиболее распространены;

    при постоянных субкритичных нагрузках фактора пределы толерантности у организмов могут расширяться под действием эффекта адаптации (хотя иногда проявляется и эффект обратного свойства);

    действие одного фактора может сильно расширять или, наоборот, сужать пределы толерантности другого фактора (закон взаимодействия факторов).

    Действие произвольного фактора среды Х на любой экологический показатель Y, который принимается за оценку качества всей экосистемы, традиционно описывается некоторым подмножеством математических формул, из которых наиболее популярны следующие зависимости (см. примеры на рис. 2.2):

    линейная зависимость - наиболее удобная для расчетов и интерпретации, к которой исследователи стремятся свести каждую найденную закономерность, но, к сожалению, чрезвычайно редко встречающаяся в реальном мире;

    экспоненциальная зависимость, на которой основана бóльшая часть фундаментальных законов теоретической физики, поскольку она "по совместительству" является классическим уравнением кинетики 1-го порядка;

    логистическая (сигмоидальная) зависимость, которую можно считать усложненной моделью кинетики первого порядка для наиболее правдоподобного описания процессов биотрансформации и перемещения чужеродных веществ в экосистемах;

    релаксационно-колебательная зависимость, когда действующий фактор носит залповый характер (например, периодически повторяющихся импульсов);

    степенная зависимость Y = a₀ X ^k ;

    полиномиальная зависимость Y = a₀ + a₁ X + a₂ X ² + a₃ X ³ + … + a_n X ⁿ , обеспечивающая качественную интерполяцию широкого набора различных экстремальных и полимодальных зависимостей.

    

    

    Рис. 2.2. Некоторые формы зависимостей реакции экосистем (Y) на воздействующие факторы среды (X)

    Например, реакция экосистемы на действие фактора по логистической модели (правее диапазона толерантности) состоит из четырех последовательных фаз:

    а) фазы активного сопротивления всей системы за счет внутренних ресурсов,  
б) фазы экспоненциального "выбивания" слабых звеньев, когда ресурс, поддерживающий устойчивость экосистемы, исчерпывается,  
в) фазы роста адаптационных процессов в системе, противодействующих влиянию фактора,  
г) и, наконец, фазы стабилизации, когда "выжившие" компоненты экосистемы воспринимают установившийся уровень фактора в пределах своего диапазона толерантности.   
 

    Математические модели в экологии

    Моделирование - это один из важнейших методов научного познания, с помощью которого создается модель (условный образ) объекта исследования. Сущность его заключается в том, что взаимосвязь исследуемых явлений и факторов передается в форме конкретных математических уравнений.

    Процесс построения математической модели включает в себя следующие типовые этапы:

    формулирование целей моделирования;

    качественный анализ экосистемы, исходя из этих целей;

    формулировку законов и правдоподобных гипотез относительно структуры экосистемы, механизмов ее поведения в целом или отдельных частей (при самоорганизации эти законы "находит" компьютер);

    идентификацию модели (определение ее параметров);

    верификацию модели (проверку ее работоспособности и оценку степени адекватности реальной экосистеме);

    исследование модели (анализ устойчивости ее решений, чувствительности к изменениям параметров и пр.) и эксперимент с ней.

    В тех случаях, когда установлено постоянное и удовлетворительно точное согласие между математической моделью и опытом, такая модель приобретает практическую ценность. Эта ценность может быть достаточно велика, вне зависимости от того, представляет ли сама модель чисто математический интерес. Итак, сформулируем еще один принцип математического моделирования в экологии: модель должна иметь конкретные цели. Условно такие цели можно подразделить на три основных группы: