книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва 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