Применение цифровых приборов при экологических исследованиях

«ТЕХНИКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ»

Стремительный рост общей численности населения планеты совместно с усилением техногенных воздействий на окружающую среду существенно меняют ход глобальных природных процессов на Земле. В настоящее время масштабы естественных и антропогенных процессов стали сопоставимыми, а соотношение между ними продолжает изменяться в сторону возрастания мощности антропогенного воздействия на биосферу.

Термин «экология» был введен в употребление немецким естествоиспытателем Э.Геккелем в 1866г. и в дословном переводе с греческого обозначает науку о доме (ойкос - дом, жилище; логос - учение). В настоящее время смысл термина «экология» существенно трансформировался: экология стала более ориентированной на человека в связи с его исключительно масштабным и специфическим влиянием на среду. Современную экологию можно рассматривать как науку, занимающуюся изучением существования и взаимоотношений живых организмов, в том числе и человека, со средой обитания, определением масштабов и допустимых пределов воздействия человеческого общества на среду, возможностей уменьшения этих воздействий или их полной нейтрализации.

Содержание термина «экология», таким образом, приобрело социально-политический, философский аспект. Экология при этом рассматривается не только как самостоятельная дисциплина, а как мировоззрение, призванное пронизывать все науки, технологические процессы и сферы деятельности людей. Таким образом, не только технический прогресс и деятельность людей влияют на экологию, но и экология в свою очередь использует результаты достижений современных технологий для влияния на мировоззрение людей и дальнейшее развитие технологических процессов.

Рассмотрим, чем может быть полезен технический прогресс с точки зрения экологии, как прикладной науки. На рисунке ниже представлена общая схема глобального техногенного воздействия на биогеохимические циклы экосистемы.

Системный подход к решению экологических проблем в условиях усиленных антропогенных нагрузок предполагает комплексное изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно как без привлечения методов прогнозирования, так и без регулярных наблюдений за объектами экосистемы и сбора статистического материала на протяжении длительного периода времени для получения выборки, объем которой позволяется получать вероятностные значения с заданной точностью.

Таким образом в современной экологии использование технических средств и оборудования может рассматриваться с двух точек зрения:

при построении машинных имитационных моделей и применении математических методов прогнозирования, и математическое моделирование здесь - один из основных инструментов системного анализа, позволяющий в ряде случаев избежать трудоемких и дорогостоящих натурных элементов;

при проведении исследований состояния отдельных объектов окружающее среды для получения информации об уровне их загрязнения, мониторинга изменений экологических факторов, накопления статистического материала в целях наполнения соответствующих баз данных, реализации системы оптимального управления уровнем антропогенного воздействия на объекты экосистемы.

А. Рассмотрим использование аппаратных, технических и программных средств в целях математического моделирования и построения имитационных моделей в экологии:

Проблема адекватности и точности прогноза (как в экологии, так и в других науках) выдвигается в настоящее время на одно из первых мест. С развитием ЭВМ все большее распространение получают математические модели, стремящиеся к максимально адекватному описанию объекта за счет расширения количества описываемых процессов и более детального их описания. Для решения задач, связанных с управлением реально существующими экосистемами строятся машинные (имитационные) модели с использованием программно-аппаратных средств последнего поколения. При разработке таких моделей приходится считаться с тем фактом, что современные ЭВМ являются вычислителями дискретного действия, изначально не предназначенными для решения задач моделирования. Поэтому в процессе создания имитационных моделей приходится разрабатывать для них специальное математическое и программное обеспечение.

В то же время нестационарный и стохастический характер развития экологических систем приводит к значительной априорной неопределенности, которая вызывает серьезные трудности при моделировании.

В настоящее время можно отметить два направления развития имитационного моделирования экологических систем, где предлагаются достаточно конструктивные средства для работы с неопределенностью.

Первое направление оформилось как методика решения задач идентификации и верификации экологических моделей. Под идентификацией экологической модели понимается процесс определения и уточнения численных значений коэффициентов модели при исследовании конкретной экологической ситуации.

Для верификации моделей круговорота биогенных элементов используется методика связности, существенно уменьшающая неопределенность модели с помощью выделения связей, наложенных на параметры (из условий сохранения устойчивости особых точек для нескольких итераций модели).

Верификация существенно уменьшает неопределенность модели, но все же не дает однозначных численных значений для всех параметров системы. Поэтому коэффициенты модели, оставшиеся неопределенными, необходимо идентифицировать по реальным данным.

Второе направление представляет достаточно успешную попытку совместить процесс обнаружения скрытых закономерностей развития экосистемы и их интеграцию в математическую модель. В качестве методологической основы для данного подхода используется общая теория систем и теория статистических решений. Уточнение и конкретизация структуры модели осуществляется за счет сужения множества гипотез. Под структурой модели в данном контексте понимается алгоритм, определяющий вычисление выходных переменных системы через значения переменных на входе.

Говоря об имитационном моделировании, нельзя не отметить тот факт, что качественный анализ экологических моделей развит достаточно глубоко только для моделей малой размерности. Поэтому даже при наличии имитационной модели, обладающей всеми возможными достоинствами, дать оценку общего состояния экосистемы по 15-20 различным графиком представляется весьма затруднительно.

Рассмотрим информационную систему и систему поддержки мониторинга на следующих примерах:

I. Информационная система TerraNorte, призванная осуществлять систематизированное хранение и обновление географических баз данных мониторинга наземных экосистем Северной Евразии и обеспечивать удаленный доступ пользователей к информации на основе Интернет-технологий.

Система TerraNorte является одним из ключевых структурных элементов системы спутникового мониторинга наземных экосистем Северной Евразии, функциональная схема которого в обобщенном виде представлена на рис. 1 и включает в себя следующие основные компоненты:

1. Подсистема сбора и предварительной обработки спутниковых данных;

2. Подсистема тематического анализа спутниковых данных;

3. Подсистема анализа данных и моделирования;

4. Информационная система TerraNorte.

Ниже рассмотрено содержание указанных компонентов системы спутникового мониторинга наземных экосистем Северной Евразии.

Подсистема сбора и предварительной обработки спутниковых данных предназначена для формирования архивов данных спутниковых наблюдений и получения улучшенных, т.е. очищенных от влияния факторов, ограничивающих их использование (облака, тени, аппаратные помехи и т.д.), а также при необходимости скорректированных за влияние атмосферы, угловых условий освещения и наблюдения, продуктов данных.

Классифицируя доступные в настоящее время и активно используемые для мониторинга наземных экосистем Северной Евразии спутниковые системы оптического диапазона длин волн по уровню пространственного разрешения, можно выделить следующие основные группы:

Данные низкого пространственного разрешения (~ 1 км), имеющие, как правило, наиболее высокую периодичность наблюдений и способные не реже чем ежесуточно обеспечивать глобальное покрытие Земли (в бореальной зоне до 2-3 раз в зависимости от широты местности). К спутниковым инструментам этого уровня разрешения относятся системы NOAA-AVHRR, SPOT-Vegetation и Terra/Aqua-MODIS, обеспечивающие получение данных измерений в широком диапазоне длин волн оптического спектра.

Данные среднего пространственного разрешения (~ 250-500 м), к числу которых относятся наблюдения, проводимые спутниковыми системами Terra/Aqua-MODIS и Envisat-MERIS. Эти системы, как правило, способны обеспечить глобальное покрытие в течение 1-3 дней и также проводят измерения в широком диапазоне длин волн.

Данные высокого пространственного разрешения (~ 20-50 м), обеспечивающие, как правило, частоту наблюдений одной территории не чаще чем один раз в две недели. К спутниковым системам этого класса, в частности относятся Landsat-TM/ETM+, SPOT-HRV/HRVIR, Terra-ASTER, Метеор-3М/МСУ-Э.

Данные сверхвысокого пространственного разрешения (~ 1-3 м), применяемые, как правило, для выборочных наблюдений на нерегулярной основе. К их числу, в частности, относятся спутниковые системы IKОNOS, Quick Bird и SPOT-HRG.

Комбинированное использование спутниковых данных указанных выше групп, в совокупности с наличием соответствующих алгоритмов анализа данных и методов пространственного моделирования, позволяет спроектировать систему мониторинга наземных экосистем Северной Евразии, обеспечивающую квазинепрерывность наблюдений при субконтинентальном охвате территории и получении в ряде случаев детальных характеристик ключевых объектов и явлений.

В настоящее время спутниковые данные и результаты их обработки поступают в систему из центра приема ИКИ РАН и центров сбора и обработки данных различных российских институтов (ИСЗФ СО РАН, ИОА СО РАН, ИКФИА СО РАН и др.). В систему также поступают данные из специализированных Российских и международных центров приема, обработки и распространения спутниковых данных. При этом комплекс работ по созданию TerraNorte не предусматривает разработки новых технических и программных средств сбора и предварительной обработки спутниковых данных, а реализация соответствующей подсистемы основывается на тесной интеграции TerraNorte с комплексом разработанных в ИКИ РАН автоматических технологий обработки различных типов спутниковых данных.

Подсистема анализа данных и моделирования процессов в наземных экосистемах предназначена для создания производных информационных продуктов высокого уровня на основе банка данных TerraNorte с использованием специализированных алгоритмов тематического анализа и математических моделей и включает в себя, в частности, следующие типы моделей:

1. модели продукционных процессов в наземных экосистемах;

2. модели сукцессонной динамики растительности;

3. модели взаимодействия наземных экосистем и климата;

4. модели оценки компонентов цикла углерода и других биогеохимических циклов;

5. модели циклов энергии и воды.

Структура информационной системы TerraNorte включает в себя ряд рассмотренных ниже компонентов, а именно:

1. Банк данных

2. Геоинформационная система

3. Подсистема удаленного доступа к данным

Банк данных является ядром информационной системы TerraNorte. Геоинформационная система предназначена для осуществления двух основных функций, а именно для обеспечения доступа локальных пользователей к банку данных TerraNorte, а также для проведения пространственного анализа и моделирования с целью получения производных информационных продуктов второго и более высокого уровней на основе различных пространственных данных. Подсистема удаленного доступа к данным на основе Интернет-технологий обеспечивает пользователям возможность получения как собственно информационных продуктов из банка данных, так и данных в виде табличных и графических документов, синтезируемых в соответствии с запросами пользователей. В настоящее время пользователи могут получить доступ к информационной системе TerraNorte через web-сайт по адресу http://terranorte.iki.rssi.ru.

Особенности программно-аппаратной реализации системы TerraNorte

Техническая реализация информационной системы TerraNorte основана на объединенном использовании нескольких файл-серверов, обеспечивающих хранение содержимого банка данных. При этом данные распределены между серверами в соответствии с их статусом (входные, промежуточные, выходные), типом (спутниковые, картографические, табличные) и форматом хранения (СУБД, бинарные файлы, файлы в формате ГИС-пакетов и др.)

Доступ конечных пользователей к данным системы обеспечивается web-сервером.

Разработка информационной системы поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (проект № 04-07-90263-в).

II. Система АРМ ЭКОМ (автоматизированное рабочее место экологического мониторинга).

Программная система АРМ ЭКОМ является многофункциональной информационной системой, построенной на базе ГИС МарInfo. Назначение системы состоит в хранении, обработке и представлении цифровой картографической, экологической и других видов информации. Система позволяет:

- осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;

- исследовать динамику изменения состояния экосистемы в пространстве и времени;

- по результатам анализа строить тематические карты;

- моделировать природные процессы в различных средах;

- оценивать ситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.

На ГИС-основе создана база моделей природных и техногенных объектов, база данных контрольных измерений, справочники вредных веществ, содержащие значения предельно допустимых концентраций и группы лимитирующих признаков вредности. Оцифровка осуществлена послойно, т.е. каждая группа однотипных элементов (реки, озера, дороги, города, предприятия) заносятся в отдельный слой. База данных цифровой карты включает два типа картографической информации: пространственную и описательную. Преимущества ГИС состоит в связывании этих двух типов данных и поддержании пространственных связей между объектами. Описательная часть БД хранится в формате DBF, что позволяет независимо заполнять ее в других программных оболочках, например FoxPro. Это особенно актуально для результатов контрольных измерений, имеющих большой объем.

На основании базы контрольных измерений создана система мониторинга состояния окружающей среды, позволяющая оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте.

Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработке рекомендаций по ликвидации последствий ситуации и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия.
Реализована модель распространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемая ОНД-86. Методика ОНД-86 для расчета концентрации примесей в атмосферном воздухе используется в нашей стране в качестве стандартной. Она позволяет рассчитать поле разовых концентраций примеси из земли при выбросе из одиночного источника и группы источников, при нагретых и холодных выбросах, дает возможность учесть одновременно действие разнородных источников и рассчитать суммарное загрязнение атмосферы от промышленных комплексов. При проектировании предприятия необходимо с помощью ОНД-86 определить его характеристики (а именно высоту источника выброса, ширину санитарно-защитной зоны и др.) для обеспечения безопасности его функционирования для находящихся поблизости населенный пунктов. Для уже действующих предприятий возможно определить предельно допустимые выбросы, при которых обеспечивается не превышение санитарных норм содержания вредных веществ. Данная методика позволяет рассчитать значение разовой концентрации вредных веществ, которое определяется при наиболее неблагоприятных метеорологических условиях, то есть рассматривается не реальная ситуация, а наихудший случай для данной местности. Результатом работы модели является поле концентраций, являющееся слоем ГИС.

Для водотоков реализована модель для средних рек северо-западного региона. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики, рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты. В качестве расчетного метода прогноза влияния сброса производственных, ливневых и хозяйственно-бытовых стоков и оценки процесса разбавления, а также для обоснования допустимых нормативов сброса сточных вод применен метод математического моделирования конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ. Результатом работы модели также является поле концентраций, импортируемое в ГИС.

Система реализует алгоритмы оценки качества окружающей природной среды. Возможность совмещения реальных значений фоновых концентраций, полученных в результате контрольных измерений, с результатами моделирования техногенных воздействий различных производств, работающих в штатном режиме и в случае аварийных выбросов и сбросов позволяет рассматривать ситуации при различных метеоусловиях и на основании этого осуществлять прогнозирование возможных последствий, проектирование хозяйственной структуры района. Географические карты при этом служат основным способом как отображения закономерностей изменения состояния экосистем, так и получения информации.

Б. Рассмотрим использование аппаратных, технических и программных средств в целях проведения точечных проб, мониторинга изменений экологических факторов окружающей среды и осуществления экологического нормирования:

Как правило, потребность измерения экологических факторов связана с необходимостью установления норм и правил природопользования. Экологическое нормирование и стандартизация в области охраны окружающей среды и рационального природопользования приобретают сегодня особую важность. Это обстоятельство объясняется быстрым развитием экологического права в России, введением принципа платности природопользования, передачей объектов природопользования в частное управление, а также продолжающимся ухудшением экологической ситуации и необходимостью принятия адекватных превентивных мер.

Практика экологического нормирования позволяет выделить три его основных направления: санитарно-гигиеническое, экосистемное и производственно-ресурсное.

Основной задачей санитарно-гигиенического нормирования является обеспечение безопасности жизнедеятельности человека и сохранение генетического фонда. К основному объекту исследований относится толерантность человека к вредным воздействиям.

Экосистемное нормирование включает оценку качества окружающей среды и ее компонентов через систему индексов и количественных оценок. В качестве инновационного направления можно выделить исследования в области нормирования индивидуального и группового риска при разного рода чрезвычайных ситуациях.

Производственно-ресурсное направление призвано решать целый комплекс проблем. Это производственно-технологическое обеспечение соблюдения экологических норм и правил через экологизацию технологических процессов, нормирование качества выпускаемой продукции, ограничение прямого воздействия на природную среду предприятий, нормирование и стандартизация в области обращения с отходами производства и потребления.

Экологическое нормирование тесно связано с экологическим контролем, которому отводится одно из ведущих мест в системе обеспечения рационального природопользования и охраны окружающей среды. Основными формами экологического контроля выступают экологическая экспертиза, экологический мониторинг, экоаудит.

Практика создания экологических нормативов предполагает два основных этапа:

Научная разработка и обоснование норм и правил;

Придание им статуса норматива.

Система стандартов в области охраны окружающей среды в настоящее время сохраняет свое значение вплоть до принятия соответствующих технических регламентов. В российском классификаторе ГОСТов для природоохранных стандартов выделен раздел 17 «Охрана природы», который состоит из десяти (0-9) комплексов (в номенклатуре стандартов второе после 17 число):

0 - организационно-методический;

1 - охрана и рациональное использование вод;

2 - защита атмосферы;

3 - охрана и рациональное использование биологических ресурсов;

4 - охрана и рациональное использование почв;

5 - улучшение использования земель;

6 - охрана флоры;

7 - охрана фауны;

8 - охрана и преобразование ландшафтов;

9 - охрана и рациональное использование недр.

Остановимся более подробно на стандарте 4 «Охрана и рациональное использование почв».

Земельные ресурсы относятся к универсальным природным ресурсам, необходимым для многих отраслей человеческой деятельности. Их следует оценивать с разных позиций:

Земля как почва для обеспечения человека продуктами питания;

Земля как территория для размещения различных объектов обеспечения человеческой деятельности.

Земли относятся к природным компонентам, испытывающим наиболее значительные прямые и косвенные антропогенные воздействия, а также подверженным экзогенным геологическим опасностям.

Рассматривая земли как почвы и как территории, следует отразить следующий момент. В современном российском законодательстве установлен принцип регулирования земельных отношений, по которому использование земель осуществляется исходя из представления о земле как о природном объекте и одновременно как о недвижимом имуществе. При этом отмечается явная тенденция смещения трактовки понятия «земельные ресурсы» в сторону социально-экономических интересов в ущерб природно-ресурсным и экологическим. Такая тенденция должна быть компенсирована разработкой и принятием закона «Об охране почв». Однако до настоящего времени проект закона находится на стадии согласования.

Почвы крупных мегаполисов испытывают особенно интенсивную антропогенную нагрузку, которая часто приводит к их деградации и, соответственно, к нарушению нормального функционирования, что оказывает как прямое, так и косвенное негативное воздействие на живые организмы. Поэтому мониторингу состояния почв в крупных городах, в том числе таких мегаполисах, как Москва, уделяется со стороны государства особое внимание. Система мониторинга почв в г.Москве представляет собой систему непрерывных наблюдений за их состоянием, с целью оценки и прогноза изменений состояния городских почв под воздействием природных и антропогенных факторов.

Система мониторинга почв в г.Москве начала функционировать в 2004 году; в настоящее время сеть наблюдений за качеством почв включает в себя 1300 пунктов постоянного мониторинга (ППМ), равномерно распределённых по административным округам города на территориях различного функционального назначения. Планируется дальнейшее увеличение количество пунктов наблюдения. (В приложении к реферату приведены (а) Карта ЦАО г.Москвы, почвы, пункты экомониторинга; (б) Карта фактического материала по отбору проб почв в 2008 году.)

Основные направления мониторинга почв в г. Москве:

Регулярный мониторинг состояния почв на ППМ, в ходе которого дается их агрохимическая характеристика, оценивается степень загрязнения тяжелыми металлами и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ);

С 2006 г. ведется наблюдение за особенностями распространения загрязнения почв вблизи транспортных магистралей (МКАД, 3е транспортное, Бульварное и Садовое кольцо);

В 2005 г. было проведено пионерное исследование - подробное изучение степени загрязнения почв г.Москвы стойкими органическими загрязнителями (СОЗ). В ближайшем будущем планируется создание системы регулярного мониторинга СОЗ.

Рассмотрим приборы для определения загрязнения почв и измерения почвенных характеристик.

Анализатор для определения загрязнения почвы EcoProbe 5 (RS Dynamics)

Прибор ECOPROBE 5 устанавливает новый стандарт эксплуатационной гибкости, удобства и качества при проведении работ по обнаружению и анализу содержания летучих органических соединений и других показателей загрязнения. Этот прибор обеспечивает экономически эффективный и современный уровень обследования почвы на наличие загрязнений, с беспрецедентной шириной спектра и точностью получаемых данных. Все эти достоинства - результат уникального сочетания фотоионизационного детектора ФИД (для измерения суммарной концентрации почвенного газа) и избирательного инфракрасного детектора (для проведения раздельных измерений концентрации метана, углеводородов, и углекислого газа). Полученный комплект параметров дополняется результатами измерений температуры, давления и содержания кислорода.

Каждый раз, при проведении измерений, производя анализ 8 различных параметров одновременно, прибор ECOPROBE 5 значительно улучшает качество измерений в целом, и устраняет необходимость взятия образцов и их транспортировки в лабораторию. Вся процедура измерения занимает менее минуты!

Прибор ECOPROBE 5 характеризуется крайне высокой чувствительностью, замечательной устойчивостью нуля как ИК, так и ФИД анализатора, возможностью измерения пористости почвы в режиме реального времени, и функцией определения местоположения в системе GPS. Обработка данных производится с использованием системы, совместимой с программой Surfer и другими основными системами обработки.
Все эти достоинства делают ECOPROBE 5 действительно качественно новым прибором для контроля состояния окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Обнаружение, определение границ и контроль содержания углеводородов и других органических соединений в почве и воде после разлива топлива.

Осуществление быстрого и технологически несложного контроля за подземными баками и трубопроводами на наличие протечек.

Наблюдение за свалками и сельскохозяйственными отходами.

Контроль перемещения шлейфов загрязнений.

Контроль процесса восстановления биологической среды.

Обнаружение и контроль образования метана на закрытых угольных шахтах.

Обнаружение и контроль газообразных токсичных веществ на промышленных предприятиях и в сельском хозяйстве.

Обнаружение и контроль потока загрязнений через промышленные уплотнения.

Мониторинг воздушного бассейна (ФИД).

Исследование загрязнения почвы с помощью прибора ECOPROBE 5

Представляя собой уникальное сочетание суммарного ФИД анализатора и избирательного ИК анализатора, прибор ECOPROBE 5 предоставляет новую методику, которая затрагивает буквально все естественные условия, и позволяет выполнить трудную задачу практического воплощения научного подхода к проведению и интерпретации исследований загрязнения почвы. Самыми значительными "подземными" факторами, которые обуславливают загрязнение поч-вы, являются следующие:

Присутствие метана: Как продукт естественных биологических процессов, метан в различных концентрациях встречается повсюду, под слоем почвы. Проницаемость почвы: почвы с различной величиной проницаемости создают различные условия для образования газов, которые, в свою очередь, оказывают значительное влияние на результаты измерений. Благодаря внутренней структуре, относительно плотные почвы, такие как глина, образуют почвенные газы за значительно более короткий период времени, по сравнению с проницаемыми почвами, такими как песок.

Присутствие метана и широкое разнообразие значений проницаемости почвы являются двумя основными факторами, которые вносят искажения в измерение содержания почвенных газов. Оба они оказывают существенное влияние на измеренные величины концентрации загрязнений. Без внедрения нового метода ECOPROBE, эти ошибочные результаты могут привести к серьезным ошибкам в интерпретации как полевых, так и лабораторных измерений. Для обычных исследований прибор ECOPROBE 5 предлагает специальный режим, показывающий максимальную измеренную величину на каждом пункте измерения. Этот режим обеспечивает компенсацию измерений для почв с различной проницаемостью (красные стрелки на графиках).

Примеры полученных результатов

Самые современные технологические решения, заложенные в прибор ECOPROBE 5, позволяют выполнять точное и эффективное нанесение на карту подповерхностных загрязнений почвы. Комплексная процедура измерения, примененная в приборе, идеально подходит для мониторинга биовосстановительных процессов, при протекании которых бактерии вырабатывают кислород и выделяют тепло, а также метан и углекислый газ

Комплект корреляционных графиков включает в себя: Полную концентрацию - с помощью ФИД датчика (за исключением метана) Избирательную концентрацию метана - с помощью ИК датчика Избирательную концентрацию группы нефтяных компонентов - с помощью ИК датчика Избирательную концентрацию углекислого газа - с помощью ИК датчика Кислород Температуру почвы Вакуум - при взятии проб

Комбинация параметров помогает отличить различные виды загрязнений, и обеспечивает более точную картину их присутствия. Концентрация CO2, кислорода, и уровни температуры указывают на подповерхностную активность бактерий Измерение давления дает информацию о процессах микровентиляции Графики, показывающие последовательности измеренных величин (на предыдущей странице), отражают структуру почвы и ее пористость

Пояснение

На корреляционных графиках справа представлены протяженные загрязнения, с интервалом 20-40 м. Масштабная активность бактерий (вырабатывающих метан) видна на графике для метана. ТР канал измеряет содержание углеводородов нефти, включая метан. На графике ТР протяженные загрязнения видны большей частью как метан. Канал ФИД показывает загрязнения в форме летучих органических соединений (за исключением метана). Последние загрязнения расположены с интервалом 70-80 м. Концентрация слишком высока, чтобы измерять ее с помощью ФИД. Активность бактерий еще не началась. На графике метана нет указаний не его присутствие. График ТР показывает, что в последнем загрязнении присутствуют соединения углеводородов

Регистрация данных и компьютерная оценка результатов измерений

Прибор ECOPROBE 5 обеспечивает стандартную регистрацию данных, и дополнительную регистрацию GPS. Обе функции предоставляют свободу перемещения к любой точке измерения в данном месте. Все данные сохраняются на диске прибора ,в соответствии с координатами Х и Y, или GPS. Такая система регистрации данных предоставляет мощный и разносторонний инструмент для быстрого получения результатов интерпретации. Коммуникационное программное обеспечение ECOPROBE PLUS для Windows9x/NT обеспечивает передачу данных от прибора к компьютеру, и предоставляет основную информацию для интерпретации. Карты изолиний (при использовании, например, программ Grapher, Surfer, или Rockware) готовы примерно через 10 минут

Прибор для экспресс анализа токсичности «Биотокс-10М»

Назначение и область применения

Настоящий документ устанавливает методику быстрого и количественного контроля степени интегральной химической токсичности водных вытяжек из почвы в лабораторных условиях с использованием в качестве тест-объекта препаратов лиофилизированных бактерий «Эколюм»; и измерительного прибора серии «Биотокс». Тест-система реагирует на токсические соединения разнообразной химической природы и смеси веществ.

Документ предназначен для учреждений Государственной санитарно-эпидемиологической службы Российской Федерации и специальных служб федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих ведомственный санитарно-эпидемиологический надзор.

Опасность загрязнения почв определяется уровнем ее возможного отрицательного влияния на контактирующие среды (вода, воздух), пищевые продукты и прямо или косвенно на человека.

Результаты обследования почв учитывают при определении и прогнозе степени их опасности для здоровья и условий проживания населения в населенных пунктах, разработке мероприятий по их рекультивации, технических решений по реабилитации и охране водосборных территорий, оценке эффективности санитарно-экологических мероприятий и текущего санитарного контроля за объектами, воздействующими на окружающую среду населенного пункта.

Принцип методики

Методика основана на определении изменения интенсивности биолюминесценции генно-инженерного штамма бактерий при воздействии токсических веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Люминесцентные бактерии оптимальным образом сочетают в себе различные типы чувствительных структур, ответственных за генерацию биоповреждений (клеточная мембрана, цепи метаболического обмена, генетический аппарат), с экспрессностью, объективным и количественным характером отклика целостной системы на интегральное воздействие токсикантов. Это обеспечивается тем, что люминесцентные бактерии содержат фермент люциферазу, осуществляющую эффективную трансформацию энергии химических связей жизненно важных метаболитов в световой сигнал на уровне, доступном для экспрессных и количественных измерений.

Критерием токсического действия является изменение интенсивности биолюминесценции тест-объекта в исследуемой пробе по сравнению с контролем. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту.

Острое токсическое действие исследуемой пробы на бактерии определяется по ингибированию их биолюминесценции за 30-ти минутный (в экспрессном варианте - 5 минут) период экспозиции. Количественная оценка параметра тест-реакции выражается в виде безразмерной величины - индекса токсичности «Т», равной отношению Т=100(1о-1)Ло, где 1о и I соответственно интенсивность свечения контроля и опыта при фиксированном времени экспозиции исследуемого раствора с тест-объектом.

Методика допускает три пороговых уровня индекса токсичности:

1. допустимая степень токсичности: индекс токсичности Т меньше 20;

2. образец токсичен: индекс Т равен или больше 20 и меньше 50;

3. образец сильно токсичен: индекс токсичности Т равен или более 50.

Характеристики погрешности

Метрологические характеристики биотеста в соответствии с аттестацией 4/7-93, проведенной органами Госстандарта: сходимость результатов определения тест-параметра - 5%, воспроизводимость результатов определения тест-параметра - 5%.

Характеристика прибора «Биотокс-10М»

Специализированный люминометр «Биотокс-10М» является измерительным прибором, предназначенным для проведения токсиколого-гигиенического мониторинга объектов окружающей среды, с использованием микробных биолюминесцентных сенсоров серии «Эколюм». Сочетание биохимического датчика с современной электронной аппаратурой позволяет обнаруживать с высокой достоверностью чрезвычайно малые количества токсических соединений и их смесей. В приборе используется простая и надежная технология отбора и предъявления проб, которая безопасна при проведении экологической экспертизы, как в лабораторных, так и полевых условиях.

Портативный прибор «Биотокс-10М» может осуществлять следующие функции в автоматическом режиме: определение интенсивности биолюминесценции тест-объекта, индекса токсичности пробы, усредненной величины индекса токсичности, вычисление стандартного отклонения показателя токсичности, определения величин ЕС20 и ЕС50 - пороговых значений допустимой степени и острой степени токсичности образца, исследование динамики процесса взаимодействия токсикантов с тест-объектом, компьютерная обработка данных, наличие сигнала для оператора в случае превышения пробой допустимого уровня токсичности.

Условия выполнения измерений

Биотестирование проводится в нормальных лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 15150. Помещение не должно содержать токсичных паров и газов.

Температура окружающего воздуха в лаборатории от +18 до +25°С. Относительная влажность воздуха 80±5%. Атмосферное давление 84-106кПа (630-800 мм рт.ст.).

При использовании электроприборов частота переменного тока 50±1 Гц. Напряжение сети 220±10 В. Освещение помещения естественное или искусственное, не ограничивается особыми требованиями.

Обработка, оценка и оформление результатов

Оценку токсичности пробы проводят по относительному различию в интенсивности биолюминесценции контрольной и опытной проб и вычислению индекса токсичности «Т» (прибор «Биотокс» позволяет автоматически вычислять индекс токсичности). Абсолютная величина интенсивности биолюминесценции контроля не имеет принципиального значения в диапазоне допустимых значений прибора «Биотокс».

Индекс токсичности «Т» есть величина безразмерная, и определяется по формуле Т = 100 (1о-1)/1о, где 1о и I соответственно интенсивность свечения контроля и опыта при фиксированном времени экспозиции исследуемого раствора с тест-объектом. Обработку результатов измерений токсичности выполняют путем расчета среднеарифметического значения величины индекса токсичности «Т» по формуле Т=(Т1+Т2+ТЗ)/3. Величины Т1, Т2 и ТЗ получают из трех параллельных измерений контроль-опыт в короткий промежуток времени или при измерении в последовательности контроль, и затем серия опытного образца (до 10 повторностей).

В случае определения токсичности пробы (Т равно или больше 20) можно определить насколько это связано со значениями рН исследуемой пробы. Для этого измеряют рН пробы и, если величина рН находится за пределами 6.5-8.0, приводят рН до значений 7.0-7.4 и повторяют измерение токсичности. В ряде случаев возможен вариант, когда интенсивность биолюминесценции в анализируемой пробе больше, чем в контроле. В таком случае независимо от величины отрицательного значения «Т» делается вывод об отсутствии токсичности образца, и индекс токсичности принимает нулевое значение.

По величине индекса токсичности анализируемой пробы классифицируются на три группы

Группы	Значение «Т»	Вывод о степени токсичности пробы
1	меньше 20	допустимая степень токсичности
2	от 20 до 50	образец токсичен
3	равно или больше 50	образец сильно токсичен

Прибор серии «Биотокс» обеспечивает в автоматическом режиме вычисление усредненного значения индекса токсичности, погрешности измерения индекса токсичности и гамма-функции исследуемой пробы (токсикологических характеристик - ЕС20 и ЕС50).

Анализатор газортутный экологический ЭГРА-01

Анализатор газортутный экологический ЭГРА-01 предназначен для измерения содержания ртути в атмосферном и почвенном воздухе.Назначение: Санитарно-гигиенический контроль воздушной среды производственных и коммунальных объектов, поиск скрытых источников паров ртути, химико-аналитическое сопровождение демеркуризационных работ.

Отличительные особенности анализатора ртути ЭГРА-01: Автоматический выбор объема пробы и блокировка измерительного режима при обнаружении высоких уровней загрязнения.



Достоинства:

Высокая чувствительность; получение результатов анализов непосредственно на месте их выполнения

Быстрое обнаружение зон и локализация точек, загрязненных ртутью

Портативность; микропроцессорное управление

Автоматический выбор объема пробы и блокировка измерительного режима при обнаружении высоких уровней загрязнения

Обеспечен утвержденными методиками измерений (применимы все методики для АГП-01), обеспечивает определение содержания паров ртути на уровне ПДК атмосферного воздуха (0,0003 мг/м3) и ниже.

Со специальным почвенным зондом анализатор позволяет производить измерение содержания паров ртути в почвенном воздухе. Данный метод применяется при экологических исследованиях (картирование загрязненных ртутью участков почв и грунтов), геохимических методах поисков месторождений полезных ископаемых (ртути, золота, полиметаллических месторождений).

Основные технические характеристики анализатора ЭГРА-01:

Диапазон измерения, мг/м3 режим ИЗМЕРЕНИЕ режим ПОИСК	0,00002 - 0,1 0,001 - 0,3
Относительная погрешность, не более %	25
Время проведения одного измерения, сек	6; 30; 60; 300
Габаритные размеры, мм	396*221*144
Масса анализатора с автономным источником питания, кг	4,6

Основной комплект поставки

Анализатор ртути ЭГРА (базовый блок со встроенным аккумуляторным источником питания)

Воздухозаборник

Зарядное устройство / внешний источник питания от сети 220 В 50 Гц

Комплект ЗИП

Документация

Упаковка

Прибор рекомендуется для центров госсанэпиднадзора (отделы промышленной гигиены, коммунальной гигиены.

Ранцевая лаборатория изучения почвы "РПЛ-почва" базовый комплект

Ранцевая полевая лаборатория "РПЛ-почва" предназначена для определения параметров и химического состава почвенных вытяжек, а также сигнального контроля загрязненности почв водо-растворимыми загрязнителями. непосредственно в полевых условиях.

Измерения выполняются количественными и полуколичественными гидрохимическими методами. При сигнальном экспресс-контроле с применением тест-систем используются индикационные визуально-колориметрические методы. Ранцевая лаборатория может применяться неспециалистами, прошедшими краткий курс обучения. Лаборатория сформирована по модульному принципу. Каждый модуль позволяет проводить измерения по одному показателю, имея в составе все необходимое для работы, включая готовые к применению растворы для химического анализа. Производительность по расходным материалам всех модулей - на 100 анализов по каждому компоненту.

Стандартизованные методы анализа почв, на основе которых сформирована РПЛ-почва:

ГОСТ 26204-91.  Почвы. Определение подвижности соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО

ГОСТ 26423-85.  Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотности остатка водной вытяжки

ГОСТ 26424-85.  Почвы. Метод определения карбоната и бикарбоната в водной вытяжке

ГОСТ 26425-85.  Почвы. Методы определения иона хлорида в водной вытяжке

ГОСТ 26426-85.  Почвы. Методы определения иона сульфата в водной вытяжке

ГОСТ 26428-85.  Почвы. Методы определения кальция и магния в водной вытяжке 

ГОСТ 26483-85.  Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определениеее рН по методу ЦИНАО

ГОСТ 26484-85.  Почвы. Метод определения обменной кислотности

ГОСТ 26487-85.  Почвы. Определение обменного кальция и обменного (подвижного) магния методами ЦИНАО

ГОСТ 26488-85.  Почвы. Определение нитратов по методу ЦИНАО

ГОСТ 26489-85.  Почвы. Определение обменного аммония по методу ЦИНАО

Технические характеристики:

Методы анализа: визуальный, органолептический, визуально-колориметрический, титриметрический, турбидиметрический. Методы приняты при оценке химических показателей почвы. При экспресс-контроле с применением тест-систем используются индикационные визуально-колориметрические методы. Продолжительность экспресс-анализа - не более 15 минут.

Срок хранения для сухих реактивов  -не менее 3 лет.

Ресурс по расходным материалам - не менее 100 анализов по каждому показателю.

Лаборатория не требует электро и водоснабжения.

Объем ранца - 70 л, количество мест (ячеек) - 10, в том числе в ячейках основной секции - 8. Конструктивно ранец-укладка лаборатории выполнен с учетом особенностей полевых работ и экспедиционных условий.

Конструкция ранца:

Полужесткий каркас, изменяемая внутренняя планировка. Откидывающаяся передняя панель образует столик, открывающий доступ к находящимся в ячейках модулям лаборатории, причем каждый модуль может выниматься и использоваться самостоятельно; Конструкция ранца позволяет использовать типовое дополнительное снаряжение - наружные навесные элементы для крупных и мелких предметов и снаряжения, крепящиеся к поясу, лямкам, основному корпусу ранца Анатомичная конструкция спины и лямок, поясной ремень, грудная стяжка, водозащищенный чехол (защита от сильного дождя и снега, но не от погружения в воду). Также имеются отдельно защищенные от дождя и грязи отсеки для укладки письменных принадлежностей, руководства, методической документации, мелкого экспедиционного снаряжения; небольшие отсеки для личных вещей;

Содержимое лаборатории защищено от механических повреждений

Масса - не более 17 кг.

Размер:

Габаритные размеры ранцевой укладки - не более 480х260х900 мм.

Комплектация:

Тест-комплекты (9 наименований), с готовыми к применению реактивами и растворами, компактной посудой и средствами дозировки реагентов, принадлежностями, стойкой-штативом, контрольными шкалами образцов окраски водозащищенными.

Реактивы для приготовления кислотной и солевой вытяжек.

Комплект тест-систем (8 наименований).

Весы аптечные с разновесами.

Кондуктометр и полевой колориметр (дополнительная оплата, в состав РПЛ-почва не входят).

Иллюстрированное методическое руководство.

Ранец-укладка.

Мониторинг экосистем базируется на определении устойчивости. Оценке устойчивости геосистем к антропогенным нагрузкам в последние годы уделяется большое внимание в связи с расширением геоэкологических исследований. Устойчивость - фундаментальное понятие в теории геосистем широко используется для оценки предельно допустимого уровня вмешательства человека в природную среду. Под устойчивостью экосистемы понимается ее способность при воздействии внешнего фактора пребывать в одном из своих состояний и возвращаться в него в силу инертности и восстанавливаемости.

Интерес обусловлен качественно новым подходом к решению проблем охраны окружающей среды. Одним из таких подходов является постановка техники на вооружении экологии. Использование научно-технического прогресса для сохранения и нормализации экосистемы Земли.

Список литературы:

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН "ОБ ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ" от 10.01.2002 N 7-ФЗ;

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН «ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЕ» от 23.11.1995 N 174-ФЗ;

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН "О ТЕХНИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ" от 27.12.2002 N 184-ФЗ;

Л.Ф. Сердюцкая, А.В. Яцишин «Техногенная экология. Математико-картографическое моделирование», Книжный дом «ЛИБРОКОМ», Москва, 2008 год;

А.Ю. Опекунов «Экологическое нормирование и оценка воздействия на окружающую среду», С.-Петергбурский университет, Санкт-Петербург, 2006 год;

Планета Земля: Будущее, АМФОРА, Санкт-Петербург, 2008 год;

С.А. Барталев, М.А. Бурцев, Е.А. Лупян, А.А. Прошин, И.А. Уваров «РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ И ДИНАМИКИ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ», Институт космических исследований РАН, http://tem.iki.rssi.ru/data/information_system.pdf

Сайт Межрегиональной общественной организации содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг, http://www.gisa.ru/assoc.html

Портал Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы http://www.mosecom.ru/

Сайт компании "АГТ Системс" http://www.agtsys.ru/item/57

Сайт компании «НЕРА-С» http://www.biotox.ru/met_ground

Сайт компании Компания ЕвроЛаб http://www.eurolab.ru/product/22041

Сайт компании "ВНИР" http://www.vnir.ru/desc.php?bc_tovar_id=3032