А.П.Левич, В.Н.Максимов

(Лаборатория общей эклогии Биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. 119899, Москва, Воробьевы горы. E-mail: levich@5.vertebra.bio.msu.ru)

Система экологического мониторинга включает в себя сбор данных, их хранение, первичную обработку, а также технологии экологического контроля природной среды: диагностику экологического состояния объектов мониторинга, экологическое нормирование, экологическое районирование, экологический прогноз и управление качеством среды.

Нынешняя система экологического контроля основана на концепции предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК). Однако, концепция ПДК экологически неэффективна.

Перечислим основные причины, порождающие указанную неэффективность (Абакумов, Сущеня, 1991):

- Нормативы ПДК определяются в лабораторных условиях в краткосрочных (дни) и хронических (недели) экспериментах на изолированных популяциях организмов, принадлежащих к небольшому числу тестовых видов, по ограниченному набору физиологических иповеденческих реакций. Экстраполяция и применение нормативов ПДКдля реальных природных и антропных объектов неправомерна.

- ПДК принимаются как единые нормативы для огромных административных территорий (порядка одной шестой части суши) в то время, как действие загрязняющих веществ зависит от специфических фоновых, климатических, хозяйственных и многих других характеристик конкретного региона. Вследствие этого использование единых ПДК в районах с различными экологическими условиями в реальной практике невозможно. (Приведем пример. В бассейне р.Кама в Пермской области фоновые концентрации железа напорядок превышают ПДК, однако водные организмы адаптированы к этим концентрациям и требовать у предприятия снижения содержанияжелеза в стоках до ПДК бессмысленно. Содержание же хлоридов в водах значительно ниже ПДК, хотя есть данные о том, что хлоридынегативно влияют на некоторые популяции. Однако требовать уменьшения концентрации хлоридов в стоках невозможно, поскольку нормативы ПДК не нарушены.)

- За несколько десятилетий в результате достаточно дорогостоящих исследований установлено, например, для водоемов хозяйственно-бытового назначения около тысячи ПДК, тогда как число загрязняющих веществ антропогенного происхождения превысиломиллионы наименований и ежегодно синтезируется около четверти миллиона новых химических веществ. Кроме того, при попадании в воду или воздух сбросов различных предприятий образуются веществаразнообразной химической природы, которые действуют на биоценозы принципиально иначе, чем их составляющие. Новые соединения могут быть токсичнее исходных реагентов и могут обладать мутагенным иканцерогенным действием. Заметим также, что не более 10% от общего числа нормированных по ПДК веществ обеспечено методами обнаружения на уровне ПДК.

- На организмы, помимо химического загрязнения, оказывают негативное влияние многие другие факторы, например, тепловое, радиационное, электромагнитное или биологическое загрязнения.

Многие из нехимических воздействий с трудом поддаются контролю с помощью концепции ПДК.

Неэффективность концепции ПДК приводит к непригодности всейсуществующей системы экологического контроля - методов диагностики, нормирования, прогноза, управления, а вместе с ними

- экономических, правовых и социальных инструментов природоохранной деятельности. Недостатки концепции ПДК известны давно и конструктивная постановка проблемы состоит не столько в критике устаревшего подхода, сколько в в конкретной разработке комплекса методов, способных заменить существующие методы контроля.

Существует альтернативная "химической" идеологии ПДКконцепция контроля природной по биотическим идентификаторам (Абакумов, Сущеня, 1991; Левич, 1994; Maximov et.al., 1997). Эта концепция предполагает существование причинно-следственной связи между уровнями воздействия на биоту и степенью нормальности илипатологичности функционирования организмов. Задача биотического подхода - выявить в пространстве абиотических факторов границы между областями нормального и патологического функционированияэкосистем. Такие границы приходят на смену нормативам ПДК и названы экологически допустимыми уровнями (ЭДУ) нарушающих воздействий. Согласно биотическому подходу оценки экологического состояния на шкале "норма-патология" должны проводиться по комплексу биологических показателей, а не по уровням абиотическихфакторов. Абиотические же факторы (загрязнения различной природы, климатические, социальные и др. показатели) должны рассматриваться как агенты воздействия на популяции организмов и как потенциальные причины экологического неблагополучия.

Многие претензии к концепции ПДК оказались бынесостоятельны, если бы эксперименты по нормированию проводилисьне на отдельных организмах, а на популяциях, реально населяющихприродные экосистемы; не с изолированным химическим веществом в качестве воздействия, а с полным комплексом действующих на биоту данной экосистемы факторов; в условиях конкретного региона и с учетом его фоновых и всех других региональных характеристик.

Единственный тип эксперимента, удовлетворяющий названным условиям, - это пассивный "эксперимент", который человечество в течениедлительного времени проводит в местах своего проживания и хозяйственной деятельности в реальных условиях земной биосферы.

Другими словами, экологические нормативы необходимо определять непосредственно по массовым данным экологического мониторинга.

Такая возможность обеспечивается тремя условиями: 

1) существованием банков данных, включающих достаточную информацию как о биотической части экосистем, так и об абиотическихфакторах, потенциально воздействующих на живые организмы; 

2) разработанностью методов диагностики экологического состояния биоты на шкале "норма-патология" и

3) умением выявлять средифакторов среды причины экологического неблагополучия и для каждого фактора отыскивать границы, выход за пределы которых переводит экосистему из благополучного в неблагополучное состояние, т.е. рассчитывать нормативы ЭДУ.

Достижения экологической науки и практики экологического мониторинга в последние годы привели к высокой степени выполнения указанных условий. Сложились банки экологических данных. Разработаны и апробированы системы диагностики экологического состояния водных объектов по гидробиологическим показателям.

Существуют идеи (Maximov et. al., 1997) и заделы в области диагностики состояния урбанизованных экосистем, включающих человека, по особым показателям, связанным со смертностью и выживаемостью человеческих популяций (вместо оценки влияния повреждающих факторов на лабораторных животных в технологии определения ПДК). Разработаны методы (Левич, Терехин, 1997),позволяющие распознавать области нормального функционированияэкосистемы в пространстве факторов среды и рассчитывать границы этих областей, заменяющие нормативы ПДК.

Существует еще одна проблема, связанная с анализом данных экологического мониторинга. Эти данные, как правило, не удовлетворяют в достаточной степени требованиям метрологии, статистической воспроизводимости, однородности, независимости случайных величин, нормальности распределений, малости ошибок определения и другим условиям, которые позволили бы обоснованно использовать для их анализа традиционные методы математической статистики. К тому же статистические модели, вопреки сложившемуся стереотипу, практически не могут быть использованы для установления или доказательства наличия причинно-следственных связей в изучаемой системе, что является основной задачей анализаданных экологического мониторинга. Традиционные статистические подходы часто не приспособлены к обработке данных, сочетающих числовые и нечисловые (качественные, социологические, описательные и т.д.) переменные, к совместному анализу данных по объектам разной природы и разных уровней описания, к анализу нелинейных и квазилинейных взаимосвязей, хотя именно нелинейные связи преобладают в экосистемах (Чесноков, 1982).
 
 

Методы решения указанных проблем предлагается реализовать в компьютерной технологии биотического контроля природной среды.

Соответствующий программный продукт может быть назван экспертной системой и решает следующие задачи охраны окружающей среды:

- Унификация и систематизация экологической биотической и абиотической информации в управляемой базе данных.

- Балльная оценка состояния экологических объектов на шкале "норма-патология" (диагностика состояния).

- Поиск причин экологического неблагополучия среди абиотических факторов среды - загрязнений вод, воздуха, продуктов питания, климатических и технических воздействий и т.п.

- Ранжирование факторов среды по их вкладу в степень экологического неблагополучия. Количественные расчеты значимости и существенности такого вклада.

- Расчеты региональных нормативов экологически допустимых уровней (ЭДУ) нарушающих воздействий (экологическое нормирование).

- Выявление пробелов в существующей системе сбора

экологических данных.

- Экологическое районирование территорий по состоянию объектов, по значимым для экологического неблагополучия факторам среды, по величинам ЭДУ и т.д.

- Прогноз и экстраполяция экологического состояния объектов наблюдения по сценариям потенциальных нарушающих воздействий.

- Проверка гипотез о взаимном влиянии различных характеристик экосистем и исследование нелинейных эффектов.

- Генерирование и отбор путей восстановления нарушенных экосистем, управление состоянием экосистем: оценка "близости" факторов среды к границе области нормального функционирования и расчет диапазонов изменения факторов, необходимых для возврата системы к экологическому благополучию, с указанием экономических, технологических, социальных и др. издержек для различных вариантов возвращения (управление качеством среды).

- Предоставление совершенного набора форм для докладов, отчетов, презентаций и т.п.

Перечислим ряд особенностей получаемых при реализации проекта результатов:

- Предлагаемые нормативы ЭДУ не универсальны, а отражают специфику каждого региона, его фоновые характеристики и адаптационный потенциал биоты региона.

- Нормирование методом ЭДУ проводится с учетом категории использования исследуемого объекта (например, заповедная зона, рекреация, техногенная территория, зона свалок и т.д.), т.е.рассчитываемые нормативы при одинаковом уровне нагрузки различны для объектов разного назначения.

- Нормируются не только химические загрязнения, но и любые другие типы нарушающих воздействий: физические, тепловые, радиационные, связанные с нарушением водного режима, биологические, техногенные, климатические и др.

- Выделенные границы области нормального функционирования отражают реакцию на воздействие не отдельных лабораторных организмов, а популяций, населяющих реальные экосистемы.

- Эта реакция вызвана не изолированными химическими веществами, а всем комплексом действующих на биоту факторов.

- Значения ЭДУ рассчитываются как для усредненных (за месяц, сезон, год и т.д.) значений факторов, так и для экстремальных значений, что позволяет нормировать как текущие, так и пиковые нагрузки (в частности, аварийные сбросы веществ).

- Метод ЭДУ учитывает многомесячные и многолетние запаздывания в воздействии факторов, а при определении ПДКдлительность даже хронических опытов не превышает нескольких месяцев.

- Нормативы ЭДУ учитывают не только прямые, но и косвенные эффекты влияния среды на биоту.

- Алгоритмы экспертной системы позволяют решить проблему многокритериальности в диагностике и нормировании. А именно, осуществляется принцип "наибольшей жесткости": примногопрофильном использовании объекта в качестве норматива предлагается наиболее жесткий ЭДУ из тех, что рассчитаны дляразличных критериев оценки экологического состояния.

- Замена системы ПДК на предлагаемую систему контроля природной среды не меняет существующую методологию выработки стратегий природоиспользования: происходит лишь замена неэффективных значений ПДК на экологически обоснованные значения региональных ЭДУ.

- Метод ЭДУ ориентирован на существующие банки данных и для повышения эффективности экологического нормирования не требует ни дополнительных вложений средств в дорогостоящую организацию системы наблюдений, ни отсрочек на устройство такой системы.

Экспертная система позволяет извлекать дополнительную важную информацию из уже имеющихся экологических данных.

- Расчеты ЭДУ возможны для тех абиотических факторов, для которых накоплены достаточные банки данных, включающие значения факторов, нарушающие экологическое благополучие. Этим условиям удовлетворяют основные загрязняющие вещества и другие основные антропогенные воздействия. Именно в силу своей значимости такие факторы были включены в сложившиеся программы наблюдений. Для этих факторов расчеты ЭДУ по уже имеющимся массивам данных заменяют дорогостоящие уточнения и модификации ПДК.

- Экспертная система проводит анализ как количественных, так и качественных (нечисловых) данных мониторинга, причем эти данные могут не удовлетворять формальным требованиям математической статистики. Когда выполнены условия применимости классических статистических методов анализа, система позволяет проводить стандартную статистическую обработку количественных данных.

- Благодаря использованию новейшей технологии обработки данных "ДА-системы" (1997), возможен поиск и анализ правил, объясняющих то или иное явление; легко проводится конструирование новых признаков экосистем из уже имеющихся, чтобы четко ставить ирешать интересующие пользователя задачи; оказывается возможным вести анализ в разнообразных прикладных контекстах; осуществляется графическая иллюстративная поддержка на уровне современных требований; реализуется выход в редакторские пакеты для подготовки любых форм текстовой, табличной или графическойотчетности.

Разрабатываемая компьютерная технология имеет широкий круг областей применения:

Экологическое обоснование и планирование природоохранных мероприятий, выбор их приоритетности, оценка их экономических, технологических, экологических, социальных и др. характеристик.

Научное обоснование правовых, законодательных и юридических аспектов природоохранной деятельности.

Нормирование сбросов загрязняющих веществ, а также тепловых, физических, климатических и любых других типов воздействий. Нормирование трансграничных переносов нарушающих агентов с сопредельных территорий. Нормирование уровней водопотребления. Прогноз последствий изменения климата.

Проектная деятельность. Анализ и выбор сценариев экологической нагрузки.

Проведение экологических экспертиз, обследований, паспортизаций, сертификаций.

Создание реестров экологического состояния объектов природоиспользования.

Аналитическая поддержка экологического мониторинга. Информирования лиц, принимающих решения, директивных органов, правительственных организаций, природоохранных ведомств осостоянии окружающей среды в регионе.

Экологическое картирование территорий (в перспективе экспертная система может быть преобразована в геоинформационную систему с интерактивным доступом к картографическому материалу).

Совершенствование действующих программ экологического мониторинга.

Таким образом, экспертная система предоставит в распоряжение пользователей современный рабочий инструмент, комплексно решающий все основные задачи функционирования системы экологического мониторинга: систематизация и хранение данных, диагностика, анализ причин экологического неблагополучия, прогноз, управление качеством среды. Пользователями экспертной системы, в частности, могут быть специалисты по охране природы, санитарно-эпидемиологические организации, ресурсные ведомства, многочисленные проектные организации, службы наблюдения за состоянием среды и здоровья человека, правовые и статистические службы, органы экспертизы, правительственные и директивные органы,лица, принимающие решения.

Список литературы

Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг

пресноводных экосистем и пути его совершенствования //

Экологические модификации и критерии экологического нормирования.

Л.: Гидрометеоиздат. 1991.

ДА-система. Руководство пользователя. М.: Контекст. 1997.

Левич А.П. Биотическая концепция контроля природной среды //

Доклады академии наук. 1994.Т.337. N 2. С.280-282.

Левич А.П., Терехин А.Т. Метод расчета экологически допустимых

уровней воздействия на экосистемы // Водные ресурсы. 1997. N 3. С.328-335.

Чесноков С.В. Детерминационный анализ социально-экономических

данных. М.: Наука. 1982.

Maximov V.N., Bulgakov N.G., Levich A.P. Quantitative methods of

ecological control: diagnostics, standartization, prediction //

Proceedings of International Symposium INDEX-97. London. 1997

(in press).