МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ

КАЧЕСТВОМ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ БИОТИЧЕСКОЙ

КОНЦЕПЦИИ РЕГИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ, АЛЬТЕРНАТИВНОЙ

ИДЕОЛОГИИ ПДК.

А.П.Левич, В.Н.Максимов

(Лаборатория общей эклогии Биологического факультета МГУ

им.М.В.Ломоносова. 119899, Москва, Воробьевы горы.

E-mail: )

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 и

поведенческих реакций. Экстраполяция и применение нормативов ПДК

для 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 на

порядок превышают ПДК, однако водные организмы адаптированы к

этим концентрациям и требовать у предприятия снижения содержания

железа в стоках до ПДК бессмысленно. Содержание же хлоридов в

водах значительно ниже ПДК, хотя есть данные о том, что хлориды

негативно 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 превысило

миллионы наименований и ежегодно синтезируется около четверти

миллиона новых химических веществ. Кроме того, при попадании в

воду или воздух сбросов различных предприятий образуются вещества

разнообразной химической природы, которые действуют на биоценозы

принципиально иначе, чем их составляющие. Новые соединения могут

быть токсичнее исходных реагентов и могут обладать мутагенным и

канцерогенным 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 всей

существующей 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 ПДК

концепция 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 или

патологичности функционирования организмов. Задача биотического

подхода - выявить в пространстве абиотических факторов границы

между областями нормального и патологического функционирования

экосистем. 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 абиотических

факторов. 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 бы

несостоятельны, если бы эксперименты по нормированию проводились

не на отдельных организмах, а на популяциях, реально населяющих

природные 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 течение

длительного 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 абиотических

факторах, потенциально воздействующих на живые организмы; 2)

разработанностью методов диагностики экологического состояния

биоты на шкале "норма-патология" и 3) умением выявлять среди

факторов 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 функционирования

экосистемы 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 анализа

данных 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 сепень

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 ПДК

длительность 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": при

многопрофильном использовании объекта в качестве норматива

предлагается наиболее жесткий ЭДУ из тех, что рассчитаны для

различных 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 и

решать 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 графической

отчетности.

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 о

состоянии 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).