Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследование проблемы загрязнения прибрежных морских экосистем нефтью и разработка концепции повышения уровня экологической безопасности 26
Глава 2 Разработка принципови структуры управления охраной прибрежных морских зон от загрязнения на основе экосистемного и многоцелевого подхода 109
Глава 3 Методология интегральной экологической оценки и определения допустимой антропогенной нагрузки на прибрежные локальные экосистемы 125
Глава 4 Инструментально-методическое обеспечение технологии определения масштабов и источников загрязнения моря нефтью 156
Глава 5 Разработка комплексной охраны морских экологического риска и ее информационно - технического обеспечения ; 225
Глава 6 Методологические основы и результаты одержи загрязненности нефтью локальных прибрежных морских экосистем с использованием инновационных технологий отбора проб
Заключение 327
Список использованных источников 331
Приложение: акты внедрения результатов выполненной работы. 358
- Исследование проблемы загрязнения прибрежных морских экосистем нефтью и разработка концепции повышения уровня экологической безопасности
- Разработка принципови структуры управления охраной прибрежных морских зон от загрязнения на основе экосистемного и многоцелевого подхода
- Методология интегральной экологической оценки и определения допустимой антропогенной нагрузки на прибрежные локальные экосистемы
- Инструментально-методическое обеспечение технологии определения масштабов и источников загрязнения моря нефтью
Введение к работе
Актуальность работы. Анализ результатов многолетних наблюдений за состоянием экологической обстановки в прибрежной зоне Черного и Азовского морей в пределах территории Краснодарского края показал, что нефтяное загрязнение относится к числу наиболее часто регистрируемых техногенных чрезвычайных ситуаций, сопровождающихся значительным ущербом для природных экосистем и некоторых видов хозяйственной деятельности - рыболовства, туризма, курортной сферы и т.д.
По установленным в результате исследований данным в период 1998-2007 годы в прибрежную зону Черного моря в среднем ежегодно поступает около 500 т нефти, в том числе около 38 % - при грузовых операциях на причалах и аварийных разливах, 22 % - в результате сбросов нефти с судов, 17 % - поступает с речными водами, 11% - с промышленными сточными водами, 6 % - из атмосферы, 5 % - с ливневыми водами населенных пунктов, 1,0 % - в результате естественного выхода из недр.
Ежегодно в портах гг. Новороссийск, Туапсе, а также в акватории рейдового перегрузочного комплекса «Таманский» происходит в среднем 9-12 инцидентов, связанных с разливом нефти вод в море. Наиболее крупная техногенная катастрофа, в результате которой в море попало около 4000 тонн мазута, произошла 11 ноября 2007 года в Керченском проливе.
Актуальность проблемы обусловлена следующими тремя основными аспектами:
-
необходимостью повышения эффективности управления охраной морских вод от загрязнения с целью обеспечения выполнения международных и национальных норм и правил по предотвращению загрязнения морской среды в условиях интенсификации проведения операций с нефтью;
-
необходимостью при проведении оценки экологического состояния локальной прибрежной морской экосистемы выбора и анализа оптимального числа параметров, характеризующих общую нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки;
-
необходимостью совершенствования методов, средств и технологий инструментальной оценки параметров нефтяного загрязнения и установления причинно-следственных связей в процессах его образования;
Актуальность работы подтверждена включением в настоящее время отдельных результатов работы в практическую деятельность природоохранных органов и научно-исследовательских организаций.
Основные положения диссертации базируются на результатах научных исследований, проведенных автором в период 1988-2005 гг при организации экологического контроля за состоянием морской среды , а также в рамках государственных контрактов № 2/4 от 17.04.2006г. по теме «Проведение исследований состояния экологической обстановки на Азово-Черноморском побережье и курортах края и выработка предложений», №8 от 29 апреля 2008 г по теме: «Оценка состояния экосистем и изменения биологического разнообразия в результате техногенных аварий и катастроф на территории Краснодарского края» (Техногенная авария в Керченском проливе), № 24 – 07/3 от 10 января 2008 г. по теме: «Исследование современного состояния прибрежной акватории Черного моря в районе г. Сочи (от устья р. Псоу до пос. Дагомыс), зонирование территории морского побережья для оценки допустимого антропогенного воздействия на рассматриваемом участке», а также международного проекта по восстановлению экосистемы Черного моря (ПВЭЧМ) UNDP-GEF, регистрационный номер: RER/01/G33/A/1G/31 (июль 2004 – июнь 2007г).
Объекты исследования: прибрежная морская экосистема Черного моря в пределах Краснодарского края, имеющая пространственно-территориальные границы, окружающая природная среда, ее главные компоненты, прибрежная (береговая) зона, пятна пролитой нефти.
Предмет исследования: экологическая безопасность, экологическая обстановка в прибрежной зоне, методы и технологии их оценки, системы, схемы управления природно-техническими системам, алгоритмы действий по предупреждению, управлению ситуацией и ликвидации разливов нефти в прибрежных водах Черного моря Краснодарского края.
Основная идея работы состоит в том, что повышение уровня экологической безопасности в акватории Черного моря Краснодарского края при проведении операций с нефтью может быть обеспечено за счет совершенствования методов оценки экологического состояния прибрежной морской зоны, создания эффективно функционирующей системы управления охраной морских экосистем, а также разработки новых методов и технологий наблюдения, измерения, предупреждения и координации действий по ликвидации нефтяного загрязнения.
Цель работы: разработка принципов и теоретических положений, а также методов и технологий, улучшающих экологическую оценку и управление природно-техническими системами в прибрежной морской зоне и обеспечивающих повышение уровня экологической безопасности в условиях интенсификации проведения операций с нефтью.
Основные задачи исследований:
-
Исследовать процессы и факторы, способствующие загрязнению морской среды при проведении операций с нефтью и разработать концепцию улучшения экологической обстановки в прибрежной морской зоне Краснодарского края;
-
Обосновать основные принципы и механизмы построения и эффективного функционирования системы управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения и предложить структуру такой системы;
-
Разработать методологию интегральной оценки экологического состояния прибрежных морских экосистем на основе индикаторов, характеризующих общую антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки и реализовать ее на конкретных территориях черноморского побережья Краснодарского края;
-
Исследовать особенности трансформации нефтяного загрязнения в поверхностном слое морской воды и разработать технологию отбора проб, повышающую уровень репрезентативности проб и точность измерения содержания нефтепродуктов в морской воде;
-
Исследовать факторы, приводящие к изменению идентификационных свойств нефти после ее разлива и разработать технологию подготовки проб нефти, исключающую влияние этих факторов и повышающую точность и достоверность установления причинно-следственных связей в процессах образования нефтяного загрязнения;
-
Разработать методологию и функциональную схему проведения наблюдений, определения масштабов загрязнения и управления ликвидацией последствий разлива нефти в зонах повышенного экологического риска (порты г.г. Новороссийск, Туапсе, нефтяной терминал КТК в Южной Озереевке, рейдовый перегрузочный комплекс РПК «Таманский») и реализовать ее на практике;
-
Исследовать в натурных условиях пространственное распределение нефтяного загрязнения в водной толще прибрежной морской зоны на участке Адлер-Анапа, разработать и реализовать практически схему отбора проб при ведении мониторинга качества морских вод в пределах курортных территорий черноморского побережья Краснодарского края;
-
Реализовать практически с использованием новой технологии отбора и обработки проб загрязненной нефтью воды алгоритм проведения оценки нефтяного загрязнения морской воды в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в прибрежной морской зоне в районе Керченского пролива.
Материалы, средства и условия проведения исследований:
В качестве исходного материала использованы данные собственных экспедиционных исследований экологического состояния прибрежных морских вод в пределах побережья Краснодарского края, проведенных экспериментов и практических результатов применения разработанных технологий, методов и средств. Проанализированы многочисленные опубликованные и фондовые материалы по исследуемой проблеме.
При проведении исследований использовались: самолет Л-410, вертолеты МИ-2, МИ-8, научные суда, танкеры водоизмещением до 100 тыс. тонн, патрульные катера, лодки, аттестованное лабораторное оборудование.
Научно-теоретическую основу исследований составили:
- результаты аэровизуальных наблюдений и гидрохимического мониторинга прибрежных морских вод Черного моря в пределах Краснодарского края.
-теоретические основы управления сложными природно-техническими системами (Dalmahn G., Реймерс Н.Ф., Александров А.Г., Акимова Т.А., Карлин Л.Н. , Музалевский А.А., Коновалов С.М., Котова Л.А., Смирнов Н.П., Семенов А.Д., Субетто Д.А. Осипов Ю.Б., Шилин М.Б., Красилов В.А.);
- закономерности распространения и деградации нефтяного загрязнения в морской среде (Fay I., Garrett W., Goldberg E., Desideri P., Berringe S., Альтман Э.Н., Безбородов А.А., Михайлов В.И., Орлова И.Г., Нельсон – Смит А., Семенов А.Д., Подплетная Н.Ф. Русанов В.П., Каплин В.Т.);
- теоретические основы организации экологического мониторинга морских экосистем (Gitelson A., Stark R., Израэль Ю.А., Виноградов В.И., Патин С.А., Симонов А.И., Михайлов В.И., Новоселова О.А., Новиков Ю.В., Цветков Г.М.Кисляков Ю.Я.);
- теоретические основы оценки антропогенного влияния на экосистему и экологического нормирования (Parker C., Абалаков А.Д., Медведев Ю.О., Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Морозов Н.П., Теленти-
нов В.Е., Максименко Ю.Л., Караушев А.В.);
- методы обработки экологической информации (Воробейчик Е.Л., Ципилева Т.А., Мишин А.С., Моисеенкова Т.А., Костина Н.В.);
- оптические характеристики загрязненной нефтью водной поверхности (Богородский В.В., Кропоткин Т.Ю., Бузников А.А., Лахтанов Т.А., Кондратьев К.Я.).
Научная новизна и значимость исследования:
Впервые проведена оценка влияния проведения операций с нефтью на состояние прибрежных морских экосистем и разработана концепция снижения уровня загрязненности морской среды черноморского побережья Краснодарского края.
Впервые обоснован комплекс требований и определены принципы и механизмы создания эффективных систем управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения, разработана принципиальная схема структуры управления, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в обеспечении устойчивого состояния природно-технических систем, расположенных в прибрежных морской зоне;
Разработана и реализована практически на территории г Сочи новая методология интегральной оценки экологического состояния морских прибрежных экосистем и определения допустимой нагрузки на основе индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
Разработана принципиально новая технология определения концентрации нефтепродуктов в поверхностном слое воды, позволяющая в реальных условиях отбора проб в 2 раза повысить точность измерения масштабов нефтяного загрязнения по сравнению с существующими методами.
Разработана новая технология предварительной подготовки проб, исключающая влияние внешних факторов на идентификационные свойства нефти и повышающая достоверность установления источника нефтяного загрязнения и причин его возникновения.
Впервые для зон повышенного экологического риска ( порты г.г. Новороссийск, Туапсе, терминал КТК в Южной Озереевке, РПК «Таманский») разработана и практически реализована методология и функциональная схема авианаблюдений, определения масштабов загрязнения и управления ликвидацией последствий разлива нефти, позволяющие минимизировать ущерб, наносимый морской среде.
Предложен и реализован в период экспедиционных исследований алгоритм оценки загрязнения морской среды прибрежных зон на участке Адлер-Анапа с использованием новых методов и технологий, позволяющий минимизировать затраты на проведение мониторинговых работ и обеспечить достоверность результатов оценки загрязненности морской среды нефтью
Реализована на конкретных территориях (порты г.г. Сочи, Туапсе, Керченский пролив) новая технология определения уровня и характера распространения нефтяного загрязнения и установления основных причин загрязнения с целью разработки и реализации мер по его ликвидации.
Методы исследования:
Общей методологической основой работы является комплексный экосистемный подход, включающий организацию и проведение экспедиционных исследований и аэровизуальных наблюдений состояния морских прибрежных экосистем, физическое и математическое моделирование распространения нефтяного загрязнения, а также анализ и обобщение опыта работ в области предупреждения и ликвидации разливов нефти, методов, оригинальных алгоритмов и систем охраны морских вод от загрязнения нефтью.
Практическая ценность результатов исследования заключается в следующем:
-
Разработан комплекс мероприятий и рекомендаций по повышению уровня экологической безопасности при проведении операций с нефтью в прибрежной зоне Черного моря.
-
Для информационной поддержки выработки управленческих решений по увеличению объемов перевалки и переработки нефти в прибрежной морской зоне разработана и практически реализована на территории г.Сочи система индикаторов и методология интегральной оценки экологической ситуации в прибрежной морской зоне, позволяющие оценивать общую нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
-
Создана и запущена в режим испытательного функционирования комплексная система управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в решении задач управления природно-техническими системами, находящимися в прибрежной морской зоне
-
Создана новая технология отбора проб морской воды , позволяющая производить отбор проб методом высечки водного столба, включая поверхностный слой, на глубину до 0,5 метров без нарушения его структуры, что повышает точность измерений по сравнению с существующими методами на 60%.
-
Разработана и реализована в практических условиях (порты Новороссийск, Туапсе) технология достоверного выявления источника нефтяного загрязнения путем идентификации проб нефти, что позволяет в целях предотвращения загрязнения морской среды нефтью воздействовать непосредственно на источник загрязнения.
-
Разработаны и утверждены федеральными природоохранными органами для практического применения методические рекомендации, включающие разработанные технологии оценки масштабов нефтяного загрязнения и установления источника загрязнения.
-
Практически реализована комплексная система наблюдения, измерения и управления ликвидацией последствий разлива нефти в зонах повышенного риска (порты Новороссийск, Туапсе, РПК «Таманский», терминал КТК в Южной Озереевке), позволяющая с требуемой точностью и оперативно определять масштабы нефтяного загрязнения, прогнозировать характер его распространения и координировать действия по организации сбора разлитой нефти.
-
Разработана и реализована система мониторинга качества морских вод в районе курортных территорий на участке Адлер-Анапа, получены новые сведения о динамике загрязненности морской воды нефтью за период 2006-2008 годы, разработан для департамента по курортам и туризму Краснодарского края план первоочередных мероприятий по восстановлению качества морской среды в прибрежных зонах, подверженных загрязнению.
-
Реализована практически технология проведения исследований по оценке нефтяного загрязнения морской воды в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в прибрежной морской зоне в районе Керченского пролива, получены новые данные о характере и источниках загрязнения морской среды нефтью, для департамента по чрезвычайным ситуациям и государственному экологическому контролю Краснодарского края разработан комплекс мероприятий по ликвидации загрязнения морской среды нефтью.
Достоверность и обоснованность полученных результатов диссертационных исследований подтверждена лабораторными и натурными экспериментами и испытаниями, обоснованностью принятых физических моделей и математических описаний процессов загрязнения морской среды нефтью, использованием аттестованных методик и поверенных приборов при проведении измерений параметров нефтяного загрязнения, а также результатами практического применения разработанных методов и технических средств.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:
-
Результаты оценки влияния проведения операций с нефтью на экологическое состояние прибрежных морских экосистем и разработанная на их основе концепция снижения уровня загрязненности морской среды черноморского побережья Краснодарского края;
-
Принципы и механизмы эффективного функционирования системы охраны прибрежных морских экосистем от загрязнения нефтью и разработанная на их основе структурная схема системы управления, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в решении задач управления природно-техническими системами, находящимися в прибрежной морской зоне;
-
Методология интегральной оценки экологического состояния морских прибрежных экосистем и определения допустимой нагрузки на основе индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
-
Технология измерения концентрации нефтяных углеводородов в поверхностном слое воды, созданная на основе физической и математической моделей распространения нефтяного загрязнения в поверхностном слое воды и позволяющая в реальных условиях вдвое повысить точность измерений характеристик нефтяного загрязнения по сравнению с существующими методами.
-
Технология подготовки проб нефти для реализации метода установления причинно-следственных связей между источником нефтяного загрязнения и состоянием морской среды, позволяющая обеспечить точность выводов о сходимости проб с большей степенью вероятности по сравнению с существующими методами
-
Методология и функциональная схема наблюдения, измерения масштабов нефтяного загрязнения и управления ликвидацией последствий аварийных разливов нефти в зонах повышенного экологического риска, обеспечивающая с использованием авиационных средств оперативную оценку экологической обстановки и информационную поддержку проведения операций по ликвидации последствий разлива нефти в море.
-
Результаты исследований пространственного распределения нефтяных углеводородов в прибрежной морской зоне Черноморского побережья Краснодарского края, алгоритм оценки загрязненности морской среды нефтью с использованием новых технологий при проведении мониторинга качества морских вод в районе курортных территорий Черноморского побережья на участке Адлер-Анапа и практические результаты мониторинга за 2006-2008 годы.
-
Алгоритм оценки загрязненности морской среды нефтью с использованием новых технологий в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в районе Керченского пролива и результаты натурных исследований, проведенных в 2000-2008 годах.
Реализация работы:
-
При участии автора проведено внедрение разработанных методов и технологий экологической оценки и информационного обеспечения системы управления охраной окружающей среды от загрязнения нефтью, в том числе для зон повышенного риска, в Государственном комитете по охране окружающей среды по Краснодарскому краю и Северо-Кавказском межрегиональном управлении по технологическому и экологическому надзору.
-
Методы интегральной оценки экологического состояния прибрежной морской зоны были использованы при выборе места размещения морского нефтяного терминала Каспийского трубопроводного консорциума и рекреационных объектов в районе г. Сочи.
-
Разработанные методы и технологии оценки нефтяного загрязнения морской среды и экологического состояния прибрежных зон Краснодарского края использованы НИИ прикладной и экспериментальной экологии Кубанского ГАУ при проведении научно-исследовательских работ, выполненных в соответствии с государственными контрактами (№ 2/4 от 17.04.2006г; № 22 от 14.06.2007; № 24 – 07/3 от 10 января 2008 ; № 8 от 29 апреля 2008 г).
-
При проведении оценки масштабов нефтяного загрязнения морской среды Центром лабораторного анализа и инструментальных измерений по ЮФО и НИИ прикладной и экспериментальной экологии Кубанского ГАУ используется разработанная технология отбора проб поверхностного слоя воды.
-
Разработанная технология идентификации проб нефти включена в Инструкцию по идентификации источника загрязнения водного объекта нефтью, которая была утверждена приказом Минприроды СССР 2 августа 1994 г № 241 и рекомендована для практического применения. Технология прошла международное тестирование при проведении эксперимента по установлению источника нефтяного загрязнения в Северном море.
-
Разработанная методика расчета площади нефтяного пятна по перспективному аэрофотоснимку включены в «Рекомендации по аэрофотосъемке нефтяных разливов, дешифрированию фотодокументов и оценке площади нефтяного разлива», используемые в настоящее время природоохранными органами.
-
Разработанные методы оценки масштабов нефтяного загрязнения и идентификации проб нефти были использованы природоохранными органами при решении вопросов компенсации ущерба, нанесенного крупномасштабным загрязнением моря нефтью (1985г т/х Таксиархис», п. Новороосийск; 1986 г., т/х «Нордвал», п. Новороссийск; 1995г, т/х «Вихрен», п. Туапсе; 1992 и 1997 гг. н/б «Шесхарис», п. Новороссийск; 2007 год, т/х «Волгонефть 139», п. Кавказ). По представленным природоохранными органами материалам страховыми компаниями был компенсирован ущерб, нанесенный морской среде в результате загрязнения нефтью, в сумме более 3 млн. долларов.
-
С использованием новых технологий в 2008 году проведены исследования состояния морской среды в районе Керченского пролива и на основании полученных данных для департамента по чрезвычайным ситуациям и государственному экологическому контролю Краснодарского края разработан план первоочередных мероприятий по ликвидации последствий нефтяного загрязнения.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на заседаниях НТС Государственного комитета по охране
окружающей среды по Краснодарскому краю (Краснодар, 1992 - 2000 г.),
на научно-практической конференции Госкомэкологии РФ по проблемам охраны морских вод от загрязнения (Владивосток, 1993 г.), на Международной конференции «Комплексное управление прибрежными зонами и его интеграция с морскими науками» (Санкт-Петербург, 2003 г.), на Международной конференции по комплексному управлению прибрежными зонами (Турция, Анталия, 1999 г.), на научно-практической секции «Экологический мониторинг» 2-го Всероссийского съезда по охране природы (Москва, 2003 г.), на научно-практической конференции Ростехнадзора (Казань, 2006 г.), на 1-ой международной конференции МАНЭБ «Человек и природа. Проблемы экологии юга России» (Анапа, 2007 г.), на международной конференции MEDCOST - 2008 (Турция, г. Акаяка, 2008 г.), на VII Международном инвестиционном форуме «Сочи - 2008» (г. Сочи, август 2008 г.), на научно-практической конференции по водным проблемам России (г. Азов, август, 2008 г.), на краевой научно-практической конференции, посвященной 20-летию образования природоохранных органов Краснодарского края (г. Краснодар ноябрь, 2008 г.).
Личный вклад соискателя:
- постановка задач исследования и разработка методологии их решения;
- разработка программ экспедиционных исследований;
- анализ и интерпретация полученных результатов исследований;
- разработка предложений по новым методам и технологиям контроля нефтяного загрязнения;
- участие в экспедиционных исследованиях, включая аэровизуальные наблюдения за состоянием морских вод;
- участие в создании систем управления охраной окружающей среды в прибрежных морских зонах и новых технологий анализа экологического состояния природно-технических систем;
- участие в расследовании реальных случаев загрязнения моря нефтью с использованием разработанных методов;
- участие в разработке «Руководства по идентификации нефтей» и «Рекомендаций по аэрофотосъемке нефтяных разливов, дешифрированию фотодокументов и оценке площади нефтяного разлива»;
- осуществление методического руководства проведением научно-исследовательских работ по оценке экологической ситуации в прибрежной зоне курортных территорий Черноморского побережья, в акватории портов Сочи и Туапсе, а также в районе Керченского пролива.
Публикации. По теме диссертации подготовлена и издана монография, опубликовано 32 статьи, отражающих основные научные результаты диссертации, в том числе 8 в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в список ВАК РФ. Получено авторское свидетельство на изобретение.
Объем и структура. Диссертация изложена на 359 страницах машинописного текста, содержит 39 таблиц, 91 рисунок, 56 формул и включает: введение, шесть глав, заключение, список использованных источников. Список использованной литературы содержит 276 источников, из них 25 иностранных.
Исследование проблемы загрязнения прибрежных морских экосистем нефтью и разработка концепции повышения уровня экологической безопасности
Устойчивое развитие прибрежной морской зоны, может бытБ, достигнуто при обеспечении; благоприятных.условий: и определении? приоритетов для развития;туризма;, рыболовства; аквакультуры ш морского?транспорта віприбрежной зоне: и;одновременном усилении мер по предупреждению неблагоприятных, воздействий видов деятельности, связанных с загрязнением морской среды, деградацией; экосистемы, истощением возобновляемых природных ресурсов.
Для морских экосистем.и человека наиболее опасными являются»сырая; нефть, нефтяные и: полиароматические углеводороды, токсичные металлы (ртуть кадмий, свинец и др.), долгоживущие искусственные радионуклиды [193;194,.69v7i,4 5];
Анализ экологической ситуации, сложившейся в прибрежной зоне Черного и Азовского морей показал, что наибольшему риску масштабного загрязнения морской среды нефтью подвержены зоны» хозяйственной, деятельности, в, которых сосредоточены объекты, хранения, переработки, перегрузки и транспортировки нефти [19, 34, 50, 211]. Схема размещения объектов хранения, переработки и перевалки нефти и нефтепродуктов показана на рисунке 1.1. Приведенная в работе экологическая оценка состояния Черного и Азовского морей выполнена на основании данных Росгидромета, МПР РФ; ВНИИРО, АзНИИРХ, ИО РАН, НИПИ «Океангеофизика». Необходимо отметить, что зачастую данные, полученные различными ведомствами в одном и том же районе, сильно различаются. Прежде всего, это связано с малым объемом аналитических исследований морской среды и несоблюдением условий проведения мониторинговых работ. Общее количество наблюдений за состоянием загрязнения моря с 1992 года сильно сократились.
С 1977 по 1990 г. в акватории Черного моря проводились регулярные (6-8 раз в год) авианаблюдения (около 100 авиасъемок) этого вида загрязненности поверхностного слоя моря и они хорошо согласовываются с судовыми наблюдениями [34, 41]. Результаты наблюдений показали, что наиболее опасным и наиболее часто визуально наблюдаемым видом загрязнения» поверхности моря НП являются нефтяные пятна и пленки, постоянно присутствующие на поверхности моря.
Краснодарского края В связи с активизацией транспортировки и хранения нефти увеличивается вероятность высокого (опасного) и экстремально высокого (особо опасного) загрязнения (ВЗ и ЭВЗ). Экстремально высокий и высокий уровень загрязненности морской воды нефтепродуктами наблюдается не только при обнаружении разовой концентрации в пробе, превышающей 5 и 1,5 мг/дм3 соответственно (за последние 15 лет в прибрежной зоне Черного моря отмечалось 275 таких случаев), но и при покрытии поверхности моря нефтяными пленками и пятнами. В основном это происходит при разливах НП, авариях, сбросах сливных вод с судов, утечке НП при работе судовых установок. Наиболее загрязнены НП портовые акватории, районы нефтехранилищ и места несанкционированных сбросов сливных вод [34].
Размер площади поверхности моря, загрязненной пленкой нефтяных углеводородов, остается значительным. Например, в 1988 году по сравнению с 1987 годом он возрос в 5 - 15 раз. Средневзвешенные концентрации нефтяных углеводородов в слое 0 - 10 м составили в 1988 году не более 0,1 мг/л; средневзвешенное содержание СПАВ-в водах моря в 1988 году достигло 50 мкг/л [158].
По акватории моря наблюдалась значительная изменчивость НУ в поверхностном микрослое (ПМС) (0,01 - 0,1 см). В восточной зоне Черного моря этот слой загрязнен НУ до 0,40 мг/л.
В июне - октябре 2003 года Специализированным центром гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Черного и Азовского морей (г. Сочи) осуществлялись регулярные авиационные наблюдения» за состоянием прибрежной зоны Черного моря на участке от Адлера до Керченского пролива [202]. Полоса наблюдений ограничивалась границей шельфа, проходящей на расстоянии 10 - 11 км от береговой линии.
На этом маршруте производилась визуальная оценка состояния загрязнения поверхности прибрежной акватории моря пленочными образованиями, выполнялся инструментальный контроль береговых источников загрязнения, а также облет акваторий портов Туапсе, Геленджик, Новороссийск и якорных стоянок в районе м. Панагия - м. Тузла. Высота полета - 200 м, скорость воздушного судна -140 км/час.
При проведении аэровизуальных наблюдений определялась густота пятен нефтяных углеводородов на поверхности моря (Г), характеризующая процент покрытия водной поверхности пленкой по отношению к чистой поверхности воды видимой площади. Для оценки использовалась «десятибалльная шкала густоты. За 0 баллов в этой шкале принималась чистая вода, за 1 балл - когда пятнами нефтепродуктов покрыто 10 % видимой поверхности и т.д. Оценка в 10 баллов даетсяш»случаях, когда 91 - 100% видимошводной поверхности , покрыто нефтяной пленкой [2]. На практике прш аэровизуальных наблюдениях чаще определяют примерную площадь загрязненной- вод-ной поверхности в квадратных километрах (км ). При пролете вдоль нефтяного пятна фиксируются время пролета и скорость воздушного судна.
Одновременно с густотой пятен определяется интенсивность (И) пятен нефтепродуктов по 5 бальной шкале [2]. Для ориентировочной оценки масштабов загрязнения используют зависимость цветовых характеристик от толщины «нефтяной пленки (для нефтяных пленок интенсивностью 2 - 4 балла). Толщина нефтяной пленки интенсивностью 5 баллов может достигать несколько сантиметров. В этом случае масштабы загрязнения определяются контактными методами.
Разработка принципови структуры управления охраной прибрежных морских зон от загрязнения на основе экосистемного и многоцелевого подхода
В: системе управления достаточно четко отражаются представления; о такойюрганизацишохраньі.окружающейісредьі,.пришоторой;природньіе комплексы,, компоненты окружающей! среды» и? антропогенные: объекты, рассматриваются как объективно существующие: № взаимодействующие наг огранит ченной; территории І образования, являющиеся-; объектом управления» системы (ОУ) [45j 126, 201, 222]. Основнойзадачешуправленияохраной окружающей среды является поддержание устойчивого состояния» объекта, управления в условиях многочисленных возмущающих воздействий, как, на; объект управления, так и на экосистему, в пределах которой функционирует объект управления;
Устойчивое (равновесное) состояние объекта управления характеризуется состоянием антропогенного объекта, при котором он не оказывает негативного воздействия ша окружающую среду, а состояние окружающей среды не оказывает влияние на условия функционирования антропогенного объекта.
Условия устойчивого состояния объекта управления описываются экологическими нормативами, стандартами правилами;
Под устойчивостью объекта управления понимается его способность возвращения в исходное состояние, соответствующее целевой функции; экосистемы, в которой он функционирует, после кратковременного изменения возмущающих воздействий.
Объекты управления в системе охраны окружающей среды относятся к многомерным объектам ввиду многообразия возмущающих воздействий и управленческих решений, влияющих на его состояние.
Входные внешние воздействия для объекта управления могут быть полезными управляющими сигналами (и) и помехами, возмущающими воздействиями (/).
К возмущающим входным внешним воздействиям (f) могут быть отнесены, изменение природных условий,, увеличение общей антропогенной нагрузки на локальную экосистему, изменение факторов-устойчивости экосистемы и др.
К управляющим сигналам (и) относятся соответствующие управленческие решения, направленные на снижение влияния возмущающих воздействий на состояние объекта управления (изменение нормативов негативного воздействия на окружающую среду и др.). Возмущающие внутренние и внешние воздействия можно подразделить на возмущающие воздействия локального уровня и экосистемного (регионального) уровня. По времени воздействия — на хронические (постоянные) и залповые (краткосрочные), по уровню воздействия -на допустимые (нормативные) и экстремально-высокие (сверхнормативные).
Входные воздействия прямо или косвенно приводят к изменению выходных переменных объекта управления, характеризующих его состояние (х). Под состоянием объекта понимается совокупность величин xi (выходных сигналов), полностью определяющих его положение в данный момент времени по отношению к устойчивому.
Для прогнозирования развития ситуации приразличных уровнях иха-рактере возмущающих- воздействий могут быть использованы структурные схемы и математические уравнения, функционально связывающие8входные и выходные сигналы объекта.
Наиболее употребительной моделью динамических объектов являются дифференциальные уравнения. Будем рассматривать только объекты с сосредоточенными, параметрами, которые описываются обыкновенными дифференциальными, уравнениями. Порядок системы дифференциальных уравнений, описывающей модель объекта, непосредственно не определяется количеством входов и выходов, а зависит от операторов, преобразующих входные сигналы в выходные [191].
Математически операторы определяются в соответствующих пространствах, т.е. на множествах элементов, над- которыми совершаются преобразования. Таким образом, задачу идентификации объекта управления в общем виде можно ставить как задачу определения оператора объекта, преобразующего входные воздействия в выходные.
В реальных условиях математическая модель экологической системы может быть получена путем проведения пассивных экспериментов с исследуемым объектом и регистрации временных рядов входа и выхода. Временные ряды входов и выходов служат основой получения динамической модели состояния экосистемы с использованием корреляционного метода идентификации объекта управления. На рисунке 2.2 показаны возможные варианты развития ситуации в состоянии объекта управления при различных уровнях и характере возмущающих воздействий и эффективности управленческих решений.
Исходя из анализа факторов, влияющих на формирование выходных переменных, характеризующих состояние объекта управления, можно сделать следующие выводы: 1) для обеспечения эффективного управления качеством окружающей среды сама система управления должна получать более оперативную информацию об источниках и уровнях воздействия и реагировать, прежде всего, на изменение характера воздействия с целью недопущения негативного изменения состояния компонентов окружающей среды; 2) информационная система-управления охраной окружающей среды должна включать в себя не только наблюдения за откликом биосферы на воздействия, но и наблюдения за источниками и факторами воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т.п.) и параметрами, характеризующими устойчивость экосистем с достаточным временным и пространственным разрешением, соответствующим целям управления. 3) система управления охраной окружающей среды регионального уровня должна включать три. подсистемы: подсистему управления регулирующую взаимодействие локального антропогенного объекта с окружающей средой; подсистему управления регулирующую общую антропогенную нагрузку на экосистему регионального уровня в зависимости от ее целевого назначения и подсистему управления, обеспечивающую принятие оперативных мер в экстремальных случаях загрязнения окружающей среды.
Методология интегральной экологической оценки и определения допустимой антропогенной нагрузки на прибрежные локальные экосистемы
Информационное обеспечение подсистемы управления охраной морских экосистем на региональном уровне предусматривает проведение оценки состояния экосистемы в целом и определение возможности увеличения ан-тропогеннойнагрузки на систему.
Рассмотрение экосистемы, как целого позволяет опереться-при получении искомых критериев безопасности на общие для любых экосистем, свойства и закономерности, управляющие их функционированием, подобно тому как в гигиеническом подходе для определения величин этих пределов» были определены опасные для любого человека уровни воздействия-. Необходимые оценки воздействия опасных факторов на экосистемы и выявление общих принципов получения таких оценок могут быть основаны.на использовании эколого-физиологических. свойств формирующих экосистему организмов и физико-химических факторов внешней среды.
Экосистема как целое может быть охарактеризована составом (числом и ролью различных входящих в нее объектов), структурой (совокупностью связей между составляющими систему объектами) и возможностями по компенсации внешнего воздействия (их можно определить, например, как эффективность восстановления исходных целевых функций экосистемы).
Теоретически любая экосистема может быть описана бесконечным набором параметров. Число таких параметров на современном этапе развития экологии, хотя и не бесконечно, но очень велико (по крайней мере, измеряется сотнями).
Вместе с тем, из общей группы параметров, характеризующих состояние экосистемы можно выделить группы параметров, которые могут использованы для расчета индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку на экосистему и отклик экосистемы на эту нагрузку в виде изменения качества компонентов природной среды или биологической продуктивности экосистемы.
Учитывая, что различными авторами приводятся разные понятия индикатора и индекса, определимся , что под индикатором понимается элементы информации, систематизированные и преобразованные для передачи их в систему принятия управленческих решений, а под индексами - степень отклонения величин от заданных нормативов.
Схема процедуры сжатия экологической информации При описании экологического состояния прибрежных экосистем немало важную роль играет группа параметров, которые могут быть использованы для расчета индикаторов, характеризующих устойчивость экосистемы к внешним и внутренним воздействиям. В данном случае под «устойчивостью экосистемы» понимается ее способность восстановления исходного состояния, соответствующего целевой функции экосистемы, после кратковременных или хронических возмущающих воздействиях техногенного или природного характера. Под откликом экосистемы понимается оценка свойств и качества экосистемы в зависимости от типологической группы, в которую входит данная экосистема.
Признаки типологических групп прибрежных экосистем определяются в зависимости от целевого использования водных объектов, являющихся основными компонентами экосистемы (использование для рыбохозяйственных целей, питьевое водоснабжение, рекреационное и культурно-бытовое использование и др.). При этом, предельной нагрузкой является нагрузка, при которой экосистема может перейти из одной типологической группы в.другую или потерять свойства одной из групп..
Наиболее простой способ нахождения предельных нагрузок может быть реализован при условии, когда известны критические значения свойств и качества компонентов природной среды, при которых сохраняются ее целевые социально-экономические и биосферные функций, соответствующие данной типологической группе (метод привлечения «внешней информации»). Так, при разработке регламентов сброса загрязняющих веществ, в морскую воду одним из критериев определения предельных значений сброса может быть непревышение ПДК для воды водоемов рыбохозяйственного или культурно-бытового назначения.
Одной- из сложных задач создания систем информационного обеспечения управления охраной окружающей среды является выбор параметров, характеризующих зависимость «уровень воздействия - устойчивость экосистемы - отклик экосистемы» и методов их интерпретации для получения обобщенной оценки состояния экосистемы. В этом случае оценивая уровень устойчивости и отклика экосистемы можно установить критическое значение параметров воздействия, при которых система теряет устойчивость и переходит в другое качественное состояние. При этом следует отметить,.что результаты натурных исследований отклика экосистем в градиенте воздействий должны стать основными при получении нормативов предельных нагрузок.
Схема выбора параметров состоит из двух этапов. На первом этапе выбора критериев оценки конкретной экосистемы необходимо в зависимости от поставленной цели описать процессы или факторы, определяющие антропогенную нагрузку на экосистему, устойчивость экосистемы и возможные последствия в изменении состояния экосистемы, прежде всего, ориентируясь на «слабое звено» экосистемы. На втором этапе, на основе изложенных ниже принципов необходимо выбрать три группы параметров, характеризующие описанные процессы. Анализ предлагаемых различными авторами подходов к выбору параметров оценки локальных экосистем и проведенные нами исследования характера негативных воздействий на окружающую среду локальных экосистем позволяет сформулировать основные принципы их выбора в зависимости от целей управления [37, 97, 170]: 1) Для интегральных характеристик необходимо искать способы их целостной оценки, а не получать последние путем суммирования. Например, при оценке влияния бассейна реки на морскую среду целесообразно исследовать влияние самого стока реки, а не всех источников загрязнения, расположенных в бассейне реки. 2) Характерное время изменения параметров, должно совпадать с характерным временем»процессов, т.е. измеряемый параметр должен.изменяться с минимальным временем запаздывания при изменении процессов; влияющих на значение параметра. 3) Параметр должен быть жестко функционально» связан с характеризуемым процессом. Например, влияние стока реки- определяется массой загрязняющих веществ, выносимых в море, поэтому в качестве параметра» целесообразно принять приведенную массу загрязняющих веществ поступающих со стоком реки в море. 4) Параметр должен давать отклик на воздействие различных факторов, приводящих к ее изменению, существенно превышающий природный фон, обладать минимальным временем формирования отклика и продолжительно фиксировать этот отклик. Измерение отклика должно производиться в короткое время с использованием недорогих и несложных методов анализа.
Инструментально-методическое обеспечение технологии определения масштабов и источников загрязнения моря нефтью
Для получения объективной информации о характере и уровнях загрязнения морской среды крайне важно учитывать особенности распределения загрязняющих веществ в поверхностном слое воды. Нами сделан анализ результатов многолетних исследований в этой области. Морская вода ограничена двумя самыми обширными на Земле поверхностями раздела. Практически все основные процессы обмена энергией и веществами происходят нас поверхности раздела вода-воздух, вода - морское дно, а также при взаимодействии воды со взвешенными веществами и организмами. Суммарная поверхность раздела вода - атмосфера для Мирового океана оценивается в 361 млн. км2. В любой данной точке океана поток энергии и веществ в том или ином направлении через границу раздела воздух - морская вода обычно незначителен, однако поверхность океана столь велика, что общее количество энергии и веществ, участвующих в обмене, огромно. Исключительное значение этих контактных зон, так называемых зон-сгущения жизни, неоднократно подчеркивалось В. И. Вернадским [31]. Сложность и изменчивость процессов переноса, происходящих вблизи поверхности раздела океан - атмосфера, тесно связаны с параметрами самой водной поверхности. Структура воды весьма чувствительна к воздействию внешних полей, в том числе к воздействию поля поверхностных сил. Поэтому свойства воды в поле поверхностных сил существенно отличаются от свойств воды в объеме. Изучение структуры и состава поверхностного слоя, который в значительной степени определяет физико-химическую направленность процессов формирования качества морской воды, очень важно.
Необходимость системного подхода к изучению поверхностного микрослоя воды показана в работе В.И. Михайлова [118]. Важность данных о химических и биологических свойствах поверхностного слоя воды становится понятной даже из самых приближенных оценок, согласно которым нефтяная пленка может уменьшить испарение более чем в 2 раза [128, 129]. С другой стороны, химические свойства зависят от ряда биологических и физических процессов. В настоящее-время, в океанографической литературе, посвященной исследованиям- процессов, протекающих в поверхностном (приграничном)» слое воды, находится в неупорядоченном состоянии [186]. Пограничным, слоем (ЕП Є), в широком смысле обычно называют слой, подверженный, непосредственному влиянию границы [99]. Наиболее подробно вопросы терминологии пограничных слоев в океане, их классификация и иерархии рассмотрены в работах Без-бородова, Хорна,[18, 218]. Ими дается, общее определение пограничной зоны как области, с двух сторон прилегающей к границе раздела фаз или? водных сред и характеризующихся сгущением каких- либо свойств, энергии:, энтропии, количества вещества: Рассматривая пограничные океанские слои, авторы указывают, что обычно за нижнюю-границу пограничного слоя принимают уровень, на котором сохраняется 10 — 20 % искажающего влияния поверхности.
Если задаться граничными значениями локальных свойств, при которых относительная разница будет близка к единице, то будет учтена значительная область изменения свойств в слое воды. Для оценки нефтяного загрязнения эффективная толщина исследуемого поверхностного слоя определяется экспериментально, поскольку скорость проникновения, нефти в толщу воды зависит от множества факторов:
В! отличие от пограничных слоев, толщина которых определяется по профилю локальных свойств, или даже по интегральным свойствам, для поверхностного слоя, наоборот, свойства слоя определяются его толщиной; или выбранной произвольно, или заданной целью или методом исследования. По аналогии с пограничным слоем Михайловым предложено называть слой воды, примыкающий к разделу «вода-воздух», толщиной порядка 1 мм и-менее — поверхностным микрослоем, а слой толщиной более 1 мм — поверхностным слоем, при этомповерхностный микрослой входит в поверхностный слой.
Поверхностный слой и поверхностный микрослой были выделены как самостоятельные объекты изучения благодаря существенному отличию в них химических свойств воды от подповерхностной воды на, глубине 0,5 -1,0 метров, которая, раньше при-гидрохимических исследованиях считалась водой с поверхностного «нулевого» горизонта.
