CC BY
24
Экология
УДК 502.3, 504.7 Б01: 10.24412/1728-323Х-2022-4-5-15
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АЗОТНОГО СЛЕДА ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Г. Е. Артамонов, специалист отдела цифровой трансформации контрольно-надзорной деятельности Федеральной службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору, Artamonov88@gmail.com,
В. А. Гутников, к. т. н, заместитель генерального директора ФГБУ«ЦНИИПМинстроя России», Lomonosov25@rambler.ru,
И. И. Васенев, д. б. н, заведующий кафедрой экологии Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева, Vasenev@rgau-msha.ru
Аннотация. В статье приводятся результаты экологической оценки ассимиляционной способности наземных экосистем к поглощению выбросов оксидов азота (NOx), образующихся при сжигании углеводородного топлива в результате деятельности 260 российских тепловых электростанций с суммарной установленной мощностью более 145 ГВт и годовой выработкой электроэнергии около 584 млрд кВтч. Проведенный анализ удельного азотного следа ТЭС и индекса азотной нагрузки показали важность их учета в связи с принятыми Российской Федерацией обязательствами по сохранению биологического разнообразия в соответствии с Конвенцией о биологическом разнообразии. По результатам расчета индекса азотной нагрузки выделены три группы ТЭС с высоким, средним и оптимальным уровнем нагрузки на наземные экосистемы и, соответственно, различным потенциалом к поглощению NOx. Между показателями индекса азотной нагрузки и выбросами оксидов азота отмечена высокая корреляционная связь для групп «ГРЭС» и «газовые ТЭЦ» (с 0,889 и 0,681, соответственно), что говорит в пользу эффективности применения балансового метода для расчета уровня поглощения выбросов NOx наземными экосистемами.
Abstrect. This article presents the results of an environmental assessment of terrestrial ecosystems assimilation ability to absorb nitrogen oxides emissions (NOx) generated by the combustion ofhydrocarbon fuels due to 260 Russian thermal power plants with a total installed capacity of more than 145 GW and annual electricity generation of about 584 billion kWh. The analysis of thermal power plants nitrogen footprint and the nitrogen load index showed the importance of their accounting in connection with the Russian Federation obligations to preserve biological diversity in accordance with the Convention on Biological Diversity. Due to the nitrogen load index calculation results, three groups of thermal power plants with a high, medium and optimal levels of load on the terrestrial ecosystems and, accordingly, different potential for NOx absorption were identified. There is a high correlation between the nitrogen load index and nitrogen oxide emissions for the "GRES and "Gas TPP" groups (r = 0.889) and (0.681), which indicates in favor of efficiency of the balance method used to calculate the level of human-made NOx absorption by terrestrial ecosystems.
Ключевые слова: экологическая оценка, азотный след, энергетика, наземные экосистемы, экосистемные услуги.
Keywords: environmental assessment, nitrogen footprint, energy, terrestrial ecosystems, ecosystem services.
Введение
Наземные экосистемы оказывают экосистемные услуги по очищению природных компонентов от загрязняющих веществ, образующихся при сжигании топлива в процессе производства тепло- и электроэнергии на объектах тепловой энергетики (ТЭС) [1-3].
Объекты ТЭС имеют важнейшее значение в социально-экономическом развитии регионов России. При этом они также являются одним из основных источников негативного воздействия на наземные экосистемы ввиду образующихся в результате их производственной деятельности выбросов загрязняющих веществ. Несбалансированное количество выбросов загрязняющих веществ имеет негативное воздействие на способ-
ность выполнения базовыми компонентами наземных экосистем экосистемных функций и услуг.
По данным сети наблюдений Росгидромета и годовых отчетов Минприроды России генерирующие объекты теплоэнергетики занимают лидирующее место по уровню выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Оксиды азота (КОх) являются одними из наиболее распространенных выбросов в атмосферный воздух, которые образуются при сжигании топлива на ТЭС и которым традиционно уделяется повышенное внимание в связи с их негативным воздействие на состояние биологического разнообразия. Объем выбросов КОх зависит от многих факторов: вида топлива, технологии топочного процесса и очистки уходящих газов [4].
Выбросы N0, от стационарных источников, тыс. тонн
Производство электроэнергии, млрд кВтч
3100
2700
2300
1900
1500
800
1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011 2014 2017 2020
1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011 2014 2017 2020
Рис. 1. Динамика выбросов NОх на фоне производства электроэнергии с 1991—2020 гг.
По данным Минприроды России [5] анализ динамики производства электроэнергии и выбросов оксидов азота от стационарных источников показывает стабилизацию выбросов КОх на фоне характерного для последних 10 лет роста производства электроэнергии (рис. 1).
Межгодовая динамика имеет разнонаправленные линии тренда: для выбросов КОх уменьшение линейного уравнения (у = —17,306х + 2157,8; Л2 = 0,23), для производства электроэнергии рост линейное уравнение (у = 8,2004х + 856; Л2 = 0,56). Выделяются следующие тренды развития: с 1991 года отмечено снижение количества выбросов КОх и производства электроэнергии, что было связано с общим снижением промышленного производства на фоне последствий распада СССР. С 2000 года отмечен незначительный рост выбросов на фоне значительного роста производства электроэнергии, что говорит о более эффективном использовании топлива связанным с технологическим перевооружением производственной базы. Таким образом экологическая эффективность ТЭС повысилась. В 2009, 2015 и 2020 годы отмечено уменьшение показателей в связи со снижением производственной деятельности на фоне локальных геополитических кризисов и пандемии.
В целевые положения Парижского соглашения по климату 2015 года включены удержание прироста глобальной средней температуры до конца XXI века в пределах не более 2 °С сверх доиндустриальных уровней и приложение усилий в целях ограничения роста температуры до 1,5 °С, а также достижение сбалансированности между антропогенными выбросами парниковых газов, получаемых в результате промышленной деятельности человека и их абсорбцией поглотителями парниковых газов, к которым относятся: наземные экосистемы, включая лесные, аграрные, прибрежные, а также морские экосистемы и океаны [6]. Данные положения являются также актуальными для выбросов КОх, учитывая имеющиеся у
России обязательства по выполнению положений Конвенции о биологическом разнообразии, заключенной в г. Рио-де-Жанейро 05.06.1992.
При определении очередности модернизации оборудования ТЭС или их ликвидации предлагается учитывать соотношение оказываемой антропогенной нагрузки на локальные наземные экосистемы и ассимиляционный потенциал наземных экосистем по нейтрализации выбросов КОх, находящихся в зоне непосредственного воздействия ТЭС [7]. Внедрение современных методов моделирования, прогнозирования, индикативного планирования, балансовых расчетов и информационных технологий являются основными направлениями государственной политики в сфере стратегического планирования [8].
Устойчивость наземных экосистем, как и способность к поглощению выбросов КОх, определяется биологической продуктивностью и биоразнообразием, которые в свою очередь зависят от физико-географических и климатических особенностей территории и уровня деградации экосистем. Поэтому восстановление естественных природных экосистем является приоритетной задачей в вопросах сохранения биоразнообразия [9—12].
Азот оказывает непосредственное влияние на биоразнообразие, так как сбой в какой-либо части круговорота азота может привести к химическому загрязнению почвы и соответственно дальнейшему распространению по пищевой цепи азотсодержащих веществ, губительных для живых организмов [13]. В отсутствие недопустимого воздействия хозяйственной деятельности человека на экосистемы локально повышенное поступление азота в наземные экосистемы сопровождается ростом их биологической продуктивности при отсутствии риска загрязнения почв и биоты. Одним из основных антропогенных факторов, влияющих на азотный баланс почв, являются технологические выбросы от объектов тепловой энергетики [14—17].
Расширенный баланс экосистем в условиях значительной лесистости территории позволяет обеспечить повышенную буферность наземных экосистем в зоне негативного антропогенного воздействия.
Важнейшим индикатором устойчивого развития наземных экосистем служит производство чистой первичной продукции биоты (КРР). При этом ввиду строительства новых тепловых электростанций и объектов их инфраструктуры происходит изъятие из естественного оборота ценных наземных экосистем, имеющих высокий экологический потенциал, которые могут быть использованы для других целей. Таким образом уровень производства КРР на конкретной территории в значительной мере является следствием определенного масштаба антропогенного воздействия на естественные экосистемы, основные удельные показатели азотного баланса которых характеризуются выраженной зональной дифференциацией наземных экосистем (табл. 1).
Целью исследования является проведение экологической оценки азотного следа исследуемых ТЭС, а также оценка способности наземных экосистем, к поглощению выбросов оксидов азота, образующегося при сжигании углеводородного топлива в результате деятельности ТЭС путем расчета индекса азотной нагрузки с учетом экологического потенциала территорий, находящихся в зоне непосредственного воздействия ТЭС.
Материалы и методы исследования
Исследование проведено на основе системного анализа данных годовых отчетов энергогене-рирующих компаний РФ (АО «Бийскэнерго»; АО «Волга»; АО «ДГК»; АО «ЕВРАЗ ЗСМК»; АО «Енисейская ТГК (ТГК-13)»; АО «ИНТЕР РАО -Электрогенерация»; АО «Сибирская энергетическая компания»; АО «Татэнерго»; АО «ТГК-11»; АО «Томская генерация»; ООО «Башкирская генерирующая компания»; ООО «Воркутинские ТЭЦ»; ООО «Интертехэлектро — Новая генерация»; ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго»; ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго»; ООО «ЛУКОЙЛ-Кубаньэнерго»; ООО «ЛУКОЙЛ-Ростовэнерго»; ООО «Сибирская генерирующая компания»; ООО «Тверская генерация»; ПАО «Иркутскэнерго»; ПАО «Иркутскэнерго»; ПАО «Камчатскэнерго»; ПАО «Квадра»; ПАО «Курганская генерирующая компания»; ПАО «Магаданэнерго»; ПАО «Ме-чел»; ПАО «Мосэнерго»; ПАО «ОГК-2»; ПАО «Т Плюс»; ПАО «ТГК-1»; ПАО «ТГК-14»; ПАО «ТГК-2»; ПАО «Фортум»; ПАО «Энел Россия»; ПАО «Юнипро»; ПАО «Якутскэнерго») о деятельности 260 ТЭС с суммарной установленной электрической мощностью более 145 ГВт и годовой выработкой электроэнергии около 584 млрд кВтч, что составляет более половины всей электроэнергии, выработанной в России.
Таблица 1
Основные удельные показатели азотного баланса основных видов наземных экосистем,
КТ ^гаХгод*
Наземные экосистемы Площадь, NNPP Входные потоки Выходные потоки Баланс
млн га Ndep Nf¡x NLeach ^еп ^ОББ Ча1
Полярные пустыни 2,6 1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0
Тундра 235,6 3,6 1,5 0,3 0,6 0,5 0,2 0,5
Редкостойн. леса, кустар. 172,1 10 2,3 0,5 1,0 0,7 0,3 0,8
Северная тайга 159,2 10,8 2,3 0,6 1,5 0,7 0,4 0,3
Средняя тайга 258,3 26,3 3,2 1,0 1,4 1,0 1,4 0,4
Южная тайга 194,5 36,7 5,0 1,3 1,5 1,5 2,2 1,1
Смешан. и листвен. леса 99 38 7,4 1,9 1,6 2,3 1,9 3,5
Луга, пастбища, пашни 220 41,1 4,9 0,9 0,9 1,5 15,4 -12,0
Болота 154,2 11,6 133,0 0,5 2,1 0,9 0,5 0,0
Прочие земли и водоемы 213,1 6,7 233,7 0,7 0,6 1,2 1,3 1,3
Все экосистемы 1709,8 18,1 31,2 0,8 1,2 1,0 2,0 -0,2
Примечание: * По данным национального атласа почв РФ и земельного фонда РФ.
^ер — выпадения соединений азота из атмосферы на поверхность почвы с сухими и влажными осадками;
^йх — фиксация азота в ходе усвоения молекулярного азота атмосферы и построения из него азотистых соединений
микроорганизмами почвы;
^еась — выщелачивание из почвы соединений азота с суммарным стоком воды; N(1™ — денитрификация в процессе дыхания микроорганизмов почвы;
— потери азота в результате пожаров, рубок, выноса с урожаем и пр.
Исследуемые объекты энергетики расположены в экосистемах с разным экологическим потенциалом. В результате географической привязки исследуемых объектов тепловой энергетики выделены 154 типа экосистем и 64 типа почв [18—20], в которых расположены исследуемые объекты тепловой энергетики. Исследование затрагивает зону непосредственного влияния деятельности объектов энергетики на наземные экосистемы России общей площадью 31 652 га.
Из общей генеральной совокупности исследуемых объектов энергетики в качестве репрезентативной выборки выбраны 26 ТЭС разной мощности, функционирующие в разных условиях. В ареале проведенных исследований представлен широкий зональный ряд представительных типов почв в соответствии с классификацией World Reference Base for Soil Resources (табл. 2).
Содержание запаса азота в фитомассе и почве рассчитывается на основе характерного соотношения углерода к азоту по ранее предложенной методологии [21].
Показатель количества выбросов NOx на производство электроэнергии NOfp (азотный след) NOx/кВтч рассчитывается по формуле (1):
^NO
NOfp = IT
(1)
(Кв) кг и почвенном покрове (N5) кг наземных экосистем — на основе рассчитанных ранее показателей органического углерода [21].
Показатели рассчитываются с учетом анализируемого вида фитоценоза (5) — формула (2) и соответствующей ему структуры почвенного покрова (Л/) — формула (3) в границах зоны непосредственного воздействия ТЭС и коэффициентов для перевода показателей запасов сухой фитомас-сы (Во) и запасов гумуса в почве (Не/) в углерод кг/м2 (0,5 и 0,58 соответственно), а также с учетом значений соотношения содержания азота к углероду (№С) характерных для исследуемых видов фитоценозов [22].
NBi = {.Boi • 0,5 • N) • Si;
NSj =
Hoj •0,58 • N)
Sj.
(2)
(3)
где %Ох — фактические выбросы оксидов азота от ТЭС, тонн/год; Её — годовое производство электроэнергии на конкретной ТЭС, кВтч/год.
Для оценки ассимиляционного потенциала наземных экосистем к поглощению энергетических выбросов КОх, на первом этапе рассчитываются запасы органического азота в фитомассе
Зона непосредственного воздействия ТЭС оценивается как сумма площадей относительно однородных (по растительности (г) и почвам (/)) участков земель, используемых ТЭС, и площади санитарно-защитных зон, нормированных в соответствии с новой редакцией санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.1/ 2.1.1.1200—03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов», утвержденных постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 25.09.2007 № 74 [23].
На следующем этапе рассчитывается скорость обновления органического азота исследуемых наземных экосистем: усредненный показатель годичного обновления азота в фитомассе (^аг)
Таблица 2
Представительные типы почв и их основные показатели
Тип почв (WRB, 2006) Название в системе WRB, 2006 Профиль Среднее соотношение C:N в почвах
1-1 Fibric Histosols Dystric O(T)3—O(T)31—O(T)32 12
7-5 Umbric Fluvisols Oxyaquic А1—В1—Bg—CDg 11
8-2 Haplic Solonetz Albic A1A2—Bsl—Вca,(sl),(s)—(Bcs)—(Bs)—Cs 15
11-1 Aluandic Andosols Dystric AO—АОА1—A2—AB—B—BC—D 12
12-1 Carbic Podzols О—АО—А2—Bf(Bh,f)—С 12
12-2 Rustic Podzols О—AO—A2—Bf,h(Bh)—С 12
18-1 Voronic Chernozems Pachic A1—A1Bca—Bca—BCca—Cca—Cs 11,5
18-5 Haplic Chernozems Pachic O—Av(ca)—Асa—АВса—Вca—BСca—Ccs(s) 10,4
20-1 Greyic Phaeozems Albic А1—А1A2(A2B)—Bt—BtC(BtCca)—C 11
20-3 Luvic Phaeozems Albic А1— АШ—Bt—Вса—ВСса—Сса 11
24-3 Umbric Albeluvisols Abruptic О—АО—А1—A2—A2/Bt—Bt—BtC—C 9
27-1 Albic Luvisols Abruptic А1— А2—Bt,fe,(n),(g)—BCfe(g)—Cfe(g) 12
30-1 Rubic Arenosols Eutric O—АО—АВ—С 8,1
31-2 Haplic Cambisols Eutric 01—АО—А1—Вm—ВmС—С 12
кг/год — формула (4) и почвенном покрове ( кг/год — формула (5):
Дбш =
_ I ДБ1
ДЫ
(4)
Тдви — средний период обновления лесной фитомассы (по умолчанию условно принимается за 100 лет, в будущем может экспериментально уточняться для различных видов наземных экосистем) [24].
^ = |Ту
(5)
Тщ — средний период обновления почвенного гумуса в верхних горизонтах почв (по умолчанию условно принимается за 1000 лет, в будущем может экспериментально уточняться для различных видов почв) [25].
Суммарный показатель годичного обновления органического азота в наземных экосистемах в зоне непосредственного воздействия ТЭС (N0 кг/год рассчитывается как сумма усредненных показателей годичного обновления азота в фито-массе (Дды) всех выделенных в зоне воздействия ТЭС видов фитоценозов (г = п) и структур почвенного покрова (N¿0/) (/ = к) (формула 6).
^а = I (До) + X (Д/
(6)
г = 1
/ = 1
Индекс азотной нагрузки территории наземных экосистем в зоне непосредственного воздействия ТЭС (/¿д) может быть рассчитан на основе балансового метода по формуле (7) с учетом коэффициента для пересчета выбросов КОх в антропогенный N на основе соотношения молярных масс химических элементов 0,3043.
=
(%о • 0,3043)
Д
(7)
Та
Индекс азотной нагрузки может быть сопоставлен с нормативным значением, которое подлежит установить.
Результаты
На первом этапе исследования проведен корреляционный анализ между основными технологическими и экологическими показателями (электрическая мощность, годовое производство электроэнергии, годовой расход условного топлива, общие выбросы, выбросы оксидов азота, N0^, Дта, Ы.
При рассмотрении всего массива данных выявлена тесная корреляционная зависимость между мощностью и производством (г = 0,968), но низкая между показателем азотного следа N0fp и индексом азотной нагрузки /хд (г = 0,068), что связано с очевидной неоднородностью объектов. Годовое производство электроэнергии имеет достаточно высокую корреляционную связь с выбросами оксидов азота (г = 0,668) (табл. 3).
При разделении исследуемых ТЭС на предложенные Постановлением Правительства РФ от 21.09.2021 № 1587 группы объектов установлены следующие значимые корреляционные зависимости, отличные от результатов по общей группе (табл. 4—6).
Так, в группе ГРЭС отмечена самая высокая корреляционная зависимость между г одовым производством электроэнергии и индексом азотной нагрузки (г = 0,797) и выбросами оксидов азота (г = 0,889). Между показателями количества выбросов оксидов азота на производство электроэнергии N0fp и /хд отмечена слабая корреляционная зависимость (г = 0,229).
В группе газовых ТЭЦ отмечена достаточно высокая корреляционная связь между годовым производством электроэнергии и годовым расходом условного топлива (г = 0,687). Кроме того, отмечена корреляционная зависимость между выбросами оксидов азота и индексом азотной нагрузки (г = 0,681). При этом между показателями азотного следа N0fp и индексом азотной нагруз-
Корреляция показателей по общей группе (п = 260)
Таблица 3
№ Экологические показатели С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8
С1 Электрическая мощность, МВт 0,968 0,420 0,454 0,679 -0,095 0,205 0,480
С2 Про-во электроэнергии, млн кВтч 1 0,362 0,437 0,668 -0,093 0,195 0,479
С3 Расход топлива, тыс. т у.т. (Всего) 1 0,067 0,137 -0,066 0,057 0,196
С4 Выбросы всего, тонн 1 0,902 0,052 0,191 0,633
С5 Оксиды азота, тонн 1 0,007 0,206 0,693
С6 N0^, ^х/кВтч 1 -0,060 0,068
С7 Дта 1 -0,100
С8 1
ки ILN отмечена отрицательная корреляционная зависимость (г = —0,001).
В группе угольных ТЭЦ отмечена отрицательная корреляционная связь между показателями азотного следа N0^ и индексом азотной нагрузки ILN (г = —0,002), отмечена достаточно высокая корреляционная связь между годовым производством электроэнергии и годовым расходом условного топлива (г = 0,641). Кроме того, отмечена высокая корреляционная зависимость между общими выбросами загрязняющих веществ и индексом азотной нагрузки (г = 0,681).
В целом в группах угольных и газовых ТЭЦ отмечена более тесная взаимосвязь между производством электроэнергии и расходом условного топлива, в то время как в группе ГРЭС выявлена высокая корреляционная зависимость между показателями выбросов и индексом азотной нагрузки. Это может быть связно с особенностями технологических процессов при сжигании угля и количеством его видов, характеризующихся различной теплоемкостью, а также расположением объектов ТЭЦ в крупных городах и имеющих меньшую мощность и соответственно меньшую
Таблица 4
Корреляция экологических показателей в группе ГРЭС (п = 59)
№ Экологические показатели С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8
С1 Электрическая мощность, МВт 0,965 0,298 0,422 0,656 -0,102 0,182 0,787
С2 Про-во электроэнергии, млн кВтч 1 0,199 0,410 0,639 -0,149 0,123 0,797
С3 Расход топлива, тыс. т у.т. (Всего) 1 -0,116 -0,067 -0,193 -0,073 0,021
С4 Выбросы всего, тонн 1 0,930 0,386 0,372 0,718
С5 Оксиды азота, тонн 1 0,349 0,259 0,889
С6 N0^, МОх/кВтч 1 0,166 0,229
С7 Nтa 1 -0,009
С8 ILN 1
Таблица 5
Корреляция экологических показателей в группе «газовые ТЭЦ» (п = 136)
№ Экологические показатели С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8
С1 Электрическая мощность, МВт 0,942 0,725 0,489 0,622 -0,257 0,034 0,262
С2 Про-во электроэнергии, млн кВтч 1 0,687 0,469 0,610 -0,257 0,077 0,224
С3 Расход топлива, тыс. т у.т. (Всего) 1 0,230 0,362 -0,156 -0,001 0,209
С4 Выбросы всего, тонн 1 0,899 0,004 0,003 0,594
С5 Оксиды азота, тонн 1 -0,053 -0,003 0,681
С6 N0^, ^х/кВтч 1 -0,091 -0,001
С7 Nтa 1 -0,203
С8 ILN 1
Таблица 6
Корреляция экологических показателей в группе «угольные ТЭЦ» (п = 64)
№ Экологические показатели С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8
С1 Электрическая мощность, МВт 0,939 0,653 0,625 0,877 -0,204 0,567 0,446
С2 Про-во электроэнергии, млн кВтч 1 0,641 0,555 0,918 -0,183 0,597 0,422
С3 Расход топлива, тыс. т у.т. (Всего) 1 0,580 0,663 -0,106 0,471 0,414
С4 Выбросы всего, тонн 1 0,681 -0,035 -0,009 0,707
С5 Оксиды азота, тонн 1 -0,094 0,461 0,589
С6 N0^, ^х/кВтч 1 -0,132 -0,002
С7 Nтa 1 -0,283
С8 ILN 1
зону непосредственного воздействия, в то время как ГРЭС занимают большие площади наземных экосистем.
При этом показатель Дта не имеет выразительных и значимых корреляционных зависимостей ни в одной из групп.
Разные виды наземных экосистем имеют разный ассимиляционный потенциал к поглощению выбросов оксида азота и устойчивость к антропогенной нагрузке в целом. По формулам (1) и (7) произведен расчет показателя азотного следа при производстве электроэнергии N0^ и индекса азотной нагрузки территории наземных экосистем в зоне непосредственного воздействия ТЭС /¿д. Результаты расчета /¿д для 26 представительных ТЭС с разными уровнями азотной нагрузки (высокой, средней и оптимальной) показали широкий диапазон его изменения в рассматривае-
мом ряду почв от 2,191 для дерново-подзолистых иллювиально-железистых до 0,0002 для дерново-подзолистых преимущественно мелко- и неглу-бокоподзолистых — в зависимости от типа ТЭС, площади зоны непосредственного воздействия и выбросов оксидов азота представлены в таблице 7.
Результаты анализа по соотношению баланса показателей «антропогенного» азота N из выбросов КОх и суммарного показателя годичного обновления органического азота в наземных экосистемах в зоне непосредственного воздействия ТЭС Дта с высоким показателем индекса азотной нагрузки /¿д представлены на рисунке 2. Для оптимизации уровня высокой азотной нагрузки требуются меры государственного регулирования.
Результаты анализа по соотношению показателей «антропогенного» азота N из выбросов КОх и суммарного показателя годичного обновления
Таблица 7
Экологическая оценка ТЭС по уровню азотной нагрузки на наземные экосистемы
в зоне их воздействия
Станция Мощность, МВт Тип почв ^КБ, 2006) Зона воздействия, га Выбросы N0^ тонн N0^
Группа ТЭС с высоким уровнем азотной нагрузки (/¿д более 1)
Рефтинская ГРЭС 3800 24-3 492,0 66 571,0 3,586 2,191
Омская ТЭЦ-5 735 18-1 148,4 13 968,0 3,723 1,902
Сургутская ГРЭС-2 5657 12-2 186,5 24 199,0 0,795 1,786
Читинская ТЭЦ-1 452 18-5 118,0 3 736,0 1,813 1,463
Ново-Иркутская ТЭЦ 705 20-1 138,7 8 913,0 3,184 1,225
Усть-Илимская ТЭЦ 515 12-2 160,3 3 915,0 3,865 1,079
Группа ТЭС со средним уровнем азотной нагрузки (/¿д от 0,5 до 1)
Автозаводская ТЭЦ 580 1-1 44,8 5 228,0 3,140 0,987
Иркутская ТЭЦ-6 270 24-3 96,2 4 656,0 6,503 0,972
Западно-Сибирская ТЭЦ 600 20-3 121,1 7 961,0 2,768 0,930
Улан-Удэнская ТЭЦ-1 148 30-1 104,7 2 394,0 3,690 0,923
Ново-Свердловская ТЭЦ 557 24-3 93,6 5 301,0 1,835 0,917
Новосибирская ТЭЦ-5 1200 20-1 150,4 14 824,0 2,248 0,907
Костромская ГРЭС 3600 24-3 152,1 15 414,0 1,167 0,879
Барнаульская ТЭЦ-3 445 18-1 168,3 9 372,0 3,697 0,877
Омская ТЭЦ-4 395 18-1 128,6 5 598,0 3,828 0,865
Астраханская ТЭЦ-2 380 7-5 70,0 832,0 0,545 0,818
Группа ТЭС с оптимальным уровнем азотной нагрузки (/¿д менее 0,5)
Волгоградская ГРЭС 72 8-2 56,5 71,0 0,480 0,014
Березниковская ТЭЦ-10 27 12-1 36,8 106,0 4,211 0,011
Курская ТЭЦ (СЗР) 116 20-1 35,7 41,0 0,053 0,010
Адлерская ТЭС 351 27-1 37,9 729,0 0,375 0,008
Джубгинская ТЭС 200 31-2 40,3 177,0 0,280 0,005
Камчатская ТЭЦ-2 163 11-1 53,0 848,0 1,103 0,005
Елабужская ТЭЦ* — 20-1 53,3 18,0 н/д 0,004
Новокузнецкая ГТЭС 297 20-3 39,7 9,0 1,125 0,003
Сочинская ТЭС 158 27-1 32,2 175,0 0,190 0,002
Калужская ТЭЦ 41,8 24-3 30,2 1,0 0,075 0,0002
Рис. 2. Соотношение показателей N(N0) и N-1
Та,
для ТЭС с высоким уровнем азотной нагрузки
Рис. 3. Соотношение показателей и
Та,
для ТЭС со средним уровнем азотной нагрузки
Рис. 4. Соотношение показателей N(N0) и N-¡1, для ТЭС с оптимальным уровнем азотной нагрузки
органического азота в наземных экосистемах в зоне непосредственного воздействия ТЭС N-/1 со средним показателем индекса азотной нагрузки ILN представлены на рисунке 3. Для оптимизации уровня средней азотной нагрузки достаточно принятие локальных управленческих и технологических решений.
Результаты анализа по соотношению показателей «антропогенного» азота N из выбросов N0x и суммарного показателя годичного обновления органического азота в наземных экосистемах в зоне непосредственного воздействия ТЭС N-/1 с оптимальным показателем индекса азотной нагрузки ILN представлены на рисунке 4.
Обсуждение результатов
Исследуемые наземные экосистемы дифференцированы по ассимиляционному потенциалу к поглощению «антропогенного» азота от деятельности объектов ТЭС. Ранжирование объектов ТЭС по ILN позволяет выделить среди них три группы: с высокой, средней и оптимальной нагрузкой на наземные экосистемы, находящиеся в зоне непосредственного воздействия. К группе ТЭС с высокой нагрузкой на локальные наземные экосистемы отнесены объекты со значением ILN — выше 1, к средней I^LN — от 0,5 до 1, к оптимальной — менее 0,5.
Наибольшие значения ILN отмечены у объектов, расположенных в таежных природных зонах Сибирского и Уральского федеральных округов с большой установленной мощностью, а также доминирующим местом угля в топливных балансах. Так, например, в зоне непосредственного воздействия Рефтинской ГРЭС баланс содержания азота в наземных экосистемах нарушен более чем в два раза.
Наибольшие значения показателя годичного обновления органического азота в наземных экосистемах в зоне непосредственного воздействия ТЭС имеют зоны смешанных и лиственных лесов Южного и Центрального федеральный округов, а также луга и пастбища.
Нагрузка от выбросов оксидов азота отдельных ТЭС на наземные экосистемы, находящиеся в зоне их непосредственного воздействия, превышает порог их самовосстановления и нарушает баланс азота в фитоценозах и почвах, что в свою очередь приводит к деградации наземных экосистем и негативным образов влияет на биоразнообразие [26—27]. Однако за счет близлежащих компенсирующих лесных территорий, имеющих высокие показатели продуктивности фитомассы, загрязняющие вещества, образующиеся в результате сжигания топлива ТЭС вовлекаются в биогенный круговорот, и оказываемая на разные виды экосистемы нагрузка может быть частично или полностью локализована.
Выводы
1. Результаты расчета азотного следа тепловых электростанций в соотношении с индексом азотной нагрузки показали четкую дифференциацию
объектов энергетики, относящиеся к разным технологическим группам (ГРЭС, угольные ТЭЦ, газовые ТЭЦ). Наиболее экологически безопасными генерирующими объектами ожидаемо оказались газовые ТЭЦ, индекс азотной нагрузки которых меньше 0,05 — с учетом зоны непосредственного воздействия.
2. Сравнительно-географический анализ удельной азотной нагрузки исследуемых ТЭС показал, что в группе с высоким уровнем азотного следа доминируют крупные электростанции, расположенные в таежной зоне Сибирского и Уральского федеральных округов, значительная часть которых использует уголь в качестве основного вида топлива.
3. Для снижения удельной азотной нагрузки ТЭС на наземные экосистемы в зоне их непосредственного воздействия целесообразно приоритетное использование ТЭС с более современным высокотехнологичным оборудованием и высокими показателями коэффициента установленной мощности, при поэтапном выводе из актив-
ной эксплуатации морально устаревших ТЭС. Это представляется вполне реальной задачей — с учетом планируемого к 2035 году ввода в эксплуатацию ТЭС общей мощностью 84,6 ГВт.
4. Проведенный анализ удельного азотного следа для 260 ТЭС с суммарной установленной электрической мощностью более 145 ГВт и годовой выработкой электроэнергии около 584 млрд кВтч показал хорошие перспективы выполнения обязательств РФ по соблюдению основных положений Конвенции о биологическом разнообразии, заключенной в г. Рио-де-Жанейро 05.06.1992, без снижения темпов энергетического развития страны.
5. По аналогии с ранее проведенной оценкой антропогенного углерода [15] большие по площади лесные зоны РФ позволяют обеспечить необходимую экологическую устойчивость к повышенную поступлению антропогенных оксидов азота наземных экосистем в зоне прямого воздействия большинства наиболее мощных тепло -вых электростанций в России.
Библиографический список
1. Артамонов Г. Е., Васенев И. И., Гутников В. А. Экологическая оценка объектов тепловой энергетики по влиянию на экологические услуги депонирования углерода локальными наземными экосистемами // Проблемы региональной экологии (2019). - № 6. - C. 125-133. doi: 10.24411/1728-323X-2019-18125.
2. Артамонов Г. Е., Гутников В. А. Агроэкосистемы для объектов тепловой энергетики // Достижения науки и техники АПК. - 2018. - Т. 32. - № 8. - С. 26-39.
3. Артамонов Г. Е., Гутников В. А. Моделирование воздействия объектов тепловой энергетики города Москвы на экосистемы // Экология урбанизированных территорий: общественно-научный журнал / учредитель: Изд. дом «Камертон». - 2019. - № 2. - С. 62-68.
4. Артамонов Г. Е., Гутников В. А. Экологические принципы оптимизации воздействия объектов энергетики на экосистемы // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. - 2018. - № 2 (22). - С. 16-26.
5. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2020 году. Государственный доклад. - М.: Минприроды России; МГУ имени М. В. Ломоносова, 2021. - 864 с.
6. «Парижское соглашение» (заключено в г. Париже 12.12.2015) / Бюллетень международных договоров. - 2020. -№ 4.
7. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах / [А. С. Комаров и др.]; [отв. ред. В. Н. Ку-деяров]; Российская акад. наук, Ин-т физ.-хим. и биологических проблем почвоведения. - М.: Наука, 2007. - 379 с. ISBN 5-02-034053-7.
8. Указ Президента РФ от 08.11.2021 № 633 «Об утверждении Основ государственной политики в сфере стратегического планирования в Российской Федерации / «Собрание законодательства РФ», 15.11.2021, № 46, ст. 7676.
9. Vasenev I. I., Vasenev V. I., Valentini R. (2014) Agroecological issues of soil carbon pools and GHG fluxes analysis in frame of regional ecological monitoring system RusFluxNet. J Agroecology 1: 8-12.
10. Morel J. L., Chenu C., Lorenz K. (2015) Ecosystem services provided by soils in urban, industrial, traffic, mining and military areas (SUITMAs). J. Soil Sedim. 15: 1659-1666. doi: 10.1007/s11368-014-0926-0.
11. Raymond C. M., Frantzeskaki N., Kabisch N., Berry P., Breil M., mNita M. R., Geneletti D., Calfapietra C. (2017) A framework for assessing and implementing the co-benefits of nature-based sulutions in urban areas. Environ SciPlicy 77: 15-24.
12. Vasenev V. I., Van Oudenhoven A. P. E., Romzaikina O. N., Hajiaghaeva R. A. The Ecological Functions and Ecosystem Services of Urban and Technogenic Soils: from Theory to Practice (A Review) (2018) J. Eurasian Soil Science 51 (10): 1119-1132. doi: 10.1134/S1064229318100137.
13. Гришина Л. А., Орлов Д. С. Система показателей гумусного состояния почв // Проблемы почвоведения. - М.: Наука, 1978. - С. 42-47.
14. Marklund L. G. Biomassafunktioner for tall, gran och Bjork I Sverige. Summary: Biomass functions for pine, spruce and birch in Sweden // Swed. Univ. Ags. Sci. Dep. Forest Surv. Rep. 1988. N 45. P. 73. In Swed. With Engl. Summary.
15. Baldasso, M., Birigazzi L., Trotta, C. & Henry, M., 2012. Tutorial for tree allometric equation database development. pag 27.
16. Zianis D., Muukkonen P., Makipaa R. & Mencuccini M., 2005. Biomass and stem volume equations for tree species in Europe. Silva Fennica Monographs 4. 63 p.
17. Mart-Jan Schelhaas, Geerten M Hengeveld, Nanny Heidema, Esther Thurig, Brigitte Rohner, Giorgio Vacchiano, Jordi Vay-reda, John Redmond, Jaroslaw Socha, Jonas Fridman, Stein Tomter, Heino Polley, Susana Barreiro and Gert-Jan Nabuurs*.
Species-specific, pan-European diameter increment models based on data of 2.3 million trees. Schelhaas et al. Forest Ecosystems (2018) 5: 21. URL: https://doi.org/10.1186/s40663-018-0133-3.
18. Ландшафтная карта СССР / Под ред. И. С. Гудилина. Масштаб 1:2 500 000. — М.: Министерство геологии СССР, Гидроспецгеология.
19. Почвенная карта РСФСР / Под ред. В. М. Фридланда. Масштаб 1:2 500 000. — М.: ГУГК, 1988.
20. Национальный атлас почв Российской Федерации / Под редакцией С. А. Шобы. — М.: Астрель: АСТ, 2011. — 632 с.
21. Артамонов Г. Е., Васенев И. И., Гутников В. А. Экологическая оценка по критериям «Зеленых проектов» для объектов тепловой энергетики Российской Федерации // Проблемы региональной экологии. — 2022. — № 1. — C. 74—83.
22. Моисеев Б. Н., Алябина И. О. Оценка и картографирование составляющих углеродного и азотного балансов в основных биомах России // Известия РАН. Серия географическая. — 2007. — № 5. — С. 1—12.
23. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 25.09.2007 № 74 «О введении в действие новой редакции санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200—03 «Санитарно-защит-ные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» / «Российская газета», № 28, 09.02.2008.
24. Фокин А. Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле / А. Д. Фокин; отв. ред. И. С. Кауричев; АН СССР. — М.: Наука, 1986. — 175 с.
25. Возраст и эволюция черноземов / Н. Я. Марголина, А. Л. Александровский, Б. А. Ильичев и др.; отв. ред. В. О. Тар-гульян; АН СССР, Ин-т географии. — М.: Наука, 1988. — 142 с.
26. Environmental Assessment of Thermal Energy Facilities Impact on Ecosystem Services for the Production of Oxygen in Urban Settlements. Artamonov G. E., Vasenev I. I., Gutnikov V. A., Erofeeva V. V. Springer Geography. — 2021. — P. 272—282.
27. Artamonov G. E., Erofeeva V. V., Yablochnikov S. L., Gutnikov V. A. Modeling the environmental situation in a smart city. 2020 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology, EMCTECH 2020 — Proceedings. 2020. С. 9261566.
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF THE THERMAL POWER PLANTS NITROGEN FOOTPRINT IN THE RUSSIAN FEDERATION
G. E. Artamonov, Specialist of the Digital transformation department of the Federal Service for Veterinary and Phytosanitary Surveillance,
V. A. Gutnikov, Ph. D. (Engineering), Deputy director of "TSNIIP of the Ministry of Construction of Russia",
I. I. Vasenev, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Head of Ecology Department, Timiryazev Russian State Agrarian University
References
1. Artamonov G. E., Vasenev I. I., Gutnikov V. A. E'kologicheskaya ocenka ob''ektov teplovoj e'nergetiki po vliyaniyu na e'kologicheskie uslugi deponirovaniya ugleroda lokal'ny'mi nazemny'mi e'kosistemami [Ecological assessment of thermal energy facilities on the impact on environmental services of carbon deposition by local terrestrial ecosystems] Problemy' re-gional'noj e'kologii. 2019. No. 6. P. 125-133. doi: 10.24411/1728-323X-2019-18125 [in Russian].
2. Artamonov G. E., Gutnikov V. A. Agroe'kosistemy' dlya ob''ektov teplovoj e'nergetiki [Agroecosystems for thermal power facilities]. Dostizheniya nauki i texniki APK. 2018. Vol. 32. No. 8. P. 26—39 [in Russian].
3. Artamonov G. E., Gutnikov V. A. Modelirovanie vozdejstviya ob''ektov teplovoj e'nergetiki goroda Moskvy' na e'kosistemy' [Modeling of the thermal power facilities impact in Moscow on ecosystems]. E'kologiya urbanizirovannyX territorij: obshhest-venno-nauchnyj zhurnal/ uchreditel': Izd. dom "Kamerton". 2019. No. 2. P. 62—68 [in Russian].
4. Artamonov G. E., Gutnikov V. A. E'kologicheskie principy' optimizacii vozdejstviya ob''ektov e'nergetiki na e'kosistemy' [Ecological principles of optimizing the impact of energy facilities on ecosystems]. Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, texnologii. 2018. No. 2 (22). P. 16—26 [in Russian].
5. O sostoyanii i ob oxrane okruzhayushhej sredy' Rossijskoj Federacii v 2020 godu. Gosudarstvenny'j doklad [State report of environmental protection in the Russian Federation in 2020]. Moscow, Minprirody' Rossii; MGU imeni M. V. Lomonosova, 2021. 864 p.
6. "Parizhskoe soglashenie" (Zaklyucheno v g. Parizhe 12.12.2015) [The Paris Agreement]. Byulleten' mezhdunarodnyX dogov-orov. 2020. No. 4 [in Russian].
7. Modelirovanie dinamiki organicheskogo veshhestva v lesny'x e'kosistemax [Modeling of organic matter dynamics in forest ecosystems] / [A. S. Komarov et al.]; [otv. red. V. N. Kudeyarov] Rossijskaya akad. nauk, In-t fiz.-xim. i biologicheskix problem pochvovedeniya. Moscow, Nauka. 2007. 379 p. ISBN 5-02-034053-7 [in Russian].
8. Ukaz Prezidenta RF ot 08.11.2021 № 633 "Ob utverzhdenii Osnov gosudarstvennoj politiki v sfere strategicheskogo planirov-aniya v Rossijskoj Federacii" / "Sobranie zakonodatel'stva RF" [Decree of the President of the Russian Federation No. 633 dated 08.11.2021 "On Approval of the Fundamentals of State Policy in the Field of Strategic Planning in the Russian Federation], 15.11.2021, № 46, st. 7676" [in Russian].
9. Vasenev I. I., Vasenev V. I., Valentini R. (2014) Agroecological issues of soil carbon pools and GHG fluxes analysis in frame of regional ecological monitoring system RusFluxNet. JAgroecology. No. 1. P. 8—12.
10. Morel J. L., Chenu C., Lorenz K. (2015) Ecosystem services provided by soils in urban, industrial, traffic, mining and military areas (SUITMAs). J. Soil Sedim. No. 15. P. 1659—1666. doi: 10.1007/s11368-014-0926-0.
11. Raymond C. M., Frantzeskaki N., Kabisch N., Berry P., Breil M., mNita M. R., Geneletti D., Calfapietra C. (2017) A framework for assessing and implementing the co-benefits of nature-based sulutions in urban areas. Environ SciPlicy. No. 77. P. 15-24.
12. Vasenev V. I., Van Oudenhoven A. P. E., Romzaikina O. N., Khajiaghaeva R. A. The Ecological Functions and Ecosystem Services of Urban and Technogenic Soils: from Theory to Practice (A Review). 2018. J. Eurasian Soil Science. No. 51 (10). P. 1119-1132. doi: 10.1134/S1064229318100137.
13. Grishina L. A., Orlov D. S. Sistema pokazatelej gumusnogo sostoyaniya pochv [The system of indicators of the humus state of soils]. Problemy'pochvovedeniya. Moscow, Nauka. 1978. P. 42—47 [in Russian].
14. Marklund L. G. Biomassafunktioner for tall, gran och Bjork I Sverige. Summary: Biomass functions for pine, spruce and birch in Sweden. Swed. Univ. Ags. Sci. Dep. Forest Surv. Rep. 1988. No. 45. P. 73. [In Swedish with Engl. Summary].
15. Baldasso, M., Birigazzi L., Trotta C. & Henry M. 2012. Tutorial for tree allometric equation database development. P. 27.
16. Zianis, D., Muukkonen, P., Makipaa, R. & Mencuccini, M., 2005. Biomass and stem volume equations for tree species in Europe. Silva Fennica Monographs. No. 4. 63 p.
17. Mart-Jan Schelhaas, Geerten M. Hengeveld, Nanny Heidema, Esther Thurig, Brigitte Rohner, Giorgio Vacchiano, Jordi Vay-reda, John Redmond, Jaroslaw Socha, Jonas Fridman, Stein Tomter, Heino Polley, Susana Barreiro and Gert-Jan Nabuurs*. Species-specific, pan-European diameter increment models based on data of 2.3 million trees. Schelhaas et al. Forest Ecosystems. 2018. No. 5. P. 21. URL: https://doi.org/10.1186/s40663-018-0133-3.
18. Landshaftnaya karta SSSR / Pod red. I. S. Gudilina. Masshtab 1:2 500 000 [Landscape map of the USSR]. Moscow, Min-isterstvo geologii SSSR, Gidrospeczgeologiya [in Russian].
19. Pochvennaya karta RSFSR / Pod red. V. M. Fridlanda. Masshtab 1:2 500 000 [Soil map of the RSFSR]. Moscow, GUGK, 1988 [in Russian].
20. Nacional'ny'j atlas pochv Rossijskoj Federacii [National Atlas of soils of the Russian Federation]. pod redakciej S. A. Shoby'. Moscow, Astrel': AST, 2011. 632 p. [in Russian].
21. Artamonov G. E., Vasenyov I. I., Gutnikov V. A. E'kologicheskaya ocenka po kriteriyam "Zeleny'x proektov" dlya ob'ektov teplovoj e'nergetiki Rossijskoj Federacii [Environmental assessment according to the criteria of "Green projects" for thermal power facilities of the Russian Federation]. Problemy' regionalnoj e'kologii. 2022. No. 1. P. 74—83 [in Russian].
22. Moiseev B. N., Alyabina I. O. Ocenka i kartografirovanie sostavlyayushhix uglerodnogo i azotnogo balansov v osnovny'x biomax Rossii [Assessment and mapping of carbon and nitrogen balance components in the main biomes of Russia]. Izvestiya RAN. Seriya geograficheskaya. 2007. No. 5. P. 1—12 [in Russian].
23. Postanovlenie Glavnogo gosudarstvennogo sanitarnogo vracha RF ot 25.09.2007 № 74 "O vvedenii v dejstvie novoj redakcii sanitarno-e'pidemiologicheskix pravil i normativov SanPiN 2.2.1/2.1.1.1200—03 "Sanitarno-zashhitny'e zony' i sanitarnaya klassifikaciya predpriyatij, sooruzhenij i iny'x ob'ektov" [Resolution of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation No. 74 dated 25.09.2007]. "Rossijskaya gazeta". No. 28, 09.02.2008 [in Russian].
24. Fokin A. D. Pochva, biosfera i zhizn' na Zemle [Soil, biosphere and life on Earth] A. D. Fokin; Otv. red. I. S. Kaurichev; AN SSSR. Moscow, Nauka, 1986. 175 p. [in Russian].
25. Vozrast i e'volyuciya chernozemov [Age and evolution of chernozems] / N. Ya. Margolina, A. L. Aleksandrovskiy, B. A. Il'ichev et al.; Otv. red. V. O. Targul'yan; AN SSSR, In-t geografii. Moscow, Nauka, 1988. 142 p. [in Russian].
26. Environmental Assessment of Thermal Energy Facilities Impact on Ecosystem Services for the Production of Oxygen in Urban Settlements. Artamonov G. E., Vasenev I. I., Gutnikov V. A., Erofeeva V. V. Springer Geography. 2021. P. 272—282.
27. Modeling the environmental situation in a smart city. Artamonov G. E., Erofeeva V. V., Yablochnikov S. L., Gutnikov V. A. 2020 International Conference on Engineering Management of Communication and Technology, EMCTECH 2020 — Proceedings. 2020. P. 9261566.
