CC BY
132
Серiя: Техшчш науки
ТЕХНОГЕННА БЕЗПЕКА
УДК 628.55
Волошин В. С.1, Данилова Т. Г. 2, Елистратова Н. Ю.3
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКОСИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННО РАЗВИТОГО ГОРОДА
Рассмотрен теоретический подход к прогнозированию уровня экологической безопасности территории с помощью балансовой модели экосистемы города. Предложена рабочая методика расчета показателей экологического риска, техноемко-сти и техногенной нагрузки на экосистему города.
Ключевые слова: экологическая безопасность, экосистема города, экологическая емкость, техногенная нагрузка, экосистема территории.
Волошин В. С., Данилова Т. Г., Слктратова Н. Ю. Методика оцшки та моде-лювання екологiчноi безпеки екосистем промислово - розвинутого м^та. Роз-глянуто теоретичний тдх1д до прогнозування р1вня еколог1чног безпеки територИ' за допомогою балансовог модел1 екосистеми м1ста. Запропонована методика роз-рахунку показниюв еколог1чного ризику, техноемност1 та техногенного наванта-ження екосистем мгста.
Ключовi слова: еколог1чна безпека, екосистема м1ста, еколог1чна емтсть, техно-генне навантаження.
V. S. Voloshin, T. G. Danilova, N. Y. Elistratova. Method of describes of model of city "s ekosystem the industrially developed city "s. The article describes a theoretical approach to prognostication of the level of ecological safety of an area, by means of a balance model of city's ecosystem. Operating methods of evaluation of the level of environmental danger were proposed, as well as tehnogene capacity and technogene loads upon city's ecological system.
Keywords: ecological safety, city's ecosystem, technogene capacity, technogene area's load.
Постановка проблемы. Реализация стратегии экоразвития и обеспечение экологической безопасности промышленно ориентированных городов выдвигает дополнительные требования к нормативно-исследовательскому прогнозированию экологического состояний окружающей природной среды. Условием выполнения этих требований, является анализ уровней антропогенного и техногенного воздействия, критических (пороговых) режимов функционирования урбоэкосистем, возможности выполнения существующих нормативных требований к качеству природой среды. В связи с этим, существует актуальная потребность в разработке специальных методик количественной оценки экологической безопасности территорий, определения показателей техногенной и антропогенной нагрузки, нормативов экологической емкости и техноемко-сти экосистем города.
Анализ последних исследований и публикаций. Научно-практические аспекты нормативного прогнозирования исследованы во многих научных работах известных отечественных и зарубежных ученых. Весомый вклад в исследование природоохранной деятельности внесли Л.Г. Мельник, Л.К. Пиния, Е.Н. Богачев, Б.И. Скурыдин, В.В. Тарасова, С.А. Кузнецов и др.
Цель статьи - разработать методику определения уровня экологической емкости с помощью балансовой модели продуцирования и утилизации загрязнений природной среды и уровня безопасности экосистемы промышленно развитого города.
Изложение основного материала. Оценка уровня экологической безопасности состоит в определении соотношения техноемкости территории и техногенного загрязнения, наносимого
1 д-р техн. наук, проффессор, Приазовский технический государственный университет, г. Мариуполь
2 канд. техн. наук, доцент, Приазовський технический государственный университет, г. Мариуполь
3 ст. преподаватель, Приазовский технический государственный университет г. Мариуполь
природной среде промышленными объектами, расчета коэффициента опасности экосистемы. Одним из способов такой оценки, является создание балансовой модели «Потребление - Воспроизводство» вещества и энергии, позволяющей определение величины воздействия на экосистему и прогнозирование граничных условий ее устойчивости. В соответствии с этим, методика определения техноемкости территории города (разработана Т.А. Акимовой и В.В. Хаскиным [1]), сводится к расчету основных продукцийных функций экосистемы и естественного уровня колебаний ее экологически значимых параметров. Превышение этого уровня происходит вследствие техногенных воздействий в достигшей предела устойчивости экосистеме города, и может привести к ее деградации. Принимая данный подход в качестве базового и учитывая то, что величина экологической техноемкости (Т;) составляет часть общей экологической емкости территории города (Е;), определим ее по следующему алгоритму:
1. Экологическая техноемкость экосистемы города, усл. т/год:
Т = ¿Е • X, (1)
П=1
где Т - экологическая техноемкость урбоэкосистемы, усл.т/год;
Е; - экологическая емкость атмосферы, гидросферы, литосферы (1=1,2,3) усл.т/год;
Х; - коэффициент вариации для естественных колебаний содержания основной субстанции в среде, ед.
При расчете экологической емкости среды экосистемы города в базовой методике [1] используются эмпирические величины экологически значимых параметров в каждой среде. Авторы методики не обосновали значения данных параметров. С целью устранения неточности в расчетах экологической емкости среды предложено усовершенствование методики, введение дополнительных расчетов данных параметров.
2. Экологическая емкость атмосферного воздуха рассчитывается по объему воспроизводства кислорода атмосферы, как основного параметра интенсификации биотических процессов естественного разложения загрязнений и определяется по формуле:
Е = V ■ С! • Е, (2)
где VI =ST ^ - экстенсивный параметр, определяемый размером территории города, где ^ = 0,05 - приведенная высота слоя воздуха, подвергающегося техногенному загрязнению, для городской застройки, с учетом высоты зданий и холмистого рельефа;
Fl- скорость кратного обновления массы кислорода в атмосфере, год-1.
С - содержание кислорода в атмосферном воздухе, т/км3;
Общее воспроизводство кислорода рассчитывается как сумма воспроизводства в разрезе биогеноценозов экосистемы города по методике В.В. Владимирова [3].
^=^бпгц-гп, (3)
п=1
где Sn - площадь п-го биоциноза на территории, км2;
Yn - ежегодное производство кислорода п-м растительным сообществом, т/км2.
3. Расчет экологической емкости гидросферы (1=2) и литосферы (1=3) определяется согласно формуле:
Е = V • С, • Е . (4)
Здесь VI - экстенсивный параметр, определяемый размером экосистемы: объемом поверхностных водотоков, км3, площади биогеоценозов, км2; Fi - скорость кратного обновления обьема воды и биомассы соответственно, год-1; С - содержание или концентрация главных экологически значимых субстанций в водной среде или литосфере, т/км2 или т/км3.
Для водных объектов ^2) рассчитывается как среднегодовой расход воды в створе рек, входящих в территорию города в тыс. км3. Для земной поверхности (У3) равен общей территории города, тыс. км2.
Для водной среды (на надорганизменном уровне), параметр (С2), оценивается из баланса продукцийно-деструкцийных процессов характеризующихся изменением рН, приведенным к нормальному 100% насыщению воды кислородом - рН100%, зависящим (для биогенных факторов) от концентраций миниральных форм азота и фосфора и других химических соединений
[2]. Для литосферы (С3) - плотность поверхностного распределения сухого вещества биомассы на территории города (принята с учетом коэффициента удельного озеленения территории.
Оценка техногенного воздействия на экосистему города (и!) определяется по каждой выбранной среде загрязнения: атмосфера, гидросфера, литосфера (1=1,2,3).
4. Техногенное воздействие на атмосферу определяется по фактическому потреблению кислорода, используемому на нейтрализацию выбросов от стационарных и передвижных источников загрязнения.
Исходными данными для расчета служит анализ форм 2-ТП (воздух), 2-ТП (водгосп), № 1 - (опасные отходы) городского Управления статистики.
От передвижных источников городского автотранспорта, загрязнения опрелеляются по рассчитанным путем, по полям средних и максимальных концентраций вредных веществ в отработавших газах с учетом коэффициента рассеяния в приземных тепловых потоках [4].
Определяются суммарные годовые объемы поступления в атмосферу загрязняющих веществ Wn(1), связывающие кислород. Наиболее распространенными из них являются - оксиды углерода (¡=1), азота (¡=2), сернистый ангидрид (¡=3).
Годовой объем потребления кислорода на производственно-хозяйственные цели рассчитывается по формуле:
и1 ■ 1а ■ X
-1 (5)
где и1 - годовое количество потребления кислорода на промышленно-хозяйственные цели по основным загрязнителям (предприятиям и транспорту), усл.тыс т; ^¡ф- годовое потребление кислорода каждым предприятием п-ой отрасли промышленности по ¡-му веществу, усл. тыс.т;
Хф - коэффициент перевода в условные объемы потребляемого кислорода, в зависимости от молярных масс. Для окиси углерода 0.571, окиси азота 0,696, сернистого ангедрида 0.5 [2].
1заф - индивидуальный индекс загрязнения для ¡-го вещества в воздушной среде.
Авторами предложено при определении годовых уровней (Wn(1)) загрязнения от п-го источника для промышленных (газообразных, жидких, твердых), а также бытовых отходов учитывать их комплексные индексы загрязнений. Для атмосферы рассчитывается ( 1за) - относительная опасность примесей, и их токсичность:
I =У
за / 1
1=1
( с ^
V ПДК-1 J
(6)
где ПДКсс. Ш- предельно допустимая среднесуточная концентрация вещества, мг/м ; С Ш - средняя концентрация j -го вещества в данной среде, мг/м3;
aJ - коэффициент приведения степени вредности вещества к степени вредности диоксида серы, зависящая от класса опасности загрязняющего вещества [3].
5. Техногенное воздействие на поверхностные водоемы характеризуется объемом воды необходимым для разбавления вредных веществ (рассматриваются, как жидкие отходы) загрязненных стоков до их ПДК, в водоемах рыбохозяйственного значения, а также объемом безвозвратного водопотребления. Суммарный годовой объем воды необходимый для «компенсации» загрязнений:
и2=Уп 12 Ш +Vб . (7)
Здесь и2 - уровень загрязнения поверхностных водоемов урбоэкосистемы, выраженный в усл.т./год чистой воды потребной для разбавления стоков; Уп- объем загрязненного стока п-го предприятия, тыс. м3; 12 (¡) - индивидуальный индекс загрязнения для ¡-го вещества максимально опасного загрязнителя в стоке. ( ПДК загрязнителя в водоеме рыбохозяйственного назначения), мг/л; У б- объем безвозвратного водопотребления, тыс. м3 .
6. Техногенная нагрузка на литосферу (и3) рассчитывается на основе определения степени истощения земельного фонда, т.е снижения биопродуктивности экосистемы за счет изъятия территории. Определяется суммарная площадь земли, где биопродуктивность нарушена в результате хозяйственной деятельности и имеет суммарный показатель загрязнения грунтов 2С = 32-128 и более (категория загрязнения опасная и очень опасная для населения), террито-
рий предприятий для складирования токсичных отходов, площадей с загрязнением грунта в жилых районах (мест накопления бытовых отходов) [2]
U3 =jSm • Z., (8)
j=i
где S т -площадь территории города с нарушением или отсутствием биоценоза, км2; ZCj -показатель суммарного химического загрязнения грунтов, определяется как:
Zj = [jKC] V( п -1), (9)
V j=1 У
где KCj - коэффициент концентрации элемента, КС1=С/ ПДКJ; „- число химических элементов с КС>1.
7. При расчете уровня экологической безопасности территории проводится соизмерение техногенной нагрузки на территорию (Ul) и ее экологической техноемкости (Т1). Коэффициентом опасности (Эоп) определяется по каждой выделенной среде загрязнения:
Я„ = U (10)
По представленной методике выполнен расчет на примере г. Мариуполя. Экологическая техноемкость для трех контролируемых сред - атмосфере, водным объектам и почве составила соответственно: Т1=1414*10^3*10-6 = 4242,6*103 усл.т/год; Т2 = 2.7* 109-4.0* 10-5 = 109,2x103 усл.т/год; Т3=198,6х103 -0,05 = 9900 усл.т/год.
Техногенное воздействие по каждой выделенной среде: U =1602,5*103 усл.т/год; U2 = 4205,8*104 усл.т/год; U 3 = 4059 усл.т/год.
Показатель коэффициента опасности по (10): Ki= 0,4; К2= 116; К3=2,41 Для случая сводной оценки уровня безопасности всей территории города вычисляется интегральный коэффициент экологической опасности, как сумма средовых коэффициентов опасности с учетом доли, определяющей ценность каждой экосистемы. По полученному значению проводят ранжирование состояния экосистемы [3].
Интегральный коэффициент экологической опасности для природной среды г. Мариуполя составил: Коп= 0.4*0,31+ 116*0,33+2,41*0,38=39,3
Полученные расчетные значения по водной среде и почве значительно превышают экологическую техноемкость экосистемы города и соответствуют состоянию «экологического кри-зиса»[2], что необходимо учитывать при составлении региональных и городских экологических программ и проектов в области охраны природы и природопользования.
Выводы
Представленная методика определения уровня экологической емкости, расчетных нормативов техноемкости и техногенной нагрузки с помощью балансовой модели продуцирования и утилизации загрязнений природной среды, позволяет производить оперативный анализ экологической безопасности экосистемы города как единой техно-социо-природной системы.
Список использованных источников:
1. Акимова Т.А. Экология природа-человек-техника. / Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В.Хаскин / Под ред. А.П. Кузьмина.- М.: ЮНИТИ, 2001.- 318 с.
2. Тарасова В.В. Еколопчна стандартизащя i нормування антропогенного навантаження на природне середовище / Тарасова В.В., Малиновский А..С., Рыбак М.Ф. / заг. ред. В.В. Тара-сово!. Навч. пособник.- К.: Центр учбово! лггератури, 2007. - 276 с.
3. Владимиров В.В.и др. / Руководство по охране окружающей среды в районной планеровке. / Владимиров В.В.и др.-М.:Стройиздат, 1986 -160 с.
4. Волошин В.С. Характер рассеяния атмосферных загрязнений в районе магистральных перекрестков урбосистем/ Волошин В.С., Елистратова Н.Ю. //Проблеми охорони навколишнього природного середовища та еколопчно! безпеки: Сб.науч.тр./ УкрНИИЭП. -Харьков,2010. -Вип.№ 3. - С. 120-123.
Рецензент: Маслов В.А.
д-р техн. наук, проф., ПГТУ. Статья поступила 16.04.2010
