CC BY
48
© Т.В. Максимова, Д.С. Петров, В.Ф. Шуйский, Н.В. Львутина, Е.Г. Нестеренко, 2004
(1) (2) (3) (4)
Значения Соответствующее Определяемый Ущерб, оценка
внешних изменение этим которого
факторов -> значений -> экологический -► переведена из
характеристик ущерб в натурального
среды натуральном выражения в
выражении стоимостное
УДК 330.15
Т.В. Максимова, Д.С. Петров, В.Ф. Шуйский,
Н.В. Львутина, Е.Г. Нестеренко
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА ТЕХНОГЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА
Семинар № 7
~П последнее время оценка техногенных ЖУ воздействий на окружающую среду и их ожидаемых последствий все чаще основывается на результатах анализа технического и экологического риска. Однако подавляющее большинство действующих нормативнометодических документов предписывает оценку воздействия на окружающую среду и соответствующего эколого-экономического ущерба без риск-анализа. Обычно в этих расчетах не учитывается вероятностное распределение значений используемых переменных, а берутся их усредненные значения, которые соподчиняются по схеме:
Все эти показатели выражаются единственными значениями, которые, по-видимому, трактуются как наиболее вероятные и последовательно рассчитываются в указанном порядке (1^4) по уравнениям соответствующих функций. Однако на самом деле взаимосвязанные природные явления, в отличие от абстрактных математических переменных, отнюдь не детерминируют друг друга. Показатели связаны между собой не жесткими (функциональными), а вероятностными (корреляционными) зависимостями. Вероятностный характер имеют не только значения всех учитываемых переменных, но и способ их связи. Все это значительно обесценивает стандартные, упрощенные схемы
оценки эколого-экономи-ческого ущерба и определяет необходимость перехода к его определению на базе детального анализа экологического риска.
Методология и методы анализа риска лучше всего разработаны для тех областей деятельности человека, в которых ошибки ведут к наиболее очевидным, скорым и дорогостоящим последствиям (финансовые инвестиции, терапия опасных заболеваний, управление потенциально-аварийными технологическими процессами, и т.п.). Часто разработки в области анализа и управления риском аварийности промышленных объектов автоматически переносятся и на анализ экологического риска. Однако риск-анализ аварийности имеет слишком характерную специфику. Так, нормальное, безаварийное функционирование объекта часто считается вообще лишенным каких-либо негативных последствий. Учитываемые опасные события в основном дискретны, нормальные и патологические ситуации четко дифференцируются (например, "отказ оборудования" - "отсутствие отказа"). Поэтому рекомендуемые схемы анализа технического риска обычно предусматривают построения так называемых "деревьев" - ветвящихся графов. Точки их разветвления обозначают возможные альтернативные, взаимоисключающие события, а пути
от инициирующего события до окончания каждой "ветви" - самостоятельные сценарии, то есть серии потенциальных событий и их возможных последствий. Каждый из альтернативных вариантов каждого возможного события характеризуется определенной вероятностью. Соответственно, вероятность полной реализации каждого независимого сценария рассчитывается мультипликативно, как произведение вероятностей каждого из событий в их последовательной цепи.
Для аппроксимации ранжированных вариационных рядов значений ожидаемого ущерба обычно используются или различные распределения дискретных типов, или непрерывное распределение Парето. Согласно этому типу распределения, чем больше величина возможного ущерба от опасного события, тем она менее вероятна, причем эта обратная зависимость имеет экспоненциальный характер. Соответственно, наиболее вероятным считается отсутствие каких-либо опасных событий и полное отсутствие ущерба.
При анализе экологического риска, связанного с индустриальной деятельностью человека принципы и методы риск-анализа должны быть иными. Здесь явно несостоятельна "нулевая гипотеза" полного отсутствия воздействия промышленного объекта на окружающую среду и наносимого ей ущерба. Реальный объект и в штатном режиме функционирования постоянно оказывает на окружающую среду непрерывное, более или менее интенсивное воздействие, которое не может анализироваться с применением дискретных типов распределения или аппроксимироваться распределением Парето.
Нами проанализированы многие примеры формирования технического и обусловленного им экологического риска (гидростроительство, функционирование предприятий горной и целлюлозно-бумажной промышленности, электростанций, сооружение и эксплуатация магистральных газопроводов и другие ситуации техногенного воздействия на окружающую среду) [1-7]. При этом аппроксимация гистограмм значений различных характеристик, используемых при анализе экологического и технического риска, осуществлялась с использованием следующих типов непрерывных распределений:
1) нормальное распределение;
2) распределение Максвелла;
3) логарифмически-нормальное ("логнормальное") распределение;
4) показательное распределение;
5) распределение Парето.
Указанные типы распределений перечислены в порядке нарастания их асимметрии. Как известно, нормальное распределение "куполообразно" и симметрично. "Куполообразные" распределения Максвелла и логнормальное -предполагают, соответственно, умеренную или ярко выраженную асимметрию. Распределения показательное и Парето описывается односкатными кривыми - относительно пологой и весьма вогнутой, соответственно. Тестирование указанных конкурентных методов аппроксимации эмпирических распределений осуществлялось с использованием двух критериев: объясненной доли общей дисперсии изучаемого признака (ДО, %) и критерия Колмогорова (кК).
Нормальное распределение и распределение Максвелла давали приемлемое описание гистограмм довольно редко - в основном, для некоторых исходных факторов или инициирующих событий. В дальнейшей цепи событий асимметрия распределений существенно и закономерно возрастала. Логнормальное распределение оказалось наиболее универсальным. Однако в некоторых ситуациях, особенно при анализе аварийности технических сооружений, логнормальное распределение иногда уступало еще более асимметричным распределениям -показательному и даже Парето. Однако для большинства характеристик, используемых при анализе техногенного экологического риска, наиболее корректное описание гистограмм давало все же логнормальное распределение. Именно оно наилучшим образом соответствует ситуациям более или менее постоянного умеренного воздействия, при определенных условиях резко возрастающего или, реже, уменьшающегося.
Пограничные ситуации с одинаковой, приемлемой точностью описывались смежными типами распределений. Следовательно, пяти указанных базовых типов распределения вполне достаточно для сравнительного анализа гистограмм при проведении риск-анализа применительно к техногенным воздействиям на окружающую среду.
Методы учета и количественного выражения причинно-следственных связей, формирующих экологический риск и ущерб, также не могут быть просто заимствованы из теории
анализа опасных событий. Техногенные воздействия на окружающую среду, идущие непрерывно, но с переменной интенсивностью, не могут содержательно отображаться путем построения простых графов - "деревьев" независимых альтернативных сценариев развития опасных событий. При изучении техногенного воздействия на реципиенты окружающей среды необходим тщательный последовательный анализ гистограмм непрерывного распределения для каждого из каузально упорядоченных событий. Это требует изучения и достаточно точной аппроксимации корреляционной зависимости между последовательными событиями. Располагая такими сведениями, можно строить и анализировать "деревья" событий, количественно выражающих связь между средними значениями всех выделенных классов гистограммы значений предыдущего фактора и соответствующими им модами гистограмм значений последующего фактора.
С этой целью нами разработана программа для прогноза и аппроксимации ожидаемого распределения теоретических частот событий, завершающих альтернативные многозвенные сценарии техногенного воздействия на компоненты окружающей среды. При ее использовании выяснилось, что упомянутое возрастание асимметрии распределения значений каузально упорядоченных переменных действительно имеет закономерный характер. Обычно достоверное отклонение распределения эмпирических частот от моделей Гаусса и Максвелла прогнозируется моделью и происходит практически уже в событиях третьего или четвертого порядка. При этом степень конечной асимметрии распределения зависит от длины цепи взаимообусловленных событий, формирующих экологический риск и определяемый им экологоэкономический ущерб. Однако нри этом даже в длинных цепях событий асимметрия распределений обычно остается в пределах, соответствующих логнормальному типу. Распределение показательное и, тем более, распределение Парето оказываются адекватными распределениям эмпирических частот характеристик эколо-го-экономичес-кого техногенного ущерба довольно редко. Таким образом, вопреки сложившейся традиции, указанные типы распределения ни в коем случае не должны использоваться при анализе экологического риска a priori, без предварительной проверки, подтверждающей их состоятельность в каждом конкретном случае. Таким образом:
1) Традиционная методология и методы анализа риска опасных событий не соответствуют особенностям анализа техногенного эко-лого-экономического риска, обусловленного сооружением и эксплуатацией промышленных объектов, и не должны применяться в этих целях.
2) Для анализа эколого-экономического риска, обусловленного сооружением и эксплуатацией промышленного объекта, может использоваться оригинальная много-сценарная модель, учитывающая вероятностный характер зависимости всех последовательных событий в каждом их возможном сценарии.
3) При верификации модели для ситуации конкретного воздействия желательно определять для каждого из событий наиболее адекватный тип аппроксимирующего распределения эмпирически, путем тестирования гистограмм по величине доли объясненной дисперсии признака или по критерию Колмогорова. В случае невозможности такого тестирования для какого-либо из событий, допустимо использовать в расчетах логнормальное распределение, как наиболее вероятное.
Анализ эколого-экономического риска, обусловленного сооружением и эксплуатацией производственных объектов, осуществляется по следующей схеме.
1) Определяются необходимые исходные императивные характеристики компонентов окружающей среды, подвергающихся техногенному воздействию.
2) Для территории (акватории), потенциально подверженной воздействию объекта, оценивается распределение фонового уровня экологического риска.
3) Выявляются и изучаются все прямые и косвенные пути возможного воздействия объекта на компоненты окружающей среды при его строительстве и эксплуатации. Для этого производится картирование техничес-кого риска.
4) Моделируется дерево всех ожидаемых экологически опасных событий, связанных с сооружением и эксплуатацией объекта, с учетом их вероятности (Р) и магнитуды последствий для каждого компонента окружающей среды (и, величины эколого-экономического ущерба, ожидаемого для данного компонента при реализации сценария).
При построении дерева ожидаемых экологически опасных событий прогнозируются не только потенциальные долгосрочные изменения характеристик компонентов окружающей
среды, определяющих их качество (изменения абиотической среды, видового разнообразия биоты, способности экосистем к самоочищению, нарушения автогенной сукцессии, и др.). По возможности полно учитываются все ожидаемые экологически опасные события, связанные с эксплуатацией объекта в нормальном режиме и при возможных чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера. При этом учитывается вероятностный характер связи между средними значениями классов гистограммы значений предыдущего фактора и соответствующими модами гистограмм значений последующего фактора.
Поскольку значения большинства переменных, связанных сценариями событий, распределяются несимметрично (чаще всего - по логнормальному закону), их мода и медиана могут существенно различаться. При традиционном использовании в расчетах средних арифметических значений переменных это ведет к существенным ошибкам, возрастающим по мере удлинения цепи событий в сценарии. Поэтому при анализе сценариев возможных событий следует использовать результаты вероятностного анализа распределения значений переменных.
Вероятность реализации каждого ,-го независимого сценария экологически опасных событий из п потенциально возможных сценариев (р,) определяется по уравнению:
устойчивостью данного компонента среды) выражается безразмерным показателем Y:
Р, = П Ра
(1)
а=1
где р, - вероятность реализации i-го сценария при каждой альтернативной ситуации дальнейшего развития событий, дающей к вариантов (разветвления дендрограммы дерева событий).
Таким образом, при правильном учете и анализе возможных альтернативных сценариев развития экологически опасных событий:
п п к
ЪР’ -I Пр.-1 (2)
/=1 1-1 .-1
5) Уровень результирующего многофакторного антропогенного воздействия на каждый компонент окружающей среды определяется с использованием наиболее адекватной, изоболической модели, отражающей реальный эффект взаимодействия факторов [1-4]. При этом кратность превышения результирующим многофакторным воздействием своего предельно допустимого уровня (определяемого
где х. - ]-е значение i-го фактора, х0 и хи - пороговое и предельно допустимое значение ,-го фактора; 1 - показатель взаимодействия ,-го фактора с остальными (если оно сильнее аддитивного, 0<Z<1; если слабее - 1^; если аддитивно - Z=1)
6) Экологический риск в стоимостном выражении, характеризующий наиболее вероятный ущерб каждому компоненту окружающей среды от реализации i-го сценария событий, определяется как
*г = Р, х и, (4)
где и1 - ущерб данному компоненту окружающей среды, ожидаемый от полной реализации ,-го сценария опасных и вредных событий (то есть при р,= 1).
Таким образом, уровень экологического риска приобретает не традиционное качественное (балльное) или вероятностное, а стоимостное выражение (произведение средней вероятности данного опасного события на стоимость ущерба при его полной реализации). В дальнейшем избирательно учитывается также риск, связанный именно с изучаемым воздействием ^= R общ - К0 , где R общ. и Ro - значения общего и фонового риска, соответственно).
Величины экологического риска (в стоимостном выражении), ожидаемого от каждого из многочисленных вариантов развития опасных событий, суммируются, что позволяет определять локальные значения величины ожидаемого ущерба данному компоненту окружающей среды с учетом вероятности реализации соответствующего сценария экологически опасных событий. Соответственно, общая величина эколого-экономического ущерба R для данного компонента среды составляет:
*-§*-§ (и,-р.)-|:(и*пр.) (5)
где п - количество проанализированных альтернативных сценариев экологически опасных событий, инициируемых воздействием объекта;
- вероятный экологический ущерб от реализации ,-го сценария; и1 - магнитуда (полная величина) экологического ущерба, ожидаемого от реализации ,-го сценария; р1 - вероятность реализации ,-го сценария; к - количество по-
следовательных событий в ,-м сценарии; р. -вероятность реализации ]-го события.
7) Общая величина показателя экологоэкономического риска как математического ожидания ущерба окружающей среде (в стоимостном выражении) для всех ^) ее учтенных компонентов определяется аддитивно:
*1 = Ъ * (6)
С-1
Довольно часто создаются ситуации, в которых, согласно сценарию, ущерб одному компоненту среды полностью или частично обусловливает ущерб другому компоненту, и дальнейшее разделение альтернативных сценариев становится невозможным. При этом результирующая величина ущерба обоим составляющим не аддитивна и определяется следующим образом:
- если ущерб, нанесенный первому компоненту, полностью проявляется в ущербе второму компоненту, то учитывается только второй (больший) показатель.
- если ущерб, нанесенный первому компоненту, проявляется в ущербе второму компоненту лишь частично, то результирующая величина ущерба складывается из его величин, наносимых обоим компонентам в их взаимодействии, и из остаточных величин ущерба, наносимого каждому из компонентов в отдельности.
8) Выявляются и анализируются закономерности пространственно-временной динамики уровня экологического риска, составляется
1. Шуйский В.Ф., Максимова Т.В., Петров Д.С., Петрова Т.А. Возможности оценки многокомпонентных техногенных воздействий на окружающую природную среду // “Школа экологической геологии и рационального недропользования” - Мат. II межвуз. молодежн. на-учн. конф. “Школа экологической геологии и рационального недропользования” - СПб., СПбГУ - 22.0502.06.2001.
2. Шуйский В.Ф. , Максимова Т.В., Петрова Т.А., Петров Д.С. Техногенная сукцессия экосистемы р. Луга в зоне влияния ОАО "Фосфорит" // Сб. научн. докл. VI междунар. конф. "Экология и развитие Северо-Запада России" - С.-Петербург, 11-16 июля 2001 г. -СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2001 г.
3. Шуйский В.Ф., Петров Д.С. Метод количественной оценки и подход к нормированию многофакторных воздействий на пресноводные экосистемы // Записки Санкт-Петербургского горного института - 2001 - т. 149.
4. Shuisky V.F., Shuvalov Y.V., Pashkevich M.A., Petrov
D.S, Petrova T.A., Miroshina V.V., Varlamova V.A., Sav-
карта пространственного распределения эколо-го-экономического риска (в стоимостном выражении, с размерностью [стоимость] х [единица площади или объема]-1х х[единица времени] -1).
9) Выделяется зона ожидаемого достоверного воздействия объекта на окружающую среду, в пределах которой уровень экологического риска, связанного с сооружением и эксплуатацией объекта, достоверно превышает фоновый уровень.
10) Для зоны ожидаемого воздействия сооружаемого и эксплуатируемого объекта определяется общая величина ожидаемого (наиболее вероятного) эколого-экономичес-кого ущерба компонентам окружающей среды.
11) При наличии нескольких альтернативных проектных решений, для каждого из них определяются общие величины ожидаемого эколого-экономического ущерба от строительства и эксплуатации объекта. Предпочтительным является решение, связанное с наименьшим экологическим риском и наименьшим соотношением показателя: [экологические издержки] / [предотвращенный эколого-экономический ущерб].
Разработки основаны на представительной базе гидроэкологических данных и апробированы применительно к гидростроительству, предприятиям горной и целлюлозно-бумажной промышленности, объектам нефтегазового комплекса, транспортному строительству и к другим источникам техногенного воздействия на разнотипные водоемы и водотоки Северо-Запада и Севера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
chenko A. V. The quantitative assessment of multifactor toxic waste impact on freshwater ecosystems. // Rep. of the Second International Exhibition of Waste Management "WasteTech-2001" - Moscow, 2001.
5. Shuisky V.F., Drozhina K.S., Pashkevich M.A., Petrov D.S., Petrova T.A., Maximova T.V. Man-caused influence on freshwater ecosystems: the estimation of changings, ecological risk, damage // Modeling and Analysis of Safety and Risk in Complex Systems / Proceedings of the Second International School MA SR - Saint-Petersburg, July 2-5 2002 -SPb.: Business - Press, 2002.
6. Шуйский В.Ф., Максимова Т.В. Количественная оценка техногенного ущерба гидроэкосистемам на основе анализа экологического риска - Горный информационно-аналитический бюллетень - 2003 - вып.1.
7. Шуйский В.Ф., Занцинская Т.П., Петров Д.С., Максимова Т.В., Петрова Т.А. Анализ техногенного экологического риска при гидростроительстве // Материалы междунар. конф. "Трофические связи в водных сообще-
ствах и экосистемах" - Борок, 28-31 октября 2003 г. - Борок: ИБВВ РАН, 2003.
