CC BY
667
О методах нормирования антропогенных нагрузок на окружающую
среду
Пономарев А.И., к.т.н., с.н.сЦСИГЗ МЧС России
Последние десятилетия XX и начала XXI веков характеризуются значительным ростом экологических аварий и катастроф. Научно-технический прогресс, последствия которого столь небезопасны для человечества, достигнут на основе хищнического истребления невозобновляемых природных ресурсов при интенсивном загрязнении атмосферного воздуха, воды и почвы вредными химическими веществами, игнорируя использование возобновляемых источников энергии - энергии Солнца, ветра и воды.
Человек, время существования которого составляет долю секунды по сравнению с жизнью на планете Земля, уже успел использовать большую часть природных запасов, одновременно превратив многие районы в мусорные ямы и сточные канавы путем неконтролируемых сбросов и выбросов вредных веществ. Загрязнение природы является катализатором угрожающей экологической катастрофы.
Загрязнение окружающей среды обусловлено в основном антропогенным фактором и, в незначительной мере, природным (вулканы, пыльные бури). Основными источниками ее загрязнения являются: промышленность и транспорт, энергетические и сельскохозяйственные комплексы, минеральные удобрения, средства борьбы с вредителями лесных и сельскохозяйственных угодий, а также сбросы и выбросы твердых и жидких промышленных и бытовых отходов. Например, по данным иностранной печати, в США ежегодно выбрасывается около 125 млн. тонн твердых промышленных отходов, включая 125 млрд. пустых консервных банок, 26 млрд. бутылок и бочек, 65 млрд. металлических и пластиковых упаковок и многое другое. Твердые бытовые отходы (ТБО) чрезвычайно разнородны по составу: пищевые остатки, бумага, металлолом, резина, стекло, древесина, ткань, синтетические и другие вещества. Атмосферные осадки, солнечная радиация и выделение тепла в связи с поверхностными, подземными пожарами, способствуют протеканию на полигонах ТБО непредсказуемых физикохимических и биохимических процессов, продуктами которых являются многочисленные токсичные химические соединения в жидком, твердом и газообразном состояниях. Биогенное воздействие ТБО выражается в том, что отходы благоприятны для размножения насекомых, птиц, грызунов, других млекопитающих, микроорганизмов. При этом птицы и насекомые являются разносчиками болезнетворных бактерий и вирусов на большие расстояния.
Сегодня на Земле не осталось ни одной экологической системы, которая бы в той или иной степени не была подвержена губительному воздействию со стороны человека, вступая, таким образом, в конфликт с природой, вызывая необратимые процессы в ней. Человечество слишком медленно подходит к пониманию масштабов опасности, которую создает легкомысленное отношение к окружающей среде. Между тем, решение (если оно еще возможно) таких грозных глобальных проблем, как экологические, требует неотложных энергичных совместных усилий международных организаций и общественности. За время своего существования, особенно в XX веке, человечество уничтожило около 70 процентов всех естественных экологических (биологических) систем на планете, которые способны перерабатывать отходы человеческой жизнедеятельности и продолжает их "успешное" уничтожение. Объем допустимого воздействия на биосферу в целом превышен сейчас в несколько раз. Более того, человек выбрасывает в окружающую среду тысячи тонн веществ, которые в ней никогда ранее не содержались и которые не поддаются или слабо поддаются переработке. Все это приводит к тому, что биологические микроорганизмы, которые выступают в качестве регулятора окружающей среды, уже не способны выполнять эту функцию. Как утвер-
ждают специалисты, через 30 - 50 лет начнется необратимый процесс, который на рубеже XXI - XXII веков приведет к глобальной экологической катастрофе. Особо тревожное положение сложилось на Европейском континенте. Западная Европа свои экологические ресурсы в основном исчерпала и использует чужие. В европейских странах почти не осталось нетронутых биосистем, за исключением территории Норвегии, Финляндии, в некоторой степени Швеции и азиатской территории России.
Защита от загрязнения природы - самая актуальная проблема человечества, включающая, прежде всего охрану от загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы.
Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на животный мир, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии.
Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройств центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется содержащимися в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу - атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы. Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров связано с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы из почв, с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста, к гибели растений. Высокая чувствительность деревьев (особенно березы и дуба) к загрязнению воздуха выявлена давно. Совместное действие их факторов приводит к заметному уменьшению плодородия почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов, включая памятники культуры и наземные линии связи.
Процессы и источники загрязнения приземной атмосферы многочисленны и разнообразны. По происхождению они подразделяются на антропогенные и природные. Среди антропогенных к наиболее опасным процессам относятся сжигание топлива и мусора, ядерные реакции при получении атомной энергии, испытаниях ядерного оружия, металлургия и горячая металлообработка, различные химические производства, в том числе переработка нефти, газа и угля.
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах из-за широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.
Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.
Ограниченные экологические резервы природы в условиях научно-технического прогресса и существование необузданной эксплуатации природных ресурсов, приводящей к интенсивному загрязнению биосферы, определяют в целом экологическую си-
туацию в стране и на планете как неблагополучную. Несмотря на угрожающее состояние экологической обстановки, человечество еще может принять необходимые меры с целью ее нормализации. Такая нормализация предусматривает:
- контроль и планомерное снижение уровня загрязнения окружающей среды;
- рациональное использование природных ресурсов;
- воспроизводство невозобновляемых ресурсов;
- переход на экологически чистые технологии в народном хозяйстве.
Последний фактор является доминирующим в вопросе направленного снижения
загрязнения всех сред природы, атмосферы, гидросферы и литосферы (почвы) в частности.
Решение рассматриваемой проблемы исходит из всестороннего анализа состояния окружающей природной среды. Такой анализ предусматривает получение необходимых достоверных представлений об источниках загрязнения окружающей среды, о характере воздействия загрязняющих веществ на природную среду, человека, животный и растительный мир, прежде всего, а также выявление механизма ответа (реакции) объектов природы на воздействие вредных веществ и физических полей на животный мир и природу в целом. Выявление критических звеньев и связей в биосфере, нормирование антропогенных нагрузок и эколого-экономическое регулирование природных сред являются важнейшими задачами в области охраны природной среды и рационального природопользования.
Всесторонний анализ состояния окружающей среды [8,10] должен включать и разработку методов оценки возможного экономического ущерба, наносимого природной среде при антропогенном воздействии на нее, акцентируя главное внимание на разработку эколого-экономических моделей, обеспечивающих оценку экономического ущерба, с одной стороны, выявление экономической эффективности принимаемых мер по предотвращению губительного воздействия на природную среду, с другой.
Проведение экологического нормирования в целях регулирования качества природной среды включает ряд этапов:
- первый этап - анализ эффективности воздействия различных факторов на окружающую среду;
- второй - расчет допустимого экологического воздействия и нагрузок (определение допустимых нагрузок на отдельные организмы, в первую очередь на человека и различные популяции с учетом комплексного и комбинированного воздействия и санитарно-гигиенических требований к качеству среды; определение допустимых нагрузок на общества, экосистему, а также определение допустимых нагрузок; крупные системы
- климатическую и биосферную);
- третий этап отражает расчет с эколого-экономических позиций допустимых нагрузок на область, регион с учетом экономических аспектов, включая соотношение затраты - эффективность. Эколого-экономическое регулирование антропогенного воздействия на природу «должно начинаться с определения допустимых воздействий и нагрузок на экосистемы и природную среду на различных уровнях».
Следующим этапом в процессе нормирования является разработка критериев, предназначенных для ограничения выбросов, сбросов вредных веществ и губительного волнового загрязнения (разработка норм предельно допустимых величин - ПДВ, ПДС, ПДУ и т.д.) окружающей среды и создание условий (выработки предложений) для ослабления воздействия загрязнения на среду. Важным шагом в этом направлении следует считать и санитарно-гигиеническое нормирование (в зонах обитания человека и животного мира).
Заключительным этапом нормирования выступает введение норм на выбросы, сбросы, волновое излучение источников воздействия на окружающую среду. Одновременно регулирование качества окружающей среды предусматривает выработку критериев и введение норм, ограничивающих антропогенное загрязнение с учетом экономи-
ческих факторов. Разработка и введение таких нормативов непосредственно связано с разработкой технических методов и средств ограничения (исключения) загрязнения природной среды.
Существующие и перспективные методы расчета допустимых нагрузок на экосистемы должны гарантировать способность биогеоценозу в измененной человеком среде поддерживать себя (как систему) в оптимальном состоянии, что означает - степень антропогенного воздействия не превышает возможностей биологических систем, не подрывает их способность к гомеостазу [8]. В широком смысле под допустимым антропогенным воздействием на природную среду следует понимать воздействие как сумму однородных и неоднородных воздействий, не влияющих на качественное состояние окружающей среды в пределах (в допустимых пределах), не вызывающих разрушения существующих экосистем и нежелательных последствий у популяций, особенно у человека.
Для определения количественной стороны допустимого воздействия необходимо знать, в каком состоянии находилась экосистема до момента воздействия. Надо помнить, что внешнее поле концентраций вредных веществ (вредного излучения) является лишь фактором воздействия, а не нагрузкой на данный объект или организм. Нагрузка зависит от времени пребывания организма в загрязненной среде и характера поступления загрязняющих веществ в организм человека и животного. При определении нагрузки и уровня воздействия принимается во внимание существование двух уровней воздействия вредных факторов на природу - уровень критического воздействия, начиная с которого может наблюдаться гибель или необратимая деградация той или иной экосистемы, исчезновений каких-либо видов, и уровень допустимого воздействия, ограничиваемого условным критерием предельно допустимого воздействия, который существенно ниже критического.
Определение допустимых нагрузок для экосистемы основывается на понятии экологического резерва данной системы, под которым понимается разница между предельно допустимым и фактическим состоянием рассматриваемой экосистемы. Экологические методы и подходы к определению допустимых нагрузок отличаются от санитарно-гигиенических. Последние обеспечивают расчет допустимого загрязнения среды и нагрузки на отдельный человеческий организм и население в целом.
Основой оценки качества воздуха, воды и почвы населенных мест являются санитарно-гигиенические нормативы: предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, воде и почве и коэффициенты их комбинированного действия. Коэффициенты комбинированного действия (К дк) отражают
характер воздействия одновременно присутствующих в атмосферном воздухе, воде и почве вредных веществ, который может проявляться по типу суммации (синергизма), усиления или ослабления неблагоприятных эффектов этих веществ. При отсутствии ПДК могут использоваться ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ).
Далее рассматриваются отдельные подходы к нормированию антропогенных нагрузок на атмосферный воздух, водные объекты и почву.
1. Нормирование антропогенных нагрузок на атмосферный воздух
По состоянию на конец ХХ столетия ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (максимально разовых и среднесуточных) в качестве общегосударственных норм установлены для 300 вредных веществ и 40, обладающих эффектом синергизма. Вместе с тем, для 300 веществ установлены ориентировочные безопасные уровни воздействия загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Для санаторно-курортных (лечебных) местностей и рекреационных зон Российской Федерации действуют нормы на 20% более жесткие, чем обычные [1].
Лимитирующий (определяющий) признак вредности веществ характеризует направленность биологического действия вещества: рефлекторное и резорбтивное.
Под рефлекторным действием понимается реакция со стороны рецепторов верх-
них дыхательных путей - ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек, задержка дыхания и т.п. Возникновение этих эффектов зависит от уровня концентрации вредных веществ. Рефлекторное действие лежит в основе установления разовой ПДК. Под резорбтивным действием понимается возможность развития общетоксических, гонодо-токсических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и т.п. эффектов, возникновение которых зависит не только от концентрации вредных веществ в воздухе, но и от длительности их вдыхания.
Поскольку человечество, как отмечено выше, в ближайшие годы не может отказаться от сознательного загрязнения природной среды, вводится ряд мер, направленных на ограничение (как временная мера) нежелательного воздействия на окружающую среду, включая и усовершенствование технологических процессов, и внедрение различных технических систем защиты природы от деструктивных последствий научнотехнического прогресса. Постепенно принимаются меры в целях рационального использования природных ресурсов, использования вторичного сырья, отходов, а также в целях воспроизводства природных ресурсов и освоения неисчерпаемых ресурсов окружающей природной среды.
Например, ситуация, связанная с временной невозможностью окончательно прекратить выбросы вредных веществ и соединений в атмосферу, выражена в раздельном нормировании содержания вредных примесей в воздухе для рабочей зоны ( ПДК ) и
р.З.
в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКа.в.).
Как известно, ПДКав. - это максимальная концентрация примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения [2,8], которая при периодическом воздействии или в течение всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, как и не сказывается на состоянии окружающей среды в целом.
ПДК р.з. .- концентрация вредных примесей, которая при ежедневной работе
(кроме выходных и праздничных дней, времени нахождения в отпуске) в течение 8 ч. (но не более 41 ч. в неделю) за период всего рабочего стажа не может вызвать заболевания или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего или последующих поколений; под рабочей зоной подразумевают пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которых находятся рабочие места трудящихся.
Введение раздельного нормирования содержания примесей предусматривает и разделение ПДК на: максимально разовые (ПДК м.р . ) и среднесуточные (ПДК ср.с.);
концентрации примесей в воздухе рабочей зоны сравниваются только с максимальными разовыми, определяемые в течение 0,5 часа, а в воздухе населенных пунктов - и со среднесуточными (в течение 24 часов).
Как отмечают авторы [2,8] в специальной литературе и нормативных документах, ПДК р.з. обычно сопоставляются с ПДК мр . , что нельзя считать вполне допустимым, т.к. ПДКр з фактически также являются максимальными разовыми, но устанавливаемыми для рабочих зон.
Поэтому, в данном случае, следует иметь в виду, что под ПДКр з «скрывается»
именно максимальная разовая ПДК в рабочей зоне, а под ПДК м.р. надо понимать аналогичную концентрацию в атмосферном воздухе жилой зоны. Раздельное нормирование примесей обосновывается (с чем, по-видимому, до конца согласиться никак нельзя) состоянием и контингентом человеческого общества жилой и рабочих зон. «На предприятиях в течение рабочего дня загрязненным воздухом дышат здоровые, прошедшие медицинское освидетельствование люди, а в населенных пунктах круглосуточно дышат как взрослые, так и дети, пожилые и больные люди», а потому ПДКр з > ПДКм р , т.е.
фактически ПДК р.з. > ПДКа.в.
Имеется два главных метода по определению ПДК: экспериментальный и расчетный методы. Экспериментальный метод используется для установления собственно ПДК, а расчетный - преимущественно для временно допустимых концентраций (ВДК) и ОБУВ.
Нормирование экспериментальным методом в воздухе рабочей зоны проводится в три этапа; обоснование ВДК и ОБУВ, обоснование величин ПДК р.з. и последующая
их корректировка на основе анализа условий труда и состояния здоровья людей.
Первые два этапа связаны с экспериментальной работой над однородными группами животных; устанавливается минимальная пороговая концентрация в так называемом хроническом эксперименте в течение четырех месяцев; определяют летальную (смертельную) концентрацию или дозу (ЛК50 или ЛД5о), при которых наблюдается гибель половины животных.
На втором этапе выбирают три исследуемые концентрации одного из соединений: одну на уровне порога запаха для самых чувствительных людей, вторую и третью
- в 2-3 раза выше и ниже пороговой. Существуют экспрессные методы определения ПДК, основанные на построении (на базе месячного эксперимента) логарифмических зависимостей типа «концентрация - время», эффект воздействия принимается за постоянную величину.
Расчетные методы определения ВДК основаны на использовании регрессивного анализа формул перехода от некоторых быстро определяемых токсикологических характеристик исследуемых веществ к ВДК с привлечением величины молекулярных масс (М) или порогов рефлекторного и резорбтивного действия; например, ВДКр з можно определить по формулам [2,8]:
ВДК р.з. = 0,9^ЛК5„ - 2,7 + ^М (Ы)
ВДК р.з. = 0,5 ЛК100 (1-2)
ВДКр.з. - ^ ЛК 50 - 3,1 + ^М (1-3)
ВДКа.в можно определить, используя известные ВДК и другие токсикологи-
р.з.
ческие характеристики веществ:
ВДКа.в = 0,96 №ДКр - 0,51 (1.4)
ВДКа.в = 0,62 ПДКр.з. - 1,77 (1.5)
з
где ПДКр - пороговая концентрация веществ (мг/м ), вызывающая ощущение запаха.
Методы экологического регулирования состояния окружающей среды и нормирования антропогенных нагрузок учитывают возможность воздействия на организм не одного, а нескольких вредных веществ, т.е. учета эффекта суммации вредного действия. Если в воздухе имеется несколько веществ, обладающих эффектом суммации, то качество воздуха будет соответствовать установленным нормативам при условии:
С С, С
+----— +....-----< 1 (1.6)
ПДК! ПДК, ПК п 4 7
где С1, С2, ... С - вредные вещества, обладающие эффектом суммации.
Экологическое регулирование природной среды осуществляется посредство разработки и внедрения нормативных величин нагрузки на окружающую среду, вырабатываемых на основе использования различных ПДК. Мерой учета нагрузки на среду являются регламентированные значения предельно допустимых выбросов (ПДВ), в атмосферу, предельно допустимых сбросов (ПДС), в гидросферу и литосферу и предельно
допустимых уровней (ПДУ) волнового (физического) загрязнения.
Чтобы регламентировать предельно допустимые выбросы вредных веществ, сначала определяется максимально возможная концентрация вредных веществ и расстояние от источника выброса, где эта концентрация возникает. Расчет концентрации вредных веществ для нагретых и холодных выбросов определяется по формулам [2]:
А М х Б х т х п
А х МБ х Кп
с "=—$5^“ 0'8)
где: А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
М - мощность выброса;
Е - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания веществ;
Н - высота одиночного источника выброса вредных веществ;
т и п - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из источника;
А Т - разница между температурой выбрасываемой смеси и температурой наружного воздуха;
^ 3
V - объем выбрасываемой газовоздушной смеси (м/с );
Б
К = —- (Б - диаметр устья трубы, м).
8У
Величина Снв и Схв не должна превышать установленное значение ПДК.
Согласно ГОСТ 17.2.1.04-77 предельно допустимый выброс (ПДВ) есть научнотехнический норматив, устанавливаемый исходя из принципа - содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не должно превышать нормативов качества воздуха для населения, животного и растительного мира; размерность ПДВ - г/с. ПДВ необходимо сравнивать с мощностью выброса (М), под которым понимается количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу в единицу времени.
Согласно ГОСТ ПДВ устанавливается для каждого источника загрязнения атмосферы при обязательном соблюдении условия: выбросы вредных веществ от источника или совокупности других источников с учетом рассеивания вредных веществ не должны создавать приземную концентрацию вредных веществ, превышающую ПДК. Так как критерием для установления ПДВ, ПДС и т.п. является ПДК, то за основу производимых расчетов и принимается тот или иной показатель ПДК вредного вещества. Расчет ПДВ выполняется по формулам 1.9 (для нагретых выбросов) и 1.10 (для холодных выбросов).
ПДВ • = ПДК * Н 2 х ^ (1.9)
А х Б х т х п
ПДВ - =8ПДК х Н (1.10)
А х Б х п х Б
Высота (Н) одиночного источника выбросов вредных веществ, при которой соблюдается условие Снв и Схв соответственно должны быть равны ПДК, в общем случае вычисляется по формуле 1.11:
Н = 4
'А х М х Б х Б )3
8У хПДК '
Когда концентрация вредного вещества в различной точке превышает ПДК для данного вещества, а снижение ПДВ до требуемых значений не обеспечивается по объективным или другим весьма весомым причинам, то вводится так называемое поэтапное снижение выбросов вредных веществ до ПДК путем установления на каждом этапе вре-
менно согласованных выбросов (ВСВ) на уровне ПДВ, которые обеспечиваются аналогичными по мощности предприятиями, оснащенными более совершенными технологиями.
2. Нормирование антропогенных нагрузок на водные ресурсы
Методы расчета предельно допустимых нагрузок на водные объекты (степени предельно допустимого загрязнения воды данного объекта) и обеспечения рационального использования водных ресурсов составляют основу методов регулирования объектами гидросферы. Вода, в отличие от воздуха, имеет вполне определенное распределение на планете Земля и легче поддается всестороннему контролю со стороны человека, особенно ее пресная составляющая.
Методы нормирования нагрузок на гидросферу являются составной частью методов охраны водных объектов, под которой нередко понимают рациональное использование пресноводных ресурсов. Вместе с тем ограничение загрязнения воды - прямой путь и к ее рациональному использованию. Охрана водных объектов в основном включает рациональное использование воды и сохранение продуктивности водных экосистем.
Расчет допустимых нагрузок на водные объекты в условиях промышленного и гражданского их использования осуществляется по двум течениям: водопользованию и водопотреблению. Согласно ГОСТ 1,1.01-77, водопользование - это использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства, а потребление - потребление воды из водного объекта или из системы водоснабжения. Согласно [2,8], под водопользованием понимается использование воды без изъятия ее из мест локализации (водопользование - эксплуатация вод в интересах водного транспорта, гидроэнергетики, рыбного хозяйства и т.д.); водопотребление - это использование воды, связанное с ее изъятием из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием и с возвращением в источники водозабора в измененном состоянии (загрязненном). Главные водопотребители - сельское хозяйство, промышленность и культурно-бытовое хозяйство. Такое подразделение представляет вполне определенное удобство, т.к. в плане водопользования водные объекты - это сфера «обитания» научно-технического прогресса, а в части водопотребления водные объекты -предмет непосредственного потребления вод с целью удовлетворения питьевых, оздоровительных и других нужд.
Регулирование водопользования - это в основном управление охраной водных объектов от загрязнения, а регулирование водопотребления - управление как охраной от загрязнения, так и непосредственным расходованием пресноводных ресурсов, связанным с изъятием воды из мест ее локализации.
В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» допустимые нагрузки определяются по формуле:
С = С - С (2.1)
доп. норм. сущ. V /
где: Снорм - установленная нормативная концентрация вредных веществ;
Ссущ - существующая нагрузка на водный объект.
Критерием загрязненности воды является ухудшение ее качества вследствие изменения ее органолептических свойств, наличия вредных веществ в воде для человека (и всех животных, обитающих в водной среде), а также наличие значительных колебаний в изменении температурного режима водного объекта.
Авторы [2] различают пять аспектов водоохранных мероприятий: юридический, экономический, технический, организационный логический. В связи с существующим «вольным» обращением с термином «Экология» (экология аналитическая, экология глобальная, экология города, экология животных, экология динамическая, экология медицинская, экология популяционная, экология прикладная, экология промышленная, экология социальная, экология человека, экология химическая, экология эволюционная, экология растений, экология геохимическая, экология общая, экология онкологи-
ческая и т.д., и т.п.) число водоохранных аспектов можно увеличить; это число только усилит понятие «Экология» вообще и экология водных объектов в частности, подчеркивая дополнительно значимость экологической проблемы гидросферы, как важнейшей в жизни человека.
С позиции управления водопотреблением и водопользованием водных объектов, главное требование к качеству воды заключается в неукоснительном соблюдении установленных ЦДК вредных веществ. Как отмечено выше, ПДК вредных веществ и ПДУ физического загрязнения (теплового, радиационного и т.д.) в водном объекте - это такая концентрация (и уровень) вредных веществ (физического загрязнения), превышение которой обусловливает полную или частичную непригодность одного или нескольких (или полностью) видов водопользователей.
В городах с развитой промышленностью сточные воды весьма часто сбрасываются непосредственно в черте городской застройки или вблизи нее. В этом случае сточные воды должны подвергаться очищению от вредных примесей или разбавляться перед сбросом в водный объект.
Для обеспечения необходимой чистоты водных объектов, кроме ДЦК, используется лимитирующий показатель вредности, отражающий приоритетность требований к качеству воды. Для водных объектов (водоемов) культурно-бытового и хозяйственнопитьевого назначения (первая категория водопользования, водопотребления) за основу расчета нормативов приняты санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический лимиты; для водных объектов рыбохозяйственного назначения - рыбохозяйственный, токсикологический и органолептический лимиты.
ПДК вредных веществ в воде водных объектов подразделяются (соответственно лимитирующим показателям) на два вида: ПДК для водных объектов первой и ПДК для второй категории.
Общесанитарный признак оценивает изменение интенсивности процесса биохимического окисления органического вещества (БПК); санитарно-токсикологический -видовую чувствительность живых организмов (функцию внутренних органов, развитие животных и их способность к воспроизводству, скорость размножения бактерий, цветение водорослей и т.д.) при различных концентрациях токсический веществ; органолептический - минимальные концентрации дурно пахнущих органических веществ; рыбохозяйственный - в целом оценивает потерю товарных качеств рыбной продукции из-за накопления в ней недопустимого количества токсикантов [3,4,5,8].
В случае поступления в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности (с учетом поступающих примесей), сумма отношений фактических концентраций этих веществ к соответствующей ПДК не должна превышать единицу, т.е.:
С С С
----+------г— + ....-^ < 1 (2.2)
ПДК! ПДК2 ПК п 4 7
Как отмечено выше, вредные вещества, содержащиеся в стоках, подвергаются окислению в природных водах, что приводит к перерасходу кислорода в воде, вызывая тем самым эвтрофикацию. Имея данные о химическом составе воды и количестве примесей в воде, можно рассчитать потребность в кислороде на окисление вредных примесей) и установить таким образом степень угрозы эвтрофикации объектов. Последние -условие для ограничения (или исключения) сбросов сточных вод. Для этих целей используют два показателя, подлежащих обязательному контролю санитарными лабораториями сточных, природных и оборотных вод: ХПК (химическое потребление кислорода - количество О 2 в млг/л или г/л воды, необходимое для окисления углеродосодержащих веществ до СО2, Н2О и N03 , серосодержащих веществ - до сульфатов, а
фосфоросодержащих - до фосфатов) и БПК (биологическое потребление кислорода -количество О 2 в млг/л или г/л, израсходованное в определенный промежуток времени
на аэробное био-химическое окисление (разложение) нестойких органических соединений, содержащихся в загрязненной воде).
В настоящее время методы регулирования поступления загрязняющих веществ в водоемы в основном базируются на соблюдении санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных нормативах ПДК загрязняющих веществ. Однако установление и соблюдение ПДК загрязняющих веществ являются достаточными условиями для обеспечения качества воды. Вместе с тем это не решает основную задачу охраны гидросферы - планомерное снижение массы вредных веществ и тепла, отводимых со сточными водами в водные объекты, норма качества воды которых не соблюдаются. В целях исправления существующего положения в этой части проблемы и обеспечения гарантий качества воды в створе водопотребление (водопользование) для каждого потребителя (предприятия) устанавливается предельно допустимый сброс (ПДС) вредных веществ. Согласно ГОСТу 17.1.1.01-77 ПДС вредного вещества - это его масса в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с обеспечения норм качества воды в контрольном пункте. ПДС устанавливается с учетом ПДК вредного вещества в местах водопользования, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых вредных веществ.
Нормы ПДС устанавливаются на определенный срок, по истечении которого они должны пересматриваться. Для проектируемых объектов устанавливают с обязательным учетом ожидаемых изменений условий пользования на данном участке водного объекта, который будет принимать сточные воды перспективного народнохозяйственного комплекса, предприятия.
Для действующих предприятий (промышленных объектов), расположенных в зонах повышенного загрязнения водных объектов, ПДС устанавливается с учетом требований к составу и свойствам водных объектов в водопользования, которые распространяются на сами сточные воды в связи с ограниченными ассимилирующими способностями водных объектов, принимающих на себя дополнительную нагрузку ПДС определяется (с учетом требований к составу и свойствам вводных объектах) для всех категорий водопользования по формуле [2.3]:
ПДС = 5 стС ст. (2.3)
где: 5ст - расход сточных вод, м3 / час;
Сст - концентрация веществ, г/м3, в сточных водах.
Регулирование (управление) качеством вод основано на решении задач; определении требуемой степени очистки сточных вод; установлением степени разбавления сточных вод до уровня безопасных концентраций вредных веществ; прогнозирование качества воды с заданной заблаговременностью. Эти условия однозначны как для водотоков, так и для непроточных водных объектов.
Смешение сточных вод с природными [2] определяется уравнением:
5С ст.+ ОСф = С крп (5 + у0) (2.4)
где: Q - расход воды в водотоке;
5 - расход сточных вод;
Сф - фоновая концентрация данного вредного вещества в сточных водах;
у - коэффициент смешения;
Скрп - концентрация данного вредного вещества перед расчетным пунктом водопользования (как правило, в 1 км выше по течению).
Из уравнения (2.4) следует:
5С + ОСф
С =—ст- О ф (2.5)
крп б + уО (
Выражение (2.5) можно использовать для прогнозирования санитарного состояния воды. Если Скрп < ПДК, то санитарно-экологическая обстановка водного объекта в
целом благоприятная; стало быть, меры, принимаемые на предприятии-источнике загрязнения гидросферы, отвечают требованиям, предъявляемым к очистке или разбавлению сточных вод; если Скрп > ПДК, то необходимы меры по уменьшению количества
сточных вод или меры по концентрации в них вредных веществ (путем введения дополнительных систем очистки, совершенствования технологических процессов и др.).
Для определения максимальной предельной концентрации вредного вещества ( См п к ) может быть использовано выражение (2.6):
5
Данное уравнение принимается за основу при проектировании мероприятий по санитарной охране водного объекта. Если вода за пределами места сброса загрязнена так, что Сф > Спдк, то сброс недопустим.
Для определения степени очистки или разбавления сточных вод перед их отведением в водный объект, устанавливается величина ( у) с помощью уравнения Фроло-ва-Родзиллера:
1-в
С = -^(С - С,) + С (2.6)
м.п.к. о» У пдк ф' пдк V /
7=— (2-7)
1 + р ^
5
а =
где: в = е" (Ь - расстояние, в метрах, по фарватеру от места сброса
сточных вод до ближайшего створа водопользования; а - коэффициент, учитывающий гидрологические условия смешения).
Величина ( а ) определяется по формуле (2.8):
где: X - отношение расстояний между местом выпуска и местом водопользования по фарватеру и по прямой линии;
£, - коэффициент, равный 1 при береговом и 1,5 при стрежневом выпусках сточных вод;
Е - коэффициент диффузии.
Окончательная кратность необходимого разбавления сточных вод (П ) определяется решением уравнения:
п =Х±0±^ (2.9)
5
Для определения необходимой степени очистки или разбавления сточных вод, сбрасываемых в непроточные водные объекты, используется метод М.А. Руффеля, согласно которому полное разбавление сточных вод является результатом совместного влияния начального разбавления, происходящего у выпуска в водотоке за счет скорости выходящей струи, и основного, осуществляющегося по мере дальнейшего продвижения струи.
Регулирование водных ресурсов предусматривает учет и не менее важный компонент - поддержание оптимального режима рек и водоемов, включая и подземные, предохранение их от обмеления и химической эксплуатации, снижающей не только их качественные, но и количественные показатели. При проектировании водозаборных сооружений для использования поверхностных и подземных вод на питьевые нужды устанавливаются зоны санитарной охраны, осуществляются другие санитарно-
оздоровительные мероприятия со стороны пользователей и государственной санитарной инспекции.
Методы расчета характеристик годового речного стока (расход, объем, модуль, слой) и фактические наблюдения за использованием речных водных ресурсов позволяют обеспечить рациональный подход к использованию пресноводных ресурсов. Исходной информацией для реализации этих методов являются паспортные сведения о водных объектах и гидрологических постах на водотоках; паспортные сведения об административно-территориальных единицах и экономических районах; данные гидрологических наблюдений.
Методы регулирования водного режима озер и водоемов, как и в случае, изложенном выше, базируются на использовании данных гидрометеорологических наблюдений, данных гидрологических постов, паспортных сведениях о водоемах, паспортных сведениях о пунктах наблюдений, паспортных сведенийях об административнотерриториальных единицах и экономических районах; батиметрических сведениях и
др.
Исходными данными для регулирования подземных вод являются:
- паспортные сведения о водных объектах подземных вод;
- паспортные сведения о пунктах наблюдений (скважинах, родниках) в разрезе административно-территориальных единиц, объектов подземных вод, |речных бассейнов, водохозяйственных участков;
- сведения о ресурсах и эксплуатационных запасах подземных вод административно-территориальных единиц, речных бассейнов и их участков, водохозяйственных участков и подучастков, объектах подземных вод;
- данные наблюдений за гидрологическим режимом в пунктах (уровень, напор, дебит, температура подземных вод);
- данные наблюдений за качеством вод в пунктах (гидрохимические, гидрогео-биологические, органолептические показатели) и на объектах подземных вод;
- паспортные сведения о водозаборах подземных вод;
- характеристики водоотбора и использования подземных вод по административно-территориальным единицам, объектам подземных вод и поверхностных вод.
В целом регулирование использования вод базируется на анализе:
- паспортных сведений водохозяйственных объектов (водозаборов, сбросов, каналов, водохранилищ, очистных сооружений и т.д.) в бассейно-территориальном, отраслевом, ведомственном и других разрезах; сведений о годовых объемах забираемой воды (для крупных водозаборов - месячные объемы забираемой воды) за год по хозяйственным объектам и суммарно в бассейновом, территориальном, отраслевом, ведомственном и др. разрезах;
- сведений о годовых объемах сбрасываемых вод по категориям качества, а также сведений о количестве загрязняющих веществ, сброшенных со сточными водами в течение года.
3. Нормирование антропогенных нагрузок на почву
Говоря о нормировании антропогенных нагрузок на почву и ее экологоэкономическом регулировании, следует заметить, что почва, в отличие от атмосферного воздуха и воды, не воздействует непосредственно на организм человека и всего живого на Земле. Рассуждая о воздействии на организмы животного мира, мы предполагаем, прежде всего, вредное воздействие на них. Это воздействие со стороны почвы сказывается на уровне трофических цепей, когда вредные вещества, оказавшиеся в почве, поступают в сельскохозяйственные и другие (дикорастущие) растения, накапливаются в них, и, в конечном счете, оказываются в организме человека, животного [7].
Загрязнение почвы связано со сбросом в нее антропогенных отходов промышленного и бытового характера. Попадающие в почву, ксенобиотики (чуждые почве вещества) подвергаются в ней сильному метаболизму. В почве всегда имеет место значи-
тельное количество мертвой органики - субстрата для микроорганизмов, в числе которых много болезнетворных. С микроорганизмами связаны процессы минерализации и гумификации органики; уплотнение почвы в пределах населенных пунктов и в их окрестностях при одновременном поступлении загрязняющих веществ вызывает анаэробные процессы разложения, обусловливающие образование токсичных жидкостей и дурно пахнущих газообразных веществ.
Регулирование (управление охраной) почв преследует соблюдение установленных норм и правил эксплуатации земель, рациональное применение удобрений и ядохимикатов (пестицидов) для борьбы с вредителями и болезнями растений. В настоящее время установлено свыше 30 ПДК вредных веществ в почве, преимущественно ядохимикатов-пестицидов, в частности для гексахлорана и др., (табл. 1).
Таблица 1
Предельно допустимые концентрации некоторых пестицидов в почве
№ п/п Наименование пестицидов ПДК, мг/кг почвы ДОК в растительных организмах
1 Прометрин (арборицид) 0,5 0.1 - 0,25
2 Хлорамп (арборицид) 0,05 -
3 Хлорофос (инсектицид) 0,5 1,0
4 Карбофос (инсектицид) 2,0 ,0 3, - ,0
5 Гексахлорциклоциклогексан (инсектицид) 1,0 1,0
6 Гамма-изомер гексахлорана (инсектицид) 1,0 2,0
7 Полихлорпинен (инсектицид) 0,5 Не допускается
8 Полихлоркамфен (инсектицид) 0,5 0,1
В связи с тем, что почва не относится к средам непосредственного воздействия на здоровье человека, в практике используется другой нормативный показатель - ДОК (допустимое остаточное количество пестицидов в почве, пищевых и кормовых продуктах, выражая эти величины в г/кг или мг/кг массы почвы или продукта).
Качественное состояние почв - главное условие для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Интенсивное землепользование должно обязательно сочетаться с увеличением (или сохранением) плодородия почвы. Своевременная обработка, внесение удобрений, задержка влаги и чередование сельскохозяйственных культур противодействуют истощению почв.
Методы регулирования использования почв направлены на сохранение их качества путем химического, биохимического, всестороннего контроля, внедрения передовых методов обработки и предотвращения ограничения ветровой и водной эрозии почв.
Методы борьбы с эрозией почв зависят от почвенно-климатических и агроэко-номических условий. Эти методы должны осуществляться на основе внедрения зональных систем земледелия. Вместе с тем регулирование почв должно интенсивно внедрять и всесторонне реализовать методы рекультивации земель и ландшафтов.
Санитарный надзор за состоянием почвы обязательное и главное (для сохранения надлежащего качества почв, отведенных под любой вид использования, особенно под сельскохозяйственное.
Органы санэпидемслужбы проводят:
- санитарные физико-химические исследования (определение отношения общего азота к органическому, рН, БПК, ХМК, окисляемое, сухого остатка, сульфатов, хлоридов и т.д.);
- санитарно-энтомологические исследования;
- санитарно-гельминтологические исследования с целью определения яиц гельминтов;
- санитарно-бактериалогические исследования.
Каждая группа исследований связана с определением показателей, табл. 2 [2,7].
Таблица 2
_______Номенклатура показателей санитарного состояния почв________________
№№ пп Наименование показателей Единица измерения Характеризуемые свойства почвы
1 Санитарное число (отношение белкового азота к общему органическому) мг-кг санитарно- химические
2 Азот аммонийный а а
3 Азот нитратный а а
4 Хлориды а а
5 Пестициды(остаточное кол-во) а а
6 Тяжелые металлы а а
7 Неоть и нефтепродукты а а
8 Фенолы летучие а а
9 Сернистые соединения а а
10 Канцерогенные вещества а а
11 Удобрения (остаточные количества), применяемые в конкретных объектах (4 (4
12 рН отн. ед-цы а
13 Радиоактивные вещества к/кг а
14 Бактерии группы кишечной палочки коли-титр санитарно- бактериологические
15 Термофильные бактерии индекс и
16 Бактерии клостридиум перфригенс титр и
17 Патогенные микроорганизмы (по эпидемиологическим показателям) и
18 Яйца и личинки гельминтов (жизнеспособные) шт/кг санитарно- гельминтологические
19 Личинки и куколки синантроп-ных мух (жизнеспособные) а санитарно- энтомологические
Реализация методов регулирования почв (земельных ресурсов) возможна при наличии достоверной фактической информации от системы контактного и дистанционного контроля источников загрязнения природной среды, СКДКП, (о загрязнении литосферы, почвы), данных от системы контроля использования природных ресурсов, СКИПР, (о состоянии земель-ресурсов, их количественные и качественные характеристики), а также выборочной информации от министерств и ведомств [8, 9].
Анализ фактической, в том числе статистической информации о состоянии земель-ресурсов, а также разного рода статистических показателей охраны и рационального использования земельных ресурсов, позволит обеспечить необходимый контроль (табл. 3) наличия и качества земель, но и выявлять причину их изменений, обосновывать планирование мероприятий в части охраны и рационального использования столь важнейшего компонента окружающей среды..
Статистические данные земельных ресурсов являются фундаментом важнейшего документа, каким представляется земельный кадастр. Под земельным кадастром [9] подразумевается совокупность сведений о правовом, природном и хозяйственном состоянии земель. Государственный земельный кадастр включает и сведения о землепользователях, данные о количестве и качестве земель, бонитете почвы (ее свойствах и уровне урожайности возделываемых на ней культур как суммарный показатель плодородия) и экономической оценке земель. Данные Государственного земельного кадастра необходимы для обеспечения регулирования (управления) земельных ресурсов, их охраны, планирования народного хозяйства, размещения и специализации сельскохозяйственного производства, а также для решения других народнохозяйственных мероприятий, связанных с использованием земель (отведение земель под транспорт, разви-
тие жилищного фонда, местного хозяйства и т.д.).
Почвенный (или земельный) кадастр для практического применения может представляться в виде карт различного масштаба.
Показатели состояния, использования и охраны земельных ресурсов, являющиеся главным наполнением земельного кадастра (паспорта земель), включают сведения:
- о земельном фонде и его составе;
- о трансформации земель (земли, выбывающие из оборота, земли, гаченные в сельскохозяйственный оборот);
- о сельскохозяйственных землях, нуждающихся в улучшении; мероприятиях по повышению качества сельскохозяйственных земель (водная мелиорация; площадь земель, охваченная химическими мелиорациями; площадь земель, охваченная агротехническими мелиорациями; данные о прочих мелиорациях);
- о затратах на охрану и рациональное использование земельных ресурсов (затраты на строительство и эксплуатацию противоэрозионных, противоселевых сооружений, затраты на террасирование склонов, создание и уход полезащитными полосами, затраты на рекультивацию земель и т. д.
Методы эколого-экономического регулирования почв, как отмечено выше, преследуют главную цель - обеспечить поддержание и повышение продуктивности земель на основе научного подхода к эксплуатации, применения передовых агротехнических методов воздействия и развития земельных ресурсов. Экологическая нагрузка на почву
- это комплексный показатель воздействия, снижающий качество земель и слагающийся из параметров загрязнения литосферы, обусловленный антропогенными и природными факторами.
В настоящее время наиболее губительно сказывается на качестве почв (со всеми вытекающими последствиями) неорганизованное применение минеральных удобрений и пестицидов. Весьма существенный вклад в разрушение почв вносит гидромелиорация (осушение земель). Проведение мелиоративных работ без должного кого обоснования и надлежащего контроля приводит к нежелательным (а то и необратимым отрицательным) последствиям эколого-экономического характера. Вместе с тем, нерачительное использование земель приводит к эрозии почв, увеличивая тем самым общее количество так называемых непригодных земель. По-видимому, настало время для немедленного пересмотра целесообразности широкого развития мелиорации и определить концептуальные экологические проведения гидромелиорации в будущем.
Литература
1. Соколовский, В.Г. Мониторинг загрязнения атмосферы. Нормы, стандарты. Политика. Практика. - В кн. Всесторонний анализ окружающей природной среды. - Тр. V Советско-американского симпозиума. / В.Г. Соколовский. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - С.156-165.
2 Стадницкий, Г.В. Экология: Учебное пособие для химико-технологических ВУЗов / Г.В. Стадницкий, А.И. Родионов. - Высшая школа, 1988. - 272 с.
3. Итоги науки и техники. Сер. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов, т. 25 / Охрана окружающей среды и научно-техническая информация/ под ред. Волошина. И.А. - М.: ВИНИТИ, 1989.
4. Филоненко, О.Ф. Водная токсикология. / О.Ф. Филоненко. - МГУ им. М.В. Ломоносова, 1988. - 154 с.
5. Гасилина, Н.К. Программа и методика комплексного мониторинга в биосферных заповедниках. В кн. Биосферные заповедники. - Тр. Советско-американского симпозиума. Н.К. Гасилина, Ф.Я. Ровинский, Л.И. Болтнева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С.146-151.
6. Пономарев, А.И. Анализ современного состояния системы контроля источников загрязнения природной среды в СССР и за рубежом. - М.: А.И. Пономарев, Т.Я. Гаевая, О.А. Артемова. ВНИИЦ «Экология», 1989. - 95 с.
7. Пономарев, А. И. Концептуально-теоретические основы разработки и построения системы контактного и дистанционного источников загрязнения природной среды: А.И. Пономарев. - М: Центральный справочно-информационный фонд МО РФ, инв. № 4925, 2002. - 126 с.
8. Пономарев, А.И. Государственная система эколого-информа-ционного обеспечения / А.И. Пономарев. - М: Центральный справочно-информационный фонд МО РФ, инв. № 4924, 2002. - 413 с.
9. Охрана природы. Справочник. Митрошкин К.П., Берлянд М.К. и др. 2-е изд. переработанное. - М.; Агропромиздат, 1987. - 269 с.
10. Израэль, Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. /Изд. 2, доп. // Ю.А. Израэль. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 343 с.
