Оценка безопасности воздушной подсистемы городской экосистемы в условиях химического загрязнения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 504.3.054

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

© 2011 г. И.А. Ильченко

Таганрогский институт управления и экономики, Taganrog Institute of Management and Economy,

ул. Петровская, 45, г. Таганрог, 347900, Petrovskaya St., 45, Taganrog, 347900,

i. ilchenko@mail. tmei. ru i. [email protected]

Разработана методика оценки безопасности воздушной подсистемы городской экосистемы в условиях химического загрязнения на основе критерия пригодности системы. Коэффициент безопасности системы учитывает влияние всех загрязнителей и соотносит реальное состояние городской экосистемы с состоянием, допускаемым действующими санитарными правилами и нормами. Предложенный коэффициент представляет собой отношение площадей областей адекватности реальной системы и экологически безопасной системы.

Ключевые слова: оценка безопасности, воздушная подсистема городской экосистемы, химическое загрязнение, коэффициент безопасности системы, критерий пригодности, эффект однонаправленного действия.

The technique of an estimation of safety of an air subsystem of urban ecosystem under conditions of chemical pollution on the basis of criterion of suitability of system is developed. The factor of safety of system considers influence of all pollutants and correlates a real condition of a city ecosystem to a condition supposed by operating .sanitary rules and norms. The offered factor represents the relation of the areas of areas of adequacy of real system and ecologically safe system.

Keywords: safety assessmen, air subsystem of urban ecosystems, chemical contamination, safety factor of the system, criterion of suitability, effect of unidirectional action.

В рамках современного подхода к нормированию загрязнения атмосферного воздуха используются такие критерии качества воздуха, как предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязнителя, предельно допустимый уровень (ПДУ) загрязнения, индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) и др. Обобщенным показателем качества воздуха является величина ИЗА5 [1], однако она малоинформативна, так как не дает представления о наличии и концентрации всех присутствующих химических загрязнителей и не позволяет сопоставить степень неблагоприятности конкретных условий среды с экологически приемлемыми условиями. Поэтому актуальна разработка методики оценки безопасности воздушной подсистемы городской экосистемы с позиций системного анализа, что является целью работы. В качестве объекта исследования выбраны показатели загрязнения воздуха населенных пунктов. Исследование заключалось в установлении взаимосвязи между показателями загрязнения атмосферного воздуха и критериями его безопасности.

В соответствии с системным подходом, каждое качество системы можно описать с помощью некоторой выходной переменной у, которая отражает определенное существенное свойство системы и называется частным показателем качества системы [2]. Частными показателями качества воздушной подсистемы городской экосистемы являются содержание в воздухе кислорода, углекислого газа, концентрации таких типичных химических загрязнителей, как оксиды углерода (II), серы (IV), азота (IV) и (II) и т.д. Для оценки качества системы в целом используют обобщенный показатель качества системы У, представляющий собой вектор У = < у1, У2,--Уп > , компонентами которого выступают показатели отдельных существенных свойств системы [2]. Совокупность значений этих показателей образует область адекватности д, которая выступает в роли интегральной характеристики качества системы. С точки зрения безопасности качество среды обитания или ее отдельных компонентов (воздушная подсистема, почвенная и др.) следует оценивать с помощью критерия пригодности Е[2], а отдельные показатели загрязнения

этих подсистем рассматривать как частные показатели качества. Согласно [2], система считается пригодной, если значения всех частных показателей ее качества принадлежат области адекватности 5, а радиус области адекватности соответствует допустимым значениям всех частных показателей. Разная природа этих показателей затрудняет учет их влияния на организм человека, однако их перевод в безразмерные величины относительно допустимых значений (ПДК, ПДУ и др.) позволяет упростить данную проблему и

найти способ оценки качества системы с точки зрения ее безопасности.

Согласно концепции ПДК [3], концентрации отдельных загрязнителей С, , не обладающих однонаправленным действием, не должны превышать их предельно допустимые концентрации ПДК : С < ПДК. Исходя из этого, максимально возможные концентрации всех загрязнителей Стах,- будут следующими:

Cmxi = ПДК i

(1)

или

C„

= 1.

(2)

ПДК 1

В условиях загрязнения среды, например, п загрязнителями разнонаправленного действия, область адекватности системы можно изобразить в виде п-лепестковой диаграммы, где концентрация каждого загрязнителя, выраженная в единицах ПДК, отложена по соответствующей ему координатной оси (рис. 1).

С(б(а)п)

C(S02)

C(HCI)

С(СО)

CI NO )

CIN02)

-♦ -- область адекватности пригодной системы —•— область адекватности реальной системы

Рис. 1. Частные показатели загрязнения воздушной подсистемы г. Таганрога в 2009 г. без учета характера действия загрязнителей

Площадь полученного многоугольника Бреш отражает совокупное влияние всех загрязнителей системы на жизнедеятельность организмов и складывается из площадей п треугольников, катеты которых представляют собой условные концентрации загрязнителей в единицах ПДК:

S =У--

реал ¿—t

1 C

12 ПДКi ПДКь

• sin-

360°

(3)

n

n

где при i=n концентрация и ПДК (п+1)-го загрязнителя равны: Си+1 = С, а ПДК п+1 = ПДК!.

В то же время площадь области адекватности системы , удовлетворяющей критерию пригодности, равна величине площади аналогичного многоугольника, состоящего из п треугольников с катетами, равными 1 (в соответствии с уравнениями 1 и 2), и

„ 360°

углом между ними величиной-:

n . 360°

S„риг =~ Sm-

2 n

(4)

s

^r реал

S.

(5)

Q

С

С.

C

где ij =-— +-— + ... +

ПДК 1 ПДК 2

ПДК m

и i = -

C.

С_

- +... + -

С.

ПДК n

ПДКт+1 ПДК

т+2

Тогда 5 П1Я1г = 1 +1 = 2.

При наличии в среде m загрязнителей однонаправленного действия и п^ загрязнителей разнонаправленного действия формула (3) принимает вид (9)

s =

реал 2 [ ПДК,

C

+ ...+-

С_

ПДК m

360°

ПДК n

n — m +1

+ 2 -

1 C,

C.

360 °

i=n—m+i 2 ПДК t ПДК.

n — m +1

(9)

Для оценки безопасности системы можно ввести коэффициент безопасности системы К£ , представляющий собой отношение площадей областей адекватности реальной системы 5 и экологически

безопасной системы 5„„,„ :

где при i=n концентрация и ПДК (п+1)-го загрязнителя равны: Си+1 = С1, а ПДК п+1 = ПДК1.

В этом случае Бдоп следует рассчитывать как площадь аналогичного многоугольника, состоящего из (п^+1) треугольников с катетами, равными 1, и уг-

„ 360 °

лом между ними величиной-7. Площадь

n — m +1

n — m + 1 . 360°

$„риг =---Sin-—

2 n — m +1

(10)

Среда безопасна для жизнедеятельности, если выполняется условие:

КБ < 1. (6)

В противном случае среда является неблагоприятной. Следовательно, неравенство (6) можно использовать как критерий качества среды обитания в целом или ее отдельных составляющих, например, воздушной подсистемы.

Если все присутствующие в среде поллютанты оказывают на живые организмы действие одного направления, то экологически безопасные условия удовлетворяют неравенству [3]:

В качестве примера рассмотрим использование предложенной методики для оценки состояния воздушных подсистем городов Ростовской области. В 2009 г. воздух г. Таганрога характеризовался следующими параметрами [4, 5]: взвешенные вещества -0,83 ПДК, оксиды серы (IV) - 0,02 ПДК, углерода (II) - 1,0 ПДК, азота (IV) - 1,23 ПДК, азота (II) - 1,0 ПДК, хлороводород - 0,43 ПДК, бенз(а)пирен - 1,6 ПДК.

С.

Границы диаграммы со значениями цд^ = 1 образуют радиус области адекватности 8, которая отвечает требованиям экологической безопасности, а ее площадь - 5 . Для оксида азота (IV) и бенз(а)пирена

С

значения____ > 1 и равны 1,23 и 1,60 ПДК, тогда

- +-2— +... +-— < 1. (7)

ПДК 1 ПДК 2 ПДК п

Область адекватности такой среды представляет собой отрезок длиной 5 = —С— + — +... + —Сп—, а

реа ПДК ПДК 2 ПДК п

область адекватности пригодной системы Бприг трансформируется в отрезок длиной 1.

В случае, когда находящиеся в среде загрязняющие вещества относятся к двум разным группам однонаправленного действия (m из п загрязнителей вызывают один токсический эффект, а оставшиеся (n-m) - другой), то для каждой из группы должно выполняться неравенство (7). Область адекватности такой системы Бреш складывается из двух отрезков:

Лреш = А + ¿2 > (8)

С С.

ПДК,

как для остальных загрязнителей

C,

ПДК,

< 1. Поэтому

воздушная подсистема города не является пригодной по этим двум загрязнителям. В результате расчетов по формулам (3)-(5) получаем Бдоп = 2,737, 8реал = 1,925, а

К£ = 0,703 . Поскольку К£ < 1 , воздушную среду следует считать безопасной для жизнедеятельности. Однако величина ИЗЛ5 в 2009 г. составляла 6,17, что характеризует уровень загрязнения воздуха как повышенный. На рис. 2 представлены частные показатели загрязнения воздушной подсистемы г. Таганрога в 2009 г. для безопасных и реальных условий с учетом однонаправленного действия оксидов серы (IV), углерода (II), азота (IV) [5]. В этом случае диаграммы пя-тилепестковые, а их площади, вычисленные по формулам (9), (10), равны ^ = 2,375 , = 3,507 , а

К£ = 1,48 . Следовательно, при данном подходе к определению критериев безопасности среды допустимые условия превышены в 1,48 раза т.е., учет однонаправленного действия загрязнителей ужесточает критерии экологической безопасности среды (в данном случае по отношению к составу химических загрязнителей воздуха) [6] и более соответствует презумпции потенциальной опасности любого загрязнения окружающей среды [7].

X

n

n

+

С(взв)

-- ♦ -- область адекватности пригодной системы —•— область адекватности реальной системы

ИЗЛ5 с 2005 по 2006 г. увеличилась с 13,6 до 17,2, затем снизилась до 10,8 в 2008 г. и увеличилась до 13,17 в 2009 г., а самое высокое значение К оказалось в 2007 г. (таблица).

Динамика Ёд воздушных подсистем городов Ростовской области в 2005-2009 гг.

Город ЁЛ

2005 2006 2007 2008 2009

Лзов 4,601 6,001 5,930 4,901 5,01

Волгодонск 2,222 3,340 3,683 1,801 2,421

Ростов-на-Дону 3,232 2,710 2,140 2,144 2,644

Таганрог 2,209 2,343 2,041 4,396 1,477

Цимлянск 0,165 0,161 0,157 0,018 0,016

Шахты 1,664 1,805 1,444 3,114 2,106

Рис. 2. Частные показатели загрязнения воздушной подсистемы г. Таганрога в 2009 г. с учетом однонаправленного действия загрязнителей

Во всех городах Ростовской области мониторинг атмосферного воздуха осуществляется по безлабораторному типу по отдельным примесям, а не по всему спектру присутствующих загрязнителей, в связи с чем провести полную оценку безопасности воздушных подсистем этих городов не представляется возможным. Однако, используя предложенную методику, на основании имеющихся данных можно сделать предварительное заключение о качестве воздуха и сравнить полученные результаты для отдельных городов. Так, в течение 2005-2009 гг. основными загрязнителями воздуха в г. Таганроге были пыль, оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) и (II), хлороводо-род, бенз(а)пирен [4, 8-11]. Среди этих загрязнителей эффектом суммации обладали оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) [5]. Величина ИЗЛ5 в эти годы постепенно снижалась с 8,8 до 6,17, что обусловлено снижением общего объема выбросов в атмосферу от стационарных и передвижных источников [8-11]. Однако для величины Е д строгой тенденции не отмечалось, а высокая величина этого коэффициента в 2008 г. объясняется учетом присутствия в воздухе формальдегида в концентрации 3,7 ПДК (в другие годы анализ воздуха на содержание этого вещества не проводился). Однонаправленное действие в 2008 г. проявляли две группы загрязнителей: а) оксиды серы (IV), азота (IV) и (II); б) оксид углерода (II) и формальдегид [5].

Состав атмосферных загрязнителей в г. Лзове близок к их составу в г. Таганроге, но в нем не обнаруживался хлороводород.

Наибольшее превышение ПДК отмечалось для формальдегида и бенз(а)пирена. Величина ИЗЛ5 с 2005 по 2007 г. увеличилась с 9,9 до 13,0, затем снизилась до 10,77 в 2008 г. и 9,30 в 2009 г., а самое высокое значение К оказалось в 2006 г. (таблица).

Среди загрязнителей воздуха г. Волгодонска эффект суммации проявляли: а) оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV); б) сероводород и формальдегид [5]. Наибольшее превышение ПДК отмечалось для формальдегида и бенз(а)пирена [4, 8-11]. Величина

Экологический мониторинг атмосферного воздуха г. Новочеркасска в 2005-2007 гг. не проводился по финансовым причинам. В 2008 г. величина ИЗЛ была обусловлена вкладом таких приоритетных загрязнителей, как формальдегид, бенз(а)пирен, фенол, пыль и оксид углерода (II), и составляла 10,85, что свидетельствовало о высоком уровне загрязнения воздуха [11]. Однонаправленное действие проявляли оксиды серы (IV), азота (IV), углерода (II) и фенол [5]. Согласно проведенным расчетам, Б = 2,598 ,

Бреш = 10,052 , КБ = 3,869 , т.е. загрязнение воздушной подсистемы города превышало допустимое примерно в 3,9 раза. В 2009 г. приоритетными аэропол-лютантами являлись формальдегид, фенол, пыль, оксиды углерода (II) и азота (II), значение ИЗЛ 5 увеличилось до 11,68 [4], а эффектом суммации обладали две группы поллютантов [5]: а) оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) и фенол; б) аммиак, сероводород и формальдегид. Согласно проведенным расчетам, ^ = 2,375 , ^ = 14,529, а Кб = 6,118.

Воздух г. Ростова-на-Дону анализировали на присутствие наибольшего числа загрязнителей. В 2005 г. однонаправленное действие оказывали две группы веществ: а) оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) и фенол; б) сероводород, аммиак и формальдегид, тогда как в 2006-2009 гг. таких загрязнителей было три группы: а) оксиды серы (IV), углерода (II) и фенол; б) оксид азота (IV), озон и формальдегид; в) сероводород и аммиак [5]. Величина ИЗЛ с 2005 по 2008 г. понизилась с 16,3 до 10,8, а в 2009 г. повысилась до 11,66 [4, 8-11]. В то же время значение К£ с 2005 по 2007 г. уменьшилось от 3,232 до 2,140, а затем увеличилось до 2,644 в 2009 г. (таблица).

В г. Шахты в 2005-2007 гг. и 2009 г. однонаправленное действие оказывали оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV), тогда как в 2008 г. таких загрязнителей было две группы: а) оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV); б) сероводород и формальдегид [5]. В 2008 г. в отличие от предыдущих и последующих лет проводилось определение формальдегида, чем и объясняется наиболее высокое значение К в этом году. Величина ИЗЛ с 2005 по 2006 г. поднималась с 6,2

до 7,2, затем понизилась до 6,46 в 2008 г. и выросла до 7,74 в 2009 г. [4, 8-11].

Из всех городов области Цимлянск является наиболее благополучным, так как концентрации всех загрязнителей воздуха не превышают ПДК. Среди аэ-рополлютантов этого города эффект суммации проявляли оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) [5]. Величина ИЗЛ с 2005 по 2009 г. постепенно снижалась от 0,6 до 0,37, что соответствовало низкому уровню загрязнения [4, 8-11]. Величина К в этот период была существенно ниже 1 и уменьшалась от 0,165 до 0,016 (таблица).

Анализ данных экологического мониторинга воздуха городов Ростовской области за последние 5 лет показывает, что величины общего количества выбросов от стационарных и передвижных источников не взаимосвязаны с величинами ИЗЛ5 [4, 8-11], а величины последнего не коррелируют со значениями КБ . Постоянными аэрополлютантами в городах области являются пыль, оксиды серы (IV), углерода (II), азота (IV) и (II), бенз(а)пирен и формальдегид, а характер других поллютантов определяется промышленным профилем города. Более полное определение состава атмосферных загрязнителей позволяет получить достоверную оценку качества воздуха населенных пунктов.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. В условиях антропогенного загрязнения и существующих нормативов безопасности городской окружающей среды целесообразно использовать предложенный коэффициент безопасности системы К£, учитывающий влияние всех загрязнителей и соотносящий реальное состояние городской экосистемы с состоянием, допускаемым действующими санитарными правилами и нормами. Этот коэффициент представляет собой отношение площадей областей адекватности реальной системы 5 и экологически

безопасной системы 5 . Система безопасна, если КБ < 1 , и экологически опасна при К£ > 1 .

При оценке качества городской среды обитания учет однонаправленного действия загрязнителей ужесточает критерии качества и экологической безопасности среды обитания и более отвечает презумпции потенциальной опасности любого загрязнения окружающей среды.

Литература

1. Руководство по контролю загрязнения атмосферы: РД

52.04.186-89. М., 1989. 1085 ^

2. Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. Сис-

темный анализ в управлении. М., 2006. 368 с.

3. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д,

2000. 576 с.

4. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов

Ростовской области в 2009 г.: экол. вестн. Дона / под общ. ред. С.Г. Курдюмова, Г.И. Скрипки, М.В. Пара-щенко. Ростов н/Д, 2010. 315 с.

5. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03. Предельно

допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. М., 2003. 182 с.

6. Ильченко И.А. Критерий пригодности системы и оценка

экологической безопасности воздуха урбоэкосистемы // Антропогенная трансформация природных экосистем : материалы Всерос. науч.-практ. конф. Балашов, 13-14 октября 2010 г. Балашов, 2010. С. 72-77.

7. Об экологической экспертизе: федер. закон № 174-ФЗ от

23 нояб. 1995 г. // Собр. законодательства Рос. Федерации. 1995. № 26. Ст. 4556.

8. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов

Ростовской области в 2005 г.: экол. вестн. Дона / под общ. ред. С.М. Назарова, В.М. Остроуховой, М.В. Па-ращенко. Ростов н/Д, 2006. 311 с.

9. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов

Ростовской области в 2006 г.: экол. вестн. Дона / под общ. ред. С.М. Назарова, В.М. Остроуховой, М.В. Па-ращенко. Ростов н/Д, 2007. 358 с.

10. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов

Ростовской области в 2007 г.: экол. вестн. Дона / под общ. ред. С.М. Назарова, Г.И. Скрипки, М.В. Паращен-ко. Ростов н/Д, 2008. 345 с.

11. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов

Ростовской области в 2008 г.: экол. вестн. Дона / под общ. ред. С.Г. Курдюмова, Г.И. Скрипки, М.В. Пара-щенко. Ростов н/Д, 2009. 355 с.

Поступила в редакцию

28 марта 2011 г.