CC BY
59
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -
УДК 621.311.25 : 502/504
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ РАЗМЕЩЕНИЯ РОСТОВСКОЙ АЭС
© 2013 г. Е.И. Шаврак, М.В. Гуляев, В.М. Сапельников
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного
университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
Поступила в редакцию 10.09.2013 г.
В работе рассмотрены различные подходы к оценке экологической безопасности территории размещения Ростовской АЭС, в том числе исследована экологическая устойчивость водоема-охладителя РоАЭС и урбоэкосистемы г. Волгодонска.
Ключевые слова: экологическая безопасность, устойчивость, потенциальная функция, состояние окружающей среды, техногенное воздействие.
Экологическая безопасность, представляющая собой совокупность условий, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности населения и устойчивое состояние природных экосистем, является одной из важнейших составляющих национальной безопасности. Негативные социально-экологические тенденции последних лет определяют необходимость выявления региональных факторов риска и снижения неблагоприятного эффекта их воздействия, что служит основой экологической политики и устойчивого эколого-экономического развития регионов.
Интенсивное развитие атомной энергетики обусловливает актуальность рассмотрения вопросов оценки и обеспечения экологической безопасности зоны размещения атомных станций. Данная работа посвящена оценке экологической безопасности территории размещения Ростовской АЭС, а именно - устойчивости ее природно-технических систем. В качестве объектов исследования рассматривались водоем-охладитель (ВО) РоАЭС и крупный промышленный центр Ростовской области город Волгодонск с численностью населения 169 тысяч человек, расположенный в 13,5км от АЭС.
Материалы и методы исследования
Вопросы устойчивости экосистем, находящихся на территории Ростовской области, рассматривались рядом авторов, в том числе В.Е. Закруткиным, Ю.А. Федоровым, В.А. Савицкой, А.Д. Хованским и А.С. Орлинским. Согласно [1] область расположения РоАЭС находится на границе относительно благоприятных и неблагоприятных природных условий. Степень устойчивости наземных экологических систем к воздействию антропогенных и природных факторов может быть охарактеризована как умеренная [2]. Уровень экологической напряженности на территории размещения РоАЭС, рассматриваемый для трехзвенной экологической цепи: антропогенная нагрузка (промышленная, сельскохозяйственная, транспортная) -загрязнение окружающей среды (атмосферного воздуха, питьевой воды, почв и сельхозпродукции) - здоровье человека, оценивается как кризисный [3].
Способность природно-технических систем (ПТС) к нормальному функционированию определяется, в том числе, их экологической устойчивостью, т.е. способностью экосистемы сохранять свои свойства и параметры в условиях
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
действующих возмущений. Одним из наиболее информативных современных методов исследования устойчивости открытых систем, каковыми являются все ПТС, является синергетический метод неравновесных потенциальных функций [4-6]. Он позволяет на основании статистических данных о состоянии ПТС анализировать их текущее состояние с точки зрения устойчивости и определять задачи обеспечения устойчивого развития систем. В данной работе с помощью потенциальных функций рассмотрены динамики изменения состояния ПТС ВО РОАЭС и урбоэкосистемы г. Волгодонска. Указанные подсистемы постоянно испытывают извне влияние комплекса факторов разной природы и интенсивности. Его оценка осуществлялась в работе с помощью интегрального показателя Он учитывает степень выраженности наиболее значимых внешних факторов, среди которых были выделены химическое и тепловое воздействие.
При оценке внешнего влияния на подсистему ВО Ростовской АЭС, вследствие незначительности его химического загрязнения [7], учитывали только тепловое воздействие как со стороны атомной станции, так и природного происхождения. Поскольку тепловое загрязнение ВО РоАЭС сопряжено с электрической мощностью атомной станции, в качестве его косвенного показателя использовали количество выработанной РоАЭС электроэнергии (0энер млрд. кВт/час в год). Вклад климатических особенностей в тепловое загрязнение ВО РоАЭС оценивали с помощью усредненных за период апрель - декабрь значений температуры воздуха что обусловлено наличествующим объемом анализируемой информации.
Для характеристики внешнего воздействия на подсистему г. Волгодонска использованы такие показатели среды обитания населения, как среднегодовая температура воздуха tв, ИЗА5 - комплексный индекс загрязнения воздуха, УКИЗВ -удельный комбинаторный индекс загрязнения поверхностных вод в районе Волгодонска. Загрязнение городских почв не выходит за пределы нормативных, поэтому в интегральном показателе 5 не учитывалось.
Необходимо отметить, что при оценке экологической устойчивости подсистем в качестве внешнего воздействия не рассматривалась радиация. Это объясняется тем, что по результатам ежедневного радиационного контроля в зоне возможного влияния Ростовской АЭС радиационная обстановка остаётся стабильной, уровень гамма-фона не превышает значений многолетних наблюдений и составляет 0,10-0,12 мкЗв/ч .
Характеристики внешнего влияния на рассматриваемые экологические подсистемы приведены в таблице 1.
Таблица 1. Показатели внешнего воздействия на ПТС
Год Подсистема Волгодонска Подсистема ВО РоАЭС
tв, °С[8] УКИЗВ ИЗА5 ^в, °С[8] Оэнер, млрд. кВт/час в год[9]
2002 10,08 2,29 15,60 12,81 7514,00
2003 9,00 3,01 7,53 12,85 7299,00
2004 10,28 2,71 9,99 13,04 7814,00
2005 10,41 1,63 13,60 14,24 7607,00
2006 9,77 2,94 17,20 14,34 7580,00
2007 11,44 3,52 12,10 14,46 7672,00
2008 10,15 2,36 10,80 13,66 7893,00
2009 10,35 2,43 13,17 14,35 8245,00
Так как все значения показателей внешнего воздействия находятся в разных единицах измерения, то для приведения их к одной размерности проводилось нормирование по формуле:
р:
Р z max
где рz - фактическое значение показателя, р^ах - максимальное значение показателя за рассматриваемый период (2002-2009 гг.) (таблицы 1,2). На основе нормированных частных показателей находили значения интегральных показателей внешнего воздействия s:
n . n
s = ад... + акPn ,
где aj,...^k - весовые коэффициенты учитываемых показателей. Сумма их значений должна быть равна единице. На первом этапе исследования все весовые коэффициенты принимались одинаковыми.
Экологическую устойчивость подсистем исследовали с помощью потенциальной неравновесной функции у, тождественно равной производству энтропии в подсистеме. Реакция подсистемы на внешнее воздействие проявляется как динамическое изменение ее состояния, в процессе которого она стремится минимизировать эту потенциальную функцию [6].
Для оценки устойчивости подсистемы ВО РоАЭС к тепловому загрязнению в качестве потенциальной функции (уВо) использовали значения фоновых температур воды в ВО, найденных в ходе корреляционно-регрессионного анализа совокупности данных о температурных режимах ВО и сопряженном с ним участке ЦВ за период с апреля по декабрь 2002-2009 гг. При этом были установлены статистически значимые линейные корреляции высокого качества между температурой воды в ВО (tBo ) и ЦВ 0цВ) и построены соответствующие модели простых линейных регрессий вида:
tвo =А +b1 t^
Численные значения свободного члена регрессии A интерпретировались нами как фоновая температура воды в ВО.
При выборе потенциальной функции для подсистемы г. Волгодонска руководствовались тем соображением, что изменение качества среды обитания неизбежно сказывается на состоянии здоровья населения. В связи с этим в качестве потенциальной функции были выбраны показатели смертности населения (случаев на 1000 человек населения) [10]. Количественные значения потенциальных функций подсистем приведены в таблице 2.
Таблица 2. Значения потенциальных функций
год ЩО Уг
2002 1,85 9,90
2003 1,44 9,90
2004 1,76 10,20
2005 0,17 10,60
2006 3,42 10,70
2007 2,96 10,00
2008 4,27 10,60
2009 5,14 10,50
При установлении зависимости между показателями внешнего воздействия ^ и потенциальными функциями у, согласно методологии теории катастроф [5], последовательно рассматривались полиномы от третьей до шестой степени при одновременном варьировании весовых коэффициентов показателей внешнего воздействия. В качестве критерия выбора окончательного варианта регрессии при этом выступало ее качество (коэффициент детерминации R2). Устойчивость текущего состояния подсистем определяли на основании графической интерпретации потенциальной функции у. На рисунке 1 изображен график потенциальной функции, аппроксимируемой полиномом четвертой степени [6] Минимумы функции соответствуют устойчивому состоянию. Переход от одного такого состояния к другому осуществляется через точки бифуркации.
устойчивые состояния
Рис. 1. График потенциальной функции Результаты и их обсуждение
В ходе исследования установлены взаимосвязи между величинами внешнего воздействия и откликом рассматриваемых подсистем на эти воздействия. Их потенциальные функции описываются полиномными моделями четвертой степени, идентифицируемыми в теории катастроф как «катастрофа сборки» [4]. При анализе полученных результатов уделялось внимание следующим аспектам: качеству регрессий, характеризуемому коэффициентом детерминации и отражающему адекватность выбора показателей внешнего воздействия; весовым коэффициентам показателей, по численному значению которых судили о значимости того или иного воздействия для состояния подсистемы; исследованию временной деформации потенциальных функций, позволяющему определить области устойчивости подсистем. Характеристики функций приведены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристики потенциальных функций
Подсистема Уравнение потенциальной функции Весовые коэффициенты показателей внешнего воздействия Коэффициент детерминации R2
Водоем -охладитель РоАЭС уВО = 1E+06s4 - 5E+06s3 + 7E+06s2 - -4E+06s + 942210 Я^энер)=0,15, а(^в)=0,85 0,71
г. Волгодонск 8061^4 - 23768s3 + 26086s2 --12628s + 2284 а(УКИЗВ)=0,1, а^)=0.4 а(ИЗА5)=0.5 0,95
Сравнительно низкое качество зависимости величины фонового теплового
загрязнения ВО РоАЭС от температуры воздуха и теплового воздействия со стороны
*-» 2
атомной станции ^=0,71) может также объясняться неучтенными видами воздействия. Напротив, выбранный комплекс внешних факторов, действующих на подсистему г. Волгодонска, достаточно полно характеризует изменения соответствующей потенциальной функции, что подтверждается высоким качеством регрессии ^ =0,95). Показателем значимости того или иного вида внешнего воздействия для состояния подсистемы являются их весовые коэффициенты а.
Исследования свойств подсистемы ВО РоАЭС показали, что фоновое тепловое загрязнение водоема также в большей степени зависит от температуры окружающего воздуха (а(^в)=0,85), нежели от теплового воздействия РоАЭС (а^энер)=0,15). Очевидно, причиной этого является, с одной стороны, быстрая прогреваемость водоема вследствие его незначительной глубины, с другой - глобальные климатические изменения. Как видно из таблицы 4, практически равную значимость для потенциальной функции подсистемы г. Волгодонска, в качестве которой выступает показатель смертности горожан, имеют температура (а^в)=0,4) и степень загрязнения атмосферного воздуха (а(ИЗА5)=0,5). Качество поверхностных вод почти не влияет на потенциальную функцию.
С целью определения устойчивости подсистем в рассматриваемый период были проанализированы графики соответствующих потенциальных функций. На рисунке 2 приведены некоторые из них, из которых видно, что подсистемы отличаются между собой по устойчивости. Это проявляется в различной продолжительности их пребывания в состоянии устойчивости (в областях, соответствующих минимумам функций). В целях сравнительной характеристики подсистем по графикам функций определена эта продолжительность (Т^).
На основании полученной информации рассчитаны показатели относительной устойчивости Ul, соответствующие доле Т в рассматриваемом временном диапазоне (2002-2009 гг, 8 лет). Введена шкала устойчивости. Принято, что при значениях Ul <0,3 степень устойчивости подсистемы ниже средней, величинам Ul = 0,3-0,5 -соответствует средняя устойчивость, при Ul >0,5 - устойчивость выше средней. Полученные результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4. Показатели устойчивости рассматриваемых подсистем
Подсистема Потенциальная функция lu U; Степень устойчивости
ВО РоАЭС Уво 4 0,50 средняя
г. Волгодонск ^г 2 0,25 ниже средней
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из рассмотренных систем наименьшей экологической устойчивостью к химическому и тепловому воздействию в период 2002-2009 гг. обладала экосистема г. Волгодонска. Этому способствовало сочетание высокого уровня химического загрязнения атмосферного воздуха с глобальными климатическими изменениями. В связи с тем, что химическое загрязнение имеет техногенную природу и является регулируемым фактором, его снижение должно стать приоритетным направлением мероприятий по повышению экологической безопасности территории размещения РоАЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Закруткин, В.Е. и др. Комплексное экологическое районирование Ростовской области. Методические аспекты [Текст] / В.Е. Закруткин, М.М. Рышков // Известия ВУЗов. СевероКавказский регион. Естественные науки. - 1996. - №3 - С. 3-9.
2. Федоров, Ю.А. и др. Геоэкологические особенности устойчивого развития Ростовской области [Текст] / Ю.А. Федоров, В.А. Савицкая. - Ростов-н/Д : ООО "Терра", 2005. - 200 с.
3. Орлинский, А.С. и др. Экохозяйственная сбалансированность и устойчивое развитие территорий. Подходы, методы, применение [Текст] / А.С. Орлинский, А.Д. Хаванский. -Саарбрюкен : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. - 262 с.
4. Арнольд, В.И. Теория катастроф [Текст] / В.И. Арнольд. - М.: Изд-во МГУ, 1983.
5. Быстрай, Г.П. Методы синергетики в анализе структурных сдвигов в промышленности: разработка унифицированных моделей и алгоритмов анализа устойчивости текущих состояний в условиях внешнего и внутреннего управления [Текст] / Г.П. Быстрай // Вестник кибернетики. - Тюмень: Изд-во ИПОС СО РАН, 2003. - Вып. 2. - С. 71-88.
6. Быстрай, Г.П. и др. Неравновесные макросистемы: целостность, эффективность, надежность [Текст] / Г.П. Быстрай, Д.В. Пивоваров. - Свердловск: УрГУ, 1989. - 192 с.
7. Шаврак, Е.И. и др. Исследование влияния Волгодонской АЭС на экологическое состояние Приплотинного плеса Цимлянского водохранилища [Текст] / Е.И. Шаврак, В.М. Сапельников, И.А Генераленко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - Спец. вып. - С. 160167.
8. Данные о температуре воздуха в 2002-2009 гг. г. Волгодонска [Электронный ресурс] // Официальный сайт Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - 2013. - Режим доступа: URL: http://meteo.ru/data -10.04.2013.
9. Отраслевой обзор «Атомная энергетика РФ» [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: URL: http://www.mashportal.ru/research-289.aspx. - 16.02.2011.
10. Шаврак, Е.И. и др. Корреляционно-регрессионный анализ влияния автотранспорта на состояние здоровья населения [Текст] / Е.И. Шаврак, Т.С. Шапкина, Д.С. Шаврак // Гигиена и санитария. - 2009. - №1. - С. 5-9.
The Estimation of Ecological Security Rostov NPP's Territory E.I. Shavrak, M.V. Gylaev, V.M. Sapelnikov
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360, e-mail: [email protected]
Abstract - The article describes the different approaches to the estimation of ecological security of the territory where Rostov nuclear power plant is situated. It also includes the research of ecological stability of Rostov NPP's cooling reservoir and Volgodonsk urbanecosystem.
Keywords: ecological security, stability, potential function, environment conditions, technological influence.
