Оценка природного и экологического риска Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 614.8

Оценка природного и экологического риска

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2013

А.К. Тыныбеков

Аннотация

В статье изложены основные проблемы оценки природного и экологического риска как научно-практического процесса.

Ключевые слова: оценка риска; категоризация степени риска; модели для расчета экологического риска.

Evaluation of Natural and Environmental Risk

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2013

A. Tynybekov

Abstract

The article describes the main problems of assessment of natural and environmental risk as a scientific and practical process.

Key words: risk assessment; risk categorization; the model for the calculation of the environmental risk.

Оценка экологического риска представляет собой сложный и постоянный научный и научно-практический процесс, включающий в себя возможность и необходимость итерационных подходов, т.е. улучшения результата оценки риска путем многократного улучшения качества исходной информации (рис. 1).

Исходная информация является результатом научных исследований в самых разных областях знаний — от биогеохимии и экотоксикологии до химической технологии и инженерной экологии.

Процесс экологической оценки риска состоит из нескольких компонентов: идентификации опасности; определения границ зоны риска; оценки путей воздействия; характеристики риска; управления риском.

Процесс идентификации опасности нацелен на качественное предсказание воздействия. Как правило, на этой стадии можно выявить на качественном уровне потенциально серьезное воздействие тех или

иных загрязняющих веществ на окружающую среду. Уже на данном этапе могут быть приняты определенные решения по управлению экологическим риском с использованием финансовых или административных методов. Анализ имеющейся литературы может стать полезным при получении информации для идентификации опасности и принятия возможных мер по ее устранению.

Процесс количественной оценки опасности включает в себя рассмотрение схемы максимально возможного потока вещества и установления географических границ возможного воздействия того или иного загрязнителя (рис. 2).

Процесс характеристики риска оценивает частоту и серьезность токсических воздействий, их обратимость или необратимость.

Необходимость проведения экологической оценки риска возникает тогда, когда прямой и однозначный ответ затруднен благодаря наличию большого числа неопределенностей при описании жизненных циклов химических продуктов от добычи и переработки сырья до использования продуктов и их после-

Рис. 1. Схема научных исследований в процессе экологической оценки риска

Рис. 2.. Пути воздействия хим.веществ на биоту и человека

дующей судьбы. Очень редко может быть дан однозначный ответ. Источники неопределенности могут быть следующими:

отсутствие понимания важных причинно-следственных взаимодействий, отсутствие удовлетворительной научной теории (например, процессы биоаккумуляции токсических веществ в пищевых цепях; воздействие воздушных поллютантов на развитие растений и сельскохозяйственных культур);

использование моделей, не соответствующих реальным условиям из-за отсутствия данных и необходимости их упрощения, а также вследствие недостаточного знания предмета;

недостаточная информативность токсикологических данных при их экстраполяции от животных к человеку и от высоких экспериментальных краткосрочных доз к низким, но длительным дозам загрязненной окружающей среды;

отсутствие или недостаточность научной истории, связанной с поведением многих конкретных вновь синтезируемых химических веществ в различных компонентах окружающей среды.

В соответствии с этими источниками неопределенности можно привести следующие примеры информационного обеспечения, которые показывают необходимость выполнения экологической оценки риска, поскольку та или иная часть необходимой информации является неопределенной или содержит в себе неопределенность:

потенциальные выбросы опасных химических веществ в окружающую среду — источники, скорость и количество;

миграция и судьба загрязняющих веществ в окружающей среде;

механизмы и скорость процессов дисперсии в атмосфере или разбавления в природных водах;

воздействие токсикантов — дозы, чувствительные организмы, продолжительность;

стихийные бедствия — землетрясения, цунами, тайфуны, ураганы и т. д.;

изменения гидрогеологических, почвенных и растительных характеристик ландшафтов (изменение глубины залегания грунтовых вод, эрозия почвы, изменение типов землепользования и т. д.).

Можно видеть, что приведенные примеры охватывают практически все сферы промышленности, транспорта, сельского и коммунального хозяйства. Следовательно поведение всех химических веществ в течение их жизненного цикла в той или иной форме включает в себя неопределенность, и, соответственно, и судьба в окружающей среде должна определяться с использованием методов экологической оценки риска. Другими словами, должна быть количественно охарактеризована вероятность проявления негативного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду и человека. Отсюда и несомненный интерес специалистов, работающих в области химии и экотоксикологии окружающей среды к данному методу.

Первым шагом в процессе экологической оценки риска является выявление и формулирование проблемы. Необходимо оценить класс химических веществ (химикаты или пестициды), их токсичность и возможную сферу распространения. Этот шаг включает

предварительную характеристику воздействия и токсических эффектов. Если этап идентификации вредного воздействия выделяется в качестве самостоятельного, то в его задачи входит характеристика стрессов и воздействие на экологические объекты — человека и экосистемы.

На этом же этапе рассматривается выбор параметров, по которым оценивается степень токсичности поллютанта. К числу таких параметров могут быть отнесены:

содержание рассматриваемого химического вещества в различных средах (атмосфера, почва, вода, растение, биота);

изменение активности различных биохимических показателей в организмах животных и человека (прежде всего ферментов);

нарушение репродуктивных функций и выживаемости в целом различных тест-объектов (микроорганизмы, рыбы, животные и др.).

Эти параметры определяются либо путем проведения полевых и лабораторных измерений (мониторинга), либо путем экспертных оценок. Итогом идентификации вредного воздействия является создание концептуальной модели. Концептуальная модель может включать в себя и соответствующий компьютерный алгоритм расчета.

На основании всей собранной информации о воздействии изучаемого химического соединения на загрязнение окружающей среды и созданной концептуальной модели проводится количественный анализ вредного воздействия. Такой анализ осуществляется, как правило, путем компьютерных расчетов, поскольку необходимо обрабатывать большие объемы разного рода данных, включающие в себя:

характеристику физических и химических свойств вещества;

характеристику воздействия на биоту и человека; характеристику геохимических и биогеохимических потоков вещества в изучаемых загрязненных ландшафтах по сравнению с фоновыми; характеристику токсических эффектов; характеристику продолжительности воздействия и т. д.

Все эти данные обрабатываются на компьютерах с использованием предложенного алгоритма. Обязательным элементом расчетов является анализ неопределенности входных данных и влияние этой неопределенности на окончательный или промежуточный результат расчетов.

На этапе анализа возможно, а часто и необходимо, проведение разного рода итераций, т.е. выполнение повторных расчетов на основе уточнения входной информации, и ее влияние на получаемые результаты.

В целом этап анализа вредного воздействия принципиально похож на любое аналитическое исследование, основанное на получении тех или иных коли-

чественных заключений на основании имеющегося материала.

Характеристика риска представляет конечную фазу оценки риска, когда интегрируются и обсуждаются все данные, полученные на предшествующих этапах. Одним из наиболее распространенных методов, используемых для таких оценок, является метод сравнения полученных результатов с результатами аналогичных проектов или исследований. Риск от воздействия изучаемого химического вещества сравнивается с риском от других факторов путем составления с другими химическими веществами, природными или социальными параметрами.

Все заключительные параметры, полученные на этапе характеристики риска, должны быть прозрачны, сформулированы четким языком, исключающим двусмысленное толкование результатов. Характеристика риска ведет непосредственно к фазе управления риском. Степень риска оценивается в зависимости от стоимости возможного ущерба и относительной частоты его проявления (рис. 3).

В табл. 1 суммированы все этапы, которые необходимо пройти в процессе экологической оценки риска для различных химических веществ.

Модели для расчета экологического риска загрязняющих веществ для человека.

Кинетика токсического вещества в биологических объектах в значительной степени подчиняется экспоненциальной зависимости, которую, в общем виде можно записать, как:

А( = АдаехрА (М0), (1)

где: А( — концентрация токсического вещества в органе или во всем организме в момент времени

Лю — концентрация токсического вещества в органе или во всем организме в начальный момент времени /0;

X — постоянная выведения (выделения) из организма, связанная со временем половины жизни ксенобиотика в окружающей среде Т соотношением:

Т = X / 0,693. (2)

Принятая в США и европейских странах на основе этих подходов система расчета экологического риска предполагает использование следующего уравнения:

R = [1 - ехр (-иЛ • С)], (3)

где: Я — риск возникновения неблагоприятного эффекта, определяемый как вероятность (в долях единицы) возникновения этого эффекта при заданных условиях;

С — реальная концентрация или доза вещества, оказывающего вредное воздействие;

Рис. 3. Категоризация степени риска в зависимости от частоты происшествий и экономического ущерба от загрязнения

окружающей среды

Последовательность шагов в процессе оценки экологического риска

Таблица 1

1. Сбор информации

ознакомление с экологическим законодательством;

контакты с местными юридическими и экологическими представителями; ознакомление с экотоксикологическими базами данных;

сбор информации о физико-химических и экотоксикологических характеристиках изучаемых химикатов

2. Определение экологического воздействия

сбор существующей информации для всех блоков концептуальной модели ОЭР;

определение ценности и достоверности собранной информации, первичный анализ неопределенности;

проведение дополнительных экспериментальных исследований, если они необходимы для заполнения существующих пробелов в информации; Использование количественно-структурных взаимоотношений для первичной оценки новых химикатов; выбор наиболее чувствительных тест-культур для определения уровня токсичности

3. Характеристика риска

сравнение концентраций химических веществ (актуальных или потенциальных) с существующими санитарно-гигиеническими нормативами;

идентификация уровня опасности для популяции (использование величин ЛД50, ЛД95)

4. Управление риском

меры регулирования эмиссии поллютантов (запрет, ограничения, отбор наиболее токсичных, предотвращение загрязнения); осуществление постоянного и периодического мониторинга;

создание эколого-экономических оптимизационных моделей для определения направленности инвестиций;

повторение процесса экологической оценки риска для химикатов при увеличении их производства, появлении новой информации, авариях, высоких уровнях локальных и региональных загрязнений

ик — единица риска, определяемая как фактор (коэффициент) пропорции риска в зависимости от значения действующей концентрации (дозы).

Для расчета иЯ в основном используют метод анализа данных эпидемиологического характера о степени нарушения здоровья при определенных до-зо-временных условиях, где Я — риск возникновения

(вероятность возникновения) неблагоприятного эффекта; С — реальная доза вещества, оказывающая воздействие; иЯ — единица риска, определяемая как коэффициент пропорции роста риска в зависимости от значения действующей дозы. Допустим, что при загрязнении воды свинцом дозой 0,03 мг/м3, риск заболеваемости болезнями нервной системы составля-

ет 20 % относительно нормальных условий: Я = 0,2 ; С = 0,03 мг/м3. Подставляем в (3), получаем

Отсюда

0,2 = [1 - ехр(-^ х 0,03)].

иЯ = -1п (0,8) / 0,03 ~ 7,4.

Таким образом, уравнение расчета патологии нервной системы в зависимости от дозы примет вид:

R = [1 - ехр(-7,4 х С)].

Современные токсикологические исследования указывают, что иЯ также является функцией концентрации вещества, и для расчета риска более точным было бы использование уравнения:

R = а - Ь х ехр (-UR х С).

(4)

Оценка загрязнения осуществляется в соответствии с кратностью превышения ПДК:

К = См / ПДК,

(5)

где См — максимальная концентрация вещества в воде.

При присутствии в воде веществ, обладающих эффектом суммации биологического действия, рассчитывается приведенная к одному из веществ концентрация (обладающая менее благоприятным классом опасности):

МАС МЛС,

Спр = С, + С2——11 +...+С 1

МАС2

'МЛС„

(6)

Оценка степени загрязнения воды для комбинации веществ ведется по Спр. Из экспериментальных исследований строится график зависимости «концентрация-эффект», который на логарифмически пробитной сетке аппроксимируется прямой. Далее определяется тангенс угла наклона Ра.

Уравнение линейной зависимости У = a + Ь X может быть представлено уравнением:ы

Prob = 1&(ЕС0) + tga х lgС,

(7)

где РгоЬ — вероятность эффекта (Я), выраженная в пробитах, в соответствии с уравнением нормального вероятностного распределения:

( ^

1 Рго1

R = ,— [ ехр л/2п 1

где: С — концентрация вещества;

Ж,

(8)

ЕС0 — концентрация вещества с эффектом, принятым за 0.

Для расчета эффектов, связанных с длительным воздействием загрязнителей, используется информация об их среднегодовых концентрациях.

Степень загрязнения рассчитывается с учетом кратности превышения среднегодового ПДК вещества. В соответствии с (7) среднегодовые значения ПДКГ, определяются из значения среднесуточного ПДКсс по формуле:

ПДКг = а . ПДКсс.

Значения коэффициента для различных веществ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Вещество Коэффициент а

Аммиак, оксид и диоксид азота, бензол, диоксид марганца, диоксид серы, синтетические жирные кислоты, фенол 1

Трихлорэтилен 0,4

Амины, анилин, взвешенные вешества, хлор 0,34

Серная кислота, фосфорный ангидрид, фториды 0,3

Ацетальдегид, ацетон, толуол этилбензол 0,2

Акролеин 0,1

Для расчета вероятного времени наступления токсических эффектов от накопленной суммарной дозы при оценке кратности превышения ПДК используют следующее уравнение:

Т = ^ Г0 - ^

/- сь Л

МАС

(9)

Т У

здесь: Т — вероятное время наступления токсического эффекта;

Т0 — расчетное время гарантированного (р < 0,05) отсутствия токсического эффекта (в медико-экологических исследованиях этот период должен равняться 25 годам);

С — осредненная концентрация токсичного вещества;

МЛСТ (ПДКГ) — гигиенический регламент;

Ь — коэффициент, учитывающий особенности токсикологических свойств вещества. В табл. 3 приведены значения рекомендуемых коэффициентов Ь в зависимости от экспозиции загрязнения (13).

При выборе Т0 следует учесть, что длительность круглосуточной экспозиции экспериментальных животных при проведении исследований по регламентированию вредных веществ в населенных местах обычно составляет 10—15 % времени жизни лабораторных животных.

2

Таблица 3

Период, составляющий в среднем Значение коэффициента b при классе опасности

1 2 3 4

20—30 мин. 1,36 1,08 1,00 0,95

24 ч. 1,37 1,11 1,00 0,93

1 мес. 1,57 1,16 1,00 0,91

1 год 2,35 1,28 1,00 0,87

При экстраполяции на 25 лет 2,40 1,31 1,00 0,86

При концентрациях < ПДК 1,00

Оценка токсикокинетики большей части регламентированных химических соединений и сравнительной физиологии человека и лабораторных животных показывает, что в медико-экологических исследованиях этот период должен быть определен как 25 лет.

Расчет риска токсических эффектов в результате хронического воздействия загрязнений. Хроническое воздействие загрязнителя в течение жизни человека в концентрации на уровне ПДК может вызвать токсический эффект с вероятностью не выше 5 %, в то время как воздействие на уровне пороговой концентрации — с вероятностью не менее 95 %. В этом случае уравнение (9) может быть представлено в двух вариантах:

lg T = 4 - lg

C

ь Л

lg T95 = 4 - lg

vMACT ,

' Cb

K

v MACT J

(10)

(11)

где: Т5 — время, необходимое для начала развития эффектов хронической интоксикации с вероятностью

5 %;

Т95 — время, необходимое для начала развития эффектов хронической интоксикации с вероятностью 95 %.

Для практического применения предлагается следующее уравнение расчета риска:

где Т1 — время жизни человека при заданных условиях, а величина Ргаь связана с риском в соответствии с уравнением (8).

При выборе Т1 следует учесть, что в медико-экологических исследованиях среднее время жизни человека принимается на уровне 70 лет или 25000 суток. При использовании иных временных интервалов это значение должно уточняться в соответствии с конкретными условиями.

Литература

1. Тыныбеков А.К. Состояние фитопланктона озера Иссык-Куль. Бишкек: КРСУ, 2009. 229 с.

2. Тыныбеков А.К. Гидрологические риски рек южного берега озера Иссык-куль // Вестник Бишкекского гуманитарного университета. Бишкек, 2007. № 2 (8). С. 56—62.

3. Тыныбеков А.К., Азаматов Н.А., Алчикеев А.Т., Осмонканов Н.О. Оценка туристических рисков // Вестник КГУСТА. 2012.

4. Тыныбеков А.К. ГИС-технологии для изучения малых озер Иссык-Кульского региона // Вестник КГУСТА. 2012.

5. EPA (1989). Risk Assessment Guidance for Superfund. Vol. II: Environmental Evolution Manual and Ecological Assessment of Hazardous Waste Sites - Field And Laboratory References Environmental Protection Agency. Washington, D.C.

6. Risk Assessment for Contaminated sites in Europe. Vol.1. Scientific Basis. LQM Press. Nottingham. 1998.

Сведения об авторе

Тыныбеков Азамат Калыевич: Информационный центр МАГАТЭ, Кыргызско-Российский Славянский Университет, директор центра.

720000, Кыргызская Республика, г Бишкек, ул. Киевская, 44. E-mail: [email protected]

P =

rob

3,3-(lg T9S - lg Ts)

2 -

(lg T95 )2 +(lg T )2 -(lg T95 + lg T )

lg T -

lg T95 - lg Ts

2

(12)

Окончание публикации материалов Международной научно-практической конференции «Современные системы предупреждения катастроф и управление рисками бедствий»