CC BY
245
УДК 629. 735
РЕГУЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОКРУГ КОМПЛЕКСОВ АВИАПРЕДПРИЯТИЙ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ АВИАПЕРЕВОЗОК
Н.И. НИКОЛАЙКИН
В статье рассмотрены особенности современной защиты окружающей среды от воздействия ряда предприятий, связанных жизненным циклом выполнения авиатранспортной работы, и обоснованы рекомендации по повышению экологической безопасности гражданской авиации.
Ключевые слова: регулирование состояния, негативное воздействие, особенности современной защиты.
Введение (негативное воздействие авиации на окружающую среду)
Долгое время было распространено мнение, что воздействие воздушного транспорта на окружающую среду (ОС) заключается в выбросах отработавших газов авиационных двигателей и в шуме, создаваемом воздушными судами (ВС) на местности, остальное несущественно и не требует внимания. Однако и шум, и газы авиадвигателей характеризуют, прежде всего, уровень экологического совершенства продукции авиационной промышленности. Переход на экологически более совершенную технику экономически крайне не прост [1].
Общий объём негативного воздействия, оказываемого воздушным транспортом на ОС, предопределил требования, предъявляемые к экологической безопасности деятельности современной ГА, содержащиеся, кроме Федеральных законов, в специализированных экологических стандартах, в документах Международной организации гражданской авиации ИКАО и, в малой степени, в специальных документах отрасли, таких как Федеральные авиационные правила (ФАП), Авиационные правила (АП) и др.
Количественный анализ, выполненный на основании официальной статистики [2], показал, что в РФ передвижные транспортные средства гражданской авиации загрязняют атмосферу только на 1 % от соответствующих выбросов источников всех видов транспорта страны, в которых превалирует автотранспорт. Все стационарные источники авиапредприятий ГА химически загрязняют атмосферу около 4 % от суммарного показателя транспортного комплекса при явном лидировании таких отраслей, как «дорожный комплекс» и «железнодорожный промышленный». На газоочистку поступает только ~ 15 % выбросов стационарных источников ГА. Доля ГА в объёме сточных вод и их загрязнённости нефтепродуктами составляет 5 %, при этом очень мала оснащённость авиапредприятий ГА системами очистки сточных вод - на уровне всего 18 %. Твёрдые отходы воздушного транспорта составляют около 2 % от общей массы, образующейся в транспортном комплексе.
Относительно новая концепция учёта всех видов воздействия на окружающую среду (ОС) в полном жизненном цикле существования продукции, под которым подразумевается сумма взаимосвязанных стадий от разработки природных ресурсов до утилизации всех образующихся отходов - "концепция «жизненного (ресурсного) цикла» продукции (услуги)" в соответствии с идеологией международных экологических стандартов ИСО серии 14 000 [1]. В Экологической доктрине Российской Федерации [3] сформулирована задача "введения ответственности производителя за произведенный продукт в течение всего цикла его существования от получения сырья и производства до утилизации".
Анализ комплексного процесса авиаперевозок [1], нацеленный на выявление всех источников воздействия на окружающую среду в полном жизненном цикле, показал, что помимо воздействия выбросов отработавших газов авиационных двигателей и шума, создаваемого воздушными
судами, существует ещё ряд значительных экологических факторов, ибо гражданская авиация представляет собой сложную технико-экономическую систему, объединяющую не только сферы собственной деятельности, но и другие области хозяйствования человека. Всё это обеспечивает необходимый объём авиаперевозок, но увеличивает негативное воздействие на ОС.
Формирование антропогенно-изменённых экосистем вокруг авиапредприятий
Важной особенностью воздействия на экосистемы вокруг авиатранспортных предприятий, реализующих центральную часть жизненного цикла процесса выполнения авиатранспортной работы, является то, что авиапредприятия бывают редко размещены в природной среде обособленно. В существующих условиях хозяйствования практически любой аэропорт, отстоящий от обслуживаемого им крупного промышленного центра или города, фактически представляет собой конгломерат из нескольких авиапредприятий ГА с инфраструктурой организаций, связанных с ними жизненным циклом процесса выполнения авиатранспортной работы. Это аэровокзал, авиационно-техническая база (АТБ), топливозаправочная компания, АТБ крупных авиакомпаний, ремонтные организации вплоть до авиаремонтных заводов, а также это гостиничный комплекс, охраняемые и неорганизованные стоянки прибывающего автотранспорта, магазины [ 4 ].
Объект, взаимодействующий с окружающей средой, представляет собой неединичное авиапредприятие или организацию ГА, а комплекс таких предприятий и (или) организаций. Они группируются рядом друг с другом, частично взаимно проникают на территорию смежных предприятий или арендуют площади, объекты, сооружения и т. п. В результате всё перечисленное образует характерный для гражданской авиации комплексный узел авиатранспортных предприятий (УАТП), хотя эти организации могут принадлежать к различным отраслям экономики (рис. 1).
Авиапредприятия и организации узла самостоятельны и финансово независимы, тем не менее, они взаимосвязано нацелены на выполнение единой авиатранспортной работы. При формировании экологической ситуации в регионе УАТП играет роль концентрированного источника антропогенного воздействия на ОС. Вокруг общей границы узла существует санитарнозащитная зона и более широкая "зона влияния", в пределы которых попадают как естественные, так и антропогенно-изменённые экологические системы, а также практически всегда (с нарушением действующих правил) и жилые дома.
Разделить между отдельными субъектами хозяйствования ответственность за негативное воздействие на экосистемы, приведшее к их разрушению, - задача крайне сложная, при этом эффективно регулировать воздействие на ОС каждой организации отдельно, без учёта общности выполняемой работы и их совместного воздействия на природу, - невозможно принципиально.
Теория рационального природопользования требует рассматривать единый природнопромышленный комплекс с изменёнными (или изменяющимися) естественными связями, техногенными геохимическими аномалиями, представляющими собой результат адаптивной деятельности системы и, в свою очередь, адаптирующей среду.
Рассматривая принципиальную структуру комплексной системы, сформированной под воздействием некоего предприятия как частный случай ландшафтно-техногенного комплекса, приходим к выводу, что элементы природной среды (вода, воздух, земельные ресурсы) выступают в этом случае не только как компоненты ландшафта, но и как ресурсы, эксплуатируемые производством. Интенсивность переноса массы и энергии внутри таких систем обусловливается преимущественно характером производственных (технологических) процессов. В частности, для химического предприятия характерна глубокая переработка вещества (сырья), сопровождающаяся изменением их свойств и образованием побочных продуктов. Для транспортного предприятия характерно использование значительного количества углеводородного топлива и кислорода воздуха для получения энергии и, в конечном счёте, для выполнения работы по перемещению пассажиров и грузов в пространстве.
Рис. 1. Ситуационный план авиатранспортного узла как геотехнической системы (без соблюдения масштаба): АРЗ - авиаремонтный завод; АТБ - авиационно-техническая база;
АЗС - автозаправочная станция; ВПП - взлётно-посадочная полоса;
ВС - воздушное судно; ТЗК - топливозаправочный комплекс
Поэтому далее в экологическом анализе воздействия авиации на ОС применены теория физико-химических систем (ФХС) и теория геотехнических систем (ГТС).
Физико-химические и геотехнические системы в гражданской авиации
Классическое определение ФХС дано В.В. Кафаровым и И.Н. Дороховым в работе [5]:
«... т-фазовая, п-компонентная сплошная среда, распределённая в пространстве и переменная во времени. При наличии источника или стока в каждой точке гомогенной среды и на границе фаз происходит перенос вещества и энергии. Система осложнена совмещёнными явлениями различной природы (гидромеханические, химические, тепловые, диффузионные и др.), линейными, нелинейными, сосредоточенными и распределёнными параметрами».
Геотехническая система, по определению [6], - это открытая система, в которой антропогенный (транспортный, промышленный или иной) объект обменивается массой и энергией с окружающей его средой. Процессы передачи массы, энергии и информации в ГТС подчиняются тем же общим закономерностям, что и в искусственно созданных физикохимических системах (ФХС). Природную подсистему в ГТС можно рассматривать как некий химический реактор с распределёнными параметрами, в котором протекают процессы, направленные на нейтрализацию материальной и энергетической техногенной нагрузки.
Опираясь на общую промышленную классификацию [5] ФХС и ГТС предприятий с различными уровнями по характеру их взаимодействия с природной средой и по степени трансформации природного вещества, энергии, информации, применительно к процессу выполнения авиатранспортной работы (перевозок) в гражданской авиации, предлагается представить иерархию транспортных ФХС и ГТС в ГА, как показано в табл. 1.
Таблица 1
Классификация физико-химических и геотехнических систем в ГА [4]__________
Общие классификационные признаки Характерные примеры в ГА
1-й иерархический уровень
Технологическое устройство - аппарат или машина, предназначенные для реализации одного или нескольких параллельно протекающих физико-химических процессов (при одинаковых параметрах в рабочей зоне) по переработке природного материала (в том числе вторичных ресурсов) либо для производства или преобразования (утилизации) энергии Двигатель на углеводородном топливе: реактивный (для маршевого двигателя самолёта); газотурбинный (для вспомогательной силовой установки самолёта); внутреннего сгорания (для спецавтотранспорта)
2-й иерархический уровень
Технологическая линия - последовательность взаимосвязанных материальными (энергетическими) потоками ФХС 1-го уровня, предназначенная для осуществления ряда последовательных физико-химических процессов с целью превращения сырьевых материалов и топлива в целевой продукт (услугу) Транспортное средство, обеспечивающее перевозку людей (удовлетворяющее потребности в перемещении самого человека и/или его груза): воздушное судно; автомобиль
3-й иерархический уровень
Авиатранспортное или иное предприятие и окружающая его среда - совокупность технологических линий, основных и вспомогательных процессов, обеспечивающих выпуск одного или нескольких целевых продуктов (либо оказание услуг), с использованием дополнительных ресурсов окружающих экосистем (атмосферы, водоёмов, территории) Авиакомпания, аэропорт, автотранспортная организация
4-й иерархический уровень
Транспортный (промышленный) узел и окружающая его среда - геотехническая ФХС, состоящая из нескольких ФХС 3-го уровня, связанных технологией производства единой продукции (услуги или предмет потребления, необходимых человеку) и объединённых взаимосвязанной инфраструктурой: источники энергии, транспортная сеть, бытовые и социально-культурные предприятия, учреждения здравоохранения Узел АТП вокруг аэродрома-аэропорта с несколькими авиакомпаниями, топливозаправочным комплексом, автозаправочными станциями, аэровокзалом, грузовым терминалом, стоянками личного и общественного автотранспорта, станцией железной дороги, предприятиями общественного питания, другими организациями
5-й иерархический уровень
Территориально-производственный транспортный комплекс -геотехническая ФХС, объединяющая на определённой территории несколько ФХС 4-го уровня с целью полного использования комплексного ресурсного потенциала региона по принципу ресурсных и производственно - (транспортно-) технологических циклов для удовлетворения потребностей людей Крупный населённый пункт, мегаполис, в котором потребности людей в перевозке обеспечиваются: воздушными судами на большие и сверхбольшие расстояния; поездами - на средние; автомобилями - на малые расстояния
Первые два уровня классификации - двигатель в качестве технологического устройства и транспортное средство в качестве технологической линии - представлены техническими ФХС, перерабатывающими природное вещество или продукты его искусственной трансформации (преимущественно авиатопливо).
Остальные три уровня ФХС - это типичные геотехнические системы, специфической особенностью которых является интенсивность процессов в ГТС, обусловленная разнообразием технологических процессов, размером систем и масштабом экологических последствий. Узлы авиатранспортных предприятий, специфическое формирование которых рассмотрено выше, представляют собой ГТС 4-го уровня.
Территория ГТС (ФХС третьего и четвертого уровней) делится на центральную зону непосредственного воздействия и зону косвенного влияния. Центральная (производственная) зона ГТС - это целенаправленно преобразованная территория, на которой размещены авиатранспортные объекты. В зоне сконцентрированы вещество и энергия, участвующие в производственных (технологических) процессах. В данной зоне выделяют три подзоны: активную, ослабленной активности и периферийную. В активной подзоне (на территории авиапредприятия), где размещены транспортные средства, а также вспомогательные технологические аппараты и линии, реализуются процессы переработки природных ресурсов в экстремальных условиях интенсивных нагрузок (давление, температура, концентрация -особенно в двигателях). Здесь формируются максимальные техногенные нагрузки на природную среду. Характер их проявления определяется степенью открытости технических систем, то есть интенсивностью материально-энергетического обмена с окружающей средой.
В подзоне ослабленной активности (обычно это территория санитарно-защитной зоны вокруг территории предприятия) могут располагаться склады, пожарные депо, бани, прачечные, гаражи, мотели, общественные здания административного назначения, нежилые помещения для дежурного персонала и охраны предприятия, электроподстанции, сооружения оборотного водоснабжения и т.п. Эта подзона характеризуется высокой концентрацией вещества, участвующего в технологическом процесссе, повышенным давлением, нормальной температурой и большей степенью открытости, чем активная подзона.
Зона влияния представлена естественным ландшафтом с повышенными концентрациями веществ, участвующих в технологических процессах. В этой зоне в большой степени проявляется действие механизма самоочищения природной среды, зависящего от географических условий, величины техногенного пресса и предельно допустимых экологических нагрузок.
В новой редакции СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 дополнительно к традиционному понятию «санитарно-защитная зона» в 2008 г. впервые введено понятие «санитарный разрыв», означающее определённую территорию вдоль стандартного маршрута полета в зоне взлета (или посадки) воздушных судов, на которой интенсивность воздействия источника химического, биологического и/или физического воздействия уменьшается до значений гигиенических нормативов. Величина санитарного разрыва устанавливается в каждом конкретном случае на основании расчетов рассеивания загрязнения атмосферного воздуха и физических факторов (шума, вибрации, электромагнитных полей и др.) с последующим проведением натурных исследований и измерений. По своему функциональному назначению санитарно-защитная зона и зона санитарного разрыва являются защитными барьерами, обеспечивающими уровень безопасности населения при эксплуатации объекта.
Совершенствование защиты окружающей среды от воздействия авиации
Накопление в природной среде продуктов техногенеза обуславливает необходимость разработки методов её защиты, а также пересмотра как тактических приёмов, так и стратегии защиты путём оптимизации структуры ФХС, ГТС и связующих взаимообменных потоков на всех иерархических уровнях. При этом важное государственное и международное значение имеет решение научной проблемы разработки и обоснования организационной структуры
системы экологической безопасности узлов авиатранспортных предприятий и принципов её реализации на основе современных достижений науки и техники.
Природоохранная деятельность эксплуатационных предприятий ГА формировалась и совершенствовалась в соответствии с развитием отечественного экологического законодательства. В частности, с принятием Федерального закона от 10.01.02 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» значительно изменилось понимание роли мониторинга состояния окружающей среды. Так, если ранее мониторинг (наблюдение) за процессами, происходящими в окружающей природной среде, организовывался просто для обеспечения заинтересованных организаций и населения информацией об этих изменениях, то, в соответствии со статьёй 63 нового закона, информацию, полученную при осуществлении госэкомониторинга, органы государственной власти должны использовать для принятия соответствующих решений и разработки мероприятий по защите ОС.
Система экомониторинга, включающая современные методы биотестирования и биоиндикации, позволяет получить комплексную оценку не только всех особенностей воздействия различных химических веществ, но и воздействия физических факторов - авиационного шума, электромагнитных излучений, радиации и прочего антропогенного воздействия на природные системы, что важно для контроля процесса выполнения авиатранспортной работы во всём жизненном цикле.
О целесообразности использования очистных сооружений
При разработке теоретического обоснования принципов управления деятельностью УАТП по данным контроля состояния природных экологических систем в геотехнической системе соответствующего узла предложено [ 4 ] сумму средних финансовых затрат ^сум(^) на обеспечение экологической безопасности представить в следующем виде
¿сум ( t ) = ч V t ) + у V t ) + и ^защ( t ) , (1)
где Якр(0 и Rпр(t) - интенсивность (количество за единицу времени) соответственно
катастрофических и предупредительных восстановлений экосистемы в момент времени ^ Дзащ( t ) -
интенсивность защитных процедур, уменьшающих воздействие на экосистемы, в момент времени ^ ч, V, и - средние затраты на одно критическое (аварийное), на одно предупредительное восстановление свойств экосистемы и на одну защитную процедуру соответственно.
Тогда математическая модель системы обеспечения экологической безопасности может быть записана в виде оптимизируемого функционала
/1 Г
S = }Ф(/, х, г, г)СИ=|.(5сум( ,) + 2 т,ф, + X т+I ф ) <*, (2)
0 0 у
где т - неопределённые множители Лагранжа; ф - управляющие параметры объекта (с индексом /) и локальных средств регулирования экологической безопасности объекта (с индексом т) двух видов ф(1) = С т - С или ф(2) = С - С ■ а также функции (результаты)
///С1.Х ГГЦ/1
процесса (с индексом] ).
Функция цели Ф(^ X, Г, 7) зависит от времени и зависит от времени t и трёх групп факторов X, Г, 7, причём множество функций X = (х1, х2, ..., хр) объединяет линейная зависимость от времени, Г = (у;, у2, ..., уО - квадратичная зависимость от времени, 7 = (г;, г2, ..., гд) - более сложная временная зависимость. Здесь и далее полагаем, что все функции из множеств X, Г, 7 непрерывны на интервале [0; t1].
В результате обработки подынтегрального выражения зависимости (2) операторами уравнений Эйлера-Лагранжа получим
/ЭФЛ
Эх'
V ЭХп(
— 0
ЭФ
V Эуп У
= 0-
ЭФ _ Эгк }
' ЭФ Л
.К
—0, (3)
где п, п и к _ любые целые положительные числа 1, 2, 3, ... , получены решения, описывающие локальный условный экстремум оптимизируемого функционала (2), а после преобразований получены решения в виде конечных алгебраических выражений, приведённые далее.
При отсутствии в системе защитных средств регулирования (Язащ (I) = 0) интенсивность
катастрофических «регулировок» Якр (I) и интенсивность предупредительных «регулировок» Япред (I) имеют вид выражений (4) и (5) соответственно.
п (,) — а V1 () + Д V ^знз () + "V Сбио/ ()
Якр() — акр V к + Дкр V к + Укр V К - (4)
г Кмг з Кзн з / К био/
Я (Г) — О V ^М‘ (^) + Д V Сзнз() + v V Сбио/() (5)
^пред(Г) пред К _ X + ^пред^ К _ X + ' пре^^ К _ X , (5)
г Кмг мг } Кзн з зн/ / Кбио/ био/
где а, в, у - весовые коэффициенты; См . (I) - расход (-го вещества, поступающего в экообъект без очистки в момент времени I ; С . ( I ) - величина потока энергии з-го вида, поступающей в
эн з
объект без её поглощения (ослабления) системами регулирования в момент времени I; Сбш ^ ( I )
- расход (микро)организмов /-го вида, интродуцированных в экологический объект воздушными судами с экипажем, грузами и пассажирами без их обезвреживания санитарноэпидемиологическими устройствами регулирования в момент времени I ; Км. , К^н . , Кбио/ -
хозяйственная (или биологическая) ёмкость экологического объекта для поступления в него г-го вещества, энергии з-го вида или случайного интродуцирования нераспространённых в нём (микро)организмов /-го вида; 5- "резерв экологической безопасности".
Анализ системы, имеющей защитные средства регулирования (например, локальные очистные сооружения), привёл к выражению интенсивности защитных «регулировок» Язащ (I) в виде зависимости (6)
Я т а VДм,«)_СМГ(О +Д VС„(<)_сзТ(О+„ Vс.ио/(О_Сбит«) (6)
Язащ(> >.щ2Г ^(0 р”щ2т »„(о у“щт »био/(I) , ( )
^очищ /^-гсниж ^обеззарч / ч
где С (С С ) - количество вещества (энергии, организмов), поступающего в
экообъект в единицу времени в момент I после защитных процедур (очистки, снижения интенсивности, обеззараживания); » (I) - ёмкость защитной системы по данному виду негативного воздействия.
В результате постановки и исследования методами вариационного исчисления вышепоста-вленной задачи в работе [4] было показано, что только введение защитных сооружений позволяет минимизировать средние затраты по обеспечению экологической безопасности, тогда как ранее считалось, что строительство очистных сооружений всегда только удорожает систему. Выполненный анализ показал, что именно наличие очистных сооружений (желательно встраиваемых в локальные линии удаления отходов) даёт возможность минимизировать суммарные удельные затраты на обеспечение экологической безопасности геотехнических систем, окружающих современные узлы авиатранспортных предприятий.
Заключение
В гражданской авиации на современном этапе её развития помимо традиционной задачи совершенствования авиатехники приоритетными направлениями повышения экологической безопасности гражданской авиации в жизненном цикле выполнения авиатранспортной работы являются:
- воздействие на функционирование производственных систем узла авиатранспортных предприятий с инфраструктурой окружающих его организаций, реализующих жизненный цикл выполнения авиатранспортной работы;
- контроль состояния окружающей среды узлов авиатранспортных предприятий с использованием биологических методов контроля (биоиндикация и биотестирование);
- регулирование негативного воздействия узла авиатранспортных предприятий на окружающую среду через систему экологического управления на основе данных контроля состояния окружающих экосистем;
- оснащение стационарных источников загрязнения встраиваемыми локальными устройствами регулирования (очистки) отходящих потоков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николайкина Н.Е., Николайкин Н.И., Матягина А.М. Промышленная экология. Инженерная защита биосферы от воздействия воздушного транспорта. - М.: Академкнига, 2006.
2. О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1991-2000 гг. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2001-2008 гг. // Государственные доклады. - М.: Минэкологии-Госкомэкологии-Минприроды России, 1992-2009.
3. Экологическая доктрина РФ, одобренная Распоряжением Правительства РФ от 31.08.02 № 1225.
4. Николайкин Н.И. Управление экологической безопасностью промышленно-транспортных и энергетических узлов: монография. - М.: МГУ инженерной экологии, 2007.
5. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Диаграммный принцип описания физико-химических систем // Гидродинамика и явление переноса в двухфазных дисперсных системах: межвуз. сб. науч. тр. - Иркутск: ИПИ, 1977.
6. Балабеков О.С., Бахов Ж.К., Воробьев О.С., Шакиров Б.С. Оценка и управление техногенной нагрузкой химических предприятий на природную среду / под ред. О.Г.Воробьева. - Алматы: Ктап палатасы, 2002.
REGULATION OF THE ANTROPOGENNO-CHANGED ECOSYSTEMS CONDITION ROUND AVIATION ENTERPRISES COMPLEXES IN AIR SERVICE LIFE CYCLE
Nikolaykin N.I.
In article modem environmental protection features from influence of some the enterprises connected by air transport work performance life cycle are considered and recommendations about civil aviation ecological safety increase are proved.
Key words: condition regulation, negative influence, features of modern protection.
Сведения об авторах
Николайкин Николай Иванович, 1950 г.р., окончил МИХМ (1972), доктор технических наук, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, профессор кафедры безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, автор более 200 научных работ, область научных интересов - инженерная экология, экологическая безопасность ГА, организация производства на транспорте.
