CC BY
57
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА РАЗМЕЩЕНИЯ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ ПО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
Ф.Ф. Брюхань, М.В. Графкина, А.Д. Потапов
■ЁИШ л
ш
ВВЕДЕНИЕ
В составе предпроектных работ для строительства атомных станций (АС) ключевую роль занимает процедура выбора пункта и площадки для их размещения, включающая полный цикл инженерных изысканий, исследование факторов, связанных с влиянием объектов на окружающую среду и радиационную безопасность населения, а также других факторов, связанных с деятельностью человека [10]. В составе инженерных изысканий выполняются инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические изыскания, исследования по оценке сейсмической опасности. Согласно [10], пункт размещения АС понимается как территория в пределах рассматриваемого района, позволяющая разместить несколько площадок, для которых ландшафтно-географические и ситуационные условия (взаимное расположение АС и городов, крупных предприятий и других объектов, условия водоснабжения, транспортные условия, социально-демографические, агропромышленные и производственные условия) близки по своим характеристикам.
При завершении этапа изыскательских работ необходимо провести окончательный выбор оптимального варианта из системы конкурентных (альтернативных) пунктов по каждому виду инженерных изысканий по определенным критериям, присущим этим видам изысканий. При этом проводится анализ совокупности критериев, относящихся ко всем исследуемым природным условиям с учетом факторов, связанных с влиянием АС на окружающую среду и радиационную безопасность, а также других факторов, связанных с деятельностью человека. Необходимо отметить при этом, что инженерно-экологические изыскания являются новым видом изысканий [17, 18], поэтому система геоэкологических критериев, относящихся к выбору пункта и площадки АС к настоящему времени практически отсутствует.
Ниже описаны результаты построения алгоритма выбора оптимального пункта размещения АС, система геоэкологических критериев и результаты практической реализации обоснования размещения АС на примере выбора пункта Архангельской атомной электроцентрали (АТЭЦ).
1. АЛГОРИТМ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ПУНКТА РАЗМЕЩЕНИЯ АС ПО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
Характерной чертой различных этапов предпроектных и проектных работ является необходимость выбора наиболее оптимального из альтернативных вариантов. Улучшение в решении задач проектирования одних параметров может привести к ухудшению других. В нашем случае оценивание должно проводиться с определением и сопоставлением геоэкологических и экологических показателей рассматриваемых вариантов по качественному или детерминированному выражению некоторых частных, а на завершающем этапе - комплексных критериев, учитывающих степень выполнения предъявляемых к проектируемым системам экологических требований.
При выборе оптимального пункта размещения АС по геоэкологическим критериям можно использовать подходы, раскрытые в работах [2, 12-14]. При этом выделяются макро-, мезо-, микроуровни геоэкологического изучения территорий.
На макроуровне (с масштабами от 1:2500000 до 1:100000) оценивается влияние проектируемой природно-технической системы, как на состояние целостности ландшафтов, так и на отдельные компоненты экосистем с прогнозом изменений и интенсивности обратных (управляющих) связей, обеспечивающих гомеостаз, как сложившейся экосистемы, так и вновь создаваемой. На мезоуровне (с масштабами от 1:100000 до 1:25000) рассматриваются конкретные территории, подлежащие застройке с прогнозом интенсивности прямых воздействий, как для целостных ландшафтов, так и на их отдельные компоненты. На микротерриториальном уровне (с масштабами от 1:25000 до 1:2000 и даже крупнее) изучение геоэкологического состояния природно-технических систем приобретает важнейшее значение, так как на данном уровне разрабатываются конкретные строительные проекты с инженерными решениями по защите окружающей среды.
Результатами геоэкологических исследований должны стать предложения по максимальному сохранению природного ландшафта и рекомендации по защите компонентов биотопов (атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, геологической среды), а также материалы по оценкам элементов биоценозов (почвы, флоры, фауны, микозов, микробиологических объектов). Последние не являются элементами собственно геоэкологических оценок и изучаются биологическими методами, но решение задач охраны окружающей среды a priori носят комплексный характер и должны быть определены при ландшафтных исследованиях.
Модель анализа и оценки геоэкологической безопасности при проведении инженерных изысканий схематично можно представить в виде структуры представленной на рис. 1. Предложенная модель показывает импликативную взаимосвязь различных категорий ландшафтов и природных ресурсов и технических систем. В зависимости от результатов инженерных изысканий (включая инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические) возможен переход пункта, предполагаемого для застройки (части С) из категории природных ландшафтов и ресурсов (П) в категорию природно-технических систем (ПТС). При этом дальнейшее устойчивое равновесное состояние ПТС будет зависеть от соотношения, взаимосвязи и взаимовлияния ПиС.
Рис. 1. Модель оценки экологической безопасности при проведении инженерных изысканий
В табл. 1 представлены показатели оценки состояния ПТС в зависимости от конфигурации компоновочного решения и соотношения величин П+С и ПТС+С (где П -естественный ландшафт с естественными стабильными гомеостазом, С - площадь отведенная под строительство, ПТС - площадь существующей природно-техногенной системы). В таблице Кн обозначает коэффициент площадной нарушен-ности ландшафтов.
Кн = Б ПТС+с / Б п (1)
где Бптс+с-
площадь природно-техническои системой с вновь вводимой площадью застройки, на уровне используемого масштаба, м2;
Бп - площадь естественного ландшафта с естественными стабильными гомеостазом, м2.
После определения степени нарушенности ландшафта конкурентные пункты (площадки) предполагаемого строительства рассматриваются, анализируются и оцениваются по уровню техногенного воздействия на окружающую среду. Комплексным критерием, как было сказано выше, выбран минимум техногенного воздействия на окружающую среду, определяющий экологический эффект воздействия выбранного варианта в сравнении с другими рассматриваемыми альтернативными вариантами.
Будем использовать детерминированные (численные) методы оценки, так как существуют аналитические зависимости, устанавливающие импликативную взаимосвязь функциональных показателей проектируемых систем с их экологическим эквивалентом техногенного воздействия.
Выбираем методы скаляризации комплексного критерия экологической безопасности, описанный в [6], в которых задается эталонный объект (система), помещаемый в пространство частных экологических показателей. Эти методы основаны на так называемой модели расстояния. В модели расстояния за комплексный критерий рассматриваемых объектов (систем) принимается расстояние от этих объектов до эталонного объекта. В различных модификациях модели расстояния для вычисления расстояния до эталонного объекта используются разные метрики.
Так как в нашем случае экологические показатели нельзя считать равноценными, то следует использовать разновидность метрики Минковского [11]
I (Су , Со) =
Ев( У у - У о)2 , У = 1, (1)
1=1
где в ( I = 1, п) - весовые коэффициенты, учитывающие неравноценность частных экологических показателей, у у - значение 1-го нормированного значения частного экологического показателя для ]-го варианта, уг0 - значение 1-ой координаты вектора идеального варианта.
Таблица 1
_Показатели оценки состояния ПТС_
Решение Оценка состояния уязвимости Категория состояния
П+С Естественный ландшафт с естественными стабильными взаимоотношениями (гомео-стаз экосистем) Устойчивое динамическое равновесие
ПТС+С 1. Степень нарушенности ландшафта (Кп>0,5) приводит к возникновению высокого уровня вероятности нарушения динамического равновесия. Состояние, при котором развитие природно-техногенных процессов приводит к нарушению динамического равновесия и способствует возникновению критических ситуаций в эксплуатации ПТС.
2. Степень нарушенности ландшафта (0,3<КП<0,5) приводит к вероятности нарушения динамического равновесия. Состояние ПТС, при котором развитие природных и природно-техногенных процессов приводит к нарушению динамического равновесия и может способствовать возникновению критических ситуаций в ее эксплуатации.
3. Степень нарушенности ландшафта (Кп<0,3) не приводит к нарушению динамического равновесия. Состояние ПТС, при котором развитие природных и природно-техногенных процессов не приводит к нарушению динамического равновесия.
Значения I(Су, С0 ) являются комплексными экологическими показателями безопасности природно-технических систем и представляют собой меру близости оцениваемых вариантов к идеальному (в нашем случае нулевому воздействию). Этот совокупный фактор будет пониматься как критерий пункта размещения АС. Его минимальное значение из группы конкурентных пунктов отвечает оптимальному варианту по геоэкологическим критериям.
Неоднородность частных экологических показателей предопределяет необходимость проведения специальных преобразований - унификации и нормирования.
МГСУ
Унификация экологических показателей, таких, как воздействие на атмосферу, гидросферу, почву и др., уменьшение которых приводит к повышению экологической безопасности природно-технических систем, осуществляется преобразованием
где у{т;п - минимальное предельное значение 1-го показателя (в нашем случае
При такой унификации идеальный вариант проектируемой природно-технической или технической системы в пространстве унифицированных частных экологических показателей (ЧЭП) всегда находится в начале координат. Это свойство унифицированных ЧЭП с одной стороны упрощает вычисления комплексного показателя качества, а с другой - позволяет иметь фиксированный уровень сравнения эффективности альтернативных вариантов проектируемых систем.
Другим преобразованием ЧЭП является нормирование. В отличие от унификации, которая является полезным, но не обязательным преобразованием, нормирование ЧЭП представляет собой необходимое преобразование. Это связано с тем, что выражение (1) для определения значений комплексного показателя альтернативных вариантов могут быть использованы лишь в том случае, если все ЧЭП имеют одинаковые масштабы шкал измерения и одинаковые значения других параметров. В противном случае разные ЧЭП будут давать различные приращения или «вклады» в расстояние до идеального варианта. При этом «вклады» ЧЭП в расстояние I( С., С0) зависят в основном от следующих факторов: диапазона изменения значений ЧЭП, масштаба шкал измерения значений ЧЭП, важности ЧЭП, доступности реализации требуемых значений ЧЭП. Таким образом, задача нормирования значений ЧЭП состоит в уравнивании их «вкладов» в метрику I(Сj, С0 ) независимо от
факторов, вызывающих эти различия.
Обычно значения ЧЭП нормируют путем их деления на некоторый нормирующий коэффициент, т. е.
В качестве нормирующего коэффициента предлагаются следующие его
значения [7]: Д = а{у,); Д = У ,тах; Д = У0; Д = У ,тах - У,т1п; в = т(у),
максимальное, минимальное и требуемое значение 1-го ЧПК, соответственно, т(У,) -математическое ожидание 1-го ЧЭП.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО ПУНКТА РАЗМЕЩЕНИЯ АРХАНГЕЛЬСКОЙ АТЭЦ ПО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
Район предполагаемого строительства АТЭЦ представляет собой прилегающую к г. Архангельску территорию с радиусом порядка 30 км. Намечаемые пункты размещения АТЭЦ:
У,* = У, - У, т1п , I = 1 П
(2)
У, т1п = 0).
где СГ(У,) - среднеквадратическое отклонение 1-го ЧЭП (, = 1, п), У,шах, У,™", У,
- «Рикасиха» - с центром на расстоянии 6 км на ЮЗ от пос. Рикасиха;
- «Цигломень» - с центром на расстоянии 5 км на ЮЗ от пос. Цигломень;
- «Правобережный» - с центром на расстоянии 6 км на ЮВ от аэропорта Талаги.
Перечисленные пункты, представляющие собой зоны с радиусом 5 км, представлены на рис. 2. Поскольку на характеристики природной среды района строительства АТЭЦ оказывают различные явления и процессы, происходящие на значительном удалении от района, исследована территория радиусом 50 км и более вокруг г. Архангельска (см. рис. 2.).
Рис. 2. Ситуационная карта района исследования. Пункты размещения АТЭЦ слева направо: «Рикасиха», «Цигломень», «Правобережный»
В качестве исходных данных для выявления оптимального пункта размещения АТЭЦ использовался Государственный доклад о состоянии природной среды Архан-
МГСУ
гельской области за 2002 г. [5], материалы Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве по природным условиям района размещения Архангельской АТЭЦ, а также литературные данные [1, 3, 8, 9]. Изыскательские работы выполнялись для обоснования инвестиций в строительство АТЭЦ, подготовка которого осуществлялась Научно-исследовательским и конструкторским институтом энерготехники им. H.A. Долежаля».
Главная особенность объектов атомной энергетики, и в частности, АС, заключается в необходимости учета воздействия радиационных факторов на окружающую среду. Другие факторы воздействий АС играют второстепенную роль. Соответствующим образом строится стратегия оценки геоэкологической безопаснсоти и в последующем система инженерной защиты ландшафтной оболочки.
При выборе оптимального варианта размещения АС исходят из соображений нанесения минимального экологического ущерба для населения и ландшафтной оболочки (атмосферного воздуха, водных объектов, почвы, геологической среды, земель сельскохозяйственного назначения, лесов и других объектов растительного мира, животного мира, особо охраняемых территорий) при штатном режиме работы АС. В качестве исходных данных для выбора оптимального пункта АС по геоэкологическим критериям и разработки мероприятий инженерной защиты окружающей среды используется совокупность данных о равновесном состоянии природно-техногенной среды. Анализ же опасных и особо опасных явлений и процессов, вызванных экстремальными природными факторами (землетрясениями, геотектоническими процессами, карстовыми явленими, накатом волн цунами, ураганами, смерчами, катастрофическими затоплениями и пр.) проводится главным образом для организации радиационной защиты населения и экологические проблемы остаются на втором плане. Отметим, что при штатном режиме АС радиационные воздействия незначительны. Так, например, согласно [16], выброс радионуклидов в атмосферу из вентиляционных труб АС в несколько раз ниже чем из дымовых труб угольных и мазутных ТЭС.
С учетом сказанного в качестве основных геоэкологических критериев принимем следующие (по степени их негативного воздействия на природную среду).
Фактор загрязнения атмосферы . В качестве него естественно принять величину
у т
пропорциональную коллективной дозе облучения населения, проживающего вокруг АС. Здесь Nут - численность населения в угловых секторах (румбах
горизонта) у в интервале радиусов [Ят, ^т+1 ] от источника радиоактивного выброса, - соответствующие климатические значения коэффициента
метеорологического разбавления у поверхности земли.
Фактор загрязнения водной среды /в. На стадии выбора пункта размещения АС гидрологическая изученность территории обычно недостаточно детальна. Поэтому при
2.1. Система геоэкологических критериев
(3)
определении фактора следует реально исходить лишь из самых общих
характеристик поверхностных вод. В данном случае естественно принять на экспертном уровне оценку, учитывающую наличие водотоков и площадь водоемов в зоне влияния АС (зоне с радиусом порядка 10 км вокруг АС).
Фактор загрязнения почвы /п. Наибольшая часть радионуклидов попадает в
почву в результате гравитационного осаждения частиц и их вымывания осадками из
атмосферы. Таким образом фактор /п можно задать в виде величины,
пропорциональной суммарному значению поля коэффициента метеорологического разбавления в зоне влияния АС:
(4)
у т
Здесь А3ут - площади почвенного покрова в в угловых секторах у в интервале радиусов [Ят, Ят+1] от АС.
Фактор изъятия земель и нарушения геологической среды f3 принимается как суммарная площадь изъятых земель и нарушенной геологической среды для проведения строительства АС.
Фактор воздействия на растительный и животный мир fpжм принимается на
экспертном уровне и учитывает количественную характеристику и видовое многообразие флоры и фауны в зоне влияния АС.
Фактор воздействия на особо охраняемые территории foom также
принимается на экспертном уровне с учетом наличия в зоне влияния АС особо охраняемых территорий и их площади, входящей в зону влияния АС.
Таблица 2
Факторы воздействий АТЭЦ Весовые коэфициенты
Загрязнение воздушного бассейна 0.6
Загрязнение водной среды 0.3
Загрязнение почвы 0.025
Изъятие земель и нарушения геологической среды 0.025
Воздействие на растительный и животный мир 0.025
Воздействие на особо охраняемые территории 0.025
Следует иметь в виду, что воздействие разных факторов АС на ландшафтную оболочку неодинаково. Согласно [15] ущерб от загрязнения воздушного бассейна оценивается в 60 %, водной среды - в 30 % от общего экологического ущерба. Если оставшиеся 10 % равномерно отнести к остальным рассматриваемым четырем факторам (фактору загрязнения почвы, фактор изъятия земель и нарушения геологической среды,
фактору воздействия иа растительный и животный мир, фактору воздействия на особо охраняемые территории), можно получить следующие весовые коэффициенты воздействия АС на природную среду (см. табл. 2).
2.2. Результаты расчетов
Для определения численных значений факторов воздействий Архангельской АТЭЦ на природную среду использованы материалы Государственного доклада о состоянии природной среды Архангельской области за 2002 г. [5], материалы инженерных изысканий по оценке пригодности района размещения АТЭЦ, данные Научно-прикладного справочника по климату СССР [9] и картографические материалы по Архангельской области.
Для оценки фактора загрязнения атмосферы на основе консервативной модели атмосферной дисперсии [4] по климатическим данным ветра [9] рассчитывалось климатическое поле коэффициента метеорологического разбавления. По картографическим материалам определялась численность населения Nут в элементах угловых секторов.
Для оценки фактора загрязнения водной среды применялись экспертные
оценки. Оценка фактора загрязнения почвы . проводилась с помощью карты почвенного покрова и с учетом поля коэффициента метеорологического разбавления, рассчитанного по методике [4]. При этом суммирование по формуле (4) проводилось по 8 румбам горизонта и 3 интервалам расстояний от центров возможных пунктов размещения АТЭЦ (0-1, 1-5, 5-10 км).
Таблица 3
Значения экологических показателей для конкурентных пунктов размещения
Архангельской АТЭЦ
Экологические показатели «Правобережный» «Рикасиха» «Цигломень»
Фактор загрязнения воздушного бассейна, с/м3 2.87х10-2 1.16х10-2 3.78х10-2
Фактор загрязнения водной среды, баллы 3 3 2
Фактор загрязнения почвы, схкм2/м3 0.863х10-4 2.59Х10-4 4.71х10-4
Фактор изъятия земель и нарушения геологической среды, баллы 2 2 2
Фактор воздействия на растительный и животный мир, баллы 2 2 2
Фактор воздействия на особо охраняемые территории, баллы 0 0 0
По поводу фактора изъятия земель и нарушения геологической среды . Он будет практически одинаков для всех пунктов, поскольку проект АС одинаков и процесс строительных работ предполагает одинаковое изъятие земель и нарушение геологической среды. То же касается фактора воздействия на растительный и животный мир /ржм . Поскольку особо охраняемых территорий в зоне влияния АС во всех рассматриваемых пунктах нет, фактор /оот можно принять равным нулю.
Значения частных экологических показателей для возможных пунктов размещения АС представлены в табл. 3. С использованием алгоритма выбора оптимального варианта пункта размещения АС, описанного в п. 1, расчетные комплексные экологические показатели для пунктов «Правобережный», «Рикасиха», «Цигломень», составляют соответственно 0.54, 0.34 и 0.60. Таким образом, по комплексному экологическому показателю Архангельская АТЭЦ будет оказывать наименьшее негативное воздействие на окружающую среду в штатном режиме работы в варианте ее размещения в пункте «Рикасиха».
Разработанная методика выбора оптимального пункта во многом применим для процедуры размещения других крупных промышленных объектов по геоэкологическим критериям, и в частности, для тепловых электростанций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В статье предложены алгоритм и система геоэкологических критериев для выбора оптимального варианта пункта размещения атомных станций с использованием материалов инженерных изысканий. В качестве основных факторов воздействий использованы факторы загрязнения атмосферы, поверхностных вод, почвы, факторы изъятия земель и нарушения геологической среды.
2. Расчет комплексных экологических показателей для конкурентных пунктов «Рикасиха», «Цигломень», «Правобережный» позволил установить оптимальный пункт размещения Архангельской АТЭЦ - «Рикасиха».
3. Отмечается, что разработанная методика во многом применима для процедуры размещения других крупных промышленных объектов по геоэкологическим критериям, и в частности, для тепловых электростанций.
Литература
1. Атлас почв СССР // Под ред. П.С.Кауричева и И.Д.Громыко. М.: Колос. 1974. 168 с.
2. Аэрокосмическое зондирование в системе экологической безопасности взаимодействия природы и сооружений // В.А.Грачев, А.Л.Ревзон, и др. М.: Триада ЛТД, 2006. 172 с.
3.Бреховских В.Ф., Волкова З.В., Колесниченко H.H. Проблемы качества поверхностных вод в бассейне Северной Двины. М.: Наука. 2003. 233 с.
4.Брюхань Ф.Ф. Оценка условий атмосферной дисперсии выбросов от высотного источника // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 7. С. 30-32.
5. Государственный доклад о состоянии природной среды Архангельской области за 2002 год. Главное управление природных ресурсов по Архангельской области. Архангельск, 2003. 300 с.
6.Графкина М.В. Экологическое проектирование продукции. М.:МГТУ«МАМИ»,2006. 224с.
7.Графкина М.В., Петленко Б.И. Определение коэффициентов важности частных экологических показателей // Электроника и электрооборудование транспорта. 2005. №1. С. 42-44.
8.Климат Архангельска // Под ред. Ц.А.Швер и А.С.Егоровой. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 208 с.
9.Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 1. Архангельская и Вологодская области, Коми АССР. Кн. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 483 с. Ю.Основные требования по составу и объему изысканий и исследований при выборе пункта и площадки АС (СППНАЭ-87, п. 4.1). Минатомэнерго СССР. М., 1987. 93 с.
11.Петленко Б.И., Логачев В.Н. Эксплуатационная надежность электромобилей // Автомобильная промышленность. №2. 1986. С. 24-27.
12.Потапов А.Д. Экология. Учебник. М.: Высшая школа. 2004. 527 с.
13.Потапов А.Д., Брюхань А.Ф. Оценка факторов биотопов и элементов биоценозов в районе Черепетской ГРЭС в целях оптимизации проектных решений на базе принципов геоэкологической безопасности // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 9, с. 73-75 (часть 1), № 10, с. 66-67 (часть 2).
14.Потапов А.Д., Руженков В.В., Брюхань А.Ф. Оценка геоэкологического состояния ландшафтов территории размещения Мордовской ГРЭС в рамках комплексных инженерных изысканий. // Экология урбанизированных территорий. 2006. № 3. С. 52-55.
15.Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. Учебное и справочное пособие. М.: Финансы и статистика. 1999. 671 с.
16.Рихванов Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 1997. 384.С.
17.СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Минстрой России. М., 1997. 44 с.
18.СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства. Госстрой России. М., 1997. 41 с.
