Соизмерение производственных и природных потенциалов территории

В гл. 7 в качестве основного критерия экологической безопасности территориальных комплексов было введено главное условие: техногенная нагрузка на территорию (природоемкость производства) не должна превышать экологической техноемкости территории (самовосстановительного потенциала природной системы).

Соизмерение производственных и природных потенциалов территории - одна из актуальных задач промышленной экологии, без решения которой невозможна выработка научно обоснованной системы экологических регламентации. Соизмерение не сводится лишь к подчинению экологическому императиву - требованию природных систем и их защитников уменьшить индустриальную экспансию. Сбалансированность нужна не только природным комплексам и среде обитания людей, но и самому хозяйству. Она имеет не только природоохранное и гигиеническое значение, но и прямое экономическое: равновесное сопряжение производственных и экологических процессов не столько принуждает к ограничению входных мощностей, сколько предлагает дополнительный экономический инструмент контроля эффективности производства. Экономический рост, превышающий порог допустимых нагрузок, выступает как основной дестабилизирующий фактор для окружающей среды. Именно поэтому соизмерение и согласование экономических и природных потенциалов и формирование эколого-экономической системы должно быть предметом экономической теории и практики.

Сама по себе процедура соизмерения основана на определении и сопоставлении экологической техноемкости территории (ЭТТ или ПДТН) и природоемкости хозяйства территории. Эта процедура практически совпадает с оценкой безопасности территориальных комплексов. В качестве примера соизмерения приводим данные для двух территорий, контрастно различающихся по ландшафту и техногенной структуре (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Соизмерение техногенной нагрузки с экологической техноемкостыо двух различных территорий

Характеристика территории и показатели соизмерения	Рузский р-н Московской области	Город Тольятти с окрестно-стями*
Площадь территории, км^2
Население, тыс. чел.	68,8
Товарная продукция хозяйства, млн руб./год**
Продукция биомассы экосистем, тыс. т/год***
Техноемкость сред. усл. т/год:****
воздух
вода
земля
Суммарная ЭТТ, усл. т/год
Фактическая техногенная нагрузка, усл. т/год*****
Отношение фактической нагрузки к ЭТТ	0,06	2,15

* Включая левобережную часть примотанного участка Куйбышевского водохранилища

** В сопоставимых ценах 1984 г.

*** Сухое вещество биомассы

"*** С учетом токсичности по диоксиду серы

***** Наработка твердых отходов и загрязнителей атмосферы и стоков

При рассмотрении этих данных следует иметь в виду, что «благополучный» показатель для большой территории отнюдь не означает отсутствие экологических проблем, так как могут быть и фактически наблюдаются локальные участки или зоны с нарушениями почвенного и растительного покрова, с чрезмерной рекреационной нагрузкой, с значительным антропогенным загрязнением почвы и водоемов. Такое же соображение, примененное к городу с большим превышением экологической техноемкости, указывает на существование зон высокой опасности. Они действительно имеются на территории г. Тольятти. Неблагополучная экологическая ситуация сложилась в результате очень быстрого экстенсивного развития промышленного города без учета экологической емкости территории. И хотя она была достаточна велика, мощный многоотраслевой промышленный узел быстро исчерпал самовосстановительный потенциал превосходного природного ландшафта, образовав город с гипертрофированной промышленной функцией (Моисеенкова, 1989).

Экологическое нормирование

Необходимость смены техногенного типа развития требует введения экологических ограничений или экологических нормативов. Экологическая техноемкость территории и предельно допустимая техногенная нагрузка по существу являются универсальными территориальными экологическими нормативами, предназначенными для регламентации хозяйственной деятельности. Но как раз ЭТТ и ПДТН законодательно не утверждены как нормативы.

Вся сфера экологического нормирования и стандартизации, особенно связанная с техногенным загрязнением среды, так или иначе опирается на гигиенические нормы и использует установленные предельно допустимые концентрации (ПДК), предельно допустимые дозы (ПДД) или предельно допустимые уровни (ПДУ) вредных агентов. ПДК - это та наибольшая концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде, почве, пище), которая при более или менее длительном действии на организм - контакте, вдыхании, приеме внутрь - не оказывает влияния на здоровье и не вызывает отставленных эффектов (не сказывается на потомстве и т.п.). Поскольку возможный эффект зависит от длительности действия, особенностей обстановки, чувствительности реципиентов и других обстоятельств, различают ПДК среднесуточные (ПДК_сс), максимальные разовые (ПДК_мр), ПДК рабочих зон (ПДК_рз), ПДК для растений, животных и человека. На рис. 8.2 показана схема нормирования загрязняющих веществ в воздухе. В настоящее время установлены ПДК нескольких тысяч индивидуальных веществ в разных средах и для разных реципиентов. ПДК не являются международным стандартом и могут несколько различаться в разных странах, что зависит от методов определения и спецификации. Значение ПДК некоторых загрязняющих веществ приведены в приложении ПЗ.

Многие загрязняющие вещества, содержащиеся в выбросах и стоках предприятий и других источников загрязнения, обладают сходным токсикологическим действием на живые организмы. Кроме того, ряд веществ может усиливать свою токсичность в присутствии других. Это явление называют эффектом суммации вредного действия и его необходимо учитывать при нормировании. Для веществ однонаправленного действия должно соблюдаться следующее условие:

(8.9)

где C₁, C₂,..., C_n - концентрации вредных веществ, обладающих эффектом суммации;

ПДК₁, ПДК₂,..., ПДК_n - соответствующие им предельно допустимые концентрации.

Рис. 8.2. Схема распространения аэрополлютантов и требования к нормированию вредных примесей в воздухе

Для водных объектов одновременно с ПДК используется другой ограничительный норматив - лимитирующий показатель вредности (ЛПВ), который не имеет количественной характеристики, а отражает приоритетность требований к качеству воды. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод выделяют три вида ЛПВ:

· санитарно-токсикологический (характеризует токсическое действие вещества на организм человека и водных животных);

· общесанитарный (характеризует влияние, оказываемое веществом на общесанитарное состояние водного объекта, в частности, на скорость протекания процессов самоочищения);

· органолептический (характеризует способность вещества менять органолептические, т.е. оцениваемые органами чувств человека свойства воды - запах, привкус, цвет, появление пены).

Суть ЛПВ заключается в том, что загрязнители воды могут оказывать на водные экосистемы и здоровье человека неблагоприятное воздействие нескольких видов, каждое из которых характеризуется своей безопасной концентрацией. То из воздействий, безопасная концентрация, для которого минимальна, и является лимитирующим.

Рис. 8.3. Изменение концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы от организованного высокого источника выбросов

На основании величин ПДК с помощью специальных программ вычисляются значения предельно допустимых эмиссии - предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ), предельно допустимые сбросы в водоемы (ПДС) тех или иных веществ, выделяемых конкретными источниками (предприятиями) данной территории. При этом учитываются характеристики источников и условия распространения эмиссии. Например, для того, чтобы в ближайшем к заводским трубам жилом квартале города при наименее благоприятных условиях рассеяния не превышались ПДК определенных аэрополлютантов, нужно ограничить выброс этих веществ постоянной предельной величиной - ПДВ. Подобная ситуация схематически отображена на рис. 8.3.

ПДВ и ПДС уже непосредственно регламентируют интенсивность и качество технологических процессов, являющихся источником загрязнения, и приобретают свойство экологических нормативов. Сверхнормативные эмиссии влекут за собой экономические и административные санкции. Часто бывает, однако, что предприятие по техническим причинам не может соблюдать предписанные ему ПДВ, санкции безрезультатны, а сокращение или остановка производства чревата экономическими и социальными коллизиями. В таких случаях применяется практика временного согласования выбросов и стоков, причем чаще всего на уровне фактических эмиссии. «Временно согласованные» выбросы и стоки (соответственно ВСВ и ВСС) по существу являются свидетельством отказа от нормирования и приводят к ухудшению экологической обстановки. Но и соблюдаемые ПДВ и ПДС не удовлетворяют многим требованиям экологического нормирования, так как существуют серьезные сомнения в пригодности ПДК в качестве основы этих нормативов. Вообще частнонормативный подход не соответствует потребностям решения экологических проблем:

· далеко не для всех реальных загрязнителей установлены ПДК;

· нет ПДК для множества разнообразных сочетаний различных агентов; возможные взаимодействия между ними, образование вторичных продуктов и совмещенные эффекты не позволяют рассчитать «комплексы» ПДВ;

· ПДК одного и того же вещества для ценных растений и животных могут быть существенно меньше, чем для человека; это вынуждает делать очень ответственный выбор;

· расчет большинства ПДВ делается на основании максимальных разовых ПДК, которые могут быть на порядок выше среднесуточных.

Ясно, что регламентация должна строиться на другой основе. Если все же использовать ПДК, то для целей экологического нормирования и расчета ПДВ, в отличие от существующего ГОСТа, следовало бы отказаться от исходного соотношения, основанного на максимальном разовом ПДК:

(8.10)

где
- нормативно-предельная концентрация, используемая для расчета ПДВ;

С_ф - фоновая концентрация;

α - безразмерный коэффициент (для расчета ПДВ α принимается равным единице, а для ВСВ допускается α > 1). Вместо него правильнее было бы применять другое соотношение:

(8.11)

где β - безразмерный, лежащий между 0 и 1, интегральный показатель опасности вещества, устанавливаемый по нескольким основным параметрам токсикометрии (Акимова, Хаскин, 1994).

В настоящее время очень немногие промышленные источники загрязнения среды отвечают этому требованию. Отсюда вытекает необходимость перестройки отраслевой структуры и масштабного технологического перевооружения энергетики и промышленности. Но не менее важна опережающая регламентация количественного роста производства, запрет на размещение предприятий выше определенного для данной территории уровня природоемкости.

Расчет ПДВ и ПДС. Регламентация допустимых эмиссии загрязняющих веществ в окружающую природную среду производится путем установления нормативов ПДВ и ПДС. Если ПДК служат нормативами на содержание вредных веществ в природной среде, то ПДВ и ПДС являются нормативами на их поступление в окружающую среду.

ПДВ - это масса выбросов вредных веществ в единицу времени от данного источника или совокупности источников загрязнения атмосферы города или другого населенного пункта с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, создающая приземную концентрацию, не превышающую ПДК для населения, растительного и животного мира.

ПДС - это масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе. ПДС определяется с учетом ПДК вредных веществ в местах водопользования, их фоновой концентрации, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ.

Нормативы ПДВ и ПДС устанавливаются для всех проектируемых и действующих предприятий.

Расчет ПДВ. Величина ПДВ по каждому загрязняющему веществу устанавливается из условия (8.10), а при наличии нескольких веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие (8.9).

Разработка нормативов ПДВ промышленного предприятия основывается на материалах инвентаризации имеющихся источников загрязнения атмосферы и результатах расчетов технологических, вентиляционных и иных выбросов загрязняющих веществ с учетом их рассеивания в атмосфере.

Валовые выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников загрязнения атмосферы в большинстве случаев можно рассчитать по следующим формулам:

m_j = m_y*Пk(1-η) (8.12)

m_j = m^'_y'*Tk(1-η) (8.13)

где m_j - масса выброса i-ro загрязняющего вещества;

т_y - удельное выделение i-го загрязняющего вещества на единицу продукции;

П - расчетная производительность технологического процесса (оборудования, агрегата);

m'_y - удельное выделение i-го загрязняющего вещества в единицу времени;

Т - фактический фонд времени работы оборудования;

k - поправочный коэффициент для учета особенностей технологического процесса;

η - эффективность средств очистки выбросов в долях единицы (при отсутствии средств очистки η = 0).

Удельные эмиссии загрязнителей для некоторых распространенных технологических процессов и операций приведены в приложении П9.

Величина выброса загрязняющих веществ автотранспортом зависит от категорий автомобилей (легковые, грузовые, автобусы), их технического состояния, рабочего объема двигателя и его типа (бензиновый, дизельный, газовый). При движении по территории населенных пунктов массовый выброс загрязняющих веществ (т) легковыми автомобилями

M_ij = m_ij*L_ij*K_j*10^-6 (8.14)

где т_ij - пробеговый выброс i-ro загрязняющего вещества легковым автомобилем с двигателем j-го рабочего объема, г/км (П9, табл.7);

L_ij - суммарный пробег легковых автомобилей с двигателем j-го рабочего объема по территории населенных пунктов, км;

K_ij - коэффициент, учитывающий изменение выбросов веществ при движении по территории населенных пунктов (П9, табл.8).

На процесс рассеивания промышленных выбросов влияет много факторов: состояние метеорологических условий, рельеф местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, расположение, высота и конструктивные особенности источников загрязнения и т.п. На рис. 8.4. показано распределение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере под факелом организованного высокого источника выбросов (трубы). Непосредственно у трубы в приземном слое воздуха концентрация С будет незначительной, ибо отходящие вещества относятся воздушным потоком. По мере удаления от источника концентрация будет расти, достигая максимального значения С_m на расстоянии х_m (как правило, С_m > ПДК). Далее благодаря диффузионным процессам и турбулентности воздуха рассеивание начинает опережать накопление примеси, и уровень загрязнения постепенно снижается.

Основным нормативным документом, регламентирующим расчет рассеивания выбросов и определение величин ПДВ для промышленных предприятий, является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86». При выбросе нагретой газовой воздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем значение ПДВ (г/с) определяется по формуле:

(8.16)

где Н - высота трубы;

Q - расход газовоздушной смеси;

ΔT - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха;

A - коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия перемешивания примесей;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности.

Рис. 8.4. Распределение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере под факелом организованного высокого источника выбросов (трубы)

Г - городская жилая застройка; Л - лес, лесопарковая зона; СЗЗ - санитарно-защитная зона; ПЗ - производственная зона. Пунктирные линии - изолинии концентрации загрязнителей

Для предприятия в целом ПДВ находится путем суммирования значений ПДВ для отдельных источников загрязнения атмосферы при условии соблюдения соотношения:

(8.16)

где С_mi - наибольшая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе населенного пункта от i-го источника;

N - число источников, через которые данное вещество поступает в воздушный бассейн.

Расчет ПДС. В качестве примера рассмотрим расчет ПДС для отдельного одиночного выпуска сточных вод в проточный водоем (водоток). Величина ПДС определяется как произведение наибольшего расхода сточных вод q (м³/ч) и максимально допустимой концентрации вредного вещества в сточных водах С_ст.вод. г/м³:

ПДС = q* С_ст.вод (8.17)

Объемный расход сточных вод q - обычно величина известная. Допустимая концентрация примесей в сточных водах определяется из выражения:

С_{ст.вод. i} = n(C_mi - C_вi) + C_вi (8.17)

где n - кратность разбавления сточных вод;

C_вi - концентрация i-го вещества в водном объекте до сброса в него сточных вод;

C_mi - максимально допустимая концентрация того же вещества в воде водного объекта с учетом максимальных концентраций и ПДК всех веществ, относящихся к одной группе ЛПВ. При поступлении сточных вод в природный водный объект происходит их смешение и разбавление. Кратность разбавления сточных вод определяется по формуле:

(8.19)

где Q и q- объемный расход воды соответственно в водотоке и сточных водах;

γ - коэффициент смешения, учитывающий долю расхода воды водотока, участвующей в процессе смешения.

Рис. 8.5. Общая схема контроля загрязнения окружающей среды

1-5 - этапы воздействия и откликов; А - уровень процессов; Б - уровень контроля и коррекции; В - уровень оценок и принятия решений; Г - уровень нормативов. Минимальный контур практического регулирования обозначен светлыми стрелками

Экологический мониторинг

Неотъемлемой частью экологизации является постоянное слежение за всеми составляющими природоемкости производства и состоянием окружающей среды - экологический мониторинг. Он включает в себя наблюдения за объектами природной среды, природными ресурсами, растительным и животным миром, природно-техническими системами и источниками техногенного загрязнения, а также оценку и прогноз изменений состояния природной среды и происходящих в ней под влияние антропогенной деятельности процессов. Цель экологического мониторинга - информационное обеспечение управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью.

С помощью набора инструментальных методов химического, физико-химического, микробиологического анализа и других видов наблюдений постоянно отслеживаются состав и техногенные загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, почв, морской воды, геологической среды, а также состояние и поведение источников антропогенных воздействий. Здесь мониторинг смыкается с функциями технологического контроля. Общая схема контроля состояния окружающей среды представлена на рис. 8.5, а ее детализация с указанием пунктов контроля - на рис. 8.6. Слежение за соблюдением экологических норм, регламентов и стандартов распространяется далее и на реципиентов, включая медико-биологический контроль.

В развитых индустриальных странах быстро совершенствуется техника приборного контроля качества водной и воздушной среды. Разработаны и применяются коммутационные системы непрерывного автоматического слежения за концентрациями загрязнителей воздуха, техника автоматического экспресс-анализа стоков, телеметрические спектральные анализаторы эмиссии в устьях источников, а также разнообразные портативные индикаторные приборы. В последнее время в системе Интернет появились серверы, содержащие разнообразную и постоянно обновляющуюся информацию о данных экологического мониторинга в странах Западной Европы, США, Канады и Японии.

Среди мер по стабилизации экологической обстановки в России большое значение придается созданию Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ). Ее главная задача - обеспечение органов государственного управления и природопользователей информацией об экологической обстановке в различных регионах страны, информационная поддержка процедур принятия решений в области природоохранной деятельности и экологической безопасности.

Особое место в структуре ЕГСЭМ принадлежит эколого-аналитическому контролю (ЭАК) - системе мероприятий по выявлению и оценке источников и уровня загрязненности природных объектов вредными веществами и другими техногенными загрязнителями со стороны разных природопользователей. В сферу ЭАК входят следующие объекты:

· воздух (атмосферный, природных заповедников, городов и промышленных зон, рабочей зоны);

· воды (поверхностные, подземные, морские, талые, сточные, атмосферные осадки);

· почвы (в аспекте загрязнения);

· биота (химическое и радиоактивное загрязнение растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ животных, птиц и насекомых, водных растений, рыб).

На территории Российской Федерации эколого-аналитический контроль осуществляют государственные контрольные органы, отраслевые (ведомственные) службы и лаборатории предприятий-природопользователей. Кроме них в ЭАК участвуют специализированные экологические и промышленно-санитарные лаборатории, выполняющие измерения и анализ на договорных основаниях.

Рис. 8.6. Схема пути загрязнителя с указанием пунктов стандартизации и контроля

Виды ЭАК по способу определения контролируемого параметра подразделяют на инструментальный, инструментально-лабораторный, индикаторный и расчетный. Измерения и анализ уровня загрязненности осуществляют арбитражными и экспрессными методами. Первые проводят с большой точностью за длительный период времени. Экспресс-анализ применяют для ежедневной оценки состояния природной среды и оперативного контроля источников загрязнения.

В системе ЭАК задействованы стационарные посты контроля, передвижные лаборатории, автоматизированные системы и устройства контроля, аналитические лаборатории (центры). Так, для контроля за загрязнением атмосферного воздуха в промышленных городах предусматриваются три категории постов наблюдения: стационарный, маршрутный и передвижной (подфакельный). Стационарный пост предназначен для непрерывной регистрации концентрации загрязняющих веществ и регулярного отбора проб воздуха для последующих анализов (павильоны типа ПОСТ-1, ПОСТ-2 и др.). Маршрутный пост служит для отбора проб воздуха в фиксированных точках местности в соответствии с установленным графиком наблюдений. Передвижной пост предназначен для отбора проб под дымовым (газовым) факелом. Маршрутные и подфакельные наблюдения проводятся с помощью специальных транспортных средств, оборудованных соответствующей аппаратурой.

Наблюдения за уровнем загрязнения поверхностных вод проводятся на стационарной сети пунктов контроля качества воды водоемов и водотоков и на временных экспедиционных пунктах. Анализ проб осуществляют гидрохимические лаборатории. Время между отбором проб и анализом иногда достигает нескольких суток, что является уязвимым звеном в цепи аналитического контроля водных объектов. Путь к его устранению - внедрение автоматизированного пробоотбора на объектах контроля и последующий анализ качества воды в стационарной лаборатории с помощью компьютеризированных аналитических комплексов.

Многообразие химических загрязнителей и других видов техногенных загрязнений определяет широкую номенклатуру методов и средств ЭАК. Для определения концентрации загрязняющих веществ используются разнообразные методы химического анализа: газовая и ионная хроматография, рентгенофлуоресценция, оптическая спектроскопия и др. Для измерений шума, инфразвука и вибраций применяют как отечественную, так и зарубежную аппаратуру: шумомеры, спектрометры, полосовые фильтры, вибродатчики. Измерение электрической и магнитной составляющей напряженности ЭМП производят приборами типа ИЭМП, NFM-1 (ФРГ). Методы радиационного контроля основаны на измерении параметров ионизирующих излучений (мощность дозы, эквивалентная доза, поверхностная активность и др.) с помощью дозиметрических приборов.

Лаборатории различных министерств и ведомств, выполняющих эколого-аналитический контроль, имеют разную нормативно-методическую и метрологическую базу. Это означает, что результаты определения уровня загрязнения одних и тех же объектов могут заметно отличаться. Для достижения единства и требуемой точности измерений системы ЭАК должны иметь соответствующее метрологическое обеспечение - научные и организационные основы, нормативно-техническую документацию, методы и технические средства измерений. С этой целью формируется федеральный реестр методик ЭАК - аттестованных и прошедших метрологическую экспертизу.

В аппаратурном обеспечении ЭАК существуют два направления. Первое - выпуск приборов общего назначения, позволяющих охватывать контроль большого числа показателей разнотипных объектов (хроматографы, спектрофотометры, полярографы и т.п.). Второе направление ориентировано на специальные приборы, предназначенные для определения конкретного агента в конкретном объекте. Такие приборы удобны для стационарных постов контроля, передвижных лабораторий и санитарно-промышленных лабораторий предприятий, где номенклатура загрязнителей ограничена.

Актуальным направлением аналитического приборостроения является создание многоцелевых приборных комплексов на блочно-модульной основе. Аналитический комплекс - это совокупность материальной (средства измерения, вычислительная техника, вспомогательное оборудование) и интеллектуальной (методики, программное обеспечение) составляющих анализа. Таким образом, в комплекс входят комплект аттестованных методик ЭАК и все приборы, технические средства, необходимые для их реализации. Удачным примером создания аналитического комплекса может служить многоцелевая лабораторная автоматизированная система эколого-аналитического контроля «Инлан» («Системы...», 1994).

В последние годы для решения задач экологического контроля и мониторинга все шире начинает использоваться космическая техника. Получаемые с помощью систем спутниковой связи и оптико-электронных средств высокого разрешения данные используются для построения многослойных электронных карт различной тематической направленности. Космические средства мониторинга в сочетании с наземными системами ЭАК позволяют создать мощную информационную базу для управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью на региональном, национальном и глобальном уровнях.

Сведения о контрольно-измерительной технике, применяемой в промышленной экологии, можно найти в специальной литературе (см., например, «Информационно-справочный каталог. Контрольно-измерительные приборы в промышленной экологии» (1993)).