Модели и методы оценки техногенного ущерба

Глава 3.

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО УЩЕРБА

 

При прогнозировании техногенного ущерба, в общем случае следует исходить из необходимости одновременного учета как риска, связанного с возможностью появления аварийных происшествий, так и ущерба, обусловленного загрязнением окружающей среды непрерывными вредными выбросами производственных предприятий. При этом вторая компонента рассматриваемых издержек является неизбежным (по законам термодинамики) побочным результатом их функционирования, а размеры непрерывных энергетических и материальных выбросов зависят от эффективности (коэффициента полезного действия) используемых ныне технологических процессов.

Рис. 3.2. Графики параметрических законов поражения

Чаще всего мы будем пользоваться нелинейно-ступенчатым представлением функции R (D Р) и монотонным - R (Х). При этом, на отрезках значений мощности дозы поражающего фактора, меньших D Р₂ и больших D Р₃, следует исходить из предположения соответственно о полной безвредности и абсолютной губительности соответствующих мощностей доз для рассматриваемых нами ресурсов. Внутри интервала [ D Р₂... D Р₃ ] будет подразумеваться вероятностный характер причинения им ущерба конкретной степени тяжести.

Частные модели. Анализ приведенных выше сведений свидетельствует о сложности и громоздкости априорной оценки техногенного ущерба, даже при допущении о равенстве в формуле (3.1) как вероятностей случайных и систематических вредных выбросов на всех предприятиях региона, так и условных вероятностей их воздействия и причинения ущерба различным ресурсам. Выходом из создавшегося положения может быть введение понятия "средний ущерб" от одного вредного выброса конкретного типа, возможного при проведении данного производственного или транспортного процесса, а также оперирование вероятностью появления хотя бы одного (любого) такого разрушительного выброса.

    С учетом сделанных допущений, величина риска R _{t В} (среднего социально-экономического ущерба людским, материальным и природным ресурсам, оказавшимся под воздействием случайных и непрерывных вредных выбросов отдельного предприятия), может быть рассчитана по такой формуле:

R _{t В} = M _t [ Y ] = Q_{k с} Y_kc + (Q_{l н} =1) Y_{l н},             (3.2)

где k =1... m -число типов происшествий (аварийных вредных выбросов), возможных при функционировании данного предприятия;

Q_{k с}, Y_kc  -вероятности возникновения происшествия каждого типа за время t и размеры обусловленного ими среднего ущерба;

l =1... n -число типов непрерывных энергетических (шум, вибрации, тепло...) и материальных (дым, шлаки...) вредных выбросов;

Q_{l н} =1, Y_{l н} - вероятности появления за время t выбросов каждого типа и размеры обусловленного ими среднего ущерба.

     В последующем будем также использовать термин " зона поражения ", понимая под ним объем пространства или площадь поверхности, в пределах которых располагаются людские, материальные и природные ресурсы, подвергнутые воздействию вредных выбросов предприятия и получившие дозы большие, чем D Р₂. В этом случае априорную оценку величины риска (среднего ущерба таким ресурсам) удобно рассчитывать по следующей формуле:

R _{t Y} = M _t [ Y ] = (Q_kq × S_kq × F_k × C_k)+ (S_kd × F_k × C_k),         (3.3)

где Q_kq -вероятность причинения людским, материальным и природным ресурсам ущерба заданной степени тяжести за время t;

  S_kq, S_kd  -соответственно площади зон вероятного и достоверного уничтожения рассматриваемых ресурсов поражающими факторами;

  F_k, C_k - средние плотность и стоимость единицы каждого ресурса в зонах вероятного и достоверного поражения.

Таблица 3.10.

Класс устойчивости	c	Класс устойчивости	c
A	0,1	D	6,0
B	0,5	E	19,0
C	1,5	F	65,0

  Примечание: Критерии оценки классов устойчивости (стабильности) атмосферы

                   приведены в табл. П3.6 приложения.

Входящий в табл. 3.10 класс устойчивости (стабильности) атмосферы следует определять по табл. П3.2 или П3.6 приложения. При этом подразумевается такая связь между принятыми в них наименованиями: классы A, B и C означают конвекцию (соответственно - сильную, умеренную и слабую), класс D - изотермию, а классы E, F - инверсию (умеренную и сильную).

Сложнее рассчитать эффективную высоту - h_eff, введенную для согласования теории с экспериментом, поскольку точное значение этого параметра может быть определено лишь численным моделированием. Как показывают его результаты[11], например, для рассеяния тяжелых газов при классе устойчивости атмосферы F, данная высота изменяется в пределах [2...8] м. Следовательно, в приближенных расчетах можно использовать значения h_eff из этого интервала, при условии, что меньшие значения эффективной высоты должны соответствовать вредным примесям тяжелее воздуха, а бо¢льшие - равным или легче ему по плотности.

Оценка дисперсий s_i. Для определениявходящихвтабл. П3.4дисперсий s _i, воспользуемся рекомендациями [15], где их величина считается зависящей от параметров несущей среды, шероховатости^[1] подстилающей поверхности и удаления от источника выброса:

s ₁ = C ₃ x ₁ /(1 + 0,0001 x)^1/2;    s ₁ (13212 + x / U)/(13812), x / U ³ 600;

                                  s ₂ =

s ₃ = j (x ₃₀, x ₁) × q (x ₁);             s ₁ - для x / U Ð 600;                   

                  n[C₁x^D1(1+C₂x^D2)],x₃₀ ³0,1м;

j (x₃₀,x₁)=                                            q (x₁)=A₁x^B1/(1+A₂x^B2);

         ln[C₁x^D1/(1+C₂x^D2)],x₃₀ <0,1м;

s ₃ |конвекция < 640м; s ₃ |изотермия < 400 м; s ₃ |инверсия<220 м,   (3.24)

где U - скорость ветра, совпадающего с осью х₁, м/с;

A ₁, A ₂, B ₁, B ₂, C ₃ - коэффициенты, характеризующие вертикальную устойчивость атмосферы (определяются с помощью табл. 3.11);

C ₁, C ₂, D 1, D 2  - коэффициенты, зависящие от шероховатости местности в зоне распространения вредных веществ (см. табл. 3.12).

 Учитывая громоздкость определения дисперсий s ₁, s ₂, s ₃ и коэффициентов К,К₂, К₃, укажем более простой способ их приближенный оценки, предложенный авторами [2] и [8,9]. При известных параметрах вертикальной устойчивости атмосферы и шероховатости конкретной местности, они предлагают рассчитывать значения каждого из этих параметров как функцию одного параметра: а) s _i - от расстояния между конкретной точкой пространства и источником выбросов – х (м); б) К _i -от скорости ветра в приземном слое - V (м/с):

К₁=К₂= y _1,2 × V; К₃= y ₃ × V; s _i = a_i × x × (1+ b_i × x) ^c,    (3.25)

где y ₁, y ₂, y ₃ и a_i, b_i, c_i - константы, значения которых приведены соответственно в табл. П3.5 и П3.7 приложения.

Таблица 3.11.

Класс стабильности	A1	A2	B1	B2	C3
Конвекция	0,112	0,00092	0,920	0,718	0,11
Изотермия	0,098	0,00135	0,889	0,688	0,08
Инверсия	0,0609	0,00196	0,895	0,684	0,06

Таблица 3.12.

Тип местности	х30	С1	С2	D1	D2
Ровная, трава до 15 см	1	1,56	0,000625	0,048	0,45
Ровная, трава до 60 см	4-5	2,02	0,000776	0,027	0,37
Покрытая кустарником	10-12	2,73	0	0	0
Лес высотой до 10 м	40	5,16	0,0538	-0,098	0,225
Городская застройка	100	7,37	0,000233	-0,096	0,6

 

Сопоставление результатов оценки коэффициентов турбулентной диффузии К _i, полученных с помощью y _i и c (см. табл. П3.5 и 3.12), указывает на их удовлетворительное согласие, особенно для условий сельской местности. Это свидетельствует о возможности применения данного способа оценки К _i для моделирования турбулентного рассеяния вредного вещества из приземных источников, в открытой местности. Достигнутая при этом погрешность не превышает ту, которая обеспечивается известными ныне дисперсионными моделями.

Мы не приводим здесь другие модели рассеяния вредных веществ, основанные на уравнениях термогазодинамики и имеющие более сложные начальные и граничные условия[11]. Примеры, иллюстрирующие возможности рассмотренных нами моделей при прогнозировании вредных концентраций в зонах поражения различных ресурсов, будут приведены в заключительной главе настоящих методических рекомендаций.

Рис. 3.4. Схема потоков энергии через экосистему

Для определения энергонасыщенности биоты, необходимо располагать следующими исходными данными: средняя масса тела одной биоособи - М _k (кг), энергетическое содержание накопленного ею вещества - g_k (кДж/кг), скорость оборота или регенерации данной биомассы - V_k (1/год), энергия ее существования (интенсивность дыхания поддержания) - E_k (кДж/год), трофические (пищевые) уровень и специализация - j, а также коэффициенты утилизации энергии на всех k трофических уровнях - P_j.

    Стоимости подвергнутых разрушительному техногенному воздействию биотических природных ресурсов k -го вида - С _k или покрытой ими единицы территории (акватории) - С _t могут быть рассчитаны по следующим формулам[5]:

G_k = G_kV _k+E _k / ;      С _t =  ,          (3.32)

где G_k  - энергосодержание погибших биоособей, кДж;

C_i, D_i - эквивалентная цена одной особи или единицы биомассы (кДж) и их плотность в зоне поражения биоты(1/га) или (1/км²).

Заметим, что входящие в формулы (3.32) параметры стоимости рассчитываются с учетом временного лага, необходимого для полного восстановления поврежденной биоты, а P_j -безразмерная величина.

    Методика расчета биоущерба. При определении параметров формул (3.32), целесообразно руководствоваться такими рекомендациями и справочными данными.

1. Величина энергетического содержания конкретных биоособей - G_k. Значение данного параметра определяется перемножением удельной теплоемкости их тела - q_k  (кДж/кг) на его массу - М _k:

 

G_k = q_k × М _{k .}                                                         (3.33)

Данные по удельным теплоемкостям биомассы некоторых представителей флоры и фауны приведены в табл. П4.3.

2. Скорость оборота или регенерации биомассы - V_k. Ее величина считается обратно пропорциональной среднему времени генерации особей конкретного вида, которое можно считать равным примерно одной трети максимальной продолжительности их жизни - t _k. Иначе говоря: V_k =3 t _k × L_k, где t _k измеряется секундами. В отсутствие данных по t _k, максимальная длительность жизни млекопитающих и птиц рассчитывается по следующим формулам:

  t _{k м} =366 × 10^{6 ×} M ^0.2 ; t _{k п} =894 × 10^{6 ×} W ^0.19.        (3.34)

3. Энергия существования или мощность поддержания животных - E_{k ж} и растений - E_{k р}. Для большинства теплокровных животных она зависит от массы и примерно вдвое превышает уровень их основного обмена в термонейтральных условиях - Y_{k ж}. Следовательно, значения E_{k ж} и Y_{k ж} для них определяются следующими формулами:

E_{k ж} = 2 × Y_{k ж}; Y_{k ж} = c × M ^d,                   (3.35)

где с, d -коэффициенты аллометрического уравнения (см. табл. П4.4).

    Определение величины E_{k р} для растений в общем случае проводится с учетом процессов фотосинтеза и дыхания – исходя из затрат энергии на поглощение ими двуокиси углерода и выделение кислорода. Для лесных же сообществ она может быть оценена в предположении, что их годичная продукция составляет 5% от общей биомассы, которая рассосредоточена так: в стволах –40%, в ветвях и листьях –35%, под землей –25%. В пересчете на один кубометр древесины, величину E_kр следует рассчитывать по такой формуле:

  E_{k ж} = 0,026688 × r,                              (3.36)

где r - плотность условно сухой древесины (см. табл. П4.5).

    4. Коэффициент утилизации энергии - P_j. Для большинства плото- и зерноядных животных его значение можно принимать приблизительно равным 0,8. При питании животных грубыми зелеными кормами, величина P_j  =0,6.

Оценка ущерба от загрязнения атмо- и гидросферы. В заключение укажем на особенности оценки ущерба, обусловленного непрерывными выбросами загрязняющих веществ в природную среду. В соответствии с требованиями [16], для производственных и транспортных предприятий в расчетном периоде устанавливаются различные нормативы выплат за данные вредные выбросы: а)в пределах установленных для них лимитов - К₁ и б)сверх них - К₂ (руб/усл.т). Эти выплаты предназначаются для снижения либо компенсации соответствующего социально-экономического ущерба.

В случае не превышения предельно допустимых выбросов, величина выплат S ₁ (руб) за них в атмосферу и водные объекты определяется следующим образом:

S ₁ = S_t / S_tL,                              (3.37)

где t, T -год планового периода и его общая продолжительность;

S_t, S_tL -затраты на снижение токсодозы вредных выбросов в текущем году и приведенный лимит таких выбросов, установленный с учетом вида загрязняющих веществ, их допустимого объема и предельно допустимых концентраций в атмосферном воздухе или воде, соответственно.

    При превышении объема предельно допустимых выбросов, соответствующие издержки предприятий - S ₂ (руб) рассчитываются таким образом:

S ₂ = S_jt / dM_jt,                         (3.38)

где S_jt -затраты предприятия, необходимые для достижения установленного лимита выбросов, руб/год;

  dM_jt - плановый приведенный объем вредных выбросов, установленный предприятию в текущем году.

Более подробные рекомендации, справочные данные и иллюстративные примеры определения размеров ущерба от непрерывных вредных выбросов можно обнаружить в [16].

 

 

[1] Несовпадение неравенств в функции j(x₃₀,x₁), определяемой по формуле (3.24) и методике [15], - не случайно: см. В.Г. Горский. Критические замечания по поводу определения концентраций опасных химических веществ в атмосфере согласно методикам ТОКСИ. М.: ВНИИ Газ, Сбор. науч. труд. 1999.

Глава 3.

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННОГО УЩЕРБА

 

При прогнозировании техногенного ущерба, в общем случае следует исходить из необходимости одновременного учета как риска, связанного с возможностью появления аварийных происшествий, так и ущерба, обусловленного загрязнением окружающей среды непрерывными вредными выбросами производственных предприятий. При этом вторая компонента рассматриваемых издержек является неизбежным (по законам термодинамики) побочным результатом их функционирования, а размеры непрерывных энергетических и материальных выбросов зависят от эффективности (коэффициента полезного действия) используемых ныне технологических процессов.