3.1. КРИТЕРИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрим эту главу, следуя работе Т. А. Акимовой и В. В. Хаскина. Научная литература и различные рекомендательные и нормативные документы содержат множество частных критериев безопасности, в том числе и экологической безопасности.

Для экосферы и ее частей, т. е. более или менее крупных территориальных природных комплексов, включая и административные образования, основным критерием экологической безопасности может служить уровень био- сферно-техносферного, эколого-экономического или природно-производственного паритета, т. е. степени соответствия общей антропогенной (техногенной) нагрузки на территорию ее экологической техноемкости — предельной выносливости по отношению к повреждающим техногенным воздействиям.

Для отдельных экологических систем главными критериями безопасности выступают целостность, сохранность их видового состава, биоразнообразия и структуры внутренних взаимосвязей. Сходные критерии относятся и к технико-экономическим системам.

Наконец, для индивидуумов главным критерием безопасности является сохранение здоровья и нормальной жизнедеятельности. Рассмотрим эти критерии более подробно.

Безопасность территориальных комплексов. Оценка безопасности территориального комплекса основана на соизмерении природных и производственных потенциалов территории (Т. А. Акимова, В. В. Хаскин, 1994; Т. А. Акимова и др., 1994).

Основной критерий безопасности записывается следующим образом:

где U — природоемкость территории, т. е. совокупность объемов хозяйственного изъятия и поражения местных возобновимых ресурсов, включая загрязнение среды и другие формы техногенного угнетения реципиентов, в том числе и ухудшение здоровья людей; Тэ — экологическая техноемкость территории (ЭТТ) — обобщенная характеристика территории, отражающая самовосстановитель- ный потенциал природной системы и количественно равная максимальной техногенной нагрузке, которую может выдержать и переносить в течение длительного времени совокупность всех реципиентов и экологических систем территории без нарушения их структурных и функциональных свойств.

Критерий (3.1) отвечает экологическому императиву и означает, что совокупная техногенная нагрузка не должна превышать самовосстановительного потенциала природных систем территории. Критерий лежит в основе экологической регламентации хозяйственной деятельности.

Величины U и Тэ определяются многими факторами; их определение в конкретных случаях представляет срав-

нительно тривиальную задачу для U и более сложную для Тэ. Обе величины могут быть выражены массой вещества, стандартизованной по опасности (токсичности), а также иметь энергетическое или денежное выражение. При общих модельных оценках предпочтителен энергетический подход.

Степень напряженности экологической обстановки в территории оценивается кратностью превышения ЭТТ:

(3.2)

В зависимости от природы факторов опасности существуют различные градации Кэ. Обычно при . обстановка считается благополучной, приили

— критической, при— крайне опасной.

Для отдельной территории ее экологическая техноемкость Тэ объективно равна предельно допустимой техногенной нагрузке (ПДТН). Если последняя устанавливается как некий норматив, то может отличаться от ЭТТ, так как учитывает еще и социальную ценность объектов, испытывающих нагрузку. Поэтому в определении ПДТН возможен субъективный произвол, зависящий от представлений общества, экспертов или органа, утверждающего норматив, о требованиях к экологической обстановке.

Экологическая техноемкость территории является только частью полной экологической емкости территории. Полная экологическая емкость территории как природного комплекса определяется, во-первых, объемами основных природных резервуаров — воздушного бассейна, совокупности водоемов и водотоков, земельных площадей и запасов почв, биомассы флоры и фауны; во-вторых, мощностью потоков биогеохимического круговорота, обновляющих содержимое этих резервуаров — скоростью местного массо- и газоообмена, пополнения объемов чистой воды, процессов почвообразования и продуктивностью биоты.

Расчет ЭТТ основан на эмпирически подтвержденном допущении, согласно которому ЭТТ составляет долю общей экологической емкости территории, определяемую

коэффициентом вариации отклонений характеристического состава среды от ее естественного уровня и его колебаний. Превышение этого уровня приписывается антропогенным воздействиям, достигшим предела устойчивости природного комплекса территории.

Если трем компонентам среды обитания — воздуху, воде и земле (включая биоту экосистем и совокупность реципиентов) приписать соответственно индексы 1, 2 и 3, то ЭТТ может быть приближенно вычислена по формуле

(3.3)

где Тэ — оценка ЭТТ, выраженная в единицах массовой техногенной нагрузки, уел. т/год; Et — оценка экологической емкости i-й среды, т/год; Xt — коэффициент вариации для естественных колебаний содержания основной субстанции в среде;— коэффициент перевода массы в условные тонны (коэффициент относительной опасности примесей — уел.

Экологическая емкость каждого из трех компонентов среды рассчитывается по формуле

Е = V С F,              (3.4)

где V — экстенсивный параметр, определяемый размером территорий, площадь или объем, км2, км3; С — содержание главных экологически значимых субстанций в данной среде, т/км2, т/км3; например, С02 в воздухе или плотность распределения биомассы на поверхности Земли; F — скорость кратного обновления объема или массы среды, год1.

ЭТТ можно оценить также по величине предельно допустимой энергетической нагрузки (ПДЭН):

Здесь и далее цифровые значения коэффициентов приводят различные показатели к единой единице измерения.

где Qn — предельно допустимое потребление энергии (в топливных эквивалентах) на данной территории на нужды производства и транспорта, уел. т/год; g — коэффициент антропогенной насыщенности; RB — радиационный баланс территории, ккал/(см2 год); W— средний модуль поверхностного стока, м3/(га сут); Р — удельная продукция сухого вещества биомассы, т/(км2 год); S — площадь территории, км2; ke — нормативный минимум бытового расхода энергии на одного человека, уел. т/(чел. год); N — общая численность населения территории, чел.

Общая для территории удельная продукции биомассы экосистем:

(3.6)

где Sk — площадь, фактически занятая на данной территории растительностью k-то типа,Pk — средняя удель

ная продукция k-то типа растительного покрова в единицах массы, т/(км2 год).

Коэффициент антропогенной насыщенности

где— так называемый «эргодемографический индекс», связывающий плотность населения с соотношением между технической и природной энергетикой:

(3.7)

где г— плотность населения территории, чел./км2; г0 — средняя плотность населения страны или региона, чел./км2; Rs — суммарная солнечная радиация на данной территории, ккал/(см2год); S — площадь территории, км2; Q — общий расход топлива, горючего и топливных эквивалентов электроэнергии на территории, уел.

(3.8)

где Э — потребление на территории электроэнергии, полученной от местных нетопливных источников, ГЭС, АЭС или импортированной из соседних территорий, млн кВт ч/год; Т — импортированная тепловая энергия, тыс. Гкал/год;

У — сжигание угля в топках территории, т/год; Г — сжигание газа, тыс. м3/год; Ж — сжигание жидкого топлива стационарными и мобильными потребителями, т/год; Д — сжигание растительного топлива и торфа, т/год.

Приведенные в этом пункте уравнения количественных оценок состояния и экологической безопасности территорий могут быть использованы для соизмерения экономических (производственных) и природных потенциалов в рамках региональных и локальных эколого-экономических систем.

Для выделения зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия, кроме рассмотренных показателей, необходима еще оценка плотности и поражаемости населения территории. Количественное выражение этого критерия осуществляется с помощью нескольких величин, характеризующих состояние здоровья населения и их относительной значимости. Критерий обозначается как индекс демографической напряженности (ИДН):

(3.9)

где и — степень урбанизации территории; доля площади (от 0 до 1), занятой застройкой городского типа, промышленными объектами и коммуникациями; г — плотность населения, чел./км2; Z — общая годовая заболеваемость населения (на 1000 чел.); В — рождаемость (на 1000 чел.); М — общая смертность (на 1000 чел.); Мд — детская смертность (на 1000 родившихся); k = 10~4 — масштабный множитель, при котором ИДН = 1.

Разумеется, ЭТТ, ИДН и другие рассмотренные здесь показатели не исчерпывают всех сторон выявления степени техногенного поражения и экологической безопасности территорий.

Безопасность экосистемы определяется близостью ее состояния к границам устойчивости экосистемы. Ключевыми требованиями в этом смысле являются: сохранение размера и биомассы экосистемы, постоянство видового

(популяционного) состава и численных соотношений между видами и функциональными группами организмов. От этого зависит стабильность трофических связей, внутренних взаимодействий между структурными компонентами экосистемы и ее продуктивность.

Критерием безопасности (устойчивости) отдельной популяции в составе экосистемы может служить выражение sr lt; 2г, где г — репродуктивный потенциал, a sr — дисперсия его отклонений от среднего уровня. При sr gt; 2г резко возрастает вероятность деградации и вымирания популяции.

Для большинства наземных естественных сообществ показатель разнообразия видового состава (по Симпсону) имеет значения V= 0,7 -г 0,9 и более (по Шеннону gt; 3)[6]. Низкое разнообразие на уровне V = 0,05 ч- 0,2 наблюдается в посевах монокультур или в сильно деградированных природных сообществах, когда остается практически один наиболее устойчивый доминантный вид. Средние значения показателя Симпсона (V = 0,2 + 0,7) указывают на неустойчивость сообщества. Изменение показателя биоразнообразия более чем на 5% уже свидетельствует о наличии чрезмерных внешних нагрузок на экосистему, а более чем на 50% — о чрезвычайно опасном уровне внешнего воздействия.

Максимальное значение функции благополучия экосистемы соответствует вершине диаграммы выживания и оптимальному сочетанию факторов внешней среды. При отклонениях от оптимума экосистема вынуждена увеличивать долю материальных и энергетических затрат на самоподдержание; ее функция благополучия уменьшается. Вблизи вершины диаграммы выживания существует область нормального функционирования системы, определяемая на биоинтервале фактора X пределами допустимости

отклонения от нормы(рис. 3.1). Функция бла

гополучия экосистемы имеет вид

(3.10)

где в скобках — разность между скоростями утилизации энергии и ее затратами на самоподдержание[7].

При Ф —» 0 состояние системы выходит за эти пределы, начинаются ее структурные нарушения.

Степень антропогенного воздействия на структуру сообщества можно определить по формуле

где s — площадь участка, занимаемого элементарным сообществом данной территории;— функция благополучия сообщества этого участка; S — площадь территории.

Значения рЕ в пределах от 0 до 0,3 соответствуют допустимым воздействиям, от 0,3 до 0,5 — свидетельствуют об опасности, при рЕ gt;0,5 — чрезмерно опасны.

Если в качестве показателей отклонения экосистемы от оптимального состояния ввести обозначения s = I -V и z = 1 - Ф, то общей характеристикой степени воздействия (безотносительно к площади и времени воздействия) является нормированный модуль:

(3.12)

Общий вид зависимости рА(Х) приведен на рисунке 3.2. Могут быть выделены четыре уровня антропогенных нагрузок на экосистему. В области X lt; Х0 (зона I) влияние практически отсутствует.

При Х0 lt; X lt; Хе (зона II) благополучие сообщества несколько снижается, но оно еще не теряет устойчивости и способно к самовосстановлению. При(зона III)

экосистема теряет устойчивость, деградирует, может быть заменена другим сообществом, а при X gt; Хс (зона IV) происходит гибель экосистемы.

Рис. 3.2

Зависимость степени антропогенного воздействия (рА) от уровня антропогенных нагрузок X

Для измерения степени экологической безопасности человека может быть использована функция здоровья if, являющаяся векторной величиной вида:

(3.13)

где— возрастные коэффициенты заболеваемости и смертности; Т — средняя продолжительность жизни; T(t) — ожидаемая продолжительность жизни в возрасте t;— коэффициент рождаемости в возрасте t (различаемый по полу т);— частоты генетически обуслов

ленных болезней (; — категория болезни) по поколениям k и другие показатели, характеризующие здоровье.

Техногенные воздействия на качество среды и состояние человека изменяют все эти величины и функцию здоровья в целом.

Степень ухудшения качества среды, доходящая до критических значений, в основном оценивается по нормированной сумме кратностей превышения нормативных лимитов общей загрязненности воздуха (Кх)у воды (К2) и продуктов питания (К3) химическими веществами и радионуклидами :

(3.14)

где— суммарная кратность превышения нормативно допустимой общей загрязненности среды обитания людей; at — весовые коэффициенты, определяющие сравнительное значение каждого из слагаемых в зависимости от природно-климатических и социально-экономических особенностей территории. Минимальное значение at не может быть меньше единицы.

Кр и Kt называют коэффициентами концентрации загрязнения (ККЗ). Практика показывает, что за исключением аварийных выбросов особо опасных веществ в атмосферу при неблагоприятных метеоусловиях наибольший вклад в формирование отрицательных последствий загрязнения среды для населения приходится на питьевую воду и продукты питания. В общем случае каждый из показателей Kt определяется как

(3.15)

где Tj — средний индекс вредности у-го компонента загрязнения в данной среде,— его ПДК в сре

де, нормированная относительно ПДК какого-нибудь распространенного загрязнителя; Cj — фактическая концентрация у-го компонента в данной среде; ср — коэффициент, зависящий от специфики распространения поллютантов в данной среде.

При К gt; 1 загрязненность данной среды считается критической. В еще большей мере это относится к сумме превышений в разных средах — Крgt; так как при Кр gt; 1 резко возрастает риск экологического поражения. Риск — вероятность поражения — измеряется относительной частотой случаев поражения за определенное время.

Между уровнем риска и фактической дозовой нагрузкой, создаваемой совокупностью агентов, загрязняющих воду, продукты питания и воздух, существует тесная связь. В частности, для области вредных химических или радиационных воздействий на человека зависимость значения риска Rd от суточной дозы D имеет вид

где M(D) — многочлен не выше третьего порядка от значения суточного потребления.

Для расчетов RD наиболее часто применяют формулу

где Ь0 имеет смысл частоты спонтанных мутаций у человека (при D = 0 это соответствует уровню

Коэффициенты Ь1УЬ2 определяют из кривых «доза — эффект», которые получают в ходе специальных токсикологических экспериментов или в результате эпидемиологических исследований на большой выборке.

Суммарная дозовая нагрузка D, создаваемая совокупностью агентов, загрязняющих воду, продукты питания

и воздух (/ = 1,2,3) за промежуток времени А/, рассчитывается по формуле

(3.18)

где Ciy — осредненная за расчетный период концентрация ;-го компонента в /-й среде;              — масса или объем потреб

ления /-й среды; М — средняя масса реципиента.

Трудности, связанные с определением или расчетом суточных доз поглощения поллютантов, заставляют искать другие показатели оценки экологического риска. В частности, замена в выражении (3.16) величины D на величину Кр позволяет получить более универсальную, хотя и менее точную оценку риска.

Таким образом, если установлены или заданы предельные значения риска от суточной дозы (RD)y то с помощью расчетной процедуры, использующей зависимости (1.4), (3.16), (3.17), можно получить предельно допустимые концентрации поллютантов в среде обитания, больше или меньше отличающиеся от токсикометрически найденных ПДК. Здесь важно подчеркнуть, что при правильной оценке загрязненности среды (зависимости типа (3.15)) важно иметь данные об «истинных» ПДК, которые могут существенно отличаться от нормативно устанавливаемых ПДК.

В методах расчета ПДТН, использующих функцию риска, наиболее сложным является вычисление доли риска, связанного с загрязнением среды. Упрощенное выражение для расчета риска экопатологии имеет вид

(3.19)

где— относительное превышение фо

новой заоолеваемости за счет экологических факторов; N — численность населения территории.

В тех случаях, когда связь между загрязнением среды и заболеваемостью прослеживается во времени, их зависимость может быть выражена как

(3.20)

где Кр — общая загрязненность среды — сумма кратностей превышений ПДК; xyf — параметры логнормального распределения; /0 — функция Лапласа.

Обработка большого массива данных медстатистики и экологического мониторинга для разных городов и районов России, включая зоны разной степени экологического поражения, позволила установить закономерность влияния загрязненности среды на общую заболеваемость (рис. 3.3). Кривая соответствует эмпирическому уравнению:

(3.21)

где — отношение между общей заболеваемостью и фоновой заболеваемостью при отсутствии экопатологии;

Рт — условная максимальная заболеваемость, соответствующая крайней экоэпидемиологической ситуации (100% -ная заболеваемость из-за загрязнения среды); Кр — общая загрязненность среды; ауЬ — параметры логистической функции. (Для представленной на рисунке 3.3 кривой Рф = 0,6; Рт = 3; а = 2,5; b = 0,5.)

Критерием безопасности и нормирования загрязнения может служить то минимальное значение Кру при котором прирост заболеваемости за счет экопатологии становится статистически значимым, т. е. расхождение графиков Р/Рф(Кр) и Рф(ИГр) с их доверительными интервалами делается достоверным. Полезно обратить внимание на большое сходство кривых, относящихся к состоянию экосистемы (см. рис. 3.2), к состоянию здоровья человека (см. рис. 3.3).

Кроме приведенных медико-биологических оценок безопасности и экологического риска, существуют технические критерии безопасности, выработанные на основе статистики тяжелых технических аварий. Их количественное определение основано на методе двумерных диаграмм «частота — последствия» и на использовании пространственно-временной функции риска, которая характеризует поле риска вокруг технического источника.