Принципы и результаты геоэкологического мониторинга параметров окружающей среды

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 1. С. 217-228 = Науки о земле

УДК 628.4.047:502.1:005.584.1

Принципы и результаты геоэкологического мониторинга параметров окружающей среды

Н.М. Качурин, Л.А. Белая, И.Е. Зоркин

Аннотация. Обоснованы системные принципы комплексного геоэкологического мониторинга горнопромышленных регионов и математические модели оценки экологического риска. Показано, что в общем виде структура и объекты геоэкологического мониторинга могут быть представлены в виде функциональной матрицы, учитывающей как виды мониторинга, так и его объекты.

Ключевые слова: система, геоэкологический мониторинг, горнопромышленный регион, вероятность, экологический ущерб, окружающая среда, алгоритм, комплекс программных средств.

Практика жизни и здравый смысл показывают, что нельзя говорить о среде, окружающей человека, не учитывая его потребность извлекать из этой среды полезные свойства, необходимые для создания качества жизни, которое человек желает для себя иметь. Ведь все мы воспринимаем экологическое состояние окружающей нас среды как потребители ее свойств, необходимых для нашей жизни на Земле. Если бы противоречия, возникшие между обществом и природой, не отражались на качестве жизни общества и его последующих поколений, то эти противоречия не стали бы глобальной проблемой всего мирового сообщества. Существует тенденция относиться к окружающей среде как к «бесплатному товару» и возложения обязанности по возмещению экологического ущерба на другие слои общества, другие территории или будущие поколения.

В последние десятилетия стало понятно, что на таких территориях, где природопользование противоречит принципам разумного самоограничения и где окружающая среда ухудшается, невозможны здоровое общество и экономика. Природопользование представляет собой совокупность техногенных воздействий на окружающую среду с целью получения энергии и вещества, необходимых для жизнедеятельности людей. Именно этот процесс вызывает негативные последствия в окружающей среде, поэтому необходимо обеспечивать рациональное природопользование. Научный инструментарий (tools) для изучения последствий техногенных воздействий на окружающую среду

является главной составной частью геоэкологии. Поэтому, можно дать определение понятия геоэкология и сформулировать основную задачу геоэкологии следующим образом.

Геоэкология — междисциплинарное научное направление, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей геосфер Земли как среды обитания человека и других организмов.

Основной задачей геоэкологии является изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды.

Наблюдения, оценка и прогноз состояния окружающей среды для изучения изменений, вызываемых техногенной деятельностью, являются основной целью геоэкологического мониторинга.

Это положение является общим для любой отрасли промышленности. Общим положением является и то, что любая отрасль промышленности использует природные ресурсы. Специфические отличия воздействий горных предприятий па окружающую среду реализуются как последствия, обусловленные непосредственным воздействием па участки земных недр. Их следует учитывать в имитационном моделировании (рис. 1) [1].

Детальный анализ экологической ситуации в России, показал, что необходимо учитывать следующие важнейшие системные принципы: территории промышленно развитых регионов являются сложными социально-экономическими и техническими системами;

управление экологическим состоянием территорий требует оперативной информации о последствиях принимаемых решений;

промышленно-технологический комплекс представляет собой взаимосвязь открытых технологических и социально-экономических подсистем, связанных в иерархическом отношении со всей совокупностью экологических систем, как по вертикали, так и по горизонтали.

Следовательно, оценка экологического состояния любой территории, населенной людьми, — это эколого-социальная проблема.

Уровень современных знаний, практический опыт, накопленный научными школами развитых стран, и требования повседневной жизни переводят проблему оценки экологического состояния регионов из паучпо-позпаватель-пой сферы в сферу практической деятельности, связанной с управлением жизнедеятельностью территорий. Не согласованная эколого-социалытая политика в этой деятельности нарушает стабильность в развитии всех стран, в том числе и достигших определенных успехов. Государственные и административные границы не являются серьезным препятствием для эколого-соци-алытых проблем. Вот почему эти проблемы подобно эпидемии, возникшей в странах с низким уровнем жизни, могут проникать в экономически развитые

Рис. 1. Структурная схема имитационного моделирования

страны. Вся история развития Европы и, особенно, современная история стран центральной и восточной Европы являются тому неопровержимым доказательством.

Вот почему целесообразно принять антропоцентристскую доминанту в определении понятия «территориальная геоэкология», сохраняя при этом биоцентристское ядро исходного понятия. Тогда получается некий симбиоз из терминов «геоэкология» и «экология человека». Таким образом, экология любой территории, а точнее территориальная геоэкология — это объединение и развитие важнейших разделов геоэкологии, социально-экономической экологии и экологии человека, которое представляет собой научную дисциплину, рассматривающую общие законы взаимоотношений макроэлементов биосферы и антропогенной системы, определяющие уровень и качество жизни населения на данной территории (рис. 2).

Рис. 2. Структура модели взаимоотношений макроэлементов биосферы и антропогенной системы, определяющие уровень и качество жизни населения

на данной территории

Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придает особую актуальность проблеме создания адекватных

эколого-экоттомических моделей. Анализ предметной области, в целом, и объектов моделирования, в частности, позволяет разрабатывать эффективные структурные и функциональные схемы моделей территорий как объектов управления по эколого-экопомическим критериям [2].

Этот объект управления физически представляет собой открытый системный блок, состоящий из подсистем — «население региона», «экономика предприятия» и «природный ресурс предприятия». Следовательно, объектом исследования в этом случае является предприятие как источник загрязнения окружающей среды, являющейся средой обитания для достаточно многочисленной группы людей, связанных с деятельностью всего промышленного комплекса, расположенного па рассматриваемой территории [3].

Особую роль в решении обсуждаемой проблемы занимает эпидемиология, которая изучает состояние здоровья определенных контингентов населения и факторов, влияющих па состояние здоровья. При эпидемиологических исследованиях экологические факторы принимаются во внимание, а население подвергается классификации с учетом получаемых переменных. Переменные, связанные с естественными процессами, также требуют идентификации и классификации с тем, чтобы можно было рассматривать изолированно или в комбинации их влияние па изучаемые группы населения. Многие эпидемиологические исследования эндогенных вредностей основываются па существующих воздействиях и изучают их возможные последствия для здоровья.

В целом эпидемиологические исследования особенно важны, когда существует необходимость дать оценку экзогенным вредностям, для которых характерны комплексные или отдаленные результаты, а также в тех случаях, когда защитные меры потребуют больших затрат или коренных изменений.

Идея предлагаемой концепции может быть сформулирована следующим образом. Достоверная оценка экологического состояния региона основывается на закономерностях, существующих между экологическими критериями и показателями качества жизни населения, отражающими социально-экономический фон рассматриваемой территории.

Рабочая гипотеза, позволяющая реализовать сформулированную идею, заключается в следующем. Экологическое состояние любой территории следует рассматривать как состояние взаимоотношений между ее населением и окружающей средой, характеризующееся определенным уровнем и качеством жизни населения. Решение проблемы осуществляется с использование следующих методов:

— разработка алгоритма построения территориальной структуры региона, как конечного множества территориальных подразделений, слагающих регион, в пределах которых экологические критерии и демографические показатели можно считать равномерно распределенными и зависящими только от времени;

— разработка компартмептпых математических моделей, описывающих динамику численности населения, изменение возрастной и половой структуры и продолжительности жизни с учетом экологических критериев, отражающих уровень техногенной нагрузки па каждое территориальное подразделение;

— организация и проведение вычислительных экспериментов с использованием данных государственной статистической отчетности;

— разработка законодательных актов, регламентирующих уровень техногенной нагрузки с использованием методики оценки экологического состояния по физико-химическим, биологическим, демографическим и эпидемиологическим показателям, и их практическая апробация па территории конкретного горнодобывающего региона.

Основной трудностью в реализации предлагаемой концепции является получение адекватных экологических критериев, представляющих собой функционально связанные экологические факторы, показатели состояния здоровья населения, демографические показатели и уровни воздействия па окружающую среду. Практической основой геоэкологического мониторинга является оценка воздействия па окружающую среду (ОВОС). ОВОС использовался в России для изучения взаимосвязей предлагаемых проектных решений с особенностями экологических условий и социально-экономической структуры, сложившихся в районах размещения проектируемых промышленных объектов. Однако практика использования ОВОС показала, что эти методические принципы можно эффективно применять и для действующих предприятий.

ОВОС проводится для предотвращения деградации окружающей среды, восстановления нарушенных природных систем, обеспечения эколого-экопо-мической сбалансированности развития предприятий, создания благоприятных условий жизни людей и разработки мероприятий, снижающих уровень экологической опасности планируемой деятельности.

Становится очевидным, что методология исследований экологического состояния территорий должна основываться па парадигме математического моделирования экологических последствий принимаемых политических и технологических решений. При этом математизированный подход не должен нарушать функциональной и структурной целостности того центрального объекта, который вычленяется в процессе исследований.

Процесс получения и использования знаний об интересующей пас территории можно разделить па три этапа. Первый — это наблюдение, опыт, в результате которых в распоряжении исследователя оказывается информация, необходимая для эмпирических обобщений и гипотез. Второй — абстрактное описание и попытка системного обобщения. Третий — проверка выводов, полученных па основе абстракции, в процессе практической деятельности. Известно, что эта схема универсальна (рис. 3).

Следовательно, ОВОС является одной из базовых составных частей (components) геоэкологического мониторинга.

Рис. 3. Схема процесса получения и использования знаний об экологическом состоянии рассматриваемой территории

ОВОС включает следующие основные этапы: сбор и анализ необходимой информации; определение источников, видов и объектов воздействия; прогнозирование изменения состояния природной среды; оценку вероятных аварийных ситуаций и их последствий; оценку экологических, социальных и экономических последствий; определение способов предупреждения или снижения отрицательных техногенных воздействий и обоснование методов их контроля; проведение эколого-экономической оценки проектов или действующих предприятий; анализ и выбор альтернативных вариантов осуществления конкретного проекта; формирование новых вариантов рассматриваемого проекта.

Оценка риска негативных последствий добычи и переработки полезных ископаемых является одной из важнейших фаз геоэкологического мониторинга. При этом необходимо учитывать влияние на окружающую среду и других отраслей промышленности, так как нет регионов, на территориях которых существовала бы только горнодобывающая отрасль. В общем виде структура и объекты геоэкологического мониторинга горнодобывающего региона могут быть представлены в виде функциональной матрицы, учитывающей как виды мониторинга, так и его объекты (табл. 1).

Таблица 1. Структура и объекты геоэкологического мониторинга горнодобывающего региона

№ Вид мониторинга Объект мониторинга

1 Мониторинг источников воздействия Источники воздействия

Горнодо- бываю- щие пред- приятия Пред- приятия метал- лургии Пред- приятия энерге- тики Химико- техноло- гические пред- приятия Пред- приятия строи- тельного ком- плекса Пред- приятия машино- строи- тельного ком- плекса

2 Мониторинг факторов влияния Факторы, влияющие на геоэкологическое состояние территории

Биотические факторы, характеризующие состояние экологических систем Абиотические факторы, характеризующие состояние среды обитания населения Социальные факторы, характеризующие демографическую ситуацию и состояние здоровья населения

3 Мониторинг состояния окружающей среды Компоненты окружающей среды

Компоненты природной среды Компоненты социальной среды

Атмо- сфера Водные ресурсы Почвенный слой и литосфера Энерге- тиче- ская среда обита- ния Населе- ние террито- рии Регио- нальная система управле- ния

Таким образом, ОВОС является еще и базовым инструментом стратегического планирования развития территорий. Группа стратегического планирования обязана осуществлять комплексный мониторинг (в том числе и геоэкологический) для того, чтобы определить, какие из прогнозируемых тенденций реализуются в действительности. Для осуществления непрерывного процесса стратегического планирования и геоэкологического мониторинга секторов экономики необходимо определить ряд показателей, которые должны периодически отмечаться и сравниваться с показателями, приведенными в прогнозах первоначального стратегического плана.

Научные критерии, используемые при разработке экологических стандартов окружающей среды, отражают количественную зависимость между

интенсивностью, частотой и продолжительностью воздействия различных факторов окружающей среды, с одной стороны, и риском или степенью неблагоприятного воздействия па человека окружающей его среды — с другой. Для того чтобы обеспечить соблюдение стандартов па выбросы и эмиссии, необходимо установить различного типа «технологические стандарты», касающиеся эксплуатации и проектирования оборудования для определенных видов технологических процессов, связанных с образованием загрязнений. При утверждении «стандартов» необходимо принимать во внимание вопросы технической выполнимости и финансовые последствия их внедрения.

Концептуальная формула риска неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду может быть записана в виде:

ft'ENV = ^ANtO,

где RrnVi Pant ~ риск и вероятность неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду соответственно; D — ущерб от неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду.

Очевидно, что вероятность неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду будет представлять собой вероятность одновременного появления двух событий, во-первых, интенсивность антропогенного воздействия превысит допустимый уровень и, во-вторых, произойдет отказ в системе защиты окружающей среды.

Поэтому окончательно получим:

/*KNV = Р {/inf > MPEL} PGIjD,

где /inf — интенсивность антропогенного воздействия па окружающую среду; MPEL — предельно допустимый уровень нагрузки па окружающую среду; Р { /inf > MPEL} — вероятность появления неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду, превышающего допустимый уровень; Pch ~ вероятность отказа в системе защиты окружающей среды.

В общем случае ущерб неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду конкретной территории определяется как математическое ожидание отрицательного влияния па население па этой территории, то есть:

D= Ррор

In

где Ррор (ж; у, z) и Pjnh (ж, у, z) — соответственно плотность распределения населения па рассматриваемой территории и вероятность отрицательного влияния па людей по всей зоне неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду; £1 — зона неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду.

Основным показателем экологического неблагополучия является функция распределения количества случаев неблагоприятного антропогенного

воздействия па окружающую среду рассматриваемой территории. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что жизнедеятельность рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды меньше некоторого заданного времени I, (времени экологически благоприятной жизнедеятельности), т.е.

где С} и Т — вероятность и период жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды.

Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения случаев неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду рассматриваемой территории, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как математическое ожидание таких случаев.

Анализ информации по динамике возникновения случаев экологического неблагополучия позволяет заключить, что интенсивность возникновения таких ситуаций изменяется во времени. Следовательно, потоки отказов в системах экологического обеспечения жизнедеятельности территорий являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, базовой закономерностью будет являться следующий закон распределения вероятности жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды:

где С} и А — вероятность жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды и интенсивность случаев неблагоприятного антропогенного воздействия па окружающую среду соответственно.

Тогда период времени, в течение которого жизнедеятельность рассматриваемой территории протекает без нарушений состояния окружающей среды, можно определить по формуле:

Таким образом, задача управления экологической безопасностью жизнедеятельности рассматриваемой территории сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия:

/?, —>- ппп =4> Л —>- ппп или С} —>- тпах .

Анализ развития ситуаций, обусловленных нарушением нормального состояния окружающей среды, показывает, что устранить причины возникновения таких ситуаций значительно легче, чем прекратить их развитие.

Р {/ШР > МРЕЬ} х Рсь = 1 - а {Т <

Задачами таких систем является содержание и накопление базы данных по параметрам, характеризующим состояние компонент окружающей среды, проведение качественного и количественного анализа информации о динамике техногенных воздействий, идентификация и прогнозирование состояний окружающей среды, прогноз возможных последствий. Главная цель такого подхода, заложенная в математическом обеспечении прогноза вероятности возникновения экологических проблем па рассматриваемых территориях, — это сделать возможным вычислительный эксперимент, моделирующий функционирование территории по фактору геоэкологической безопасности.

Результаты вычислительного эксперимента позволят получить необходимый объем информации для принятия управленческих решений и своевременного ввода в действие системы защитных мероприятий. Высокая цепа отказов, особенно катастрофических, в системе экологического обеспечения жизнедеятельности территорий выдвигает па первый план задачу их предупреждения, что возможно благодаря разработке эффективных профилактических мероприятий и своевременному вводу их в действие. Важнейшим организационным принципом безопасного функционирования территории по геоэкологическому фактору является обеспечение контроля выполнения законодательства по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов.

Список литературы

1. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Г.Г. Геоэкологические принципы использования вторичных ресурсов. М.-Тула: Изд-во Гриф и К°, 2000. 360 с.

2. Качурин Н.М., Белая Л.А., Рогова Т.А. Социально-экономические показатели промышленно развитых территорий и модель прогнозирования демографической ситуации /'/' Изв. ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности.

2004. Вып. 7. С. 5-16.

3. Качурин Н.М., Мелихова Н.И., Белая Л.А. Моделирование динамических процессов воздействия горного предприятия на экологические системы /'/' Изв. ТулГУ. Сер. Геоинформа.ционные технологии в решении региональных проблем.

2005. Вып. 2. С. 146-148.

Поступило 12.01.2009

Качурин Николай Михайлович (ecology@tsu.tula.ru), д.т.п., профессор, проректор, зав. кафедрой, кафедра геотехпологий и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.

Белая Лилия Александровна, ассистент, кафедра математического моделирования, Тульский государственный университет.

Зоркин Игорь Нвгеньевич, генеральный директор ОАО «Российский Капитал», г. Тула.

Principals and results of environmental monitoring environment parameters

N.M. Kachurin, L.A. Belay, I.E. Zorkin

Abstract. System principals of complex environmental monitoring for mining-industrial regions and mathematical models of evaluating environmental risk were substantiated. It is shown, that general structure and objects of environmental monitoring can be submitted as functional matrix, which taking into account types and objects environmental monitoring.

Keywords: system, environmental monitoring, mining-industrial region, probability, environmental detriment, environment, algorithm, complex program system.

Kachurin Nikolai (ecology@tsu.tula.ru), doctor of technical sciences, professor, pro-rector, head of department, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.

Belay Lilia, assistant, department of mathematical modeling, Tula State University.

Zorkin Igor, general director of open Corporation «Russian Capital», Tula City.