Концептуальные положения мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых

ЭКОЛОГИЯ

УДК 502.13:622.033.016

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Н.М. Качурин, В.В. Факторович, Л.Л. Рыбак, В.Л. Рыбак

Обосновываются системные принципы экологического мониторинга горнопромышленных регионов, на территориях которых различные отрасли промышленности вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды. Обоснованы математические модели оценки экологического риска, позволяющие рассчитать параметры надежности системы экологической безопасности на основе данных комплексного экологического мониторинга.

Ключевые слова: система, экологический 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 всёчеловечество воспринимает экологическое состояние окружающей среды как потребитель 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 отношения 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.

Основными задачами геоэкологии являются 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 на окружающую среду реализуются как последствия, обусловленные непосредственным воздействием на участки земных недр, и 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 научно -познавательной сферы в сферу практической деятельности, связанной с управлением жизнедеятельностью территорий.

ФОРМАЛИЗОВАННАЯ ПОСТАНОВКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ МПИ

КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИКИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

I

База данных, содержащая информацию о запасах

и свойствах минерально-сырьевых ресурсов

База данных,содержащая информациюо технологиях эксплуатации месторождений полезных ископаемых

1

I

КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЧИСЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ

ДИНАМИКИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Сравнение с информацией базы данных, содержащей информацию о результатах мониторинга свойств минераль-ныхресурсов и оценка адекватности полученных результатов

Адекватный

Неадекватный результат

Вывод результатов моделирования

Уточнение и разработка математических моделей динамики свойств природных ресурсов

Рис. 1. Структурная схема имитационного моделирования

Несогласованная эколого-социальная 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-социальных проблем. Вот почему эти проблемы подобно эпидемии, возникшей в странах с низким уровнем жизни, могут проникать в экономически развитые страны. Вся история развития Европы и особенно современная история стран Центральной и Восточной Европы являются тому неопровержимым доказательством.

Следовательно, целесообразно принять антропоцентристскую доминанту в определении понятия «территориальная геоэкология», сохраняя при этом биоцентристское ядро исходного понятия. В результате 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).

Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придает особую актуальность проблеме создания адекватных эколого-экономических 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-экономическим 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 на рассматриваемой территории [3].

Особую роль в решении обсуждаемой проблемы занимает эпидемиология, которая изучает состояние здоровья определенных континген-тов населения и факторов, влияющих на 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 на изучаемые группы населения. Многие эпидемиологические исследования эндогенных

вредностей основываются на существующих воздействиях и изучают их возможные последствия для здоровья.

Рис. 2. Структура модели взаимоотношений макроэлементов биосферы и антропогенной системы, определяющих уровень и качество жизни населения на данной территории

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 компартментных математических моделей, описывающих динамику численности населения, изменение возрастной и половой структуры и продолжительности жизни с учетом экологических критериев, отражающих уровень техногенной нагрузки на 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 на 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 на окружающую среду. Практической основой геоэкологического мониторинга является оценка воздействия на 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 эко-лого-экономической 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 на парадигме математического моделирования экологических последствий принимаемых полити-

ческих 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 территории можно разделить на 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 на основе абстракции, в процессе практической деятельности. Известно, что эта схема универсальна (рис. 3).

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

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

Структура и объекты экологического мониторинга горнодобывающего региона

№ ВИД ОБЪЕКТ МОНИТОРИНГА

п/п МОНИТОРИНГА

1 Мониторинг Источники воздействия

источников Горнодо- Предпри- Пред- Химико- Предприя- Предприя-

воздействия бываю- ятия ме- приятия технологи- тия тия

щие таллур- энерге- ческие строитель- машино-

предпри- гии тики предприя- ного ком- строитель-

ятия тия плекса ного ком-

плекса

2 Мониторинг Факторы, влияющие на геоэкологическое состояние территории

факторов Биотические факторы, Абиотические факто- Социальные факторы,

влияния характеризующие состояние экологических систем ры, характеризующие состояние среды обитания населения характеризующие демографическую ситуацию и состояние здоровья насе-

ления

3 Мониторинг Компоненты окружающей среды

состояния окружающей среды Компоненты природной среды Компоненты социальной среды

Атмо- Водные Почвенный Энергети- Населе- Региональ-

сфера ресурсы слой и ли- ческая сре- ние ная система

тосфера да обита- террито- управления

ния рии

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 на человека окружающей его среды -с другой. Для того чтобы обеспечить соблюдение стандартов на 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 на окружающую среду может быть записана в виде

ХЕМУ = РЛМТБ, С1)

где ЯеыуРаыт- риск и вероятность неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду соответственно; О - ущерб от неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду.

Очевидно, что вероятность неблагоприятного антропогенного воздействия на 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

Хему = Р{!шг > МРЕНрыБ,

где 1щ- интенсивность антропогенного воздействия на окружающую среду; МРЕЬ- предельно допустимый уровень нагрузки на окружающую среду; Р{1щг>МРЕЬ}- вероятность появления неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду, превышающего допустимый уровень; Роь- вероятность отказа в системе защиты окружающей среды.

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

п

где рРор(х,у,2) и Р1пк(х,у^) - соответственно плотность распределения населения на рассматриваемой территории и вероятность отрицательного влияния на людей по всей зоне неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду; П - зона неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду.

Основным показателем экологического неблагополучия является функция распределения количества случаев неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду рассматриваемой территории. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что жизнедеятельность рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды меньше некоторого заданного времени ^ (времени экологически благоприятной жизнедеятельности), т.е. Р{1Шр>МРЕЬ}*РоЬ = 1 - Q{T<t}, где Q иТ - вероятность и период жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды.

Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения случаев неблагоприятного антропогенного воздействия на 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 отсутствии последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, базовой закономерностью будет являться следующий закон распределения вероятности жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды:

Q( t) = exp

- JX( i )di о _

где Q и X - вероятность жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды и интенсивность случаев неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду соответственно.

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

t ' - JX(I)di о _

Таким образом, задача управления экологической безопасностью жизнедеятельности рассматриваемой территории сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия: R — min^X — min или Q — max. Анализ развития ситуаций, обусловленных нарушением нормального состояния окружающей среды, показывает, что устранить причины возникновения таких ситуаций значительно легче, чем прекратить их развитие.

T = J {exp о

}dt.

t

Задачами таких систем являются 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 на 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 цена отказов, особенно катастрофических, в системе экологического обеспечения жизнедеятельности территорий выдвигает на 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. 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. Геоинформационные технологии в решении региональных проблем. 2005. Вып. 2. С.146-148.

4.Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Прогноз загрязнения приземного слоя атмосферы горнодобывающими предприятиями // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. 28- 34.

5. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Дианов Ю.Ю. Экологическая логистика транспортирования полезных ископаемых открытом способе добычи // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 38- 41

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, есо1о£\П1Ш1. tula.ru, Россия. Тула, Тульский государственный университет,

Факторович Вадим Владимирович,аспирант, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рыбак Владимир Львович, аспирант, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рыбак Леонид Львович, аспирант, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CONCEPTUAL PRINCIPALS OF MONITORING ENVIRONMENTAL PARAMETERS

BY MINING MINERAL PRODUCTS

N.M. Kachurin, V.V. Factorovich, V.L. Ribak, L.L. Ribak

System principals of environmental monitoring mining-industrial regions on which territories there are different branches of industry giving essential contribution to polluting environment are substantiated. Mathematical models of evaluating environmental risk which make possible to calculate reliability parameters of environmental safety system with using data of complex environmental monitoring were substantiated.

Key words: system, environmental monitoring, mining-industrial region,probability, environmental damage, environment, algorithm, program system.

Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, Head of a char,ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Factorovich Vadim Vladimirovich, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ribak Vladimir Lvovoch, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ribak Leonid Lvovich, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University