Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ
ОЦЕНКИ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА
(АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ) 9
1.1. Современное состояние проблемы оценки антропогенных воздействий на окружающую среду 9
1.1.1. Сравнительный анализ возможностей и недостатков экодиагностики по абиотическим и биотическим характеристикам 9
1.1.2. Сравнительный анализ некоторых методов моделирования воздействия на окружающую среду 13
1.2. Современное состояние проблемы анализа техногенного экологического риска... 36
1.2.1. Понятие и меры риска 36
1.2.2. Методы риск-анализа 38
1.2.3. Особенности количественного анализа экологического риска 40
1.3. Современное состояние проблемы определения техногенного эколого-экономического ущерба 43
1.3.1. Техногенный эколого-экономический ущерб и "экологические издержки" производственного объекта 43
1.3.2. Некоторые характерные недостатки современной нормативно-методической базы оценки техногенного эколого-экономического ущерба.. 50
1.4. Основные результаты анализа литературы 60
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКИ ЕГО СБОРА И ОБРАБОТКИ, МОДЕЛЬНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ 63
2.1. Использованный эмпирический материал 63
2.1.1. Водные экосистемы 63
2.1.2. Наземные экосистемы 66
2.2. Методики сбора и обработки материала 61
2.2.1. Водные экосистемы 67
2.2.2. Наземные экосистемы 68
2.2.3. Статистическая и математическая обработка данных 69
2.3. Характеристика модельных экосистем 69
2.3.1. Основной модельный объект - Сланцевский горнопромышленный район... 70
2.3.2. Река Сясь в зоне воздействия ОАО "Бокситогорский глинозём" и в фоновых условиях 89
2.3.3. Река Луга и её притоки в зоне воздействия ООО "ПГ Фосфорит" 94
ГЛАВА 3. МЕТОД ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА 101
3.1. Оценка воздействия 101
3.1.1. Оценка распространения поллютантов в атмосфере 101
3.1.2. Оценка распространения поллютантов в водотоках 106
3.1.3. Оценка результирующего многофакторного воздействия изоболическим методом 109
3.2. Анализ риска как математического ожидания ущерба 133
ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА 149
4.1. Оценка эколого-экономического ущерба от воздействия Сланцевского горнопромышленного комплекса на экосистему р. Плюссы и её притоков 149
4.2. Некоторые примеры оценки техногенного воздействия па природные экосистемы 167
4.2.1. Воздействие ОАО "Бокситогорский глинозём" на экосистему р. Сяси и её притоков 167
4.2.2. Воздействие ООО "ПГ Фосфорит" на экосистему р. Луги 177
4.2.3. Техногенное воздействие на наземные экосистемы Сланцевского района.. 188
ВЫВОДЫ 197
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 201
- Сравнительный анализ возможностей и недостатков экодиагностики по абиотическим и биотическим характеристикам
- Водные экосистемы
- Оценка распространения поллютантов в атмосфере
Введение к работе
Актуальность проблемы определяется недостаточной изученностью воздействия предприятий горной промышленности на водные наземные экосистемы, отсутствием адекватного метода оценки и нормирования этого воздействия, оценки и прогнозирования наносимого им ущерба окружающей природной среде вообще и биоте в частности.
Техногенное воздействие на природные экосистемы, обусловленное деятельностью горно-металлургического комплекса, относится к наиболее интенсивным, сложным, многоплановым и трудно поддающимся оценке. В Ленинградской области имеется несколько крупных горнопромышленных предприятий, воздействующих на уникальные водные объекты высокой рыбохозяйст-венной и биохорологической ценности (реки Плюсса, Луга, Сясь с притоками). Экосистемы этих рек и особенности их техногенной сукцессии изучены недостаточно, приводимые в литературе сведения немногочисленны, отрывочны и, в основном, устарели. Это особенно касается сведений о макрозообентосе, важнейшем компоненте кормовой базы рыб и одном из лучших биоиндикаторов состояния водной среды. Изменения, вызываемые аэротехногенным загрязнением наземных экосистем в импактных зонах горнопромышленных предприятий, в Ленинградской области также мало известны.
Таким образом, актуальность представленного исследования обусловливается не только его методическим аспектом, выраженным в названии диссертации, но и недостаточной изученностью состояния водных и наземных экосистем в горнопромышленных регионах.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка и апробация метода оценки техногенного эколого-экономического ущерба от воздействия горных предприятий на основе анализа экологического риска. Эта цель определила следующие задачи исследования: 1) проанализировать современную нормативно-методическую базу оценки техногенных воздействий на окружающую среду, экологического риска и эколого-экономического ущер-
5 ба, выявить её основные недостатки, определить пути её улучшения и развития; 2) разработать метод количественной оценки многофакторной нагрузки горнопромышленных предприятий на водные и наземные экосистемы, основанный на сравнении техногенного воздействия с его уровнем, предельно допустимым для сообществ-индикаторов; 3) разработать метод анализа техногенного экологического риска как математического ожидания эколого-экономического ущерба; 4) апробировать указанные методические разработки применительно к экосистемам, испытывающим воздействие горнопромышленных предприятий в Ленинградской области.
Научная новизна. Предложены и апробированы методы количественной оценки и нормирования многофакторного техногенного воздействия на экосистемы, определения и прогнозирования наносимого данным воздействием наиболее вероятного эколого-экономического ущерба. Выявлены и описаны количественные закономерности реакции сообществ-биоиндикаторов (макрозообен-тоса, лихеноценозов) на многофакторные воздействия предприятий горной промышленности. Существенно уточнен видовой состав макрозообентоса рек Сяси, Свири, Плюссы и Луги с их притоками, изучены распределение бентоса по биотопам и его техногенная сукцессия. Дополнен список видов лишайников Сланцевского района. Определены и внесены в компьютерную базу данных подробные абиотические и биотические характеристики водотоков и наземных экосистем в зонах воздействия предприятий горной промышленности (Сланцевский, Бокситогорский, Кингисеппский районы Ленинградской области).
Практическая значимость. Результаты исследования могут широко использоваться: в сравнительных экологических исследованиях; при разработке мероприятий по охране экосистем в зоне воздействия предприятий горнометаллургического комплекса; для экологической экспертизы и аудита действующих промышленных объектов, а также при их проектировании и реконструкции с целью минимизации экологического риска.
Результаты диссертационного исследования были использованы: при выполнении Федеральной целевой программы "Интеграция" (направления № 2.1 АО 140 и № М0048-5.1), программ Минобразования и Минприроды РФ "Научно-инновационное сотрудничество" (проекты №207.02.01.131 и №04.01.004), КЦФЕ (проект №Е02-12.5-319), проекта TACIS СРС Project Reference № TPS 36/97 "The development of fisheries at the upper part of the river Vuoksi area" и гидроэкологических программ Санкт-Петербургского фонда гуманитарных инициатив (СПбФГИ); при экспертизах предпроектной и проектной документации на строительство объектов и производства работ в акваториях, поймах и прибрежной полосе рыбохозяйственных водных объектов (ФГУ "СЕВЗАПРЫБВОД"); при подготовке учебного пособия "Основы общей биологии и общей экологии" и "Экологический мониторинг", лекционных курсов по дисциплинам "Общая экология", "Основы токсикологии" и "Биологический мониторинг" (СПГТИ (ТУ); РГПУ им. А.И. Герцена).
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на международной научной конференции "Малые реки: современное экологическое состояние, актуальные проблемы" (Тольятти, 2001), на VI и VII международных конференциях "Экология и развитие Северо-Запада России" (С.-Петербург, 2001, 2002), на VIII съезде гидробиологического общества РАН (Калининград, 2001), на II и V международных конференциях "Modelling and Analysis of Safety and Risk in Complex Systems" (С.-Петербург, 2002, 2005), на II международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие'7У8ТМ'02 (Москва, 2002), на международной конференции "Трофические связи в водных сообществах и экосистемах" (Борок, 2003), на II Всероссийском симпозиуме по амфибиотиче-ским и водным насекомым (Воронеж, 2003), на II Всероссийской конференции "Экосистемы малых рек: биоразнообразие, биология, охрана" (Борок, 2004), на IX международной конференции "Экология и развитие общества" (С.Петербург, 2005), на Международной конференции "Современные проблемы водной токсикологии" (Борок, 2005) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 244 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, 5 приложений, введение и выводы, список использованной литературы из 184 наименований, 60 рисунков, 23 таблицы.
Организация, объем исследований и личный вклад автора. Работа
выполнена на кафедрах экологии, аэрологии и охраны труда и геоэкологии
Санкт-Петербургского государственного горного института (технического уни
верситета) им. Г.В.Плеханова в 1998-2006 гг. В диссертационной работе ис
пользованы материалы полевых экологических исследований, полученные лич
но соискателем. Автором были лично отобраны и обработаны пробы воды,
макрофитов и макрозообентоса на реках Плюсса, Сясь, Луга, Свирь и их прито-
ках, обследовано состояние сосен и их эпифитных лихеноценозов на террито-
рии Сланцевского района, выполнен компьютерный статистический и математический анализ полученных результатов.
Благодарности. Автор глубоко признателен всем коллегам, оказавшим
помощь при сборе, обработке и интерпретации материалов диссертационного
исследования, особенно коллективам НИЦЭБ РАН и Аналитического центра
мониторинга окружающей среды ГУП ТОСМЕТ" за совместную работу по
изучению техногенных сукцессии Сланцевского региона (ФЦП "Интеграция") и
любезно предоставленные фондовые материалы о фоновом состоянии водных и
наземных экосистем юго-запада Ленинградской области. Сбор материалов в
полевых условиях осуществлялся при активном содействии сотрудников
СПГГИ профессора д.б.н. В.Ф. Шуйского и к.т.н. Д.С. Петрова, сотрудников
ГосНИОРХ к.б.н. Т.П. Занцинской, с.н.с. СВ. Михельсона, м.н.с.
К.Ю. Домбровского, а также многих студентов СПГГИ. При моделировании
распространения газопылевых выбросов значительную методическую и кон-
> сультативную поддержку оказали сотрудники ФГУП "НТЦ "Промышленная
безопасность" к.ф.-м.н. А.В. Пчельников и д.т.н. М.В. Лисанов. Значительную
8 помощь при определении видовой принадлежности организмов зообентоса оказали В.Ф. Шуйский, в.н.с. ЗИН РАН д.б.н. Н.А. Петрова, зав. кафедрой СГУ д.б.н. Е.Е. Морозова. Неоценимую помощь при видовой диагностике лишайников оказала в.н.с. БИН РАН д.б.н. Л.Н. Новичкова-Иванова. С удовольствием пользуюсь случаем выразить всем коллегам искреннюю благодарность за большую помощь в работе.
class1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ
ОЦЕНКИ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА
(АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ) class1
Сравнительный анализ возможностей и недостатков экодиагностики по абиотическим и биотическим характеристикам
Различные компоненты природной среды испытывают антропогенные воздействия все возрастающей интенсивности и сложности. В первую очередь это касается воздействий техногенных. При этом горная промышленность относится к бесспорным лидерам как по степени нагрузки на природную среду, так и по количеству сложно взаимодействующих факторов, создающих эту нагрузку. Так, по результатам приблизительной интегральной оценки, на долю горной промышленности приходится около 20 % от общего загрязнения биосферы и до 80 % объема образуемых техногенных отходов. При этом в отходы различной консистенции переходит в итоге не менее 90 % добываемого минерального сырья [1].
Оценка состояния и техногенного изменения экосистем может производиться:
1) по их абиотическим характеристикам,
2) по их биотическим характеристикам (биоиндикация),
3) с использованием характеристик обеих этих категорий, рассматриваемых:
- по отдельности, как равноценные показатели;
- по отдельности, с приоритетом абиотических или, наоборот, биотических показателей;
- системно, с учетом их причинно-следственных связей.
Каждый из этих подходов имеет определённые преимущества и ограничения. Их подробный сравнительный анализ (с использованием более 250 литературных источников и результатов оригинальных исследований) проведён нами в монографии [2]. В связи с ограниченным объемом диссертации здесь приводятся лишь краткий конспект этого обзора и его основные результаты. Использование абиотических характеристик для оценки состояния экосистем является наиболее традиционной и широко применяемой. Значения абиотических факторов имеют ясное количественное выражение, а результаты их сравнения с установленными нормативными (предельно допустимыми) значениями просты и наглядны. Однако методологические недостатки и ограничения этого подхода весьма существенны [2].
Так, допускаются косвенные последствия воздействия на экосистемы и человека, определяемые биотическими нарушениями и изменением уязвимой средорегулирующей функции девственной биоты. Оценка состояния природных экосистем осуществляется по частным результатам лабораторных экспериментов, маскирующих пролонгированные эффекты. Региональная и локальная коррекция нормативов не предусматривается или носит формальный характер. Учет важнейшего эффекта взаимодействия экологических факторов производится неадекватно или игнорируется и т.д.
Обычно учёт и количественное выражение эффекта межфакторного взаимовлияния осуществляются с использованием различных вариаций аддитивной (суммирующей) или, реже, мультипликативной (умножающей) модели взаимодействия факторов, а также с применением графического анализа изобол по Loewe [3] (в токсикологии, фармакологии и др.).
Уместно сразу определить понятие изоболы, которое является одним из ключевых в настоящей работе. "Изоболой" (от гр. "кго ;" - равное и "Po oq" -изменение [4]) принято называть совокупность всех тех сочетаний значений факторов, совместно действующих на биологическую систему, при которых эта биосистема испытывает одинаковый уровень воздействия и, соответственно, одинаково реагирует.
Подробный сравнительный анализ этих подходов показывает [2], что известные вариации аддитивных и мультипликативных моделей неадекватны и недостаточно точны. Графический анализ изобол не обеспечивает количественной формализации результатов и ограничивается в применении лишь простейшими, двухфакторными комбинациями.
Таким образом, очевидна необходимость разработки более адекватной, универсальной количественной меры многофакторных воздействий на биосистемы. Искомый показатель должен верно учитывать эффект взаимодействия факторов любой природы в любой их комбинации и с высокой точностью описывать их изоболы, т.е. быть строго изоболическгш: каждому конкретному значению показателя воздействия должна соответствовать одна и только одна изо-бола, а следовательно, и единый, строго определённый уровень изменения биосистемы [5, 6]. В литературе постоянно дискутируется возможность разработки адекватной меры многофакторных воздействий на биосистемы, способной корректно учесть и количественно выразить взаимодействие любой факторной комбинации [4, 7-14 и др.]. Используя предложенную терминологию и критерии, можно сформулировать задачу более точно и лаконично: необходимо создание и широкое применение в экологии и смежных областях знаний универсального изоболического показателя многофакторных воздействий на биосистемы.
Биоиндикация состояния экосистем и сукцессии приобретает всё возрастающее значение в экологических исследованиях. В первую очередь, это определяется большей надёжностью и меньшей стоимостью биоиндикационной экодиагностики, по сравнению с оценкой абиотических характеристик среды.
Водные экосистемы
При разработке метода оценки и прогноза эколого-экономического ущерба от техногенного воздействия на основе риск-анализа была использована база оригинальных гидроэкологических данных. Эти материалы получены в результате многолетнего изучения антропогенных сукцессии экосистем разнотипных водных объектов (реки, озера, эстуарии, ручьи и др.), проводившегося при моем участии (1998-2004 гг.). База включает протоколы обработки более 6000 проб макрозообентоса и дрифта и более 1000 пробы воды и грунта (результаты собственных исследований и регулярных наблюдений на некоторых постах ОГСНК-СМСЭМ), а также сведения об основных биотопах изучавшихся водоёмов и водотоков [2].
Изучавшиеся гидроэкосистемы. Гидроэкологические исследования выполнялись в Северо-Западном регионе России (Ленинградская область) и в Финляндии (река Вуокса в верхнем течении). В Ленинградской области изучались следующие водные объекты (рис. 2.1):
- Финский залив: приустьевые участки рек Луга и Чёрная, бухта Батарейная.
- Реки бассейна Финского залива: Луга (в среднем и нижнем течении) с притоками: Врудой, Лубенкой, Хревицей, Лемовжей, Сабой, Азикой, Солкой, Долгой и Ящерой; Плюсса (в нижнем течении) с притоками: Сиженкой, Ку-шелкой, Руей; Коваш, Серьга, Песчаная, Великая, Чулковка, Селезневка, Горо-ховка; гидроэкосистема р. Великая - р. Гладышевка (с притоком р. Рощинкой) - р. Чёрная.
- Реки бассейна Ладожского озера: Вуокса (в среднем течении); Свирь с притоками Пашой, Капшой, Явосьмой и Оятыо; Сясь с притоками Воложбой, Пярдомлей, Тихвинкой, Рыбежкой и Ряданью; Волхов (в нижнем течении).
- Озёра Гладышевское, Белое, Липовское, Хаболовское, Судачье, Ду-дергофское, Глубокое, Вуокса, Вишневское, Лемболовское, Бабинское, Большое Шугозеро.
Оценка распространения поллютантов в атмосфере
Исходя из результатов многокритериальной сравнительной оценки разнотипных моделей атмосферного загрязнения, принято решение использовать при описании распространения "легких" газов - гауссову модель, более плотных газов и аэрозолей - модель "тяжелого" газа. Однако непосредственное заимствование для этой цели действующих моделей окажется недостаточно результативным: требуется разработка способа коррекции результатов с учетом особенностей характера подстилающих поверхностей (разд. 1.4, 2).
Дальнейший отбор и модификация моделей, обеспечивающие более приемлемую оценку (судя по принятой балльной системе), дал следующие результаты.
1) Для имитации распространения "легких" газов может быть взята за основу гауссова модель, разработанная в институте им. А.И. Воейкова (ОНД-86) (разд. 1.1.2.1). Однако распространенные программы (УПРЗА) серий "Эколог", "Кедр" и др. полностью реализуют соответствующие алгоритмы проф. М.Е. Берлянда с коллегами и не дают возможности модификаций. В связи с этим модифицированная гауссова модель на основе ОНД-86 реализуется в среде MS-Excel при создании исходной топоосновы с интервалом 0,1 - 0,2 км. При этом в программу расчета распространения поллютантов целесообразно внести некоторые изменения.
Так, алгоритмы ОНД-86 во многих ситуациях предписывают аппроксимировать зависимость между переменными семействами кривых или кусочно-непрерывными функциями (например, п. 2.12, 2.14 и др.). Значения аргумента подразделяются на несколько интервалов (иногда - довольно небольших). На каждом из них осуществляется аппроксимация зависимости необходимой для дальнейших расчетов переменной с использованием произвольно подобранных, часто - громоздких и многопараметрических функций (например, полиномиальной). Структура уравнения при этом никак не передает сущности и характера зависимости, а лишь обеспечивает наибольшее возможное приближение к эмпирическим значениям.
Целесообразно и нетрудно заменить такие описания непрерывными функциями от соответствующих императивных факторов с учётом межфакторного взаимодействия, что позволяет увеличить точность интерполяционных расчетов (степень подробности учета характеристик возрастает от 1-г2 до З-т-5 баллов: табл. 1.2).
При этом многопараметрические уравнения без потери точности заменяются более простыми, с меньшим количеством параметров, каждый из которых содержательно характеризует состояние условий выброса и его диффузии. Например, уравнение 2.27 содержит в знаменателе квадрат полинома четвертой степени (итого 8 параметров, переменная учитывается четырежды), в то время как описываемая зависимость хорошо аппроксимируется обычным уравнением экспоненциальной функции и т.д.
Соответствующие изменения внесены нами в алгоритм ОНД-86.
2) Для описания распространения плотных газовых примесей и аэрозолей традиционными являются попытки использования адаптированных гауссовых моделей. Простейшая, не вполне удачная попытка дифференцированного учета фракционного состава пыли при гауссовом моделировании предпринята и в ОНД-86. Известны варианты гауссовой модели, так или иначе усовершенствованные для расчета рассеяния тяжёлых газов с детализированным учетом состояния атмосферы [157, 158 и др.]. Однако при этом сохраняются основные недостатки данного класса моделей, препятствующие адекватному описанию динамики плотных пылегазовых примесей (разд. 1.4, 2).
Сравнительный анализ имеющихся вариантов решения данной задачи (табл. 1.2 - 1.3; разд. 1.4, 2) позволяет предпочесть методику распространения "тяжелых" газов "Токси-3" [159]. Указанная методика выгодно отличается от аналогов более адекватным учетом специфического характера пространственной динамики выбрасываемых плотных газов и пылей. Модель учитывает теплообмен выброса с подстилающей поверхностью. Кроме того, моделью учитывается (рис. 3.1), что форма облака выброшенного "тяжелого" поллютанта имеет существенные отличия. Оно обладает "ядром", внутри которого концентрация при движении по траектории, определяемой направлениями ветра, долго почти не изменяется, так как "размытие" облака идет лишь по его периферии, в середине же облака диффузия практически отсутствует (см. рис. 3.1, изопо-верхности: Li— L2-»L3). При этом тяжесть облака приводит к его гравитационному растеканию по подстилающей поверхности (расширению при потере высоты). Благодаря учёту этих особенностей аппроксимация распространения динамики таких пылегазовых выбросов с применением модели "Токси-3" обеспечивает гораздо большую точность, чем на основе гауссовых моделей (относительная ошибка средних значений для изолиний - до 10 % и до 500 % соответственно) [26, 27, 160 и др.].
