Существует два основных направления использования сводных расчетов при управлении взаимодействием человека и воздушного бассейна и, соответственно, их развития. В рамках первого направления сводные расчеты используются при определении нормативных, т.е. предельно-допустимых (с точки зрения выполнения экологических требований) значений характеристик источников загрязнения атмосферы (ИЗА). В рамках второго направления сводные расчеты используются для диагноза состояния качества атмосферного воздуха, соответствующего тем или иным реальным характеристикам ИЗА. Диагноз может относиться как к существующему загрязнению атмосферы, так и к возможному загрязнению воздуха в будущем прогнозируемому, например, по проектным данным ИЗА. Естественным развитием сводных расчетов, проводимых с указанными диагностическими целями, является создание систем расчетного мониторинга загрязнения воздушного бассейна.

Сводные расчеты могут проводиться на разных этапах нормирования выбросов. На этапе определения нормативных значений параметров ИЗА сводные расчеты могут использоваться в рамках двух несколько различающихся подходов.

§ в ходе определения для каждого предприятия города (региона) полей допустимых вкладов (квот) предприятий в формирование уровней приземных концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятиями, которые могут создаваться выбросами в атмосферу ИЗА каждого отдельного предприятия;

§ в городах (регионах), где определение полей квот не проводится, сводные расчеты могут быть использованы для оценки фоновых концентраций загрязняющих веществ (ЗВ), создаваемых выбросами всех ИЗА города (региона). При этом существенно, что фоновые концентрации, используемые при нормировании выбросов, должны рассчитываться по данным о параметрах ИЗА, соответствующих регламентной работе производств предприятия, а не при реальном их функционировании.

Подготовка и проведение сводных расчетов загрязнения атмосферы требует разработки методического обоснования их выполнения. По сравнению с разработками ведомственных проектов нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) для отдельных предприятий сводные расчеты имеют ряд специфических особенностей.

Объем исходной информации о промышленных выбросах изменяется от 2-3 тыс. источников и 100-120 вредных веществ для городов с населением 200-300 тыс.чел. до 10- 15 тыс. источников и 200-250 вредных веществ для городов с населением более 0.5 млн.чел. Это предъявляет особые требования к формированию базы данных, их сбору. Значительную сложность представляет определение состояния исходной информации, содержащей данные о выбросах в атмосферу, и ее анализ с точки зрения возможности использования для проведения сводных расчетов.

В частности:

§ анализ полноты и достоверности данных, включая информацию об изменении выбросов во времени;

§ выяснение необходимости разработки программ для ЭВМ - конвертеров данных, занесенных на машинный носитель с помощью различных программных средств;

§ анализ корректности описания источников с точки зрения используемых расчетных методов.

Как правило, исходная информация о выбросах разных предприятий имеет существенные временные различия в данных ее получения и согласования. Поэтому весьма важной является процедура корректировки исходных данных с учетом фактического объема производств рассматриваемых предприятий. Значительный объем исходной информации определяет необходимость разработки единой системы кодирования предприятий, основных производств и источников, а также формирование словаря примесей. При проведении расчетов загрязнения атмосферы для отдельных предприятий параметры источников (особенно с нестандартными характеристиками выбросов) нередко задаются разными типами, что обуславливает необходимость унификации подходов к стилизации источников и их параметров.

При подготовке к выполнению сводных расчетов необходим анализ нестационарности выбросов во времени как в разрезе отдельных предприятий, так и города в целом. В разрезе отдельных предприятий рассматриваются ситуации одновременности работы однотипного оборудования, а также количественные и качественные различия выделений (выбросов) на стадиях крупных технологических процессов (например, выплавка стали в электродуговых печах). В разрезе города анализируются и выявляются предприятия (или их основные производства), график работы которых отличается от графика работы основной массы предприятий.

Сводные расчеты должны учитывать выбросы как промышленности, так и автотранспорта. Если автотранспорт, находящийся на производственной территории подлежит учету в рамках проектов ПДВ, то для учета выбросов автотранспорта, движущегося по территории города, необходима постановка специальных натурных обследований структуры и интенсивности автотранспортных потоков, расчет их выбросов для конкретных автомагистралей.

Поскольку на основании результатов сводных расчетов принимаются природоохранные решения, затрагивающие интересы различных субъектов права (как физических так и юридических лиц), методы, используемые при проведении расчетов, должны быть арбитражно защищены. В наибольшей степени такой арбитражной защищенностью обладают методы, утвержденные как нормативные. В настоящее время в РФ имеется только одна нормативная методика расчета загрязнения атмосферы по данным о выбросах ЗВ в атмосферу - это ОНД-86[9].

При решении диагностических задач в качестве исходных данных для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы используются значения параметров ИЗА, характерные для периода, для которого проводится диагноз. Эти значения параметров ИЗА соответствуют реальному функционированию предприятия в период, для которого производится оценка качества воздуха, независимо от того, насколько близка работа предприятия к регламентному режиму. В качестве источников информации о реальных значениях параметров ИЗА в определенный период используются результаты инвентаризации выбросов или корректировок инвентаризации, проведенных в соответствующий период.

Наиболее оптимальной формой проведения сводных расчетов при решении задач диагностического характера является реализация их в рамках функционирования системы расчетного мониторинга качества атмосферы города (региона). При проведении расчетного мониторинга загрязнения атмосферы диагноз качества атмосферного воздуха, а следовательно, и сводные расчеты проводятся для каждого периода времени, на который разбивается весь годовой интервал: полугодия, сезона и т.д. Для обеспечения таких расчетов для каждого следующего расчетного периода требуется обновление информации о параметрах ИЗА.

Частота проведения расчетов определяется при этом возможностями системы сбора информации. При существующих возможностях сбора и обработки информации достаточно информативный мониторинг может быть реализован при частоте расчетов 1 раз в сезон или один раз в полугодие (холодное и теплое).

Результаты диагностических расчетов могут быть использованы при подготовке различных управляющих решений, связанных с учетом реальной экологической ситуации в городе (регионе) или с оперативным воздействием на нее, например, при:

§ обосновании распределения средств и других ресурсов на улучшение экологической обстановки в городе (регионе);

§ оптимизации перераспределения транспортных потоков, разработке схем регулирования транспортных потоков;

§ оценке качества атмосферного воздуха отдельных территорий и т.д.

Проведение сводных расчетов загрязнения атмосферы выбросами ИЗА всех предприятий и других объектов города (региона) на определенном этапе нормирования их выбросов предусмотрено ГОСТом 17.2.3.02-78[10].

Для обеспечения сводных расчетов должны применяться программные комплексы, удовлетворяющие требованиям к данной работе как по объему исходной информации, так и по интерпретации и анализу результатов расчетов. Для решения данной задачи необходима разработка алгоритма, позволяющего проводить детальный анализ результатов расчетов, определять предприятия, вносящие наибольший вклад в формирование общегородских зон повышенного загрязнения воздуха, разрабатывать требования к предприятиям города по снижению их вкладов в загрязнение воздушного бассейна.

К настоящему времени ФГУП НИИ «Атмосфера» разработало методологию организации и функционирования компьютерных банков данных о параметрах выбросов, проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы города выбросами промышленности и автотранспорта, определения допустимых вкладов предприятий (квот) в уровни приземных концентраций[11], а также рекомендации по практическому использованию информации таких компьютерных систем для управления качеством воздушного бассейна.

Во исполнение Приказа Госкомэкологии № 66 от 16.02.99 г. «О применении системы сводных расчетов при нормировании выбросов» в 12 областях Российской Федерации территориальные органы Госкомэкологии РФ приступили к созданию компьютерных банков данных о выбросах промышленных предприятий и автотранспорта и внедрению системы сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленности и автотранспорта в практику воздухоохранной деятельности на базе программного комплекса «Эколог-Город». К настоящему времени наиболее полно развернуты работы в Госкомитетах по охране окружающей среды Пермской, Псковской и Новгородской областей, комитете по охране окружающей среды г. Воронежа. В Санкт-Петербурге на базе НИИ Атмосфера осуществляется поддержание работы в оперативном режиме компьютерного банка данных о выбросах промышленности и автотранспорта Санкт-Петербурга[12]. Использование данных методик показало свою эффективность и может быть рекомендовано к применению в Москве.

2.2 Методики оценки загрязнения водных ресурсов

Проведению водоохранных мероприятий должна предшествовать комплексная оценка антропогенной нагрузки на водные ресурсы. Водные бассейны, как известно, являются сложными динамическими системами, на что указывал профессор Ф.Н.Мильков[13]. Речной бассейн следует рассматривать как парагенетическую систему, где отмечается взаимодействие сопряженных взаимозависимых элементов, связанных однонаправленным потоком вещества и энергии. Поэтому при оценке и прогнозе последствий антропогенного воздействия на водные ресурсы необходимо использовать:

1. Бассейновый подход, позволяющий оценивать динамику формирования стока, устанавливать пути движения вещества разной природы, определять степень устойчивости к антропогенному загрязнению, способствовать применению научно обоснованных систем природопользования[14]. Привязка процессов антропогенного воздействия к определенным структурным элементам речной сети позволяет более четко проводить их корреляцию с природными условиями, прослеживать пути движения и рассеивания загрязняющих веществ, оценивать самоочищающие свойства речной системы.

2. Комплексное изучение факторов антропогенного воздействия и показателей ухудшения состояния водных ресурсов с учетом условий развития негативных процессов на речных водосборах определенных порядков.

3. Информацию о состоянии водных ресурсов, получаемую как методами наземного мониторинга, так и дистанционного зондирования[15].

4. Автоматизацию математической обработки фактического материала, проведение многофакторного анализа состояния водных ресурсов в связи со структурой водно-эрозионных морфосистем[16].

5. Применение автоматизированных систем картирования: состояния морфосистем разного порядка и ранга с учетом распределения осадков, водопроницаемости рельефообразующих пород, облесенности, характера почвенного покрова, особенностей морфоскульптуры, вида и степени антропогенного воздействия на поверхностные и подземные воды, то есть характера регулирования стока, объема промышленных и бытовых стоков загрязненных вод и др.; показателей последствий хозяйственной деятельности человека – сокращения объемов местного стока, загрязнения вод, усиления процессов водной эрозии.

6. Выявление морфосистем наиболее подверженных антропогенному воздействию и их классификация по типам воздействия и последствий хозяйственной деятельности человека.

7. Определение механизмов функционирования типичных для региона морфосистем в условиях интенсивного антропогенного воздействия, а также формирование расчетных моделей для определения оптимального варианта использования водных ресурсов и системы водоохранных мероприятий.

Данный методический подход был апробирован при оценке природных ресурсов и показал свое преимущество перед традиционными методами исследований.

При оценке состояния водных ресурсов региона с помощью геоинформационных технологий в районах с интенсивным антропогенным воздействием на природную среду выполяются следующие виды работ:

1. Изучение структуры исследуемых речных бассейнов: ранжирование водотоков и бассейнов; оценка структуры бассейнов (площадей, опирающихся на водотоки разных порядков, соотношение длин водотоков разных порядков, соотношение углов слияния водотоков и другие показатели). Определение структуры бассейна позволяет выявлять механизмы его функционирования, как морфосистемы. В качестве интегрального показателя устройства бассейна могут служить его энтропийные свойства.

2. Сбор сведений о природных условиях, истощении и загрязнении поверхностных и подземных вод. При этом можно использовать фондовые материалы организаций экологического мониторинга, а также данные полевых наблюдений и аэро-космические фотоснимки.

3. Выявление основных факторов, определяющих условия развития негативных природных процессов на водосборах малых рек, а также показателей состояния водных ресурсов.

4. Районирование территории путем построения отраслевых карт как по природно-хозяйственным условиям региона (геолого-геоморфологическим, гидрогеологическим, ландшафтным), так и по степени антропогенного воздействия на водные ресурсы (сокращению речного стока, истощению динамических запасов подземных вод, загрязнению поверхностных и подземных вод). Создание моделей по всему набору показателей на основе совмещения отраслевых карт в геоинформационной системе.

5. Выделение основных показателей и факторов, проведение их ранжирования по «вкладу» в общее ухудшение состояния водных ресурсов. Разработка моделей, ориентированных на выделение бассейнов с разной степенью нарушения в функционировании.

6. Построение обобщающих карт: районирования по интегральному показателю условий развития негативных природных процессов; районирования по интегральному показателю ухудшения состояния водных ресурсов. Для этого используются материалы обработки результатов мониторинга природно-хозяйственных условий с помощью новых геоинформационных технологий.

7. Анализ результатов районирования, разработка схем охраны и рационального использования водных ресурсов региона.

Наиболее удобной формой представления информации о структуре речных бассейнов, природных и антропогенных факторах является серия карт, каждая из которых характеризует отдельные свойства природной среды. К ним относятся карты: топографические, геологические, геоморфологические, гидрологические, гидрогеологические, ландшафтные.

Масштаб карт определяется целями и задачами исследования. Для общих оценок больших территорий, например, административных областей используются карты мелких масштабов (1:500000). Напротив, для небольших регионов, где необходимо оценить динамику конкретных процессов, рекомендуется использовать карты крупных масштабов (1:100000 и крупнее).

Картографической основой могут также служить данные аэро- или космической съемки. Аэрокосмические снимки особенно необходимы для выявления контуров зон антропогенных воздействий, а также последствий хозяйственной деятельности человека.

Геолого-геоморфологические условия территории являются важнейшими факторами формирования структуры речных бассейнов, они определяют направленность и интенсивность природных и антропогенных процессов. Так, геоморфологическими условиями определяются характер и интенсивность водной эрозии, транспортирующая способность воды, а следовательно, и перенос загрязняющих веществ. От литологического состава рельефообразующих пород зависят состав аллювиального материала и способность его к перемещению. Важным факторов в функционировании эрозионных морфосистем является соотношение уклонов водотоков разного порядка. Изучение уклонов притока и принимающего водотока необходимо для выявления зон аккумуляции или эрозии, что позволяет проследить путь миграции загрязняющих веществ.

Гидрогеологическая карта отображает общие условия обводненности территории подземными водами и позволяет выявлять связь этих вод с поверхностным стоком.

Ландшафтные карты несут в себе информацию о структуре бассейнов, как сложных систем, о характере и свойствах поверхности водосборов, их устойчивости к антропогенным воздействиям.

Районирование территории можно проводить на основании многофакторного анализа и классификации природно-хозяйственных систем, характеризующихся большим количеством факторов. При этом следует использовать компьютерные программы «кластер анализа», представляющего собой совокупность методов, предназначенных для представления облака многочисленных точек – объектов в виде относительно удаленных друг от друга сгустков-кластеров. Для построения кластерных структур наиболее часто используется алгоритм, реализующий метод динамичных сгущений. В процессе кластер-анализа для всех объектов строятся звездчатые диаграммы, на которых показываются в обобщенном виде природно-хозяйственные условия, или состояние водных ресурсов. Количество лучей на этих диаграммах соответствует количеству факторов, а нормированному значению каждого фактора соответствует длина луча.

Средства геоинформационной системы обеспечивают: комплексную оценку территории по условиям развития негативных природных процессов в бассейнах малых рек; информационное обеспечение моделей при комплексной экологической оценке водных ресурсов; построение карт экологической обстановки для оперативного принятия решений.

Подобный подход позволяет выявить связь между структурой речного бассейна, величиной антропогенного воздействия и характером «отклика» на него, что делает возможным разработку и обоснование оптимальных систем природопользования[17].

2.3 Методики оценки загрязнения почв

Существующие нормы не охватывают всего разнообразия компонентов, загрязняющих почвы, и не являются жесткими, а зависят от типов почв, их механического состава, содержания гумуса. В ГОСТах, ПДК и в других документах, как правило, приводятся валовые содержания компонентов, а экологически опасны их воднорастворимые Формы, которые не всегда нормируются. Экологически опасны не только высокие, но и аномально низкие концентрации компонентов. Например, недостаток в пище и воде йода вызывает эндемический зоб. Нормы минимально допустимых концентраций веществ в почвах отсутствуют.

В конце 1992 г. Министром охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации утверждены «Критерии оценки экологической обстановки территорий для выделения зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия». В указанном документе приведен ряд показателей для определения экологической опасности загрязнения почв, сильно загрязненных территорий (районов чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия), а также для условно "чистых" территорий. Критерии имеют предварительный характер и являются временно действующими.

Сказанное дает возможность сделать вывод о том, что экогеологическая оценка загрязнения почв может быть выполнена только на ориентировочном уровне. Поскольку почва является биокосным телом, экогеологи, как специалисты геологического профиля, не могут взять на себя ответственность за полную оценку экологического состояния почв. Их основная задачасостоит в том, чтобы определить химическое загрязнение почв. Степень загрязнения почв ранжируется по четырем градациям: допустимая, умеренно опасная, опасная, чрезвычайно опасная. Картографируется устойчивое загрязнение, наблюдающееся в период не менее 1 года.

Рекомендуется в обязательном порядке картографировать загрязнение почв следующими компонентами:

- тяжелыми металлами;

- нефтепродуктами;

- пестицидами, гербицидами;

- радиоактивными веществами;

- соединениями азота;

- Фенолами.

Что касается других токсикантов, то ИХ изучение необходимо выполнять только в тех районах, где они непосредственно обнаружены. Рассмотрим кратко способы экологической оценки содержания в почвах выделенных выше токсикантов.

Методика геолого-геохимической оценки концентраций в почвах тяжелых металлов с экологических позиций разработана ИМГРЭ (Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов РАН и Министерства природных ресурсов РФ).

В основе ее лежит определение суммарного показателя загрязнения (Zc), рассчитываемого по формуле:

(2.1)

где Кс — коэффициент концентрации: отношение содержания элементов в объекте к среднему Фоновому его содержанию или ПДК;

n — число учитываемых аномальных элементов. Выделяется четыре градации: Σ=Kc1j – допустимые — Zc < 16; умеренно опасные — Zc от 16 до 32; опасные — Zc от 32 до 128; чрезвычайно опасные — Zc > 128. Приведенные градации определены в основном по данным исследований влияния концентраций тяжелых металлов в почвах на здоровье городского населения, но их обоснованность нельзя считать универсальной-

Для территорий с опасным загрязнением (чрезвычайная экологическая ситуация) концентрации в почвах металлов I класса опасности (бериллий, ртуть) должны быть в пределах 2-3 ПДК, II класса опасности (алюминий, кадмий, молибден, селен, стронций) — 5-10 ПДК, III и IV классов опасности (никель, хром, медь, марганец, цинк) — 10-20 ПДК.

Для районов чрезвычайно опасного загрязнения почв (экологического бедствия) приняты следующие превышения концентраций по отношению к ПДК: металлы I класса опасности — более 3, II класса — более 10, III и IV классов — более 20.

Для оценки загрязнения почв в качестве базового предлагается использовать показатель Zc (при высоких концентрациях металлов I и II классов токсичности, корректируя его по критериям Минприроды.

В соответствии с нормативным документом Минприроды и Комитета по земельным ресурсам и землеустройству РФ «Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами», утвержденным 14-09.93 г., рекомендуются следующие нормы концентраций нефтепродуктов в почвах (мг/кг)

допустимые — < 2000;

умеренно опасные — 2000 — 3000;

опасные — 3000 — 5000;

чрезвычайно опасные — > 5000;

Степень экологической опасности загрязнения почв пестицидами и гербицидами определяется с учетом их токсичности. Согласно «Критериям…» (с нашими дополнениями) предлагаются следующие градации:

- допустимые концентрации < 1 ПДК;

- умеренно опасные:

для веществ I класса токсичности 1-2 ПДК,

—«- II класса —«- 1-5 ПДК,

-«- III класса —«- 1-10 ПДК;

- опасные:

для веществ 1 класса токсичности — 2-3 ПДК,

-«- II класса —«— - 5-10 ПДК,

-«- III класса —« — - 10-20 ПДК;

- чрезвычайно опасные:

для веществ 1 класса токсичности > 3 ПДК,

-«- II класса — «- > 10 ПДК,

-«- III класса — «- > 20 ПДК.

К пестицидам и гербицидам 1 класса токсичности относятся атразин, атразин-3, гектахлор, гранстар, гранозан, ГХБ, ГХЦГ, ДДТ, карбатион и др.; ко второму классу — агелан, агион-3, деланон, карбофос, кельтан, купрозан, пропанид, рогор и др.; к третьему Классу — гардон, дактол, дилор, мильбекс, поликарбацин и др.

На карте отображаются остаточные концентрации гербицидов и пестицидов в почвах после вегетационного сезона.

Опасность радиоактивного загрязнения определяется с использованием критериев, приведенных в «Рекомендациях по ведению сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения территории на Чернобыльской АЭС на период 1991-1995 гг., а также критериев Минприроды. Согласно этим документам при радиоактивности почв до 5 Ки/_В.км, они считаются радиационно безопасными. При радиоактивности от 5 до 15 Ки/_В.км вводятся ограничения на использование оросительных вод. Если величина радиоактивности от 15 до 40 Ки/_В.км то при земледелии обязательно проведение защитных мероприятий. В районах, где радиоактивность почв превышает 40 Ки/_В. км, сельскохозяйственное использование земель запрещается, люди подлежат переселению.

Должно определяться радиоактивное загрязнение почв следующими радионуклидами: цезием-137, стронцием-90, плутонием (сумма изотопов). В соответствии с работой / 4 / приняты следующие градации загрязнения территорий указанными радионуклидами (в Ки/_В.км):

- допустимое (цезий-137 — до 1, стронций-90 — до 0,3);

- умеренно опасное (цезий-137 — 1-15, стронций-90 -0,3-1);

- опасное (цезий-137 — 15-40, стронций-90 1-3, плутоний > 0,1);

- чрезвычайно опасное (цезий-137 > 40, стронций-90 >3, плутоний > 0,1).

Для селитебных территорий, кроме того, необходимо определять мощность экспозиционной дозы на уровне 1 м от поверхности земли (мкР/ч). В допустимой ситуации она не превышает 20, в умеренно опасной 20-200, опасной 200-400, чрезвычайно опасной — более 400.

Степень загрязнения почв соединениями азота, Фенолами и веществами III класса токсичности оценивается с использованием критериев Минприроды (см. легенду к карте).

Что касается загрязнителей, определение которых не обязательно, то экологическая оценка их концентраций производится с использованием градаций Минприроды с учетом степени токсичности веществ.

Интегральная экологическая оценка концентраций, отображаемая на карте цветом или цветными линиями, определяется по максимальным значениям концентрации отдельных видов токсичных веществ.

В легенде предусмотрено картографирование в почвах концентраций компонентов на территориях с естественными и нарушенными условиями. Для разделения этих территорий необходимо использовать информацию раздела У-2-1 настоящей легенды. При техногенном изменении ландшафтов на площади более 10% территории необходимо относить к нарушенным.

Аналогичные подходы к оценке загрязнения применяются и к донным осадкам, т.к. последние являются почвами водных биоценозов.

При содержании в почвах и донных осадках комплекса токсичных компонентов их концентрации показываются в виде Формулы. Индексами синего цвета отображаются компоненты, находящиеся в умеренно опасных концентрациях, черного) — в опасных, красного — в чрезвычайно опасных Тяжелые металлы обозначаются в Формуле их химическими индексами, индексы остальных токсичных компонентов приведены в легенде к карте.

2.4 Анализ унифицированных программ расчета степени загрязнения окружающей среды

Последовательность действий администраций городов при управлении качеством окружающей среды обычно следующая:

- по сведениям от населения, городских, федеральных служб эко-мониторинга и т. п. выясняется, что в городе обострилась проблема экологического характера, например, опасно вырос уровень загрязнения воздуха автомобильным транспортом;

- специализированными научными организациями проводятся исследования, позволяющие количественным образом описать указанную проблему и определить метод ее решения.

- после рассмотрения и утверждения программы начинается ее реализация, а исполнительный документ (постановление или распоряжение) поступает в контрольные органы администрации для контроля за ходом выполнения программы. Одновременно финансовые инспекции города следят за правильностью расходования средств. После выполнения программы исполнительный документ снимается с контроля.

В описанной процедуре в основу разработки программ, оценки их эффективности, стоимости кладется инженерный опыт, здравый смысл и поиск аналогий. Формализованные численные методы используются в проектных работах при расчетах объемов работ, сметных стоимостей, других инструктивных материалов. Зачастую сметная стоимость строительных работ на практике превышается в несколько раз.

Особенность экологических проблем заключается, во-первых, в крайней неопределенности формулировки задач, а, во-вторых, в комплексности задачи, когда необходимо учитывать разнородные факторы от геологии до уровня загрязнения атмосферного воздуха. Как показывает наша инженерная практика, здесь ошибка в оценках и расчетах может составлять сотни процентов. Город – это очень сложный объект. В конечном счете, целью применения формализованных методов в экологическом проектировании, математическом моделировании и прогнозировании является более точный расчет размера экологического ущерба, предстоящих финансовых затрат и оценки эффективности применяемых мер.

Для того, чтобы более подробно обсудить частные математические методы, перечислим составные этапы процесса проектирования:

А. Экологические изыскания.

Б. Технико-экономическое обоснование (ТЭО).

В. Рабочий проект.

Г. Авторский надзор при реализации проекта.

Для значительной части перечисленных этапов существуют формализованные методы и даже пакеты прикладных компьютерных программ.

Чем точнее и полнее проведены экологические изыскания, тем меньше ошибка в объемах финансирования и точнее оценка эффективности результатов работ. Однако, по сложившейся в России практике на изыскания выделяются доли процентов от общей стоимости работ. Иногда в литературе обсуждается проблема разработки общей модели города. В принципе, наличие такой модели позволило бы проводить более точные расчеты экологического ущерба и прогнозировать результаты реализации проектов. Однако, создание всеобщей модели города на все случаи жизни возможно лишь теоретически. На практике для каждой конкретной задачи из подручных алгоритмических и программных средств собирается инструментальное средство, на котором проводятся расчеты, и эффективность применения формальных методов зависит от инженерного опыта и искусства проектировщика. Таким образом, создание общей модели города не является приоритетной задачей для частных экологических проблем города. Создание такой модели было бы целесообразно для решения стратегических задач города, таких, например, как разработка схемы санитарной очистки города от твердых бытовых отходов, реконструкция дорожно-транспортной сети для сокращения выбросов от автотранспорта, общая экологическая оценка состояния окружающей среды. Сейчас каждая из указанных задач решается с помощью собственного инструментария.

Наличие хотя бы совместимых программных средств, общих алгоритмических и программных интерфейсов позволило бы проводить действительно комплексное экологическое моделирование и прогнозирование в городе.

Сформулируем перечень наиболее распространенных программно-математических комплексов, применяемых при решении экологических задач. В иерархическом порядке от уровня сбора информации до решения организационных экологических проблем перечень выглядит следующим образом:

- программное обеспечение автоматических станций контроля качества воздуха, воды, включая опрос анализаторов, первичную обработку данных, передачу их через модем в центр сбора информации;

- алгоритмическое и программное обеспечение центров сбора первичной информации, включая организацию и обработку первичных баз данных, программ сбора информации от ведомственных систем контроля, совместного их анализа и составления обобщенных справок;

- алгоритмическое и программное обеспечение сети передачи данных по городу, включая стандартные системы типа Internet;

- автоматизированное рабочее место специалиста-эколога;

- алгоритмы и программы расчета экологического ущерба, модели переносов загрязнений от точечных и протяженных источников;

- геоинформационные системы.

Построение полей загрязнения атмосферы на городских территориях необходимо для хозяйственной и строительной деятельности. Эту задачу можно решить множественными непосредственными измерениями в городе, а также с помощью методов и программ моделирования.

Если бы можно было поставить в каждую точку территории измерительную аппаратуру, то моделирование было бы ненужным. Но это слишком дорого, а иногда в принципе невозможно, поэтому моделирование оказывается экономически целесообразным, а иногда и единственно возможным способом построения полей загрязнения территории.

Моделированию переноса загрязнений в городах посвящено множество работ отечественных и зарубежных специалистов. Наиболее распространена следующая методика построения полей загрязнений.

Для городской территории описываются характеристики основных источников выбросов – ТЭЦ, РТС, заводов, автотрасс и т. п. Описывается городской ландшафт, параметры застройки, метеорологическая ситуация. Используя специальные формулы расчетов рассеивания примесей в атмосфере, вычисляют концентрации загрязняющих примесей в каждой точке и строятся поля загрязнений. Модели и программы расчета по данной методике называются обычно экстраполяционными.

Для оперативных расчетов полей загрязнений атмосферы можно использовать также следующую методику. В некоторых точках города с помощью стационарных автоматических станций измеряются концентрации загрязняющих примесей в воздухе. Затем с учетом городского ландшафта и метеообстановки рассчитываются значения концентраций примесей в точках, расположенных между каждыми двумя близлежащими станциями. На основании расчетных и реальных данных строятся поля загрязнений. Так как для расчета используются методы интерполяции, то модели и программы называются интерполяционными.

Большое практическое значение имеет и решение обратной задачи, при которой по данным предельным концентрациям определяется мощность источника, дающего такие значения. Обратная задача решается при расчете т. н. ПДВ – предельно допустимых выбросов предприятий, на основании которых в России устанавливаются размеры платежей в экологические фонды.

Рассмотрим математические аспекты, а также вопросы точности различных моделей.

В экстраполяционных моделях расчет рассеивания от точечных источников строится на базе т. н. уравнений баланса. Суть уравнения баланса можно иллюстрировать простым примером. Пусть внутри объема V, например, шара, с поверхностью S находится источник вещества с удельной концентрацией а и скоростью притока е. Обозначим скорость движения вещества по нормали к поверхности пространства (шара) через А, элемент объема через dV, а элемент поверхности – dS. Тогда процесс рассеивания в пространстве описывается простым уравнением.

(2.2)

Объемный интеграл в левой части уравнения задает скорость изменения количества вещества в данном объеме (r - удельная плотность вещества). Первый интеграл в правой части есть полный поток вещества через поверхность S, а второй интеграл - приток вещества в объеме V.

С этим уравнением можно проводить преобразования с целью учета реальных условий города. Можно задавать разные скорости переноса по разным направлениям, имитируя ветер, можно вводить турбулентность, имитируя рельеф, можно вводить т. н. коэффициенты шероховатости подстилающей поверхности. Так как прямое вычисление интегралов весьма трудоемко, используются косвенные методы, такие как различные численные модели, стохастическое моделирование методом Монте-Карло и т. д.

Точность всех типов моделей определяется масштабом и точностью описания исходных и граничных условий. Масштаб модели - это та единица общей территории, относительно которой определяется концентрация. Если это десятки и сотни квадратных метров, то говорят о микромасштабе, если квадратные километры, то это мезомасштаб, а если десятки квадратных километров, то макромасштаб.

На моделях макромасштаба легче достигается высокая точность. Содержательно в этом случае как бы рассматривается ровная гладкая поверхность, и на большой высоте, такой, что можно пренебречь шероховатостью поверхности, находится единственный источник выбросов. Модель будет простой, и точность ее будет высокой. Если же рассматривается город и источник выбросов находится на небольшой высоте, то для достижения высокой точности необходимо учитывать турбулентность, возникающую в уличных каньонах, вокруг домов, складках естественного рельефа, т. е. модель будет усложняться.

Для того, чтобы в реальном времени с помощью эстраполирующих моделей в масштабах большого города проводить расчеты переносов загрязнений в атмосфере даже от стационарных источников, нужно знать текущие значения выбросов в атмосферу и направление ветров в микромасштабе. Для города, имеющего сотни источников выбросов, а в Москве сто одиннадцать тысяч источников выбросов, 12 ТЭЦ и 48 РТС, не считая средних и мелких предприятий и заводов, получение такой информации стоит дороже, чем установка в городе десятка стационарных автоматических станций контроля атмосферного воздуха. Это не означает, что эстраполяционные модели расчета не имеют практического значения. Они могут быть полезны при стратегическом планировании городской застройки, для расчета различных вариантов прокладки автотрасс, строительства новых городских объектов, но не для оперативных расчетов полей загрязнений.

К числу наиболее известных методов расчета распространения примесей в атмосфере относятся модели, основанные на гауссовском (нормальном) распределении случайных величин. В России к этому классу относится методика ОНД-86, признанная нормативным документом для расчета ПДВ. Многочисленные эксперименты показывают, что она может использоваться лишь для оценки максимально возможной наземной концентрации примесей при наихудших условиях рассеивания.

Для учета рельефа, вертикального профиля температуры, других метеоусловий разрабатываются более сложные модели, такие как гидротермодинамическая модель программного комплекса «ЗОНА». Не вдаваясь в детали описание модели, укажем, что она получила распространение в России, прежде всего, потому, что была доведена до программной реализации с полным комплектом документации. В то же время и по отношению к модели «ЗОНА» вопросы адекватности ее реальным полям загрязнений в условиях плотной городской застройки и сложной микроме-тереологии остаются открытыми. Вариант модели «ЗОНА» для автомобильного транспорта в настоящее время проходит апробацию в Москве. Известны и другие модели переноса, такие как модель А. П. Курковского, модель фирмы «ИНДИК» (Швеция) и т. п. Их адекватность реальной городской ситуации остается пока недоказанной.

Интерполяционные модели, как уже указывалось выше, в качестве исходных данных используют реальные значения концентраций примесей в заданных точках.

Значения концентрации примесей между заданными точками вычисляются по формулам интерполяции. Чаще других используется линейная интерполяция:

(2.3)

где f(n) - значение функции в точке n, l - расстояние между исходными точками, f(n + l) - значение функции в другой исходной точке,

f(n + x) - значение функции в точке, отстоящей на расстояние х от точки n.

Средняя квадратичная ошибка линейной интерполяции определяется формулой.

(2.4)

где b(l) - структурная функция рассматриваемого параметра:

b(l) = (f(n) – f(n+l))2 (2.5)

Методы интерполяции хорошо работают в сплошных однородных средах, например, в неподвижной толще воды. В городе, где между двумя точками измерения может находиться автотрасса, или труба завода, механическое применение методов интерполяции может дать абсурдные результаты. Методы интерполяции, учитывающие неоднородность рельефа, наличие промежуточных источников выбросов, автору неизвестны.

Таким образом, чтобы дать рекомендации- по применению той или иной модели необходимо статистически достоверное их тестирование. Как правило, на него нет ни времени, ни денег, поэтому достоверность моделей пока все-таки остается вопросом веры[18].

3. Использование информационных систем управления состоянием окружающей среды

3.1 Структура программы

Для расчетного многоуровневого мониторинга состояния окружающей среды перспективно использование программного комплекса «Гарант-универсал».

Одним из важнейших методов исследования состояния окружающей среды в зоне влияния промышленных объектов является расчетный мониторинг, т.е. регулярные работы по определению пространственно-временных характеристик загрязнения атмосферы, почвы и воды на основе расчетов по математическим моделям переноса и диффузии атмосферных примесей, использования волновых уравнений, описывающих источники шума, и т.п. Исходными для расчета служат данные инвентаризации источников выбросов, источников шума и т.п., а также климатические и метеорологические характеристики.

Деятельность промышленных предприятий сопровождают различные виды вредного воздействия: выбросы в атмосферу токсичных компонентов дымовых газов и частиц от стационарных и подвижных источников, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение и утилизация отходов, шумы, вибрации, электромагнитные и радиационные воздействия и т.д.

Комплексный учет всех факторов при проведении расчетного мониторинга для различных уровней территорально-административных схем городского хозяйства (промышленное предприятие, группа предприятий и т.п.) возможен с применением программных комплексов.

Разработанные методики комплексного экологического мониторинга и программная реализация предложенных моделей позволили ООО «НПО “Фирма Гарант”» создать систему оценки воздействия основных факторов промышленного и транспортного загрязнения окружающей среды на объекты жилой зоны мегаполисов и промышленных центров[19]. Разработанный программный комплекс (ПК) «Гарант-Универсал», в состав которого входят модули «Гарант-ПДС», «Нуклид», «Гарант-Шум», «Гарант-Инфразвук», «Гарант-Ультразвук», «Гарант-Вибрация», «Гарант-Отходы», «Гарант-ЛЭП» и др., может быть взят за основу для создания системы комплексного расчетного экологического мониторинга.

ООО "НПО Фирма ГАРАНТ" создано в 1990 году коллективом научных работников и специалистов с целью ведения экологической деятельности в интересах региональных органов экологического надзора и контроля России, в том числе и г. Москвы и Московской области.

Сотрудники фирмы, в число которых входят доктора и кандидаты наук, имеют богатый опыт в разработке программного обеспечения для решения прикладных задач в области гидрогазовой динамики, теории струйных течений, теплопередачи и атмосферной диффузии применительно к проблемам охраны окружающей среды. Ими разработаны уникальные методики и программы по расчетам загрязнения атмосферного воздуха и почвы от испытательных стендов силовых установок ракетно-космических и авиационных предприятий. Методики и программы согласованы в ГОСКОМГИДРОМЕТе и ряде ведущих институтов СССР. Получили известность научные труды сотрудников Фирмы по оценке фазовых превращений примесей в процессе их рассеивания в атмосфере и физико-химических процессов при течении двухфазных потоков в каналах с твердыми и жидкими стенками.

Страницы: 1, 2, 3, 4