Методика расчета экологического риска, связанного с загрязнением атмосферы на примере г. Усть-Каменогорска

Методика расчета экологического риска, связанного с загрязнением атмосферы на примере г. Усть-Каменогорска

(ВКГТУ им. Д. Серикбаева), , (ВКГТУ им. Д. Серикбаева) (ВКРУ), (МЭСИ),

(ВКГТУ им. Д. Серикбаева)

В настоящее время расчёт экологической опасности (риска) для населения является актуальной и востребованной задачей. При этом для оценки рисков используются количественные (измеренные) показатели загрязнения окружающей среды. В данной работе сделана попытка оценки рисков на основе расчёта, моделирующего поведение концентрации вредных веществ, попавших в атмосферу в результате выбросов промышленного предприятия с учётом категории стабильности атмосферы и розы ветров в регионе.

В общем случае экологическая опасность для населения, проживающего на территории с промышленными предприятиями, определяется двумя фак-торами: ущербом от фактической опасности и риском (потенциальной опас-ностью) в случае аварийных ситуаций. Поэтому величину экологической опас-ности в относительных показателях можно представить в виде функции [1]:

(1)

где, GОП – риск экологической опасности в относительных (безразмерных

показателях);

YОП – ущерб в безразмерных относительных показателях;

R ОП – риск в безразмерных относительных показателях;

Условия, определяющиеся физическими законами можно записать в следующем виде:

(2)

Независимость характеристик ущерба и риска требует представления функции f в виде их произведения. Предложенный вид функции f в [1] с учётом условий (2) позволяет представить величину экологичекого риска в следующем виде:

(3)

где, PY и PR – весовые коэффициенты ущерба и риска, характеризующие относительный вклад ущерба и риска в величину экологической опасности.

Согласно предложенной модели в [1] ущерб населению YОП состоит из двух составляющих: прямого ущерба YПР непосредственно причиняемому населению и косвенного YКОСВ наносимого населению за счёт деградации среды обитания:

(4)

Выбор конкретных весовых коэффициентов прямого PY. ПР и косвенного PY. КОСВ зависит от степени влияния природной среды на жизнедеятельность населения, проживающего на данной территории. В случае заметного влияния природной среды на условие жизни человека можно принять модель равнозначных факторов, где весовые коэффициенты равны и имеют значение 0,5. В случае слабого влияния природной среды на условие жизни человека следует выбирать модель выделенных факторов и принять в частности:

PY.ПР:PY.КОСВ=9:1 (5)

Рассматривая влияние выбросов промышленных предприятий в атмосферу имеем [1] следующие выражения для YПР и YКОСВ:

(6)

(7)

здесь Сiвыбр – фактическая (измеренная) концентрация в атмосфере на данной

территории i-го вещества;

ПДКiвыбр – предельно допустимая концентрация i-го вещества в

воздухе;

Nтер – плотность населения, проживающего на рассматриваемой

загрязнённой территории;

Nстр – средняя плотность населения страны;

Sтер – площадь территории с загрязнённой атмосферой;

Sрег – площадь экологически однородного региона, включающего

данную территорию

b  - индекс значимости данной территории в сохранении природной

среды в регионе (0 ≤ b ≤ 1).

Выражения (4) – (7) позволяют рассчитать YОП – ущерб в безразмерных относительных показателях. Общее выражение, позволяющее численно оценивать ущерб, имеет следующий вид:

(8)

Аналогично производится расчёт RОП – риска в безразмерных относительных показателях:

(9)

Для определения PY и PR – весовых коэффициентов ущерба и риска, характеризующих относительный вклад ущерба и риска в величину экологической опасности можно рассчитать по формулам, выражающим относительный вклад стоимостных показателей ущерба и риска в суммарную стоимость экологической опасности:

(10)

где, YСП - общий интегральный ущерб территории в стоимостных

показателях

RСП - стоимостный показатель риска

GСП - суммарная стоимость экологической опасности YСП+ RСП

Основываясь на преложенном представлении ущерба и риска в стоимостных показателях будем использовать следующие выражения:

(11)

где YНОРМ – стоимость ущерба от непосредставенного загрязнения

окружающей среды (нормативно определяемый ущерб);

YНАС - стоимость социально-экологического ущерба, связанного с

ухудшением условий жизни населения.

Используя выражения для YНОРМ и YНАС выражение (11) можно записать в следующем виде:

(12)

где а – стоимостный коэффициент пропорциональности для условного

загрязнителя атмосферы (руб/усл. т.)

σ – безразмерный коэффициент, учитывающий особенности

территории;

f – безразмерный коэффициент, учитывающий размер фракций

загрязняющего вещества, характер их рассеяния и скорость оседания

в атмосфере;

МУСЛ – приведённая масса годового выброса в атмосферу условного

загрязнителя (с учётом его экологической опасности) (усл. т./год);

YБ – приведённый годовой ущерб, связанный со снижением показателя

темпа роста населения

YК – приведённый годовой ущерб, связанный со снижением показателя

качества жизни населения определяющегося величиной средней

продолжительности жизни

YТ – приведённый годовой ущерб, связанный со снижением показателя

трудоспособности населения определяющегося величиной

среднегодового количества

Для МУСЛ, YБ, YК и YТ можно использовать следующие выражения:

(13)

где, mi –масса годового выброса i-ой примеси в атмосферу (т/год);

Ai – безразмерный показатель относительной агрессивности i-ой

примеси (усл. т/год).

(14)

где ΔNРЕПРСТР – годовой прирост населения страны репродуктивного

возраста от 16 до 60 лет;

NРЕПРСТР – численность населения страны репродуктивного возраста в

начале расчётного года;

ΔNРЕПРТЕР – годовой прирост населения территории репродуктивного

возраста;

NРЕПРТЕР – численность населения территории репродуктивного

возраста в начале расчётного года;

qРЕПРСТР – удельный валовой национальный продукт страны,

приходящийся на душу репродуктивного населения страны

(руб/чел);

(15)

где ТЖСТР – средняя продолжительность жизни в стране;

ТЖТЕР – средняя продолжительность жизни на территории

(16)

где nРЕПРСТР – среднегодовое количество человеко-дней одного человека

репродуктивного возраста в стране;

nРЕПРТЕР – среднегодовое количество человеко-дней одного человека

репродуктивного возраста на территории

Стоимостный показатель риска RСП может быть представлен следующим выражением

(17)

где MУСЛАВ – возможное количество аварийного выброса

YНОРМ и MУСЛНОРМ - стоимость ущерба и количество загрязнителя при

нормативных оценках по типовой методике

Далее подставляя выражение (8) – (17) в выражение (3) получим выражение для величины экологического риска в следующем виде:

(18)

Получение общего выражения с одной стороны усложняет понимание влияния отдельных факторов на появление геоэкологических рисков, однако с другой стороны позволяет более правильно смоделировать и изучить на компьютере причины появления увеличения и уменьшения риска в зависимости от всех факторов.

Выражение (18) достаточно ясно описывает величину экологической опасности в относительных показателях, однако для проведения вычислений требуются данные концентраций фактически измеренных выброшенных вредных веществ в атмосферу (Сiвыбр). Такой расчёт может быть осуществлён при анализе уже состоявшегося факта нанесения ущерба экологической обстановке в регионе. В то же время осуществлять прогноз рисковых ситуаций при работе промышленных предприятий или при проектировке новых промышленных предприятий с использованием формулы (18) является невозможным из-за отсутствия именно Сiвыбр. Выход из данного положения можно осуществить использовав теоретические формулы по расчёту концентраций от стационарного источника выбросов промышленного предприятия. Так мы возьмём выражение для конкретного предприятия с учётом состояния атмосферы определённого региона [2], которое можно подставить вместо Сiвыбр.

Математическое выражение для концентрации вещества от точечного источника с постоянной мощностью – Q (кг/с) для региона г. Усть-Каменогорска можно записать в виде:

 

(19)

где Q - мощность источника (кг/сек);

sy и sz - дисперсионные параметры зависящие от устойчивости

атмосферы и расстояния от источника «x»(м),

U - скорость ветра м/сек; H - высота источника (м);

x, y,z – осевая, поперечная и вертикальная координаты;

f(A) – доля примеси в слое перемешивания (“А”– высота слоя

перемешивания).

Дисперсионные параметры sy и sz нами были вычислены по формулам, полученным путём аппроксимации данных для различных категорий стабильности атмосферы:

(20)

где x – расстояние, м (102 ≤ x ≤ 104);

i=y; z.

Полученные расчётные коэффициенты аппроксимации для региона г. Усть-Каменогрска ai, bi и сi сведены в таблицу 1

Таблица 1 - Константы формул

Константы	Категория стабильности атмосферы
	А	В	С	D	E	F
ay	-1,104	-1,634	-2,054	-2,555	-2,754	-3,143
by	0,9878	1,0350	1,0231	1,0423	1,0106	1,0148
cy	-0,0076	-0,0096	-0,0076	-0,0087	-0,0064	-0,0070
az	4,679	-1,999	-2,341	-3,186	-3,783	-4,490
bz	-1,7172	0,8752	0,9477	1,1737	1,3010	1,4024
cz	0,2770	0,0136	-0,0020	-0,03116	-0,0450	-0,0540

Решение задачи расчета среднегодовых концентраций в жилой зоне г. Усть-Каменогорска сводится к интегрированию всех возможных концентраций загрязняющих веществ в заданной точке пространства (x, y) и источников выбросов (см. таблицу 2), которые могут возникнуть в течение года с учетом вероятности реализации определенного из шести характерных классов устойчивости атмосферы при заданной скорости ветра.

Поскольку предполагается, что в пределах сектора М-румбовой розы ветров, характерной для Усть-Каменогорска направление ветра распределено равномерно, то среднегодовая концентрация C(x, y) может быть рассчитана по формуле:

(21)

где: Q – мощность источника, кг/с;

Рvi – вероятность реализации ветра со скоростью Ui, м/с в

соответствующем секторе М-румбовой схемы;

Pk(Ui) – вероятность реализации определенного класса устойчивости

атмосферы при ветре Ui (А-1, B-2,..,F-6);

θ – направление ветра в полярных координатах;

r – расстояние от источника загрязнения до точки (x, y);

σz – характеристика дисперсии по вертикали;

f(А, H,σz) – функция влияния высоты источника загрязнения (Н) и

высоты слоя перемешивания (А);

М/2π – угловая доля сектора в М - румбовой схеме ветров;

γ(x/U)=γ(t) – функция изменения концентрации по оси шлейфа за счет

фотохимических реакций, сухого и влажного осаждения и т. п.

во времени.

Подставляя выражение (21) в формулу (18) в качестве Сiвыбр, а выражение (19) в формулу (18) в качестве Сiвыбр ав получим выражение, позволяющее осуществлять анализ существующей рисковой ситуации загрязнения атмосферы от промышленного предприятия, а так же выявить факторы имеющие более весомый вклад при определённых особенностях предприятия.

Для компьютерного анализа можно воспользоваться данными, показывающие качественный состав выбрасываемых в атмосферу вредных веществ (таблица1) и позволяющие оценить сумму ПДКiвыбр (предельно допустимая концентрация i-го вещества в воздухе) в регионе г. Усть-Каменогорска

Таблица 1 - Выбросы вредных веществ основными предприятиями региона

№	Производство	Вредные вещества
1	Титаномагниевый комбинат	СО	пыль	-		-
2	АО «Казцинк»	СО	пыль	SO2	As, Pb	-
3	АО «Востокмашзавод»	СО	пыль	SO2	-	NOx
4	УК ТЭЦ	СО	пыль	SO2	-	NOx
5	Согринская ТЭЦ	СО	пыль	SO2	-	NOx
6	Конденсаторный завод	СО	пыль	SO2	As, Pb	NOx
7	Завод минеральной ваты	СО	пыль	SO2	-	NOx

На основе имеющихся данных по г. Усть-каменогорску нами был произведен анализ влияния весового коэффициента риска на величину экологической опасности в относительных единицах. Так на рисунке 1 и рисунке 2 представлена зависимость GОП(PR).

 

Важным результатом является выявление области PR, где проявляется сильное влияние коэффициента риска на величину экологической опасности. Так при значении коэффициента 70-100 наблюдается увеличение экологической опасности с низкого уровня (рис.1) – 1-10 условных единиц до (рис.2) – 106-107 условных единиц. При этом дальнейшие исследования по вероятности проявления таких событий позволит спрогнозировать вероятность появления высокой экологической опасности, а следовательно предотвращения данной ситуации. Кроме этого, используя выражения (18), (19) и (21) и данные по конкретному промышленному предприятию можно определять риски появляющиеся от работы этого предприятия без проведения количественных измерений загрязняющих веществ по территории изучаемого региона.

Литература

1.  -Г., , «Научные основы методологии количественного анализа экологической опасности при техногенном воздействии на окружающую среду». Оценка воздействия на окружающую среду.

2.  , , Захарова риска при систематическом загрязнении атмосферного воздуха опасными химическими веществами. Учебное пособие. – М.: Изд-во Химич. фак. Моск. ун-та, 2003.