3. Модели и методы оценки воздействия на окружающую природную среду

3.1. Классификация и основы систематики методов научного исследования изменения характеристик и свойств компонентов окружающей природной среды

Выявление, выработка и принятие необходимых мер по предотвращению неприемлемых для окружающей природной среды и общества последствий реализации решений по объекту намечаемой хозяйственной и иной деятельности является одним из наиболее значимых положений в механизме ОВОС. Для решения таких задач в существующей практике ОВОС используются подходы, основанные на экспертных прогнозных оценках. В практическом применении метода экспертных оценок большое значение придается процедуре согласования результатов в кругу специалистов и их групп, выполняющих оценки параллельно и неоднократно. Это вносит в итоговые решения значительную субъективность.

Основу методов научного исследования экологической безопасности решений по объекту составляют оценки, вынесенные по результатам инженерно-экологических расчетов с использованием информации, получаемой в большинстве случаев стандартными методами.

Теория методов научного исследования последствий изменения окружающей природной среды представляется рядом направлений, которые могут быть объединены по двум классификационным признакам:

• методы, основанные на определении критериев оценки граничных условий факторов воздействия на компоненты природной среды;

• методы, основанные на определении критериев оценки граничных условий состояния экосистем.

Систематика методов научного исследования экологической безопасности решений по объекту и последствий изменения характеристик и свойств компонентов окружающей природной среды представлена на схеме 6. Выбор метода зависит от целей исследования, от стадий нарушения природных комплексов и проводится с учетом актуальности прогнозирования ущерба, обусловленного изменениями характеристик компонентов окружающей природной среды, а также невозможностью (по этическим и экономическим соображениям) соответствующего экспериментирования.

3.2. Методы определения критериев оценки граничных условий факторов воздействия на природную среду

Методологической основой современных методов оценки граничных условий факторов воздействия на компоненты природной среды является системный анализ, представляющий собой совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных объектов. К числу важнейших задач системного анализа относятся постановка общей задачи и разработка средств представления исследуемого объекта как системы, построение обобщенной модели системы, исследование структуры системы.

Предметом теоретического исследования системы «объект хозяйственной деятельности – окружающая природная среда» является взаимосвязь «воздействие – составляющие отклика на это воздействие», основанная на закономерностях функционирования экологических систем.

Математические модели, устанавливающие связь между параметрами воздействия и параметрами составляющих отклика на это воздействие (параметрами состояния экосистем), в общем виде могут быть представлены функцией

,

где S_{t + 1} – показатель граничных условий состояния экосистемы в момент времени t + 1; А – параметры прямого и косвенного воздействия объекта хозяйственной деятельности на природу (значения величин количественных характеристик изъятого природного ресурса и отходов, поступивших в объекты природной среды); S_t – множество, включающее показатели качества компонентов природной среды.

Таким образом получают описание и решение математической модели последствий изменения окружающей среды, произошедших или могущих произойти под воздействием объекта хозяйственной деятельности.

Системно-структурный метод анализа позволяет по заданным параметрам воздействия прогнозировать последствия изменений окружающей природной среды и степень экологического риска. Этот метод дает возможность решать и обратную задачу – определение допустимой нагрузки на экосистему при заданных параметрах качества компонентов природной среды. При этом вводятся ограничения на показатель структурно-функциональной устойчивости экосистемы, а целевой функцией являются удельные нагрузки. Появление критерия оптимизации, основанного на концепции устойчивости экосистемы, заключается в замене многочисленных и разнородных ограничений единым показателем состояния экосистемы в процессе прямого и косвенного воздействия объекта хозяйственной деятельности. Обеспечить обратную связь между характеристиками среды и составляющими отклика экосистем, с одной стороны, и допустимой техногенной нагрузкой на природную среду, с другой стороны, можно лишь при совместном использовании инженерно-экологических расчетов и методов диагностики, прогнозирования качества и свойств средообразующих компонентов и их сочетаний и соотношений. Для решения такой задачи разработаны различные модели и методы. В качестве примера здесь рассматривается метод индексных оценок, разработанный Ю.С. Карабасовым, В.М. Чижиковой, М.Б. Плущевским¹, и метод комплексной оценки экологической безопасности объектов хозяйственной деятельности, базирующийся на использовании методик, рекомендованных действующими нормативными документами [7], и положений, изложенных в методических рекомендациях ЛенНИИгипрохима (по В.М. Кириллову, О.Г. Воробьеву и др.)². Большая часть входящих в расчетные формулы параметров по этим методам: объемы водопотребления и водоотведения, массы веществ, сброшенных со сточными водами, массы пылегазовых выбросов в атмосферу, объемы образования и складирования в отвалы и хвостохранилища твердых отходов, данные о химическом составе отходов, поступающих в объекты природной среды, – может быть получена из данных статистической отчетности предприятий.

Метод индексных оценок. Критерием оценки граничных условий факторов воздействия объекта хозяйственной деятельности на окружающую природную среду по данному методу является безразмерный индекс П (J), определяемый произведением индекса безопасности используемых сырьевых материалов и производимой готовой продукции П_m (J) на индексы безопасности образующихся в производственном процессе сточных вод J_с.в и пылегазовыбросов в атмосферу J_в.а :

Величина граничных условий при балльной оценке 0,70 (или 70 %) принята по базовой шкале желательности Харрингтона (прил. 7), устанавливающей соотношение между значением отклика (y) и соответствующим ему значением частной функции желательности (d). Применительно к сформулированному критерию любое воздействие объекта на окружающую природную среду, оцениваемое величиной П (J) ³ 0,7, может считаться допустимым и недопустимым при значении величины П (J) < 0,7.

Индекс безопасности материалов П_m (J) определяется произведением индекса J_{m c} безотходности сырьевых компонентов, потребляемых для производства продукции, и индекса безотходности потребляемой предприятием воды J_{m в} :

.

Индекс J_{m c} дает оценку воздействия отходов производства на окружающую природную среду:

,

где M _{j q m} – выход готовой продукции, ед. массы (объема); M _{j q c} – масса (объем) сырьевых компонентов, потребляемых для производства продукции, ед. массы (объема); q – порядковый номер сырьевого компонента; Q – число сырьевых компонентов; j – порядковый номер технологического процесса; Z – число технологических процессов на предприятии.

Величина J_{m c} может принимать значения от 0 до 1. Чем меньше значение J_{m c} , тем ниже удельный выход целевой продукции и значительнее воздействие объекта на природную среду.

Индекс J_{m в} определяет учет потерь потребляемой предприятием воды:

,

где V _{j l в} – объем (масса) воды, потребляемой предприятием, ед. объема (массы); V_{j l m} – суммарный расход воды, определяемый суммой , где - подпитка свежей водой, ед. объема (массы); l – порядковый номер направления использования воды (в технологическом процессе, в системе газоочистки, охлаждения и т.п.); L – число направлений использования воды на предприятии.

Индекс безопасности сточных вод J_с.в определяет степень воздействия сбросов предприятия на водные объекты:

,

где ПДК_i – предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества в воде водного объекта (приемника сточных вод), мг/м³ , С_{i j} – концентрация i-го загрязняющего вещества в сточных водах j-го технологического процесса; i – порядковый номер загрязняющего вещества в сточных водах; k – число загрязняющих веществ (по классу токсичности) в сточных водах j-го технологического процесса.

Индекс безопасности пылегазовыбросов в атмосферу J_в.а учитывает масштаб воздействия (объем выброса, норматив выброса) и опасность воздействия (по классу токсичности) предприятия на приземный слой атмосферного воздуха в зоне загрязнения:

,

где ПДВ_i – предельно допустимый выброс i-го загрязнителя, г/с (т/год); M_i – фактическая мощность выброса i-го загрязнителя, г/с (т/год); i – порядковый номер загрязнителя; k – число загрязняющих веществ в пылегазовыбросах j-го технологического процесса.

Граничные значения для индексов безопасности сточных вод и пылегазовыбросов, приняв в качестве допущения равную опасность загрязнения водных объектов и атмосферы, определяют из условия

.

В более общем случае в зависимости от состояния компонента природной среды и установленной жесткости регулирования индексы J_с.в и J_в.а могут быть не равны, и возможны другие граничные значения при условии соблюдения равенства П (J) ³ 0,7. При значениях индекса безопасности J_с.в и (или) J_в.а ниже прогнозируемого критериального уровня воздействие объекта на компоненты природной среды будет значимым.

Данные расчета критериев оценки граничных условий факторов воздействия производства аммофоса на окружающую природную среду приведены в табл. 14.

Полученное значение комплексного произведения индекса безотходности материалов на индекс безопасности атмосферы значительно больше критериального уровня, равного 0,7 и принимаемого в качестве меры регулирования. Следовательно, можно сделать вывод о том, что степень воздействия проектируемого объекта на окружающую природную среду не превышает допустимого уровня.

Для сопоставительных оценок воздействия отдельных производств предприятия на различные компоненты природной среды значения индексов безопасности представляют в таблице формы 1.

Форма 1

Индексы	Технологический процесс (производство)				Предприя-тие
	1	2	…	z
Пm (J)
Jс.в
Jв.а
П (J)

Метод комплексной оценки экологической безопасности объектов хозяйственной деятельности. В области инженерной экологии воздействие производства на природную среду целесообразно характеризовать показателями, которые позволяют сравнивать технологические параметры различных производств (предприятий), проводить экологическую экспертизу технических решений, определять необходимую степень экологической эффективности природоохранных мероприятий. В качестве общей характеристики, позволяющей систематизировать такие многочисленные и разрозненные информационные данные, является критерий экологической эффективности технологических процессов К, величина которого отражает уровень производства в удельных единицах технологического выхода продукции и зависит от количества и токсичности отходов, определяющих воздействие технологического процесса на окружающую среду. Технологический выход основной продукции определяют по данным материального баланса. Исходя из уравнения

М₁ + М₂ = М₃ + М₄ ,

где М₁ и М₂ – масса сырья и вспомогательных материалов, т/год; М₃ – масса готовой продукции, т/год; М₄ – масса образующихся в технологическом процессе отходов, т/год,

технологический выход основной продукции определяется отношением

М = М₃ / (М₁ + М₂).

Масса отходов М₄ определяется как масса суммы сырья и вспомогательных материалов за вычетом массы готовой продукции:

М₄ = М₁ + М₂ – М₃ .

Часть образующихся в технологическом процессе отходов улавливается на очистных сооружениях. Масса отходов, уловленных на очистных сооружениях, определяется по формуле

М₄' = η М₄ ,

где η – степень очистки, %.

Таким образом, эффективность работы очистных сооружений определяется отношениями:

η = М₄'/М₄ = (М₄ – М₄'')/ М₄ = (М₄ – М₄'')/(М₁ + М₂ – М₃).

Оставшаяся часть отходов, определяемая величиной

М₄'' = (1 – η) М₄ ,

поступает в окружающую среду. Снижение воздействия на природную среду, достигаемое в результате работы очистных сооружений, определяется отношением

П = М_ПДЗ / М₄'',

где М_ПДЗ – предельно допустимое значение массы отходов, направляемых в окружающую среду (ПДВ, ПДС), т/год.

Эффективность использования мощности производства определяется отношением

Q = Q_ф /Q_п ,

где Q_ф и Q_п – фактическая и проектная мощности технологического процесса получения основной продукции, т/год.

Определенные таким образом показатели позволяют проводить сравнительную техническую оценку анализируемого производства по альтернативным вариантам.

Количественную оценку воздействия на природную среду различных источников загрязнения проводят с использованием величины относительной токсичной массы образующихся в технологическом процессе отходов. Для сравнительной оценки различных источников загрязнения значение величины относительной токсичной массы определяют при условии приведения действия всех загрязняющих веществ (независимо от их агрегатного состояния) на эквивалентное загрязнение воды. В качестве общей характеристики загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду от различных источников, используют единичный индекс загрязнения I_i , определяемый согласно действующим нормативным документам, индекс загрязнения источника I_k или источников I_n :

,

где k – число суммируемых веществ, используемых для расчета индекса загрязнения.

Поскольку для разных компонентов природной среды ПДК одного и того же вещества различны, для нахождения условий приведения действия всех загрязняющих веществ на эквивалентное загрязнение поверхностных вод используют зависимости:

,

где ПДК_с.с , ПДК_р.з , ПДК_в – предельно допустимые концентрации i-го компонента в воздухе населенных мест среднесуточные, в воздухе рабочей зоны и в воде водоема рыбохозяйственного (ПДК_р.х) или хозяйственно-питьевого (ПДК_х.п) назначения, г/м³ (мг/м³, мг/дм³).

Для оценки токсичности твердых отходов принимается ПДК_в , так как при накоплении таких отходов на объектах складирования происходит их растворение в атмосферных осадках, сточных и грунтовых водах.

Взаимосвязь между ПДК для водных объектов и ПДК для атмосферного воздуха позволяет упростить определение соответствующей относительной токсичной массы отхода, поступающего в окружающую среду:

; ,

где V_i , V_n – объемы единичного и общего выбросов (сбросов), м³/год.

Вычисленные с использованием величины относительной токсичной массы отхода показазатели η и П по формулам

η = m₄' / m₄ , П = m_ПДЗ / m₄''

позволяют проводить сравнительную экологическую оценку анализируемого производства и определять наиболее экологически безопасный альтернативный вариант объекта хозяйственной деятельности.

Экономические показатели альтернативных вариантов объекта хозяйственной деятельности определяют в виде величины удельного регионального ущерба, представляющего собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу приведенной массы загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную среду. Оценку удельного регионального ущерба, в частности для водных ресурсов, проводят в соответствии с действующей нормативной методикой [7] по формуле

У^в = ∑(У^в_уд ∙ М ^в) ∙ К ^в_э ,

где У^в – экологический ущерб водным ресурсам, р./год; У^в_уд – показатель удельного ущерба (цены загрязнения) водным ресурсам, наносимого единицей (условная тонна) приведенной массы загрязняющих веществ, р./усл. т; М ^в – приведенная масса загрязняющих веществ, усл. т; К ^в_э – коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек в регионе.

Приведенную массу загрязняющих веществ рассчитывают по формуле

,

где – фактическая масса, т/год; – коэффициент относительной эколого-экономической опасности для i-го загрязняющего вещества.

С допустимой погрешностью сравнительная оценка удельного регионального ущерба для водных ресурсов по альтернативным вариантам проектных решений по объекту может быть определена по методике ЛенНИИгипрохима. При этом удельный региональный ущерб принимают пропорциональным (в денежном выражении) величине вклада токсичных компонентов, поступающих в водные объекты данного региона. Для проведения оценки экологической безопасности объекта хозяйственной деятельности используют зависимость

У = Ц ∙ m_п = Ц I_п V_п ,

где У – годовой ущерб от загрязнения водной среды по принципу оплаты за сброс, определяемой по величине затрат, необходимых для разбавления сточных вод свежей водой до содержания загрязняющих веществ в концентрациях не более установленных для них ПДК, р.; Ц – тариф за 1 м³ воды, забираемой предприятием из водохозяйственных систем в рассматриваемом экономическом регионе, р.

Используя величину фактического объема и токсичной массы отхода, определяют потенциальный У (минимальный У_min и максимальный У_max), фактический У_ф и предотвращенный У_п ущерб.

Показатели η и П определяют по формулам:

η = У_п / У_max , П = У_min / У_ф .

Объединив все показатели в единую формулу, получено математическое выражение для определения критерия экологической эффективности технологических процессов следующего вида:

где Q – годовой выпуск продукции, т/год, проектный Q_п , фактический Q_ф ; М – масса, т/год, сырья М₁ , вспомогательных материалов М₂ , готовой продукции М₃ , образовавшихся отходов М₄ (в том числе выбросов в атмосферу М_{4 (а. в)} , сбросов в водоем М_{4 (в)} , твердых отходов М_{4 (тв)}), уловленных отходов (в том числе газоочисткой _(а.в) , на очистных сооружениях _(в)), фактического выброса (в том числе в атмосферный воздух _(а.в) , в водоем _(в)); М_ПДЗ – нормируемая масса выбросов загрязняющих веществ, т/год (в том числе в атмосферу М_ПДВ , в водоем М_ПДС); m₄ , m₄' , m₄'', m _ПДЗ – относительная токсичная масса, усл. т, соответственно, образовавшихся отходов, уловленных, фактического и нормируемого выбросов; У_min – суммарный годовой ущерб от источников загрязнения, р., соответственно, предотвращенный, фактический, максимальный и минимальный.

Для проектируемых единых технологических циклов lim М ® 1 с учетом переработки в М₃; lim h ® 1; lim П ® 1; Q = 1 (для действующих производств lim Q ® 1). Отсюда в общем случае К в пределе стремится к 1 и может выражаться в долях единицы или процентах.

Результаты расчета записывают в табл. формы 2.

По полученным значениям критерия К проводят сравнительную техническую, экологическую и экономическую оценку анализируемого производства по альтернативным вариантам проекта. Применение такого подхода позволяет проводить сравнительную оценку техногенной нагрузки, оказываемой тем или иным производством или предприятием на различные компоненты природной среды (на атмосферный воздух, поверхностные и грунтовые воды, почву), определять фактические данные о ресурсных затратах, степень эффективности используемых природоохранных технологий.

Полученные данные определяют, что проектируемая технологическая схема производства метизов по альтернативному варианту является, по сравнению с вариантом по типовому проекту, менее значимой как источник техногенной нагрузки на окружающую природную среду. По альтернативному вариан- ту 1 проектируемая технологическая схема производства обеспечивает более высокую эффективность использования материальных ресурсов по сравнению с альтернативным вариантом 2 и в целом определяется более высоким значением критерия экологичности.

Таблица 15