Техногенные системы и экологический риск. Учебное пособие

переносах, а также от физико-химических условий, складывающихся в тех средах, в

которые они мигрируют.

Рассмотрим перенос загрязняющих веществ на границе почва-вода, вода-

воздух, почва-воздух.

Перенос на границе почва-вода. Для переноса почва-вода характерны следующие процессы: адсорбция, десорбция, диффузия, конвективный массоперенос, дисперсионный перенос. Для всех переходов химических соединений через границу почва – водная фаза основную роль играет процесс адсорбции.

Адсорбция – накопление химического вещества на поверхности почвы,

оценивается через коэффициент адсорбции – отношение содержания адсорбированного вещества на поверхности почв к содержанию этого вещества в воде.

Десорбция - процесс обратный адсорбции, но проходит не до конца, так как причиной неполной десорбции вещества является встраивание его молекул в кристаллическую структуру минеральной составляющей почвы или химическое взаимодействие с органическим веществом почвы.

Диффузия - физический процесс, в ходе которого молекулы, атомы или ионы химического вещества в результате теплового броуновского движения перемещаются из области высокой концентрации в область с меньшей концентрацией этого вещества.

Конвективный массоперенос представляет собой принудительное перемещение загрязняющих веществ потоком воды.

Дисперсионный массоперенос перенос осуществляется за счет того, что в пористом пространстве почвы существует неоднородность полей скоростей движения потока почвенных растворов, что ведет к перераспределению молекул растворенных в них веществ.

Перенос на границе вода-воздух. Перенос вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называется летучестью или фугитивностью. Этот процесс осуществляется в результате диффузии. Обратный перенос называется сухим осаждением, оба эти процесса относятся к динамическим процессам.

11

Скорость фугитивности (летучести) определяется как произведение массы вещества, перемещающегося через единицу площади границы вода-воздух в единицу времени, на коэффициент пропорциональности, который учитывает факторы, препятствующие процессу распространения загрязняющих веществ.

«Сухое» осаждение химических соединений осуществляется под действием сил тяжести после предварительной адсорбции молекул загрязняющего вещества на частицах пылевого аэрозоля.

Перенос на границе почва-воздух. Процесс миграции загрязняющих веществ через границу системы почва-воздух является одним из самых сложных, так как на данный вид массопереноса оказывают существенное влияние процессы обмена,

характерные для почвенного покрова на границах твердая фаза - почвенный раствор,

почвенный раствор-газ, твердая фаза – воздух.

Летучесть из почвы – это миграция загрязняющего вещества, происходящая из почвы в атмосферный воздух, и которая осуществляется под действием диффузии.

Процесс миграции загрязняющего вещества из воздуха в почву называется сухим осаждением на почву. Улетучивание молекул химического вещества из почвы происходит аналогично переносу химических веществ из водных растворов в воздух.

Однако, сухое осаждение из атмосферы в почву может происходить в результате предварительной адсорбции молекул загрязняющего вещества на поверхности частиц пыли и дальнейшей их седиментации под действием сил тяжести на почвенный покров. Может происходить вымывание химических веществ атмосферными осадками, тогда наблюдается их влажное осаждение на почву.

Химические вещества, которые внесены в толщу почвы переносятся из более глубоких слоев к поверхностному горизонту слою благодаря конвективному и дисперсионному массопереносам. Летучесть зависит от таких факторов окружающей среды, как температура, скорость ветра, вероятность выпадения атмосферных осадков, физико-химических свойств самого вещества и физических свойств почвы.

12

Поступление и накопление химических веществ водными и наземными организмами. Любое химическое вещество поглощается или усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе устанавливается в том случае, если его поступление и выделение происходит с одинаковой скоростью, установившаяся концентрация в организме называется концентрацией насыщения.

Если значение концентрации насыщения окажется выше той, которая характерна для окружающей среды, то это свидетельствует о способности живого организма аккумулировать данное химическое соединение.

В ходе исследований установлено, что загрязняющие вещества могут поступать в живой организм различными путями, а именно: за счет процессов биоконцентрирования, биоумножения и биоаккумуляции.

Биоконцентрирование - это поступление и накопление химического вещества в организме, происходящее из окружающей среды. При этом не учитывается поступление загрязняющего вещества, которое может произойти в процессе питания.

Биоумножение - это поступление и накопление химического вещества в организме, происходящее в процессе питания или путем передачи химического соединения по трофическим цепям.

Биоаккумуляция - это поступление и накопление химического соединения в живом организме, которое происходит из окружающей среды, и в процессе питания.

Для водных организмов приоритетным является процесс биоконцентрирования, то есть основное количество химического вещества поступает в них из окружающей среды.

Для наземных организмов характерно поступление химических веществ и в процессе питания, и из окружающей среды. Так, наземные животные обогащаются загрязняющими веществами, поступающими с пищей, а высшие растения могут их усваивать с помощью корневой системы, с помощью листьев через расположенные на их поверхности устьица.

13

Перенос химических соединений в различных природных средах может быть географическим или биотическим.

Географический перенос предполагает распространение вредного вещества под действием физических факторов. Такой вид переноса в основном происходит в атмосфере. Процессы переноса загрязняющих веществ в атмосфере происходит очень быстро.

Атмосферный перенос – распространение загрязняющих веществ от источника загрязнения над поверхностью Земли посредством восходящих потоков воздуха и ветром.

Атмосферный перенос делится на следующие виды.

Если атмосферный перенос происходит быстро, в течение нескольких минут,

то он относится к атмосферному переносу локального масштаба. Если перенос осуществляется в течение нескольких часов до нескольких суток, то он относится к атмосферному переносу регионального масштаба. Атмосферный перенос глобального масштаба может происходить в течение нескольких суток.

Самый медленный перенос происходит в литосфере порядка нескольких десятков лет.

Биотический перенос загрязнения – этот вид переноса связан с движением пищи по трофическим цепям в экосистемах. Загрязняющие вещества,

присутствующие в пище, не усваиваются организмами, а накапливаются в них, что приводит к аккумуляции загрязнения в организмах, располагающихся на верхних трофических уровнях экосистем.

Таким образом, под действием различных факторов загрязняющие вещества обладают свойством распространяться в окружающей среде, что увеличивает масштабы территорий, подверженных антропогенному воздействию.

14

1.3 Техногенные системы и их влияние на окружающую среду

Системы, в структуру которых включены объекты хозяйственной деятельности человека, такие как промышленные предприятия, коммунальные объекты, объекты сельскохозяйственного профиля, а также объекты окружающей среды, при функционировании которых происходит обмен энергией и веществом,

называются техногенными системами.

Хозяйственная деятельность человека сопровождается образованием так называемых нообиогеоценозов, в структуру которых входит сообщество людей со средствами и продуктами труда, называемое нооценозом.

Нообиогеоценозы подразделяются на технобиогеоценозы, которые возникают в результате производственной деятельности человека. Агроценозы являются результатом сельскохозяйственной деятельности человека. При строительстве городов и других населенных пунктов, а также при строительстве транспортных объектов создаются урбобиогеоценозы.

Для того, чтобы обеспечить функционирование общества и удовлетворить материальные потребности в процессе жизнедеятельности общества, необходимо прежде всего создать средства труда, позволяющие взаимодействовать обществу с окружающей средой. В результате такого взаимодействия возникают продукты труда. Поэтому в техногенных системах необходимо обращать внимание на технологические процессы, которые приводят к изменениям в объектах окружающей среды и нарушают экологическое равновесие, что отражается на взаимодействии в системе «общество-природа».

В результате взаимодействия в системе «общество-природа» в

структуреэкосистемы появляются производственные объекты, которые, безусловно,

будут оказывать воздействие на функции, которые выполняют природные экологические системы, вследствие чего будет формироваться природно-

15

промышленная экосистема, относящаяся к категории искусственной экосистемы,

которую еще называют техногенной системой.

При формировании в результате производственной деятельности природно-

промышленных экосистем необходимо обращать внимание на то, чтобы структурные элементы сообщества людей не нарушали установившегося экологического равновесия в природных экологических системах данного региона.

В противном случае хозяйственная деятельность человека может привести к разрушению и даже гибели биогеоценозов.

Границы зоны влияния производственных объектов, находящихся в структуре промышленно-природной экосистемы, на состояние окружающей среды будет определять границы техногенной системы.

Определять направление деятельности техногенной системы и ее влияние на объекты окружающей среды будет прежде всего промышленное звено, которое является приоритетным структурным элементом техногенной системы. Причем, в

структуру промышленного звена входят объекты энергетического комплекса,

объекты основного и вспомогательного производства, а также предприятия,

деятельность которых связана со строительством и реконструкцией функционирующих промышленных предприятий.

Продукцией промышленного звена считается вся продукция, которая отправляется за пределы природно-промышленного комплекса, а также предназначенная для удовлетворения собственных нужд и поддержания заданной продуктивности системы. К продуктам промышленного звена относятся и отходы производства: газообразные, жидкие, пылевидные промышленные выбросы,

тепловые потоки и шум, загрязняющие окружающую среду.

В структуру вспомогательного производства входят предприятия, который обслуживают основное производство. Это могут быть базы по ремонту оборудования, транспорт, используемый на предприятии, склады сырья и готовой продукции, предприятия, деятельность которых направлена на строительство предприятий по выработке энергии и транспортных магистралей.

16

Коммунально-бытовое звено также входит в структуру техногенной системы.

К числу функций, выполняемых коммунально-бытовым звеном, относится обеспечение жизнедеятельности работающих на производственных объектах. В

состав коммунально-бытового звена входят предприятия питания, медицинские учреждения, транспорт общего пользования, культурные и учебные заведения,

стадионы, парки отдыха. Оно производит продукцию, которую потребляет население, кроме этого, к продукции коммунально-бытового звена относятся выбросы, сточные воды и отходы, образующиеся на коммунально-бытовых объектах.

Отличительной особенностью функционирования экосистем, в структуру которых входят производственные объекты, является то, что все элементы данной экосистемы постоянно испытывают антропогенные нагрузки со стороны промышленных предприятий. Это отражается и на продуктивности сельскохозяйственных объектов, лесных массивов, расположенных на территории природно-промышленной экосистемы, происходит деградация почвенного покрова.

Поэтому при проектировании промышленных предприятий следует учитывать эти негативные последствия и использовать под строительство неплодородные земли.

Источники техногенного воздействия следует рассматривать как результат технической деятельности человека в окружающей среде, в ходе которой, с одной стороны, возникают промышленные предприятия, сельскохозяйственные объекты,

возникают транспортные системы, строятся города, но, с другой стороны,

происходит загрязнение, деградация окружающей среды.

Источники техногенного воздействия на состояние окружающей среды многообразны. Среди них выделяют следующие группы:

-промышленные объекты;

-сельскохозяйственные объекты;

-производственные объекты по добыче и переработке полезных ископаемых;

-наземный и воздушный транспорт;

-строительство городов и сельских поселений;

-коммунально-бытовые объекты.

17

Следует отметить, что в природно-промышленных системах окружающая среда испытывает техногенное воздействие сразу от нескольких техногенных источников, от которых идет поступление загрязняющих веществ различной химической природы, большая часть из которых является чуждыми природе, так как образуются в результате производственной деятельности человека, вследствие чего происходит изменение материального состава объектов окружающей среды.

В целом, влияние техногенных систем на окружающую среду проявляется в следующем:

1)в изменениях показателей качества объектов окружающей среды, связанных

сих загрязнением, приводящим к негативному влиянию на состояние здоровья человека;

2)в изменении материального состава окружающей среды, вследствие возникновения новых, чуждых природе химических и биологических веществ,

оказывающих антропогенные нагрузки на структурные элементы природных экологических систем и на человека;

3) в нанесении ущерба объектам окружающей среды и здоровью населения,

возникающего вследствие снижения способности природы к самовосстановлению,

вызванного антропогенной деятельностью

1.4 Классификация техногенных систем

Различают следующие типы техногенных систем: селитебная (относящаяся к жилой зоне и инфраструктуре города), промышленная, транспортная,

рекреационная, лесотехническая, водоохранная и сельскохозяйственная.

1.4.1 Селитебная техногенная система. Селитебная техногенная система – это система, в структуру которой входит жилая зона и инфраструктура города.

18

Однако, несмотря на то, что селитебные территории обладают большим потенциалом для создания благоприятных условий для жизнедеятельности человека, с одной стороны, с другой стороны в искусственных системах создаются экстремальные значения разных экологических факторов, таких как шум,

загазованность, загрязнение почв, электромагнитное излучение. В большей степени воздействию данного вида загрязнений подвержено население, проживающее на территориях, прилегающих к магистральным улицам с интенсивным движением автотранспорта и промышленным объектам.

Электромагнитное излучение замедляет регенерацию тканей растений и животных, приводит к снижению выживаемости и повышению смертности. Кроме этого, облучение способствует развитию мутации.

Шумовое загрязнение сегодня является одним из самых вредных физических факторов современного города. Все возрастающие акустические нагрузки преследуют человека практически постоянно и повсеместно. На сегодняшний день имеется достаточное количество информации о результатах воздействия шума на организм человека. Городской шум пагубно действует на организм человека,

поражает органы слуха, центральную нервную систему, вызывает раздражительность, головные боли, болезни сердца и сосудов, нарушает отдых и сон, трудовую деятельность, является прямой или косвенной причиной многих заболеваний.

Так как все объекты окружающей среды находятся в тесной взаимосвязи между собой, загрязнение почвы приведет к изменению биоразнообразия и снижению плодородия почвы из-за снижения запасов органического вещества почвы, следствием чего будет являться снижение ее фильтрующей способности.

Так как почва является трехфазной системой, вследствие ее загрязнения произойдет загрязнение жидкой фазы почвы, грунтовых вод. Это найдет отражение в негативных последствиях, связанных с разрушением структурных элементов биогеоценозов, с сокращением запасов органического вещества в почвах, от которых зависит ее плодородие, с трансформацией и миграцией загрязняющих веществ, поступающих в почву, с накоплением опасных химических соединений в

19

трофических цепях, в тканях растений и дальнейшим их переносом животным,

питающимся загрязненными растениями, птицам и дальше по пищевым цепям.

Поступающие и аккумулирующиеся в почве, грунтовых водах и трофических цепях загрязняющие вещества, в конечном итоге, могут вызвать различные виды интоксикации в организме человека, а также привести к возникновению заболеваний и даже к смертельному исходу.

1.4.2 Промышленная техногенная система. Промышленная техногенная система – это система, в структуру которой входит совокупность предприятий различных отраслей промышленности, специализирующихся на производстве энергии, добыче полезных ископаемых, на обработке продукции различных сфер производства.

К числу приоритетных по степени антропогенного воздействия на окружающую среду относятся предприятия топливной энергетики,

нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, предприятия черной и цветной металлургии (рисунок 1).

Рисунок 1 – Загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий

20