Экологическое равновесие в природно-технических геосистемах

Концептуальный аспект инженерной экологии связан с необходимостью формирования научно-методического базиса, отвечающего интегральным критериям экологической безопасности в региональном, континентальном и планетарном смысле.

Остановимся кратко на физико-математическом аспекте региональной экологии.

Интегральным критерием, являющимся мерой экологической эффективности трудовой деятельности, может служить опасность нарушения природного баланса как в узкотерриториальном плане, так и в общегосударственном масштабе. Такая опасность является потенциальной характеристикой необратимости потерь (или необратимых процессов), количественно связанных с антропогенными факторами результатов деятельности.

Общий принцип охраны природы с позиций инженерной экологии заключается в минимизации интегральных потерь неживой и живой природы, формально выражаемых в виде: абсолютно невосполнимых потерь, связанных с уничтожением биологических популяций (изменения биогеоценозов) за пределами границ само- восстанавливаемости; качественных потерь неживой природы в первоначальных количественных пропорциях (ухудшение плодородной структуры почв, изменение гидрогеологического режима течений, деградации почв в наиболее экологически уязвимых районах, например районах Крайнего Севера, и т. д.); обратимых потерь живой природы в границах самовосстанавливаемости или восстанавливаемости при содействии человека.

Анализируя механизм формирования экологических потерь, следует весь процесс функционирования экосистемы «человек — природа» условно разделить на три стадии.

На первой стадии развития процесса происходит закономерное использование природных ресурсов в результате целенаправленного взаимодействия человека с окружающей средой. Эта стадия, как правило, характеризуется некоторым условным максимумом, совпадающим с окончанием активной фазы производственного цикла.

Далее процесс переходит во вторую стадию, которая в случае полного отсутствия восстановительных мероприятий характеризуется некоторым периодом сравнительно устойчивого состояния с сохранением имевшихся потерь. Этот период, по существу, является переходным к третьей стадии развития процесса, протекающей в одной из двух возможных форм: естественного восстановления (самовосстановления) частично утраченного экологического потенциала; смешанного (или комплексного) восстановления, включающего в себя ряд восстановительных мероприятий, которые в сочетании с естественными процессами самовосстановления дают наибольший эффект сохранности и воспроизводимости природных ресурсов.

Понятие экологического равновесия в природе имеет глубокий смысл, поскольку оно опирается на обширную систему научных знаний и представлений о состоянии и свойствах биогеоценозов. Естественный природный баланс вследствие закономерного антропогенного изменения имеет тенденцию смещения, проявляющегося в формах единичного или общего явления, в виде явного или неявного следствия, значительных диспропорций и т. д.

Поэтому понятие экологического равновесия экосистемы условно с точки зрения предельно допустимых норм по всем экологическим критериям.

Однако понятие предельно допустимой нормы (или предельно допустимой потери) требует глубокого обоснования с точек зрения: локального экологического скачка (или интенсивности местных потерь данного вида); возможности развития необратимых смещений экологического равновесия ( dRcjdt —» оо ); характера экологического противодействия (экологической реакции) на функционирующий объект; потенциальных экологических резервов в рассматриваемом интервале взаимодействия искусственного объекта с окружающей средой.

Планирование и оптимизация природоохранных структур в сфере промышленного производства предопределили современные тенденции развития региональной экологии, в рамках которой реализуются прикладные задачи формирования экологически чистых промышленных объектов и создания систем надежной охраны окружающей среды. Такие задачи по своей сути являются многоплановыми, и их эффективное решение опирается на глубокий инженерный анализ реальной экологической обстановки в конкретной природно-технической геосистеме. Одним из основных аспектов такого анализа является опытно-промышленное исследование возможных источников вредных воздействий на объекты гео- и биосферы.

В общем случае источники загрязнения природной среды можно классифицировать по: происхождению — искусственные — антропогенные (удельный вес около 90% общего объема) и естественные; месту поступления — континентальные, морские и атмосферные; временному признаку — постоянные, эпизодические, разовые, случайные; пространственно-временному признаку — фиксированные и нефиксированные и т. п.

В рамках рассмотренной классификации могут быть исследованы любые регионально-экологические системы типа «человек — промышленный объект — природа». Например, определяющими факторами глобального нефтегазопромышленного техногенеза являются масштабы добычи этих природных компонентов и уровень их потерь в естественном и переработанном виде. При современных способах разработки месторождений около 40—50% разведанных запасов нефти и 20—40% природного газа остаются не извлеченными из недр.

От 1 до 17% нефти, газа и нефтегазопродуктов теряются в процессах добычи, подготовки, переработки, транспортирования и использования. Крупные комплексы нефтяной и газовой промышленности и населенные пункты преобразуют почти все компоненты природы (воздух, воду, почву, растительный и животный мир и т. п.). В атмосферу, водоемы и почву в мире ежегодно выбрасывается более 3 млрд, т твердых промышленных отходов, 500 км3 опасных сточных вод и около 1 млрд, т аэрозолей, разных по крупности частиц и химическому составу. Номенклатурный состав ядовитых загрязнений содержит более 800 веществ, в том числе мутагены, влияющие на наследственность, канцерогены — на зарождение и развитие злокачественных новообразований, нервные и кровяные яды — на функции нервной системы, состав крови и кроветворение, аллергены — на отдельные органы и организмы и др. Содержание их в воздухе в ряде случаев в 3—10 раз превышает предельно допустимые концентрации.

Нерегулируемый в экологическом смысле рост объемов и темпов добычи нефти, газа, угля и других топливно-энергетических ресурсов обусловливает опасные деградационные процессы, протекающие в литосфере (обвалы, локальные землетрясения, провалы и местные подвижки земной коры и др.), негативно сказывающиеся на распределении свойств геомагнитного и гравитационного полей Земли.

Реализация второго определяющего фактора регионально-экологического значения обусловлена действительным распределением источников загрязнения окружающей природной среды по удельному весу. Потери нефти в мире при ее добыче, переработке и использовании превышают 45 млн. т в год, что составляет около 2% годовой добычи. При этом из них 22 млн. т теряются на суше, около 7 млн. т — в море, до 16 млн. т поступают в атмосферу из-за неполного сгорания нефтепродуктов при работе автомобильных, авиационных и дизельных двигателей.

Распространение токсичных загрязнений на разном расстоянии от места утечек с учетом метеорологических условий (температуры, скорости и направления движения воздуха и относительной влажности) исследуется при помощи отбора проб воздуха в поглотительный раствор и фотокалориметри- ческий газоанализатор.

В ходе научно-технической революции масштабы воздействия загрязнений на природу стали превышать ее восстановительный потенциал. Объем загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве непрерывно растет. Окружающая природная среда необратимо и опасно изменяется в региональном и локальном измерениях. Так, по данным ряда исследователей, все возрастающее загрязнение атмосферы сернистыми соединениями обязано источникам антропогенного и природного происхождения (табл. 1.1).

Промышленные объекты, являющиеся источниками выбросов в атмосферу диоксидов серы и оксидов азота, обусловливают повышенный риск выпадения так называемых кислотных дождей. Вероятность выпадения для диоксидов серы равна 0,6, для оксидов азота — 0,4.

Регионально-экологический подход к оценке возможных последствий из-за загрязнения окружающей среды базируется на результатах статистического анализа опытно-промышленного и экспертных исследований.

Таблица 1.1. Загрязнение окружающей среды сернистыми соединениями