Необходимость защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы

локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве,  
 

повреждение особей в технологических системах - при  эксплуатации,  

сток поверхностных  и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты,  
 

изменение характера  землепользования и обменных процессов  в непосредственной близости от АЭС,  
 

изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.  

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов- охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе  внешнего теплоотвода, сбросы технологических  вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору  и фауну экосистем.  

Особое значение имеет распространение радиоактивных  веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую  общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций (АС), идущих на смену тепловым станциям на органическом ископаемом топливе. Общепризнанно, что АС при их нормальной эксплуатации намного - не менее чем в 5-10 раз "чище" в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Однако при  авариях АС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение  безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий  атомных электростанций - крупная  научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.  

Отметим важность не только радиационных факторов возможных  вредных воздействий АС на экосистемы, но и тепловое и химическое загрязнение  окружающей среды, механическое воздействие  на обитателей водоемов-охладителей, изменения  гидрологических характеристик  прилежащих к АС районов, т.е. весь комплекс техногенных воздействий, влияющих на экологическое благополучие окружающей среды.  

Видно, что все  вопросы защиты окружающей среды  составляют единый научный, организационно- технический комплекс, который следует  называть экологической безопасностью. Следует подчеркивать, что речь идет о защите экосистем и человека, как части экосферы от внешних  техногенных опасностей, т.е. что  экосистемы и люди являются субъектом  защиты. Определением экологической  безопасности может быть утверждение, что  

экологическая безопасность - необходимая и достаточная защищенность экосистем и человека от вредных  техногенных воздействий 

Обычно выделяют защиту окружающей среды как защищенность экосистем от воздействий атомных  станций при их нормальной эксплуатации и безопасность как систему защитных мер в случаях аварий на них.  

Как видно, при таком  определении понятия "безопасность" круг возможных воздействий расширен, введены рамки для необходимой  и достаточной защищенности, которые  разграничивают области незначимых и значимых, допустимых и недопустимых воздействий, о чем разговор пойдет ниже. Отметим, что в основе нормативных  материалов по радиационной безопасности лежит идея о том, что слабейшим  звеном биосферы является человек, которого и нужно защищать всеми возможными способами. Считается, что если человек  будет должным образом защищен  от вредных воздействий АС, то и  окружающая среда также будет  защищена, поскольку радиорезистентность  элементов экосистем как правило  существенно выше человека.  

Ясно, что это положение  не является абсолютно бесспорным, поскольку биоценозы экосистем  не имеют таких возможностей, какие  есть у людей - достаточно быстро и  разумно реагировать на радиационные опасности. Кроме того, различны сорбционные  характеристики различных элементов  биогеоценозов. И поэтому в случаях  тяжелых аварий на АС запасы радио-нечувствительности биоценозов могут быть исчерпаны [4]. Отсюда следует, что при оценке уровня безопасности АС необходимо явно учитывать  экологические последствия воздействий  АС, а при разработке мер противоаварийной защиты АС предусматривать и действия по защите окружающей среды.  

Атомные электростанции оказывают на окружающую среду - тепловое, радиационное, химическое и механическое воздействие. Для обеспечения безопасности биосферы нужны необходимые и  достаточные защитные средства. Под  необходимой защитой окружающей среды будем понимать систему  мер, направленных на компенсацию возможного превышения допустимых значений температур сред, механических и дозовых нагрузок, концентраций токсикогенных веществ  в экосфере. Тогда защита не требуется, если  

Т(r,t) < Tд, В(r,t) < Вд, М(r,t) < Mд, Сi(r,t) < С iд.  

В противном случае, при невыполнении неравенств необходимы меры, которые будут компенсировать превышение параметров над допустимыми  значениями. Эти меры суть управляющие  воздействия для возвращение  системы в область нормального  функционирования. Достаточность защиты достигается в том случае, когда  температуры в средах, дозовые  и механические нагрузки сред, концентрации вредных веществ в средах не превосходят предельных, критических значений, т.е.  

Т(r,t) < Tкр, В(r,t) < Вкр, М(r,t) < Mкр, Сi(r,t) < С iкр.  

Здесь и выше Т - температура, Tд, Tкр - допустимое и критическое  значение температуры, В - дозовая нагрузка, Вд, Вкр - допустима и критическая  дозовая нагрузка, Mд, Mкр - допустимое и предельное значение механической, например, шумовой, нагрузки, Сi - концентрация i-того вещества в биосфере, С iд - предельно-допустимая концентрация (ПДК), С iкр - критическая  концентрация i-того вещества.  

Итак, санитарные нормативы  предельно-допустимых концентраций (ПДК), допустимые температуры, дозовые и  механические нагрузки должны быть критерием  необходимости проведения мероприятий  по защите окружающей среды. Система  детализированных нормативов по пределам внешнего облучения, пределам содержания радиоизотопов и токсичных веществ  в компонентах экосистем, механическим нагрузкам могла бы нормативно закрепить  границу предельных, критических  воздействий на элементы экосистем  для них защиты от деградации. Другими  словами должны быть известны экологические  емкости для всех экосистем в  рассматриваемом регионе по всем типам воздействий.  

Разнообразные техногенные  воздействия на окружающую среду  характеризуются их частотой повторения и интенсивностью. Например, выбросы  вредных веществ имеют некоторую  постоянную составляющую, соответствующую  нормальной эксплуатации, и случайную  компоненту, зависящую от вероятностей аварий, т.е. от уровня безопасности рассматриваемого объекта. Ясно, что чем тяжелее, опаснее  авария, тем вероятность ее возникновения  ниже. Эти воздействия и соответствующие  им последствия могут быть разбиты  на незначимые, допустимые и недопустимые области. На рис. 2 показано возможное  разбиение областей воздействий  на экосистемы и их последствий:  
 
 

где Ад, Акр - допустимые и критические значения А при  нормальной эксплуатации.  

По-видимому, разумно  ввести некоторые относительные  коэффициенты вредности воздействий  на данные элементы экосистем по отношению  к некоторым эталонам. Разумеется, в качестве эталона мог бы быть взят человек. Например, нам известно сейчас по горькому опыту Чернобыля, что сосновые леса имеют радиочувствительность  похожую на то, что характерно для  человека, а смешанные леса и кустарники - в 5 раз меньшую. Учитывая, что воздействия  АС на биосферу не ограничиваются лишь радиационными факторами, ясно, что реальную защиту окружающей среды следует строить на основе нормативного эшелонирования защит от всех воздействий, влияющих на состояния экосистем. Меры предупреждения опасных воздействий, их предотвращения при эксплуатации, создания возможностей для их компенсации и управления вредными воздействиями должны приниматься на стадии проектирования объектов. Это предполагает разработку и создание систем экологического мониторинга регионов, разработку методов расчетного прогнозирования экологического ущерба, признанных методов оценивания экологических емкостей экосистем, методов сравнения разнотипных ущербов. В пределе эти меры должны создать базу для активного управления состоянием окружающей среды.  

В настоящее время  принято обосновывать экологическую  безопасность атомных электростанций при их проектировании в несколько  стадий [10 ].  

В начале работ, до реального  проектирования АС разрабатывается  т.н. Концепция экологической безопасности АС, в которой оценивается состояние  окружающей среды в районе предполагаемого  строительства АС и определяется уровень допустимых воздействий  на природное окружение, т.е. тот  уровень, который  

согласуется с природоохранным  и санитарно-гигиеническим законодательством,  
 

учитывает социальные аспекты экологической безопасности - сохранность ценных природных комплексов, возможные изменения в жизненном  укладе населения, структуре землепользования региона, а также предполагаемую реакцию населения,  

обеспечивает отсутствие значительного вмешательства в  природные процессы и серьезных  воздействий на биогеоценозы на прилежащих к АС территориях.  
 

Затем, в рамках Технико-экономического обоснования - ТЭО разрабатывается  Оценка воздействий АС на окружающую среду - АВОС АС, а далее, уже на стадии проекта АС разрабатывается т.н. Обоснование экологической безопасности - ОЭБ АС, в котором подтверждается соответствие технических решений  требованиям Концепции охраны окружающей среды в регионе.  

Эти материалы тщательно  анализируются в рамках Экологической  экспертизы, проводимой независимыми экспертами.

3.2 Выбросы и сбросы  вредных веществ при эксплуатации  АС 

Исходными событиями, которые развиваясь во времени, в  конечном счете могут привести к  вредным воздействиям на человека и  окружающую среду, являются выбросы  и сбросы радиоактивности и токсических  веществ из систем АС. Эти выбросы  делят на газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через  трубу, и жидкие сбросы, в которых  вредные примеси присутствуют в  виде растворов или мелкодисперсных  смесей, попадающие в водоемы. Возможны и промежуточные ситуации, как  при некоторых авариях, когда  горячая вода первого контура  выбрасывается в атмосферу и  разделяется на пар и воду.

3.3 Перенос радиоактивности  в окружающей среде 

Выбросы могут быть как постоянными, находящимися под  контролем эксплуатационного персонала, так и аварийными, залповыми. Включаясь  в многообразные движения атмосферы, поверхностных и подземных потоков, радиоактивные и токсические  вещества распространяются в окружающей среде, попадают в растения, в организмы  животных и человека. На Рис.3 показаны воздушные, поверхностные и подземные  пути миграции вредных веществ в  окружающей среде. Вторичные, менее  значимые для нас пути, такие как  ветровой перенос пыли и испарений, как и конечные потребители вредных  веществ на рисунке не показаны:  
 
 

Проблему оценки защищенности окружающей среды можно  представить в виде последовательного  решения некоторых математических задач -  

расчет изменений  и возмущений состояния среды  в результате внешних воздействий, определение поля концентраций опасных  веществ после стационарных и  аварийных выбросов, сбросов из технологических  систем АС,  
 

оценки вредных  последствий воздействий, дозовых, токсикогенных нагрузок,  

оценки экологического ущерба, вероятностей гибели особей, деградации популяций, измений видового разнообразия,  
 

выбора оптимального набора мер и средств управления состоянием среды для снижения последствий  вредных воздействий.  

Пусть мы знаем все  параметры выбросов и сбросов  АС в окружающую среду, т.е. вектор q(Q,...,t). Выделим в окружающем атомную  станцию пространстве ряд биосферных объектов - характерных экосистем. Состояние  объектов среды будем характеризовать  вектором С=С(С1,Сi,B1,Bk,Т) - компоненты которого концентрации радиоактивных, химически  вредных веществ, биомассы составляющих экосистему элементов и температуры  в средах. Связь воздействий и  реакции экосистем можно описать  некоторым символическим уравнением  

[ D+I ] (С,r,t)=q(t) d(r-r0)  

где D - дифференциальный оператор, определяющий скорость переноса возмущений внутри рассматриваемых  биосферных объектов, I - оператор взаимодействия биосферных объектов между собой, q(t) - выброс, d(r) - дельта-функция, к - координата источника выброса.  

Это уравнение распространения  тепловых, концентрационных и экологических  возмущений в окружающей среде - некоторая  система уравнений переноса вещества, биомассы и тепла в пространстве. Символическое решение для вектора  состояния системы, т.е. вектора биомасс, концентраций радиоактивных продуктов  и других веществ, температур, можно  представить в виде  

С(r,t)=[ D+I ]-1 q(t) d(r-r0).  

Это поле биомасс, концентраций и температур в биосфере. В литературе имеются описания моделей экосистем  различной степени сложности  и детализации процессов переноса, перехода в элементах экосистем. В полном составе проблем такая  задача представляется исключительно  сложной как из-за большого объема вычислений, так и из-за необходимости  задания большого числа эмпирических зависимостей [7]. Большой популярностью  пользуется камерная модель окружающей среды, которая интегрально, в точечном приближении описывает распространение  вредных нуклидов в среде и  попадание их в организм человека. Расчет распределение опасных веществ  во всех экозонах и сопоставление  их концентраций с допустимыми значениями является основным методом исследования качества окружающей среды. Следующий  этап заключается в преобразовании поля концентраций вредных веществ  в поле радиационных, токсикогенных  нагрузок всех элементов экосистем. Символически это преобразование есть некоторый функционал