1 Необходимость защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы Экологическое состояние многих районов нашей страны вызывает законную тревогу общественности. В многочисленных публикациях и, в частности [1], показано, что во многих регионах нашей страны наблюдается устойчивая тенденция к многократному, в десятки и более раз превышению санитарно-гигиенических норм по содержанию в атмосфере городов окислов углерода, азота, пыли, токсичных соединений металлов, аминов и других вредных веществ. Имеются серьезные проблемы с мелиорацией земель, бесконтрольным применением в сельском хозяйстве минеральных удобрений, чрезмерным использованием пестицидов, гербицидов. Происходит загрязнение сточными водами промышленных и коммунальных предприятий больших и малых рек, озер, прибрежных морских вод. Из-за постоянного загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, растительности происходит деградация экосистем, сокращение продуктивных возможностей биосферы. Загрязнение среды обитания вредно отражается на здоровье людей, приносит значительные убытки народному хозяйству. В последнее врем обстановка ухудшилась настолько, что многие районы объявлены районами экологического бедствия. Общие выбросы двуокиси азота оцениваются в 6, 5*108 т/год, выбросы серы составляют 2, 4*108 т/год, промышленность выбрасывает 5, 2*107 т/год всевозможных отходов. Выбросы углекислого газа, сернистых соединений в атмосферу в результате промышленной деятельности, функционирования энергетических, металлургических предприятий ведут к возникновению парникового эффекта и связанного с ним потепления климата. По оценкам ученых [2] глобальное потепление без принятия мер по сокращению выбросов парниковых газов составит от 2-х до 5 градусов в течение следующего столетия, что явится беспрецедентным явлением за последние десть тысяч лет. Потепление климата, увеличение уровня океана на 60-80 см к концу следующего столетия приведут к экологической катастрофе невиданного масштаба, угрожающей деградацией человеческому сообществу. Другая опасность связана с дефицитом чистой пресной воды. Известно, что промышленность потребляет 3000 куб. км пресной воды в год, из которых примерно 40% возвращается в цикл, но с жидкими отходами, содержащими продукты коррозии, отработанное масло, органику, частицы золы, смол, технологические сбросы, в том числе вредные компоненты типа тяжелых металлов и радиоактивных веществ. Эти жидкости растекаются по водным системам, причем вредные вещества депонируются в фитоценозах, донных отложениях, рыбах, распространяются по трофическим, т. е. пищевым цепям, попадают на стол человека. Расход пресной воды на сельскохозяйственные нужды - орошение, ирригацию стал в некоторых районах столь велик, что вызвал крупные необратимые сдвиги в экологическом равновесии целых регионов. Среди других экологических проблем, связанных с антропогенным воздействием на биосферу, следует упомянуть риск нарушения озонового слоя, загрязнение Мирового океана, деградацию почв и опустынивание зернопроизводящих районов, закисление природных сред, изменение электрических свойств атмосферы. Характерные антропогенные радиационные воздействия на окружающую среду загрязнение атмосферы и территорий продуктами ядерных взрывов при испытаниях ядерного оружия в 60-тые годы, отравление воздушного бассейна выбросами пыли, загрязнение территорий шлаками, содержащими радиоактивные вещества при сжигании ископаемых топлив в котлах электростанций, загрязнение территорий при авариях на атомных станциях и предприятиях. Более локальные, но не менее неприятные последствия - гибель озер, рек из-за неочищенных радиоактивных сбросов промышленных предприятий. Значительную опасность для живых существ, для популяций организмов в экосистемах представляют аварии на предприятиях химической, атомной промышленности, при транспортировании опасных и вредных веществ. Известные аварии на химическом заводе в Бхопале (Индия), на 4-ом блоке Чернобыльской АЭС, аварии с нефтеналивными судами, да и результаты скоротечной войны в Персидском заливе показывают масштабы экологических бедствий современного общества. Очевидно, что необходим радикальный пересмотр наших отношений с природой, нужны решительные шаги по защите окружающей среды, в частности многократное усиление мер воздействия нормативных рычагов на хозяйственную практику. Совершенно недопустимо, чтобы установленные нормативами предельные концентрации вредных веществ в воздухе, воде реально превышались в сотни раз. Нужно сделать невыгодным или даже разорительным пренебрежение к охране окружающей среды. Право людей на чистый воздух, чистые реки и озера должно не только декларироваться, но и реально обеспечиваться всеми доступными для государства средствами. Особо актуальными становится вопросы регулирования ответственности за ущерб, в том числе за экологический ущерб при создании в нашей стране основ правового государства, при переходе к рыночным отношениям в экономике. Здесь важно найти разумные экономические рычаги, правильно соотносить выгоды и потери, доходы и расходы на компенсацию ущерба. Важной задачей является разработка вопросов нормативного разграничения допустимых и недопустимых воздействий, оценивания стоимости экологического ущерба. Основными направлениями в ограничении вредных техногенных воздействий на биосферу являются ресурсосбережение и разработка экологически чистых или безотходных технологий. Чистоту вод можно улучшить методами биотехнологии. Радикальный путь оздоровления экологической обстановки - сокращение вредных выбросов и сбросов, увеличение безаварийности и безопасности опасных производств, переход на безотходные технологии, концентрация и надежное захоронение вредных отходов, разумное сотрудничество и международная взаимопомощь при экологических катастрофах. Большое значение для целенаправленных действий по радикальному изменению деградационных тенденций в биосфере может сыграть Программа биосферных и экологических исследований, Декларация Конференции по защите окружающей среды [3]. В работе по оздоровлению окружающей среды, ограничению воздействий вредных веществ на биоту важную роль играют службы контроля состояния природы, среды обитания людей, локального и регионального мониторинга окружающей среды. Эти службы, вооруженные современной измерительной техникой и приборами контроля должны оперативно оповещать население о всех случаях приближения параметров окружающей среды к опасному уровню. Важную роль в защите среды обитания человека от загрязнения должна сыграть глобальна система мониторинга состояния окружающей среды, охватывающая Мировой океан и все континенты, основанная на национальных системах, но находящаяся под эгидой ООН. В сокращении выбросов углекислого газа, разрешении многих экологических проблем все более существенную роль играет замещение традиционной энергетики на энергетику атомную. В настоящее время общепризнанно, что атомные электростанции могут быть созданы с высокими показателями надежности и безопасности, обеспечивающими выполнение самых строгих требований надзорных органов, в том числе по охране биосферы от загрязнения радиоактивными и другими вредными веществами. Однако следует предпринять дополнительные усилия для того, чтобы снизить риск аварий на АС. В частности решение этой задачи видится на пути разработки нового поколения реакторов с внутренне присущей безопасностью, т. е. реакторов с мощными внутренними обратными связями самозащиты и самокомпенсации. 2. О нормировании уровня загрязнения окружающей среды
В Российском законодательстве имеются документы, определяющие обязанности и ответственность организаций по сохранности, защите окружающей среды. Такие акты, как Закон об охране окружающей природной среде, Закон о защите атмосферного воздуха, Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами играют определенную роль в сбережении экологических ценностей. Однако в целом эффективность природоохранных мероприятий в стране, мер по предотвращению случаев высокого или даже экстремально- высокого загрязнения окружающей среды оказывается очень низкой. Все техногенные воздействия на окружающую среду можно разделить на незначимые, приемлемые и недопустимые. В области незначимых воздействий все виды деятельности дозволены без ограничений. Это, если угодно, зона невмешательства в процессы, протекающие в окружающей среде. По-видимому, границей этой области могут быть санитарно- гигиенические нормативы по содержанию вредных веществ в воде, воздухе, пищевых продуктах. Считается, что эти нормативы соответствуют порогам каких-либо неприятных воздействий веществ на здоровье людей. Однако при этом не учитывается возможность накопления, сорбирования этих веществ в других компонентах экосистем. Поэтому кроме санитарно-гигиенических норм, дающих границу несущественности концентраций веществ с точки зрения защиты здоровья человека, должны быть установлены и экологические нормативы концентраций, разграничивающих значимые и незначимые области воздействий на экосистемы. В области значимых концентраций, где ожидается, что интенсивность воздействий может превысить некоторый приемлемый уровень - должны приниматься меры защиты для ограничения последствий воздействий. В этой области Санитарная Инспекция и Контрольные органы Госкомприроды должна обладать властью для принуждения организаций-загрязнителей принимать необходимые меры к сокращению количества выбрасываемых загрязнителей. В области недопустимых воздействий, где вероятный вред, ущерб и другие последствия воздействий слишком велики, деятельность, гроз экологическими катастрофами, не должна допускаться или даже должна запрещаться. В случаях нарушения запрета виновников следует привлекать к строгой ответственности. Для установления границ этой важной области должны быть известны величины критических воздействий, которые приводили бы к деградации, угнетению биологических процессов в элементах экосистем, выводили бы экосистемы из динамического равновесия с переходом в менее благоприятные состояния. С другой стороны нужно знать и репарационные способности экосистем, возможности восстановления численности популяций, видового разнообразия за счет адаптивных и миграционных явлений. Природные экосистемы обладают широким спектром физических, химических и и биологических механизмов нейтрализации вредных и загрязняющих веществ. Однако при превышении значений критических поступлений таких веществ, возможно наступление деградационных явлений - ослабление выживаемости, снижение репродуктивных характеристик, уменьшение интенсивности роста, двигательной активности особей. В условиях живой природы, постоянной борьбы за ресурсы такая потеря жизнестойкости организмов грозит потерей ослабленной популяции, за которой может развиться цепь потерь других взаимодействующих популяций. Критические параметры поступления веществ в экосистемы принято определять с помощью понятия экологических емкостей. Экологическая или ассимиляционная емкость экосистемы [4] - максимальная вместимость количества загрязняющих веществ, поступающих в экосистему за единицу времени, которое может быть разрушено, трансформировано и выведено из пределов экосистемы или депонировано за счет различных процессов без существенных нарушений динамического равновесия в экосистеме. Типичными процессами, определяющими интенсивность "перемалывания" вредных веществ, являются процессы переноса, микробиологического окисления и биоседиментации загрязняющих веществ. При определении экологической емкости экосистем должны учитываться как отдельные канцерогенные и мутагенные эффекты воздействий отдельных загрязнителей, так и их синергетические, т. е. усилительные эффекты из-за совместного, сочетанного действия. Какой же диапазон концентраций вредных веществ надлежит контролировать? Приведем примеры предельно допустимых концентраций вредных веществ, которые будут служить ориентирами в анализе возможностей радиационального мониторинга окружающей среды. В основном нормативном документе по радиационной безопасности - Нормах радиационной безопасности (НРБ-76/87) даны значения предельно-допустимых концентраций радиоактивных веществ в воде и воздухе для профессиональных работников и ограниченной части населения. Данные по некоторым важным, биологически активным радионуклидам приведены в Таблице 1. Таблица 1 Значения допустимых концентраций для радионуклидов. Нуклид, N Период полураспада, Т1/2 лет Выход при делении урана, % Допустимая концентрация, Ku/л Допустимая концентрация в воздухе в воздухе в воздухе, Бк/м3 в воде, Бк/кг Тритий-3 (окись) 12, 35 3*10-10 4*10-6 7, 6*103 3*104 Углерод-14 5730 1, 2*10-10 8, 2*10-7 2, 4*102 2, 2*103 Железо-55 2, 7 2, 9*10-11 7, 9*10-7 1, 8*102 3, 8*103 Кобальт-60 5, 27 3*10-13 3, 5*10-8 1, 4*101 3, 7*102 Криптон-85 10, 3 0, 293 3, 5*102 2, 2*103 Стронций-90 29, 12 5, 77 4*10-14 4*10-10 5, 7 4, 5*101 Иод-129 1, 57*10+7 2, 7*10-14 1, 9*10-10 3, 7 1, 1*101 Иод-131 8, 04 сут 3, 1 1, 5*10-13 1*10-9 1, 8*101 5, 7*101 Цезий-135 2, 6*10+6 6, 4 1, 9*102 6, 3*102 Свинец-210 22, 3 2*10-15 7, 7*10-11 1, 5*10-1 1, 8 Радий-226 1600 8, 5*10-16 5, 4*10-11 8, 6*10-3 4, 5 Уран-238 4, 47*10+9 2, 2*10-15 5, 9*10-10 2, 8*101 7, 3*10-1 Плутоний-239 2, 4*10+4 3*10-17 2, 2*10-9 9, 1*10-3 5
Реальные выбросы и сбросы радиоактивных веществ при нормальной эксплуатации АЭС обычно много ниже допустимых, так что нормы по концентрация радионуклидов в окружающей среде вблизи АЭС безусловно выполняются. 3 Воздействие атомных станций на окружающую среду 3. 1 Источники радиации
Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды. Отметим наиболее существенные факторы
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)
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)
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: Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.
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: Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.
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 Т хВ(кбеъ=У(кбе) Обратное преобразование дает В(кбе)=Т У(кбе)=Т хД+Ь ъ хЙ(кбе)ъ
Оно позволяет определить полное количество вредных веществ в организмах биоценозов и их дозовые нагрузки, как функцию времени, и сопоставить с предельными, т. е. такими, которые могут вызвать необратимые биологические изменения. При расчетах радиационной нагрузки элементов экосистем должны учитываться, разумеется облучение при прохождении радиоактивного облака;
внутреннее облучение из-за поглощения радиоактивных веществ при дыхании, глотании воды, пищи; облучения от загрязненной радиоактивностью поверхности земли, от придонного слоя, воды водоемов. Отметим, что полезным источником данных о коэффициентах переходов радионуклидов по разным камерам пищевых цепей, дозовых коэффициентах загрязненных поверхностей является НТД МХО "Интератомэнерго" [8]. 5 Управление экологическим ущербом от загрязнения экосистем 5. 1 Ограничение опасных воздействий АС на окружающую среду
Атомные станции и другие промышленные предприятия региона оказывают разнообразные воздействия на совокупность природных экосистем, составляющих экосферный регион АС. Под влиянием этих постоянно действующих или аварийных воздействий АС, других техногенных нагрузок происходит эволюция экосистем во времени, накапливаются и закрепляются изменения состояний динамического равновесия. Людям совершенно небезразлично в какую сторону направлены эти изменения в экосистемах, насколько они обратимы, каковы запасы устойчивости до значимых возмущений. Нормирование антропогенных нагрузок на экосистемы и предназначено для того, чтобы предотвращать все неблагоприятные изменения в них, а в лучшем варианте направлять эти изменения в благоприятную сторону. Чтобы разумно регулировать отношения АС с окружающей средой нужно конечно знать реакции биоценозов на возмущающие воздействия АС. Выше весьма схематично были обрисованы задачи моделирования таких воздействий. Ясно, что критические значения экологических факторов должны быть предметом специальных исследований биологов. Подход к нормированию антропогенных воздействий может быть основан на эколого-токсикогенной концепции, т. е. необходимости предотвратить "отравление" экосистем вредными веществами и деградацию из-за чрезмерных нагрузок. Другими словами нельзя не только травить экосистемы, но и лишать их возможности свободно развиваться, нагружая шумом, пылью, отбросами, ограничивая их ареалы и пищевые ресурсы. Чтобы избежать травмирования экосистем должны быть определены и нормативно зафиксированы некоторые предельные поступления вредных веществ в организмы особей, другие пределы воздействий, которые могли бы вызвать неприемлемые последствия на уровне популяций. Другими словами должны быть известны экологические емкости экосистем, величины которых не должны превышаться при техногенных воздействиях. Экологические емкости экосистем для различных вредных веществ следует определять по интенсивности поступления этих веществ, при которых хотя бы в одном из компонентов биоценоза возникнет критическая ситуация, т. е. когда накопление этих веществ приблизится к опасному пределу, будет достигаться критическая концентрация. В значениях предельных концентраций токсикогенов, в том числе радионуклидов, конечно, должны учитывать и синергетические, т. е. перекрестные эффекты. Однако этого, по-видимому, недостаточно. Для эффективной защиты окружающей среды необходимо законодательно ввести принцип ограничения вредных техногенных воздействий, в частности выбросов и сбросов опасных веществ. По аналогии с принципами радиационной защиты человека, упомянутыми выше, можно сказать, что принципы защиты окружающей среды состоят в том, что должны быть исключены необоснованные техногенные воздействия, накопление вредных веществ в биоценозах, техногенные нагрузки на элементы экосистем не должны превышать опасные пределы, поступление вредных веществ в элементы экосистем, техногенные нагрузки должны быть настолько низкими, насколько это возможно с учетом экономических и социальных факторов. 5. 2 Оптимизация экологического риска экосистем
Ущерб от эксплуатации АС есть количественна характеристика вредных последствий эксплуатации АС, в том числе в результате аварийных воздействий. Обычно различают материальные, радиационные, социальные и экологические компоненты ущерба. Наиболее сложной является задача определения экологического ущерба, под которым следует понимать неблагоприятные изменения в экосистемах - потери их продуктивности, свойств саморегулирования, существенные изменения их видового разнообразия. Можно говорить о радиоэкологическом ущербе как результате облучения элементов экосистем, приводящего к потерям популяций, сдвигам в экологическом равновесии или жизненных циклах компонентов. Наиболее зримый ущерб - это физические потери, гибель компонентов популяций. К таким последствиям можно относить и болезни, приводящие к потерям функции воспроизводства. В живой природе связи между воздействиями и последствиями формируются под влиянием многочисленных факторов, которые с трудом поддаются детерминированному выявлению. Поэтому исходы следует считать величинами случайными и использовать для их описания методы теории вероятностей. В этой связи часто используют такую вероятностную категорию, как экологический риск, определяемый как вероятность гибели элементов популяций в результате некого воздействия. На этом пути немедленно встает вопрос о зависимости между величиной воздействия и вероятности гибели особей. Известно, что среди биологов есть много сторонников пороговой концепции воздействий, когда допускается отсутствие последствий при воздействиях, интенсивность которых меньше определенных пороговых значений. Именно так, например, принято описывать токсическое действие вредных веществ. Много споров вызывает проблема радиационных последствий, которая применительно к человеку, как известно, разрешена в виде принятия безпороговой линейной концепции зависимости доза-эффект. Применительно к экосистемам более правдоподобными выглядят концепции сигмообразных зависимостей эффектов от воздействий. Будем считать, что такие зависимости, как к(е)=кхВ(е)ъ,
где В - дозовая или иная нагрузка, к - индивидуальный риск, нам известны. Тогда средний риск от воздействия к=Ы к (В )т /Т,
где т /Т - относительное число особей, воспринявших нагрузку В. Стоимостью экологического риска будем называть суммарные потери в пораженных экосистемах, выраженные в некоторой ценностной форме. Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.
где S i - стоимость единичной потери. Но как оценить эту стоимость? Ясно, что в стоимость ущерба должны входить не только оценки количества пораженных особей, потери потребительской массы загубленной живой природы (количество древесины, килограммов рыбы, зерна, плодов), но и стоимости их нематериальной сути - потери чистоты рек, озер, воздуха, как необходимых компонентов радостей жизни, ее красоты. В этом смысле каждую погибшую единицу природы следует оценивать не только с точки зрения материала, товара, продукта, но и с точки зрения элемента здания природы. Можно, как это предложено в работе [9], называть эти две части материальной и субъективной составляющими стоимости ущерба. Тогда зная реальные расходы на безопасность и оценивая вероятные последствия аварий при эксплуатации АС можно провести оптимизацию безопасности экосферы. Строго говоря оптимизация безопасности АС - это комплексная задача, цель которой найти оптимальные условия функционирования АС по всем значимым ее компонентам - техническим схемам и параметрам оборудования, защитным системам, правилам эксплуатации и обслуживания, с учетом характеристик площадки и внешнего окружения. При такой оптимизации нужно учитывать все компоненты расходов и возможные потери по всем вариантам развития аварийных процессов. Поскольку задача в такой постановке слишком громоздка, часто расчленяют ее на более элементарные. Так в соответствии с рекомендации МКРЗ говорят об оптимизации радиационной безопасности. Можно подобным образом ставить вопрос об оптимизации безопасности экосистем. Пусть мы знаем проектные расходы на природоохранные мероприятия. Ясно, что чем меньше выделено средств на защиту природы, тем ожидаемый ущерб экосистемам от разнообразных опасных воздействий будет больше. На компенсацию этого экологического ущерба необходимо истратить некоторые денежные ресурсы, которые должны быть добавлены к проектным расходам. Сумма расходов имеет минимум. На рис. 4 показаны кривые ущерба при проектных мерах защиты экосистем, стоимость компенсации экологического ущерба и суммарные расходы, имеющие минимум, который и соответствует оптимальному варианту защиты окружающей среды. Разумеется все расходы должны быть исчислены в одной системе цен, должны быть приведены к одному моменту времени, т. е. дисконтированы. Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.
Тогда условием минимума расходов будет равенство производной от суммарной стоимости нулю: Ошибка! Неизвестный аргумент ключа. или Ошибка! Неизвестный аргумент ключа. Следовательно, минимум затрат реализуется при Ошибка! Неизвестный аргумент ключа.
Итак, для оценок экологического ущерба экосистем необходимы расчеты переходных процессов в экосистемах при возмущении равновесия, определение пределов устойчивости экосистем. Следует сказать, что допустимые и критические параметры сред должны быть дифференцированы, для того чтобы регулировать безопасность в локальном, региональном и глобальном масштабе. Нормы защиты окружающей среды должны предусматривать обязательное восстановление качества среды, т. е. необходимую дезактивацию территорий, рекультивацию пахотных земель, oчистку воды водоемов. Желательно, чтобы в проектах АС были предусмотрены средства борьбы с чрезмерным загрязнением окружающей среды и для эффективного восстановления качества окружающей среды. Такие меры как фильтрационная очистка водоемов, промывка загрязненных участков с последующим сбором и очисткой всех сливов с загрязненных участков, временные укрытия особо ценных участков могут быть вполне экономически целесообразны и эффективны. Цель этих мероприятий - недопущение поступлений в элементы экосистем вредных веществ в количествах, превышающих возможности их экологических емкостей. Эти мероприятия составляют тот комплекс, который называют управлением состояния системы Атомная станция + Окружающая среда [10]. 5. 3 Вредные факторы и мониторинг окружающей среды
Важным элементов охраны окружающей среды является мониторинг экосистем, контроль состояния "здоровья" биоценозов. Задачи мониторинга состоят в том [4], чтобы получить комплексную информацию о концентрациях вредных веществ в различных компонентах экосистем, сопоставить результаты измерений с нормативными показателями содержания веществ в компонентах экосистем, оценить состояние экосистем и возможные последствия техногенных воздействий, использовать результаты измерений для совершенствования расчетного моделирования процессов в экосистемах и оценок последствий техногенных воздействий, использовать результаты анализа для разработки "обратных связей" и управления состоянием системы" АЭС + окружающая среда". 6. Литература М. Попов, Т. Ерохина
"Состояние загрязнения атмосферы на территории СССР в 1990 г. и тенденция его изменения за последнее пятилетие", "Метеорологи и гидрологи", N 4, 1991 г. Ю. А. Израэль
"Проблемы всестороннего анализа окружающей среды и принципы комплексного мониторинга" в сб. "Всесторонний анализ окружающей природной среды", Ленинград, Гидрометеоиздат, стр. 16, 1988 г. Д. Никитин, Ю. Новиков "Окружающая среда и человек", Изд. 2-ое, М. , Изд. Высш. школа, 1986 г. А. М. Букринский, В. А. Сидоренко, Н. А. Штейнберг
"Безопасность атомных станций и ее государственное регулирование", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г. Публикация МКРЗ N 26, "Радиационная защита", Москва, Атомиздат, 1978 г.
Р. М. Алексахин, И. И. Крышев, С. В. Фесенко, Н. И. Санжарова "Радиоэкологические проблемы ядерной энергетики", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г. Г. Козубова, А. Таскаева (ред. )
"Радиационное воздействие на хвойные леса в районе аварии на Чернобыльской АЭС", Ур. О АН СССР, Сыктывкар 1990 г. НТД МХО Интератомэнерго 38. 220. 56-84
"Методы расчета распространения радиоактивных веществ с АЭС и облучения окружающего населения", Москва, Энергоатомиздат, 1984 г. И. И. Крышев, Т. Г. Сазыкина
"Имитационные модели динамики экосистем в условиях антропогенного воздействия ТЭС и АЭС", Москва, Энергоатомиздат 1990 г. В. В. Бадев, Ю. А. Егоров, С. В. Казаков "Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС", Москва, Энергоатомиздат, 1990 г.