Содержание

6 Антропогенные факторы в условиях научно-технического прогресса

6.1 Экологическая ситуация и проблема [5, 6]

Под экологической ситуацией понимают состояние окружающей среды (ОС) или отдельных ее компонент, имеющих эмоциональную, количественную или качественную оценку. Современная экологическая ситуация в мире сложилась в условиях научно-технической революции (середина ХХ века), в результате которой усложнились взаимоотношения человеческого общества и природы. Человек начал влиять на ход естественных процессов. Влияние человека выражается в том, что человек:

• 
  добывает полезные ископаемые – изымает вещества из почвы;
  
• 
  выбрасывает в атмосферу, в воду и в почву отходы – внедряет новые компоненты в ОС;
  
• 
  осушает болота, орошает поля – нарушает водный баланс Планеты;
  
• 
  сжигает топливо – влияет на энергетический баланс.
  

Научно-техническая революция создала огромные силы как для покорения природы, так и для ее разрушения и загрязнения. Еще в 40-х годах акад. В.И. Вернадский сказал, что производственная деятельность человека приобрела масштабы, сравнимые с геологическими преобразованиями на Земле. Человечество в настоящее время осваивает практически все доступные природные ресурсы. За последние годы сырья добыто больше, чем за всю историю человечества. В некоторых странах возобновимые ресурсы (пресная вода, гидроэнергия) используются полностью на 100%.

В настоящее [5] время человек уже эксплуатирует 55% суши (под города, сады, поля и др.); 13% речных вод; скорость сведения лесов составляет 18 млн. га в год; теряется (опустынивание, засоление) от 50 до 70 тыс. км² земель в год; ежегодно из недр извлекается 100 млрд. т руды; сжигается до 7 млрд. т топлива; рассеивается на полях свыше 800 млн. тонн минеральных удобрений и более 4 млн. тонн ядохимикатов. По данным Всемирной организации здравоохранения, сейчас используется более 500 тысяч видов химических соединений, из них 40 тысяч соединений обладают вредными свойствами для человека, а 12 тысяч – токсичны.

Современные технологии не позволяют полностью переработать добытое сырье, и часть его возвращается в природу в виде отходов. Есть данные, что годовая продукция составляет всего 1–2% от добытого сырья, все остальное идет в отходы. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд. тонн бытовых и промышленных газообразных (в атмосферу), жидких (в гидросферу) и твердых (в литосферу) отходов (рис. 6.1).

Ожидается рост числа крупных городов на планете. В 1950 году в мире было только 5 городов с населением свыше 5 млн. человек, то к 2010 году планируется возникновение не менее 60 таких городов; предполагается возникновение гигантских городов, например, Мехико может вырасти до 31 млн. человек.

6.2 Загрязнение атмосферы

6.2.1 Классификация источников загрязнения атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка Земли. Ее масса состав-ляет 5,910¹⁵ т. Атмосфера имеет слоистую структуру. До высоты 100 км состав воздуха практически не меняется. Выше 100 км атмосфера состоит, в основном, из кислорода и азота. Выше 150 км весь кислород находится в атомарном состоянии. Выше 400 км все газы находятся в атомарном состоянии. Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Выше 2000 км в атмосфере преобладает водород.

Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Значение его для всего живого на Земле невозможно переоценить. Человек может находиться без пищи пять недель, без воды – пять дней, а без воздуха всего лишь пять минут. При этом воздух должен иметь определенную чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья.

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию: предохраняет Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, при отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.

Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественные источники загрязнения бывают земного и космического происхождения.

К космическим источникам относится, например, космичес-кая пыль, которая образуется из остатков сгоревщих метеоритов при их прохождении атмосферы. Ежегодно на Землю выпадает от 2 до 5 млн. т. космической пыли.

Источниками загрязнения атмосферного воздуха земного происхождения является природная пыль: неорганическая (на-пример, выветривание пород), органическая (пыльца растений) и дым. Природная пыль является постоянной составной частью атмосферы. К естественным загрязнителям воздуха относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных, степных и торфяных пожаров, испарения с поверхности морей, споры растений, продукты разложения растений и животных и др.

Естественное загрязнение атмосферы не угрожает биогео-ценозу и безвредно для живых организмов.

Искусственные загрязняющие вещества (антропогенное загрязнение) – это радиоактивные (эксплуатация реакторов, атомные взрывы), химические (выбросы предприятий) и прочие.

По своим масштабам антропогенное загрязнение значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов распространения выделяют следующие типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное:

• 
  местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.);
  
• 
  при региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета;
  
• 
  глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом.
  

Выброс в атмосферу главных загрязнителей в мире и в России приведен в таблице 6.1.
Таблица 6.1. – Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в 1998 г. (По данным Министерства здравоохранения)

Вещества	Диоксид серы	Оксиды азота	Оксид углерода	Твердые частицы	Всего
Суммарный мировой выброс, млн. т	99	68	177	57	401
Россия (с учетом всех источников), %	12	5,8	5,6	12,2	13,2

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха
Тепловые и атомные электростанции. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т SO₂ и SO₃, 120– 140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота.

Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на атомных электростанциях (АЭС): радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли.

Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы – отопительная система жилищ (котельные установки)  дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок.

Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др.

Химическое производство. Выбросы этой отрасли, хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биосистемы в целом.

Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат следующие токсичные соединения: бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и углерода и особо опасные соединения свинца (в случае применения этилированного бензина). Наибольшее количество вредных веществ в составе отработавших газов образуется при неотрегулированной топливной системы автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в шесть и более раз.

6.2.2 Перенос загрязнений в атмосфере [5, 7]

Количество солнечной энергии, поступающей на поверх-ность Земли, в разных местах неодинаково. В результате атмосфера нагревается неравномерно, что является причиной крупномасштабных воздушных течений – циркуляции атмос-феры.

Благодаря циркуляции происходит усреднение основного компонентного состава атмосферы и перенос водяного пара от океанов к континентам.

Кроме крупномасштабных воздушных течений в нижних слоях атмосферы возникают местные циркуляции – ветер.

Наряду с горизонтальным перемещением воздушных масс, возникают пульсации в вертикальной и продольной ветру направлениях, которые нужно учитывать, создавая математи-ческие модели процессов переноса загрязняющих примесей в атмосфере.

При математическом моделировании процессов переноса веществ в атмосфере принимают следующие обозначения. Направления осей (рис. 6.2): ОX – соответствует направлению ветра и параллельно поверхности земли, ОY – перпендикулярно направлению ветра и параллельно поверхности земли, ОZ – перпендикулярно поверхности земли; турбулентные пульсации вдоль осей обозначают соответственно U, V, W. Изменение концентрации некоторого вещества в атмосферном воздухе описывается уравнением турбулентной диффузии:

,

где С – концентрация вещества;  – время; – коэффициент изменения концентрации за счет превращений; – коэффициенты турбулентной диффузии по осям.

Коэффициент турбулентной диффузии – это коэффициент пропорциональности между средним потоком примеси в атмосфере и градиентом ее осредненной концентрации.

При равенстве коэффициентов наблюдается изотропная турбулентная диффузия.

Решение уравнения дает возможность рассчитать концентрацию загрязняющего вещества на различных расстояниях от места выпуска. Для упрощения решения вводят различные ограничения:

• 
  считают процесс выпуска квазистационарным, т.е. ;
  
• 
  пренебрегают процессом превращения веществ, т.е. ;
  
• 
  считают, что распространение вещества в направлении, перпендикулярном направлению, ветра незначительно, т.е. .
  

Но даже такие упрощения не делают решение уравнения турбулентной диффузии достаточно простым. Поэтому на практике прибегают к различным способам упрощения процедуры моделирования распространения загрязняющего вещества в атмосферном воздухе при различных метеорологических условиях. Основной прием, который используется в России в настоящее время, это моделирование согласно методике, разработанной в Государственной геофизической обсерватории им. Воейкова в 1986 году, получившей название ОНД-86 (Общесоюзный нормативный документ [4, 6]). По этой методике математическая модель распространения вещества в турбулентной атмосфере представляется состоящей из трех подмоделей:

• 
  первая – модель, описывающая распространение вещества от источника выбросов до расстояния, на котором достигается максимально возможная концентрация вещества (Х_мах);
  
• 
  вторая – в диапазоне расстояний от Х_мах до 8Х_мах;
  
• 
  третья – на расстоянии свыше 8Х_мах.
  

6.2.3 Методика моделирования распространения вещества в атмосферном воздухе (ОНД-86)

По методике ОНД-86 рассчитывается концентрация загрязняющего вещества в воздухе на различных расстояниях от промышленных труб и делается вывод о влиянии  данного предприятия на окружающую среду в заданном районе путем сравнения расчетной концентрации загрязняющего вещества с уровнем предельно допустимой концентрации (ПДК) данного вещества.

В  ходе расчетов определяются следующие величины:

1. 
   уровень максимальной концентрации загрязняющего вещества (С_м), который может быть достигнут при наиболее неблагоприятных метеорологических условиях;
   
2. 
   опасная скорость ветра (U_м);
   
3. 
   расстояние от источника выбросов (Х_м), на котором максимальная концентрация при неблагоприятных метеорологических условиях может быть достигнута.
   

Расчет уровня максимальной концентрации вещества в воздухе  выполняется по формуле: 

,

где А – коэффициент (безразмерный), зависящий от температурной стратификации атмосферы;

М (г/с)  масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени;

F  коэффициент (безразмерный),  учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m и n  коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси (ГВС) из источника;

Н (м)  высота источника над уровнем земли;

Г  безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности;

dТ (град)  разность между температурой выбрасываемой смеси  ГВС (Т_г) и температурой окружающего воздуха (Т₀);

V₁ (м³/с)  расход ГВС.

,

где D (м)  диаметр источника;

Omo (м/с)  средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника.  

Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:

а) 250  для районов Средней Азии южнее 40^о с.ш.;

б) 200  для Сибири и районов южнее 50^о с.ш.;

в) 180  для Урала и районов от 50^о до 52^о с.ш.;

г) 160  для районов севернее 52^о с.ш.;

д) 140  для Москвы и Московской области

Значение коэффициента F принимается равным 1 для всех газообразных вредных веществ, а также для мелкодисперсных веществ (зола, пыль и др.). F = 2 для мелкодисперсных аэрозолей при наличии на предприятии очистных и газоулавливающих сооружений и F = 3 для аэрозолей, если очистных и газоулавливающих сооружений нет. Коэффициенты m и n определяются в зависимости от параметров f и V_m, которые рассчитываются по формулам:  

.

.

Если f  100 и V_m,  0.5, то С_m, считается по формуле:

,

где .

Если f < 100 и V_m, < 0.5, то С_m, считается по формуле:
,

где .

Определение расстояния Х_m, (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация С (мг/м) достигает максимального значения С_m, (мг/с) выполняется по формуле:

,

где безразмерный коэффициент d при f < 100 определяется по формуле:  

При f>100 значения d находят по формуле:

Основными метеорологическими факторами, влияющими на концентрацию вредных веществ в атмосферном воздухе, являются скорость и направление ветра. Определение опасной скорости ветра U_max,, (м/с), при которой достигается на расстоянии X_m, (м) от источника выбросов максимально возможное значение концентрации вредного вещества (C_m.) определяется по формулам:

если f < 100, то

если f  100 , то 

При опасной скорости ветра U_m, приземная концентрация вредных веществ С(мг/м³) в атмосферном воздухе на различных расстояниях Х(м) от источника выбросов определяется по формуле:  

где S₁,  безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения :  

Для низких и приземных источников загрязнения, для которых  , S₁ переопределяется по формуле: 

.

   Концентрация загрязняющего вещества в воздухе на расстоянии Х от источника при реальных метеорологических условиях (при скорости ветра ) определяется по формуле:

где ;

Н
а рисунке 6.3 представлен типовой график зависимости концентрации вещества в атмосферном воздухе от расстояния от источника выбросов.

6.2.4 Контроль и управление качеством атмосферного воздуха

Полностью отказаться от выбросов вредных веществ в атмосферу практически невозможно. Но так как многие вещества вредны или опасны для человека, животных и растений, то необходимо вводить обоснованное ограничение введения веществ в атмосферу. Комитет экспертов Всемирной организации здравоохранения опубликовал для наиболее распространенных в атмосферном воздухе веществ перечень допустимых уровней загрязнения, осредненных за различные периоды: среднегодовые, среднесуточные, среднепериодические. Например, среднегодовой уровень загрязнения оксидом серы допустим до 60 мкг/м³. Промышленные выбросы нередко содержат специфические вещества. Для учета и контроля их в каждом государстве разработаны критерии (нормативы) качества воздуха. Основным показателем в России является критерий «предельно допустимая концентрация» (ПДК). Впервые он был учрежден в 1971 году для 120 веществ. Практически каждый год он пополняется и сейчас определены уже ПДК для более 3000 химических веществ.

ПДК – максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного воздействия, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом (ГОСТ 17.2.1.04-77).

Для веществ, которые предприятия вынуждены выбрасы-вать в атмосферу, но на данный момент не имеющих ПДК, используют критерии ОБУВ (ориентировочные безопасные уровни воздействия).

ОБУВ – временный гигиенический норматив для загряз-няющего атмосферу вещества, установленный рассчетным методом для целей проектирования промышленных пред-приятий (ГОСТ 17.2.01-76).

Существуют два типа ПДК для веществ в атмосферном воздухе: ПДК для рабочей зоны (ПДК_р.з.) и ПДК для населенных пунктов (ПДК_а.в.).

ПДК_а.в. – это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая на протяжении всей жизни не оказывает на человека вредного влияния.

ПДК_р.з. – это концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных) работе при 8-часовом рабочем дне в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современ-ными методами исследования. Под рабочей зоной понимается пространство высотой 2 метра над уровнем пола или земли, на которых находятся места постоянного или временного пребы-вания рабочих.

Почему введено такое разделение? На предприятии воздухом дышат практически здоровые, прошедшие медицин-ский контроль рабочие. В населенных пунктах дышат дети, пожилые, больные люди. Поэтому ПДК_р.зПДК_а.в. Например, для диоксида серы ПДК_р.з= 10мг/м³, а ПДК_а.в= 0,5 мг/м³.