Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (г. Балашов, 13-14 октября 2010 г.) Под редакцией А. И. Золотухина Балашов 2010

И. А. Ильченко

Критерий пригодности системы и оценка
экологической безопасности воздуха урбоэкосистемы

В настоящее время для оценки качества воздуха используется ИЗА₅ — комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий пять наиболее важных примесей и представляющий собой сумму концентраций выбранных загрязняющих веществ в долях ПДК [4]. Однако данный показатель не дает представления о наличии и концентрации других химических загрязнителей и о степени превышения установленных гигиенических нормативов загрязнения воздушной среды. Поэтому для выработки более информативных критериев оценки уровня качества и экологической безопасности воздушной подсистемы городской экосистемы был использован системный подход, в соответствии с которым каждое свойство системы принято описывать с помощью некоторой выходной переменной y_i. Ее значение характеризует интенсивность этого качества и называют частным показателем качества системы [1]. Так, частными показателями качества воздуха городской экосистемы являются концентрации таких типичных химических загрязнителей, как оксид углерода (II), оксид серы (IV), оксид азота (II), оксид азота (IV) и т. д. Чтобы оценить качество системы в целом используют обобщенный показатель качества системы Y, который представляют в виде вектора , компонентами которого выступают показатели его отдельных существенных свойств, т. е. частные показатели качества [1]. Совокупность значений показателей существенных свойств системы образует область адекватности δ, радиус которой определяется в результате проведения фундаментальных научных исследований или экспертной оценки. Качество систем оценивают

Используемая при нормировании качества среды концепция ПДК предполагает [3], что концентрации отдельных загрязнителей не должны превышать предельно допустимые: . В случае наличия у загрязнителей однонаправленного действия безопасные условия подчиняются критерию: .

В условиях загрязнения среды, например, n-загрязнителями разнонаправленного действия, состояние системы можно условно изобразить
в виде n-лепестковой диаграммы, где концентрация каждого загрязнителя, выраженная в единицах ПДК, отложена по соответствующей ему координатной оси. Площадь полученного многоугольника складывается из площадей n треугольников, катеты которых представляют собой условные концентрации загрязнителей:

, (1)

где при концентрация и ПДК (i + 1)-го загрязнителя равны: , а .

О степени экологической безопасности среды можно судить по величине отношения , а можно рассматривать как площадь аналогичного многоугольника, состоящего из n треугольников с катетами, равными 1, и углом между ними величиной . Площадь будет равна:

. (2)

При наличии в среде загрязнителей однонаправленного действия формула 1 принимает вид:

В этом случае следует рассчитывать как площадь аналогичного многоугольника, состоящего из n треугольников с катетами, равными 1,

Тогда условия экологической безопасности среды обитания можно определять, исходя из величины отношения . Если , то среда пригодна для жизнедеятельности. В противном случае среда является неблагоприятной. Следовательно, это неравенство можно использовать как критерий качества среды обитания.

Данный критерий можно применять и для оценки степени безопасности отдельных подсистем урбоэкосистемы, например, воздушной подсистемы, почвенной, водоема рекреационного назначения и т. п. В 2008 г.
в г. Таганроге Ростовской области уровень загрязнения атмосферного воздуха был повышенным, т. к. ИЗА₅ = 6,9 [5]. Стандартный индекс СИ был определен для бенз(а)пирена как максимальная концентрация, выраженная в единицах ПДК, и составил 3,5 ПДК. Наибольшая повторяемость превышения ПДК (%), НП, была зарегистрирована для оксида углерода (II) и оказалась равной 13,0 ПДК. Анализ показателей выбросов загрязняющих веществ в атмосферу за период с 2003 по 2008 гг. [5], в том числе и влияющих на формирование высокого уровня загрязнения атмосферы, показал отсутствие зависимости ИЗА от количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух. Химический состав воздушной подсистемы г. Таганрога в 2008 г. характеризовался наличием следующих загрязнителей: взвешенные вещества — 1,3 ПДК, оксид серы (IV) — 0,04 ПДК, оксид углерода (II) — 1,3, оксид азота (IV) — 1,3, оксид азота (II) — 1 ПДК, хлороводород — 0,2 ПДК, формальдегид — 3,3 ПДК, бенз(а)пирен — 1,7 ПДК. Поскольку концентрации взвешенных веществ, оксида углерода (II), оксида азота (IV), формальдегида и бенз(а)пирена превышают величины их ПДК, то воздушная подсистема экосистемы города не удовлетворяет критерию пригодности. Без учета однонаправленного действия загрязнителей получаем: , ,
а . Значит, общее содержание химических загрязнителей
в городском воздухе в 2,72 раза превышает условия, регламентированные действующими нормативами. С учетом однонаправленного действия двух групп загрязнителей (Гигиенические нормативы, 2003): а) оксида серы (IV) и оксида азота (IV); б) оксида углерода (II) и формальдегида, — диаграммы превращаются в пятилепестковые, их площади, вычисленные по формулам 3 и 4, равны: , , а . Следовательно, использование данного подхода к определению критериев безопасности среды показывает превышение допустимых условий более чем
в 5 раз. Анализ полученных результатов позволяет сделать заключение
о том, что учет однонаправленного действия загрязнителей ужесточает критерии экологической безопасности среды обитания (в данном случае химического состава воздуха) и в большей степени удовлетворяет положениям теории потенциальной опасности любого загрязнения окружающей среды.

Предложенная методика была использована для изучения экологической безопасности атмосферного воздуха в других городах Ростовской области. Так, в 2008 г. в г. Азове уровень загрязнения воздуха характеризовался значением и оценивался как «высокий» [5]. Состав поллютантов близок к их составу в г. Таганроге, т. к. отсутствует только хлороводород. Согласно действующим гигиеническим нормативам, среди перечисленных загрязнителей эффектом однонаправленного действия обладают оксид серы (IV), оксид азота (IV) и оксид азота (II), а также оксид углерода (II) и формальдегид. Вклад загрязнителей первой группы составляет 2,44, а второй — 4,4, т. е. обе величины больше 1. Концентрация бенз(а)пирена также превышает ПДК. Значит, воздушная подсистема города не является пригодной для жизнедеятельности людей и других организмов. Экологически безопасным условиям соответствует правильный четырехугольник с площадью , тогда как площадь четырехугольника, отвечающего реальным условиям, равна: . Тогда . Следовательно, допустимые условия превышены в 5,01 раза.

В 2008 г. индекс загрязнения атмосферы г. Новочеркасска Ростовской области составлял и оценивался как «высокий». Среди обнаруженных в нем загрязнителей эффектом однонаправленного действия обладают: а) оксид серы (IV), оксид азота (IV), оксид азота (II); б) фенол, оксид углерода (II) и формальдегид. Вклад первой группы поллютантов равен 2,34, второй группы — 4,9, и по этим группам загрязнителей воздух экологически опасен. Концентрация взвешенных веществ превышает ПДК в 1,3 раза. Значит, воздушная подсистема города не является пригодной ни по одному показателю. Экологически безопасным условиям соответствует правильный треугольник с площадью , а площадь треугольника, характеризующего реальные условия, составляет: . Тогда , т. е. критерии экологической безопасности воздуха превышены в 6,95 раз. В то же время в изучаемый период времени г. Новочеркасск и г. Азов имели почти одинаковые значения , следовательно, применение предложенной методики позволяет выделить отличия в характере и уровне загрязнения воздуха этих городов.

По результатам экологического мониторинга 2008 г., среди всех городов Ростовской области воздух г.Цимлянска являлся наиболее безопасным: , — поэтому уровень загрязнения воздуха оценивался как «низкий». Действительно, концентрации 5 загрязнителей из 6 не превышали фонового значения, только концентрация взвешенных веществ была в 2 раза выше фоновой. Эффектом однонаправленного действия обладают оксид серы (IV), оксид азота (IV), оксид углерода (II) и сероводород, а их общий вклад составлял 0,32, т. е. меньше 1. Концентрация взвешенных веществ и оксида азота (II) также не превышали ПДК, поэтому аэроподсистему данного города можно считать пригодной для живых организмов по всем содержащимся в ней загрязнителям. Экологически безопасным условиям соответствует правильный треугольник с площадью , а площадь треугольника, соответствующего реальным условиям, равна: . Тогда , критерии экологической безопасности воздуха выполняются, а «резерв» воздушной подсистемы по отношению к возможным загрязнителям можно оценить примерно в 94 %.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Во-первых, в условиях антропогенного загрязнения и существующих нормативов безопасности городской окружающей среды более целесообразно использовать предложенный критерий безопасности, учитывающий влияние всех присутствующих загрязнителей и соотносящий реальное состояние городской экосистемы с состоянием, допускаемым действующими санитарными правилами и нормами.

Во-вторых, при оценке качества городской среды обитания учет однонаправленного действия загрязнителей ужесточает критерии качества

1. Анфилатов В. С., Емельянов А. А., Кукушкин А. А. Системный анализ

2. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест: М.: Мин-во здравоохранения РФ, 2003.

3. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. Ростов н/Д: Феникс, 2000.

4. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. М.: Госкомгидромет, 1989.

5. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2008 году // Экологический вестник Дона / под общ. ред. С. Г. Курдюмова,