Екологічна безпека техногенно навантажених урбанізованих екосистем

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

імені адмірала Макарова

УДК 614.8:351

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА ТЕХНОГЕННО НАВАНТАЖЕНИХ УРБАНІЗОВАНИХ ЕКОСИСТЕМ

Спеціальність 21.06.01 -- Екологічна безпека

Руденко Сергій Васильович

Миколаїв -- 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному морському університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Гогунський Віктор Дмитрович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри управління системами безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шмандій Володимир Михайлович,

Кременчуцький державний політехнічний університет, декан факультету природничих наук, завідувач кафедри екології;

доктор технічних наук, професор Шапорев Валерій Павлович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри хімічної техніки та промислової екології;

доктор технічних наук, професор Дмитриков Валерій Павлович, Дніпродзержинський державний технічний університет, кафедра біотехнології та екології.

Захист відбудеться 18 вересня 2007 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий “____” ___________ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор ___________ М.І. Радченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Функціонування промислових підприємств, об'єктів енергетики і транспорту призводить до формування суперечностей між потребами суспільства у техногенному розвитку і завданнями стійкого соціально-економічного розвитку країни, збереження й відновлення навколишнього середовища. Їх розв'язання можливе лише за умов ефективного науково обґрунтованого управління рівнем екологічної безпеки в країні та окремих техногенно навантажених урбанізованих екосистемах.

Існуючі методи оцінки екологічної безпеки базуються на нормативному підході, що встановлює лише гранично допустимі рівні впливу на оточуюче навколишнє середовище та населення. Такий підхід не дозволяє оцінити стан безпеки в урбанізованій екосистемі та вплив негативних техногенних факторів на здоров'я населення у разі перевищення гранично допустимих рівнів забруднення. Замість цього використовуються судження типу: нижче за припустимий рівень - добре; вище за припустимий рівень - погано.

Через відсутність наукових методів оцінки рівня екологічного ризику і прогнозування впливу техногенних об'єктів на здоров'я населення, а також науково обґрунтованої методології управління складними екологічними проектами тривалий час у стадії ініціації перебував проект ліквідації промивно-пропарювальної станції (ППС), багаторічна діяльність якої призвела до катастрофічного забруднення навколишнього середовища у територіальній екосистемі мікрорайону Лузанівський м.Одеси.

Особливу небезпеку для навколишнього середовища створювали технологічні ставки, в яких упродовж тривалого часу була накопичена значна кількість нафтовмісних відходів. Світова практика ліквідації подібних об'єктів техногенної небезпеки, що створюють великомасштабні забруднення, базується на технології збирання, вивезення, утилізації й поховання нафтовмісних відходів. Для умов Одеси такі підходи неприйнятні, оскільки їх застосування призвело б до значних викидів в атмосферу забруднювальних речовин і необхідності створення спеціального полігону для поховання відходів. Тому ліквідація ППС та наслідків ії діяльності - технологічних ставків повинна здійснюватись способом, який завдає найменшої шкоди навколишньому середовищу.

Унікальність мікрорайону Лузанівський (розташування в рекреаційній зоні), відсутність прийнятних екологічно безпечних технічних рішень, масштабність проекту з підтримки екологічної рівноваги в територіальній екосистемі мікрорайону визначають актуальність вирішення науково-прикладної проблеми управління екологічною безпекою техногенно навантажених урбанізованих територій та розробки його наукових основ. техногенний екосистема урбанізований

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження виконувалось за державною програмою “Основні напрямки екологічної безпеки і підтримки екологічної рівноваги в районі розташування промивно-пропарювальної станції Одеса-Сортувальна Одеської залізниці”, розробленої на виконання:

- доручень Президента України від 08.09.1999 р. за № 439/27343-01, від 16.09.1999 р. за № 354/28320-01 і від 05.10.1999 р. за № 22/106762-15к;

- доручень Кабінету Міністрів від 09.12.1999 р. за № 20570(2) і від 15.01.2000 р. за № 20570/2;

- рішення Одеської міської ради від 9 грудня 1999 р. за № 421-XXIII “Про комплекс заходів щодо поліпшення екологічної обстановки мікрорайону “Лузанівський”.

Метою наукового дослідження є розробка й обґрунтування теоретичних основ управління екологічною безпекою техногенно навантажених урбанізованих екосистем та їх практична реалізація в мкр. Лузанівський міста Одеси.

Для досягнення мети досліджень необхідно вирішити такі завдання:

розробити концептуальну модель управління екологічною безпекою техногенно навантажених урбанізованих екосистем;

розробити метод оцінки екологічного ризику в техногенно навантаженій урбанізованій екосистемі з урахуванням існуючих нормативних показників якості навколишнього середовища;

виконати науково обґрунтовану оцінку екологічної обстановки в районі розташування ППС - мкр. Лузанівський та розробити заходи щодо підвищення рівня екологічної безпеки;

розробити методологію управління складними екологічними проектами;

розробити екологічно безпечну технологію ліквідації технологічних ставків ППС, як таких, що визначають техногенне навантаження урбанізованізованої екосистеми в цілому;

створити ефективну систему екологічного моніторингу основних технологічних процесів при ліквідації ставків;

реалізувати результати дисертаційної роботи в процесі ліквідації екологічно небезпечного об'єкта, який визначає техногенне навантаження урбанізованої екосистеми.

Об'єкт дослідження - техногенно навантажені урбанізовані екосистеми.

Предмет дослідження - основи теорії і практики управління екологічною безпекою техногенно навантажених урбанізованих екосистем.

Методи дослідження. Результати роботи отримані з використанням методів системного аналізу (дослідження особливостей і факторів стану навколишнього середовища); математичного програмування, теорії графів і теорії множин (розробка системи моніторингу); управління проектами (планування і здійснення проекту ліквідації технологічних ставків ППС); натурного моделювання (перевірка розроблених концепцій і верифікація запропонованих моделей).

Наукові результати, що виносяться на захист, та їх новизна:

вперше:

- створено концептуальну еколого-економічну модель техногенно навантажених урбанізованих екосистем, яка враховує тенденції якісних та кількісних залежностей параметрів системи при управлінні екологічною безпекою та визначенні оптимального рівня екологічного ризику;

- розроблено метод оцінки екологічного ризику, в якому існуючі екологічні нормативи (ГДК_сд і LK₅₀) відіграють роль реперних точок, які формують координатну базу відліку системи “доза - ефект”, що дозволяє використовувати накопичений експериментальний матеріал про негативний вплив окремих техногенних факторів на стан безпеки в техногенно навантаженій екосистемі;

- створено теоретично обґрунтований метод оцінки скорочення очікуваної майбутньої тривалості життя (СОТЖ), виходячи з умов нормування екологічного ризику відносно середньосмертельних рівнів впливу і принципу низхідних ефектів від впливу техногенних факторів, який дозволяє прогнозувати наслідки їхнього впливу на людину;

- сформовано збалансовану систему показників (ЗСП) для підтримки прийняття рішення стосовно вибору ефективної альтернативи екологічного проекту й управління його реалізацією, яка являє собою сукупність взаємозалежних показників, що відображають стратегічні цілі й оцінюють критичні фактори поточного і майбутнього станів навколишнього середовища;

встановлено:

- основні властивості та можливі стани техногенно навантажених урбанізованих екосистем із використанням розробленої концептуальної моделі і показано, що сумарні витрати на охорону навколишнього середовища в екосистемі складаються з витрат у виробничій сфері, спрямованих на зменшення ризику, і необхідних витрат, спрямованих на ліквідацію наслідків ризику;

- організаційні структури управління екологічними проектами й обґрунтовано необхідність переходу до комплексної системи 4D-управління, що охоплює підсистеми управління ресурсами, персоналом, технологіями і взаємодією з оточенням проекту;

одержали подальший розвиток:

- теорія екологічної безпеки на підставі дослідження функціонального зв'язку між якістю довкілля і екологічним ризиком, що об'єктивно проявляється у вигляді скорочення очікуваної майбутньої тривалості життя;

- процеси та галузі знань, що складають основу теорії управління проектами і базуються на виявлених істотних відмінностях проектів екологічної спрямованості.

Нові наукові положення, які сформульовані на основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів досліджень:

- рівень екологічного ризику визначається забрудненням довкілля з урахуванням існуючих нормативів (ГДК_сд та LK₅₀) і адекватно відображає стан техногенно навантажених урбанізованих екосистем, які за співвідношенням рівня екологічного ризику і сумарних витрат на охорону та відновлення довкілля можуть бути віднесені до незадовільного, недоцільного і збалансованого станів;

- ефективне управління екологічною безпекою техногенно навантажених урбанізованих екосистем здійснюється, виходячи зі співвідношення рівня екологічного ризику і сумарних витрат на охорону та відновлення довкілля.

Практичне значення отриманих результатів. Створено метод оцінки територіального екологічного ризику для дослідження екологічної обстановки, обґрунтування і здійснення заходів щодо підвищення екологічної безпеки техногенно навантажених урбанізованих екосистем. Здійснено проект ліквідації техногенно небезпечного об'єкта ППС Одеса-Сортувальна Одеської залізниці з використанням розроблених методів оцінки ефективності. Розроблено екологічно безпечну технологію ліквідації наслідків діяльності ППС - технологічних ставків, яка поєднує механічне очищення ставків від рідких нафтових залишків із біологічною обробкою забруднених нафтою твердих донних відкладень безпосередньо в річищі ставків. Розроблено і впроваджено систему екологічного моніторингу для контролю технологічних процесів при ліквідації ставків.

Особистий внесок здобувача полягає у теоретичному узагальненні й аналізі концептуальної еколого-економічної моделі екологічної системи [1...4, 10, 15, 28, 32], розробці методу розрахунку техногенного ризику [1, 18, 23, 24, 26, 30], розробці моделі керування екологічним ризиком в техногенно навантажених екосистемах [10, 14, 29], розробці методологічних засад керування екологічними проектами [3, 5...9, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 19, 20, 23]. Інформаційно-аналітична система контролю технологічних операцій при ліквідації технологічних ставків ППС запропонована в роботах [1, 25, 27, 33]. Автор керував роботами і брав безпосередню участь у розробці та реалізації унікального проекту ліквідації техногенно небезпечних об'єктів промивно-пропарювальної станції Одеса-Сортувальна [9, 22, 27].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень представлялися й обговорювалися на IV регіональній науково-методичній конференції „Безпека життєдіяльності”, Харків, 2004; на VI і VII міжнародних науково-практичних конференціях „Сучасні інформаційні й електронні технології” СІЕТ - 2005 і СІЕТ - 2006, Одеса; на міжнародній конференції “Датчики, прилади і системи - 2005, 2006”, Черкаси - Ялта; на 11, 12 і 13 семінарах “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях”, Одеса, 2004, 2005, 2006; на міжнародних науково-практичних конференціях “Управління проектами: стан та перспективи”, Миколаїв, 2005, 2006; на 2 і 3 міжнародних конференціях “Управління проектами в розвитку суспільства” і “Управління проектами в умовах глобалізації знань”, Київ, 2005, 2006.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 1 монографії, у 22 статтях у журналах і збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України, а також у 11 матеріалах наукових конференцій і семінарів.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 215 найменувань, 12 додатків. Повний обсяг дисертації - 351 стор., додатків - 81 стор. До дисертації входять 57 рисунків і 31 таблиця.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і завдання досліджень, відбита наукова новизна отриманих результатів і їхнє практичне значення при ліквідації техногенно небезпечних об'єктів.

У першому розділі виконаний аналіз стану проблеми оцінок впливу техногенного забруднення на здоров'я людини та методів оцінок екологічного ризику.

Показано, що наявні способи оцінки екологічного ризику, засновані на нормативному підході, коли встановлюються пороги і гранично припустимі рівні впливу, не дозволяють оцінити величину ризику не тільки у випадку надзвичайних ситуацій, але і при штатній роботі техногенно небезпечних об'єктів. Методи оцінки рівня безпеки екологічних систем за даними медичної статистики також мало ефективні, оскільки ці дані стосуються минулих періодів. Такі методи не прийнятні для оцінки ризику як при спорудженні нових потенційно небезпечних об'єктів, так і при їхній ліквідації. Тому перспективним напрямком у розвитку теорії екологічної безпеки є розробка теоретично обґрунтованих методів оцінки екологічного ризику.

У другому розділі виконана науково обгрунтована оцінка екологічного стану територіальної екосистеми мкр. Лузанівський та впливу Одеської промивно-пропарювальної станції на довкілля, обгрунтована необхідність ліквідації техногенно небезпечного об'єкта ППС та наслідків ії діяльності - технологічних ставків.

Як показав експертний аналіз, під час проектування й будівництва мкр. Лузанівський не були враховані повною мірою вимоги будівельних норм, а саме: житлова зона і зона рекреації розміщені з навітряного боку відносно ППС. Оскільки для зазначеного району характерна перевага північного напрямку вітру, збільшення шкідливих викидів промисловими підприємствами (з північного боку) негайно позначається на стані атмосфери мкр. Лузанівський.

Основним джерелом техногенного навантаження, що формує рівень забруднення навколишнього середовища в мкр. Лузанівський, була ППС. Наявний технологічний процес обробки цистерн при відкритих горловинах цистерн і відкритому зливі з цистерн у водовідвідні лотки негативно впливав на стан навколишнього середовища.

Так, з небезпечних джерел ППС в 1999 році було викинуто 407,7т забруднюючих речовин. Серед них: діоксид сірки - 51%, оксид вуглецю - 20,3%, вуглеводні насичені С_12-19 - 18,9%, діоксид нітрогену - 5,7%, сажа - 1,6%, вуглеводні ненасичені - 0,6%, ксилол - 0,57%, бензол - 0,5%, сірководень - 0,13%, фенол - 0,01 %, на частку інших специфічних шкідливих речовин припадало 0,69%. При цьому не враховані “залпові” викиди забруднювальних речовин у процесі обробки цистерн (пропарювання, миття і дегазація). Експериментальні виміри концентрацій показали значне перевищення нормативів ГДК_мр стосовно основних забруднювальних речовин не тільки в зоні ППС, але і за межами її 50-метрової санітарно-захисної зони (СЗЗ). Так, на межі СЗЗ зафіксовані концентрації сірчистих сполук у межах 6,7...3,5 ГДК_мр, ненасичених вуглеводнів - 7,0...21,0 ГДК_мр, ксилолу - до 100 ГДК_мр.

Дослідження 30-сантиметрового шару ґрунту в робочій зоні ППС показали, що зона забруднена в основному нафтопродуктами і сірчистими сполуками. В усіх пробах були наявні також важкі метали (залізо, свинець, мідь, цинк). Концентрації нафтопродуктів і сірчистих сполук виявилися максимальними в пробах, відібраних у безпосередній близькості від мийної естакади і технологічних ставків.

Відповідно до технології підготовки цистерн стоки після пропарювання і промивання цистерн спрямовувалися у відкриті ставки-накопичувачи і ставок-випарник. Випаровування води і нафтопродуктів з поверхні ставків призводили до забруднення атмосферного повітря, а важкі фракції, що містять нафту, осідаючи на дно ставків, створювали реальну загрозу забруднення Куяльницкого лиману через фільтрацію ґрунтових вод.

У третьому розділі запропонован метод розрахунку територіального екологічного ризику, в якому існуючі екологічні нормативи (ГДК_сд і LK₅₀) відіграють роль реперних точок, що формують координатну базу відліку системи “доза - ефект”. Такий підхід дозволяє використовувати накопичений попередніми дослідженнями великий експериментальний матеріал щодо впливу окремих факторів на людину й навколишнє середовище. Теоретичну базу для розвитку розрахункового методу оцінки ризику складають аксіома про потенційну небезпеку, закони Вебера-Фехнера, мінімуму Лібиха і толерантності Шелфорда, а також принцип Фармера про низхідні ефекти від впливу техногенних факторів.

У загальному випадку при забрудненні, наприклад, атмосферного повітря відповідно до закону Вебера-Фехнера наявна функціональна залежність між рівнем забруднення однією речовиною і ризиком:

, (1)

де r - рівень ризику; а - коефіцієнт пропорційності; С - концентрація шкідливих речовин; С₀- найменша концентрація, при якій відчувається вплив.

У дослідженнях І.В. Саноцького показано, що залежність „доза - ефект” у логарифмічній системі координат є лінійною. Подальший розвиток уявлень щодо характеру залежності “доза - ефект”, запропонований у роботі, пов'язаний із застосуванням закону Вебера - Фехнера для опису цієї залежності і введенням нормування стосовно середньосмертельних концентрацій. У такій постановці рівень ризику характеризує імовірність смерті упродовж року від впливів техногенних факторів.

Значення верхнього рівня прийнятного індивідуального ризику в Україні прийнято таким, що дорівнює 10^-6. Цьому рівню відповідає вміст домішок у повітрі з концентрацією, яка дорівнює середньодобовій гранично допустимій концентрації ГДК_сд. Якщо ж концентрація шкідливих речовин у повітрі дорівнюватиме середньосмертельній С =ЛК₅₀, то індивідуальний ризик складе r = 0,5. На підставі зазначених нормативів, визначених експериментально для кожної речовини, можна встановити дві закріплені точки залежності (1):

. (2)

Розв'язання системи рівнянь (2), коли концентрації забруднювальних речовин перевищують ГДК_сд:

Для концентрацій забруднювальних речовин, що не перевищують ГДК_сд, можна прийняти лінійну залежність екологічного ризику від концентрації. У цьому випадку ризик розраховується за різними формулами залежно від концентрації забруднювальних речовин:

Рівності (3) дозволяють визначити екологічний ризик, а потім і скорочення середньостатистичної очікуваної тривалості майбутнього життя (СОТЖ) при відомій концентрації (С) шкідливих речовин у повітрі. Для речовин односпрямованої дії, що складають групи сумації, необхідно визначити ефективну концентрацію.

Очікуваний індивідуальний ризик r_інд визначається з урахуванням часу перебування в даних умовах

Ризики r_i, i=1,2,3…n, у разі незалежної дії множини окремих n екологічних факторів визначають рівень інтегрального ризику:

Єдиний підхід до розрахунку ризику достатньо зручний: немає необхідності вводити множину шкал для характеристики якості середовища. Використання оцінки у вигляді відношення двох величин еквівалентне переходу від інтенсивної до екстенсивної характеристики впливу до дози, що є інтегральною величиною й визначається з урахуванням часу впливу.

З використанням розробленого методу визначено сумарний ризик і СОТЖ для постійних мешканців м. Одеси, за середніми концентраціями, що наведені у Національній доповіді про стан навколишнього природного середовища в Україні (табл. 1). При цьому враховані тільки ті речовини, рівень забруднення якими перевищує ГДК_сд. Система рівнянь (3) відносить загальний ризик r відповідно до умов нормування ГДК_сд до тривалості життя, яка за Гофманом дорівнює 25000 днів (68,5 років). Це дозволяє визначити річний територіальний ризик.

Таблиця 1

Оцінка екологічного ризику для м. Одеси Речовина	Конц., ГДК	ЛК50, мг/м3	ГДКсд, мг/м3	ГДКмр, мг/м3	Ризик, рік-1
Формальдегід	8	2500	0,003	0,035	0,0011
Фенол	2,6	500	0,01	0,03	0,0006
Оксиди нітрогену	2,2	10000	0,04	0,085	0,0007
Фтористий водень	2,1	2350	0,01	0,03	0,0004
Оксид вуглецю	3,2	3600	3	5	0,0012
Сажа	1,6	20000	0,05	0,15	0,0003
Сумарний ризик	0,00389

Сумарний територіальний ризик, обчислений за залежністю (4) складає R = 0,00389 рік^-1. Це означає, що постійне мешкання в м. Одесі пов'язане з ймовірністю щорічного скорочення очікуваної тривалості життя на 1,4 дні на рік або по відношенню до середньої тривалості життя СОТЖ 97 днів.

Оцінка достовірності результатів виконана шляхом зіставлення розрахункових і експериментальних даних про вплив ППС на стан здоров'я населення, отриманих Українським НДІ медицини транспорту МОЗ України. Дані про рівень забруднення житлової зони мікрорайону, що отримані співробітниками Фізико-хімічного інституту захисту навколишнього середовища і людини, відображають фактичний стан екосистеми до ліквідації ППС. Перевищення ГДК_мр у рази в мікрорайоні складає: стосовно насичених вуглеводнів -- від 2 до 13; діоксиду сірки -- від 2 до 10; діоксиду нітрогену -- від 1,1 до 5,8; сірководню -- від 1,3 до 7,5.

Результати оцінки ризику від факторів, зумовлених роботою ППС наведені в табл. 2. Отримана схема визначення мінімального і максимального значень ризику.

Таблиця 2

Оцінка ризику в мікрорайоні Лузанівський

	Нормативні величини	Розрахункові оцінки
Речовина	Клас	ГДКсд	ГДКмр	ЛК50	ГДКрз	min ri	max ri
	небез.	мг/м3	мг/м3	мг/м3	мг/м3	рік-1	рік-1
СnНm	4	1	1	100000	300	0,00044	0,00163
SO2	3	0,05	0,5	50000	10	0,00037	0,00122
NO2	3	0,04	0,085	140	2	0,00009	0,00157
H2S	2	0,008	0,008	50000	10	0,00012	0,00094

З урахуванням середнього ризику по Одесі (табл. 1) сумарний ризик у мкр. Лузанівський, у якому мешкає приблизно 10000 людей, складає від R_min = 0,0041 до R_mах = 0,0069 рік^-1. При визначенні R_min враховувалися всі значення min r_i, а в розрахунку R_mах -- усі значення max r_i (табл. 2). Відносний територіальний ризик у мкр. Лузанівський стосовно ризику по Одесі складає: R_відн = 1,06 … 1,79.

Отримані результати оцінки ризику добре узгоджуються з даними Л.М. Шафрана і Л.І. Мураховської (УкрНДІ медицини транспорту). За цими даними відношення загальних показників захворюваності на 1000 осіб у поліклініці № 18 (мкр. Лузанівський) і по Одесі в цілому складає: 1211,1/738,1 = 1,641. За окремими нозологічними формами, наприклад, за поширеністю патології системи органів дихання відношення показників у Суворівському районі, до якого входить мкр. Лузанівський, складає: 548,5/356,6 = 1,53.

Для оцінки достовірності результатів приймемо середнє значення відносного ризику стосовно Одеси : R_{відн.сер.} = 1,583. У цьому випадку похибка оцінки загальних показників захворюваності складає +3,5 %. Похибка у прогнозуванні відносного ризику захворювань системи органів дихання становить - 3,4 %.

Зазначені похибки в прогнозуванні величини територіального ризику пов'язані не стільки з теоретичним обгрунтуванням розрахунку, скільки з особливостями медичної статистики й оцінками забруднення навколишнього середовища. Уточнення концентрацій під час моніторингу територій з визначенням динаміки зміни забруднень дозволить одержати більш точні значення показника територіального екологічного ризику.

У четвертому розділі обґрунтовані і сформульовані основні концептуальні принципи й поняття управління екологічним ризиком техногенно навантажених урбанізованих екосистем.

Прийнятним ризиком для населених зон в Україні є величина R < 1*10^-6. Як прийнятне значення екологічного ризику може використовуватися також встановлена органами місцевого самоврядування величина гранично допустимого рівня екологічного ризику р.

Як вхідні параметри в розробленій моделі використовуються: З₁ - витрати на захисні заходи, що забезпечують відповідний рівень екологічного ризику в системі; З₂ - математичне очікування витрат на ліквідацію негативних наслідків - збитку, який стосовно людини може виражатися в різних аспектах: економічному, соціальному, моральному; р - встановлений рівень гранично допустимого екологічного ризику в територіальній екосистемі.

Приймемо вартісний вираз узагальненого показника збитку у вигляді:

З₂ = kR, (5)

де R - екологічний ризик; k - ціна ризику - збиток на одиницю ризику.

За даними різних експертів ціна одиничного ризику 2•10^-4 загибель/(люд•рік) для промислово розвинених країн і різних областей техносфери коливається в межах від 10 до 1000 дол/од. ризик.

Вихідним параметром є рівень оптимального екологічного ризику, що відповідає очікуваним мінімальним сумарним витратам в системі - R^*.

Отримана характерна залежність зменшення ризику при вкладенні коштів у захисні заходи в процесі розвитку виробничої сфери. Чим більші ці витрати, тим менша величина ризику, створюваного виробничою сферою.

Екологічна система знаходиться у збалансованому стані у тому випадку, коли встановлений рівень екологічного ризику р забезпечується мінімальними сумарними витратами. В іншому випадку система знаходиться в незадовільному стані або в недоцільному стані.

Незадовільний стан екологічної системи свідчить про екстенсивний шлях розвитку виробничої сфери, коли збільшення валового продукту відбувається тільки за рахунок збільшення обсягу промислового виробництва, що негативно позначається на навколишньому середовищі і призводить до техногенного перевантаження екосистеми. При інтенсивному шляху розвитку виробничої сфери темпи збільшення валового продукту забезпечуються впровадженням наукоємних і ресурсозберігаючих технологій, що врешті-решт призводить до зменшення рівня екологічного ризику в системі. У цьому випадку теоретично можлива ситуація, коли екологічна система буде знаходитися в недоцільному стані, а більша частина ресурсів у виробничій сфері буде витрачатися на системи безпеки, що не завжди може бути вигідним суспільству.

Економічно доцільно, щоб екологічна система перебувала у збалансованому стані, при якому встановлений рівень екологічного ризику забезпечується мінімальними витратами. Це і є коректна постановка завдання управління екологічною безпекою урбанізованих екосистем. Такий підхід дозволяє на науковій основі реалізувати на практиці вимоги відомого принципу ALARA: рівень ризику повинен бути настільки низьким, наскільки це можливо за економічних і соціальних умов.

Модель дозволяє вирішити головні завдання при розробці оптимальних форм управління екологічною системою: використовувати тенденції якісних і кількісних змін у екосистемах для формалізації цілей управління екологічною безпекою; мінімізувати сумарні витрати в процесі управління екологічною системою; встановити критерій ефективного управління системою.

Приймаючи в першому наближенні b=1, формулу можна записати у вигляді:

Е_min =2kR*. (11)

З наведеної залежності (11) виходить, що чим більшою призначена ціна одиничного ризику в екосистемі, тим більші очікувані мінімальні сумарні витрати при однаковому рівні екологічного ризику.

Критерій ефективного управління екологічною системою - досягнення області області прийнятного рівня екологічного ризику, можна представити у вигляді:

R^* p,

де р - встановлений для даної території гранічно допустимий рівень екологічного ризику. При цьому, система знаходитиметься в збалансованому стані у тому випадку, коли R^* = p і при цьому величина сумарних витрат мінімальна. При R^* > p система знаходиться в незадовільному та техногенно перевантаженому стані.

Розроблений алгоритм для оцінки екологічної безпеки та стану територіальної екосистеми, реалізуємо у три етапи.

1 етап - ідентифікація небезпечних об'єктів, дослідження екстенсивних і інтенсивних властивостей (характеру і об'єму) споживаних або використовуваних екологічних чинників, умов дії, визначення набору властивостей, що враховуються, і побудова структурної ієрархічної схеми взаємодії і супідрядності параметрів.

2 етап - оцінка простих властивостей, вимірювання показників P_i (наприклад, концентрації), вибір системи базових координат відліку (наприклад, ГДК_сд і LK₅₀), визначення виду залежності між показниками простих властивостей {P_i, i=1,2 ... n} і їх оцінками K_i.

3 етап - оцінка складних властивостей і стану системи в цілому.

П'ятий розділ містить розробку методології управління екологічними проектами в урбанізованих екосистемах, у тому числі проектами, що пов'язані з ліквідацією техногенно небезпечних об'єктів.

Генеральна мета (місія) екологічного проекту: відновлення екологічної рівноваги, зменшення негативного впливу на природне середовище і населення. Мета відображає ідеологію проекту і являє собою вербальну постановку завдання управління.

Цільова функція екологічного проекту являє собою кількісну міру досягнення цих цілей. Основна вимога до цільової функції полягає в тому, що вона повинна бути вимірювана, або повинні бути розроблені алгоритми, що реалізують метод розрахунку деякого кількісного вираження мети проекту. За цільову функцію екологічних проектів запропоновано прийняти узагальнений показник ефективності проекту -- рівень безпеки В = 1 - R перетворюваної території, що залежить від стратегії управління проектом:

B = S, T, W, A, TE, G, I, (12)

де R - рівень екологічного ризику;

S - множина станів об'єкта;

T - множина технологій, методів, операцій;

W - множина реакцій об'єкта на зовнішні впливи;

A = QUF - множина умов;

Q - множина вхідних зовнішніх установок;

F - множина реалізацій процесів;

TE - структура керування проектом;

- операційна модель керування проектом;

- інформаційна модель керування проектом.

Запропоновано класифікація результатів екологічного проекту. До блоку результатів “природоохоронні споруди й системи безпеки у виробничій сфері” входять:

- будівництво нових об'єктів і систем екологічної безпеки;

- реконструкція об'єктів і систем екологічної безпеки;

- технічне переозброєння об'єктів і систем екологічної безпеки.

Блок результатів “товари екологічного призначення” охоплює продукцію виробництв, що здійснюють випуск продуктів екологічної спрямованості (фільтри для очищення води й повітря, каталізатори тощо).

До блоку результатів “послуги в галузі охорони навколишнього середовища” входять: проекти ОВНС; науково-дослідні проекти; проекти природоохоронних об'єктів і систем екологічної безпеки.

Блок результатів “ліквідація техногенно небезпечних об'єктів” містить результат екологічних проектів з ліквідації техногенно небезпечних об'єктів і відновлення екологічної рівноваги в зонах екологічного лиха.

Визначено типовий склад учасників екологічних проектів, юридичних чи фізичних осіб, що зацікавлені в реалізації проекту або виконують дії, передбачені проектом. До учасників проекту можуть входити замовники, інвестори, банки, підрядники, проектувальники тощо, кожний з який відстоює й домагається досягнення своїх специфічних цілей. Команда проекту здійснює менеджмент проектної діяльності в умовах турбулентного оточення.

Згідно зі стандартами методології BSC (Balanced Scorecard), розробленої Р. Капланом і Д. Нортоном, запропонована адаптована до екологічних проектів збалансована система показників (ЗСП), що має такі базові складові:

1. Перспективи (perspectives) - основні напрямки діяльності, за якими здійснюється декомпозиція стратегічних цілей проекту. Звичайно використовуються чотири базові перспективи, що характерні і для екологічних проектів: зовнішнє середовище, фінанси, внутрішні процеси, персонал.

Роботи екологічного проекту спрямовані на перетворення навколишнього середовища.

При цьому в результаті виконання проекту зовнішнє середовище переводиться в новий стан. Тому основним продуктом екологічного проекту виступає властивість екологічної системи - якість навколишнього середовища. А параметрами, що виражають якість навколишнього середовища, можуть служити концентрації забруднювальних речовин або комплексний показник - екологічний ризик. Із поліпшенням якості навколишнього середовища пов'язане зменшення рівня захворюваності й збільшення середньої тривалості життя.

Фінансова складова ЗСП визначає управління витратами і змістом робіт проекту. Внутрішні процеси спрямовані на втілення планів проекту й удосконалювання застосовуваних у проекті технологічних рішень.

Навчання і кар'єрне просування виконавців є обов'язковими умовами прогресу команди проекту. Публікації наукових праць, участь у конференціях, симпозіумах і виставках формують професійний імідж команди проекту. Ця складова ЗСП підтверджує очікування всіх учасників проекту на те, що в проекті використані новітні технології, а також переконує оточення проекту в тому, що команда проекту здатна якісно керувати проектом.

2. Стратегічні цілі (objectives) - цільові настанови у вигляді коротких тверджень, що визначають напрямки реалізації екологічного проекту. Головна стратегічна мета екологічного проекту - поліпшення стану навколишнього середовища. До стратегічних цілей природоохоронних проектів можна віднести:

- зниження рівня екологічного ризику в системі;

- підвищення якості життя населення;

- мінімізацію витрат на здійснення проекту;

- реалізацію проекту без шкоди для навколишнього середовища;

- підвищення кваліфікації учасників проекту.

3. Показники (measures) - дані, що відбивають ступінь досягнення стратегічних цілей і оцінюють результати екологічного проекту.

Ступінь досягнення цілей екологічних проектів (їхня ефективність) визначені за допомогою показників загального екологічного й загального соціально-економічного результатів проекту.

Як показники, що оцінюють “екологічні” результати, в моделі ЗСП можуть використовуватися наступні величини: концентрація хімічних речовин, рівень акустичного впливу, рівень іонізуючого випромінювання, рівень електромагнітних коливань тощо. Узагальненими показниками, що відображають рівень досягнення головної мети екологічного проекту, виступають показники абсолютної і відносної екоефективності проекту.

Показник абсолютної екологічної ефективності проекту P_a визначимо як відношення величини екологічного ризику R_fin після завершення проекту до рівня прийнятного ризику R_norm для даного регіону:

Показник відносної екологічної ефективності проекту P_o визначимо у вигляді відношення величини екологічного ризику R_To до початку проекту до величини екологічного ризику R_fin після завершення проекту:

Соціальні результати - це поліпшення фізичного розвитку населення, зменшення захворюваності і, врешті-решт, збільшення тривалості життя й періоду активної діяльності. Як узагальнений показник, що оцінює ці результати, пропонується використовувати величину СОТЖ.

Економічні результати проекту полягають у мінімізації інвестиційних витрат проекту Z, а також зменшенні майбутніх витрат, пов'язаних із запобіганням збитку від забруднення навколишнього середовища В, приросту додаткового прибутку від заощадження (поліпшення) природних ресурсів і утилізації відходів.

Як узагальнені показники економічних результатів екологічного проекту запропоновано використовувати:

- показник очікуваного чистого економічного ефекту природоохоронних заходів, що визначається як відношення економічного результату (Е), який досягається завдяки цим заходам, до витрат на їхнє здійснення (Z).

Економічний результат природоохоронних проектів (Е) виражається в сумі величини річного економічного збитку, що запобігається ними, від забруднення середовища (З_зс) і додаткового прибутку (?П), тобто

Е = З_зс + ДП . (16)

Величина відверненого економічного збитку від забруднення середовища (З_зс) дорівнює різниці між розрахунковими величинами збитку до здійснення проекту (З_зс1) і залишкового збитку після проведення проекту (З_зс2):

З_зс = З_зс1 - З_зс2 . (17)

- показник порівняльної економічної ефективності витрат (К_пе) при одноетапних інвестиціях визначається величиною мінімально необхідних сумарних витрат, що складаються з інвестиційних вкладень і експлуатаційних витрат, наведених з річної розмірності з урахуванням фактора часу. Він використовується для вибору найбільш ефективного варіанту технічних рішень, що забезпечують однаковий рівень ризику після реалізації проекту:

К_пе = Z* N_d + В, (18)

де N_d - норма дисконту;

В - експлуатаційні витрати.

Технологічна безпека проекту контролюється за допомогою показника поточного рівня екологічного ризику.

Виконання проекту не повинне супроводжуватися підвищенням екологічного ризику або збільшенням концентрацій забруднювальних речовин:

Карта стратегічних завдань екологічного проекту, що відображає логічний зв'язок ключових цілей і показників проекту, наведена в табл. 3, а карта збалансованих показників, що відображає причинно-наслідкові зв'язки між ними 4. Цільові значення (targets) - кількісні вирази рівня, до якого повинен бути спрямований той чи інший показник під час реалізації стратегії екологічного проекту. Основним нормованим показником екологічного проекту є очікуваний рівень екологічного ризику після завершення проекту

R_fin < normative= р,

де p -- встановлена для даної території величина гранично допустимого рівня екологічного ризику.

З огляду на те, що запропоновані показники екологічного проекту різною мірою характеризують його ефективність, кожному з них експертним шляхом було визначене своє вагове значення (табл. 4).

Таблиця 3

Карта стратегічних завдань екологічного проекту

Перспективи	Стратегічні цілі	Показники	Цільові показники
Зовнішнє середовище	Поліпшення стану навколишнього середовища	- рівень екологічного ризику (відносний і абсолютний)	Гранично допустимий рівень екологічного ризику:
	Покращення якості життя населення	- СОТЖ	СОТЖ
Фінанси	Мінімізація витрат проекту	- очікуваний економічний ефект;- порівняна ефективність витрат.	Кче Кпе
Внутрішні процеси	Реалізація проекту без шкоди для навколишнього середовища	- технологічна безпека
Навчання персоналу	Підвищення кваліфікації учасників проекту	- професійний рівень команди	Наукові публікації, конференції, семінари

Для прийняття рішення стосовно вибору проектної альтернативи й оцінки її ефективності, використовуючи дані табл. 4, визначають відносні, а потім і зважені оцінки кожного показника.

Загальний рейтинг (комплексний показник) запропонованих проектних альтернатив проекту визначається як сума зважених оцінок за окремими показниками.

Таблиця 4

Вагові значення показників ефективності екологічного проекту

Показники	Вага, (%)
Екологічні	50
Абсолютна ефективність	25
Відносна ефективність	25
Соціальні	20
Скорочення очікуваної тривалості майбутнього життя (СОТЖ)	20
Економічні	15
Очікуваний економічний ефект	7,5
Порівняна ефективність витрат	7,5
Технологічні	15
Терміни реалізації	5
Технологічна безпека	5
Професійний рівень команди	5

Шостий розділ містить розробку технології ліквідації технологічних ставків ППС і аналіз стану навколишнього середовища після їхньої ліквідації і закриття ППС.

Для розробки ефективної технології ліквідації ставків необхідно володіти достовірними кількісними та якісними показниками вмісту ставків і екологічного стану прилеглої до них території. У результаті досліджень уміст ставків був поділений на кілька шарів: верхній шар - вода, що містить нафту, середній шар - рідкі нафтозалишки і нижній шар - тверді донні відкладення (ТДВ).

За результатами дослідження визначені такі кількісні показники вмісту технологічних ставків:

- об'єм води, що містить нафту, в ставку-випарнику - 33950 м³;

- об'єм води, що містить нафту, в ставках-нагромаджувачах - 8650 м³;

- об'єм рідких нафтозалишків у ставку-випарнику - 26108 м³;

- об'єм рідких нафтових залишків у ставках-нагромаджувачах - 9115 м³.

Середня товщина шару ТДВ склала в ставку-випарнику 0,25 м, у ставках- накопичувачах - 0,5 м.

Якісний склад шарів визначався на основі лабораторних досліджень відібраних зразків. Концентрація всіх забруднювачів у воді ставків, крім нафтопродуктів, не перевищувала дозволені концентрації для ППС у скидах. Тому для забезпечення можливості скидання цієї води у каналізацію необхідно очистити її до залишкової концентрації нафтопродуктів, яка не перевищує дозволену 2,0 мг/л.

Середній шар являв собою важкі і високов'язкі нафтозалишки в суміші з водою у вигляді “зворотної” емульсії типу вода в нафті зі вмістом у ній води порядку 40-60%. Щільність такої суміші складає 0,990-1,01 т/м³. У літній період під дією температури нафтозалишки з цього шару частково спливали на поверхню ставків.

Нижній шар - донні відкладення ставків - являв собою суміш важких вуглеводневих фракцій із механічними домішками. Щільність зразків ТДВ складала 1,5...1,8 т/м³, вологовміст - близько 49 %. Результати лабораторних аналізів проб ТДВ наведені в табл. 5.

Таблиця 5

Дані лабораторних аналізів проб ТДВ

Метал, речовина	Ставки-накопичувачі, мг/кг	Ставок-випарник, мг/кг	ГДКп, мг/кг
Залізо	54,05	32,09	Не нормується
Хром(загальний)	37,5	16,7	100
Свинець	16,7	8,3	100
Кадмій	?1	?1	5
Мідь	18,8	9,4	100
Ванадій	?1,4	?1,4	100
Нафтопродукти,%	27,4	14,0	-

Під час розробки технології враховувалися результати дослідних робіт, а також умови проведення робіт, при яких рівень екологічного ризику повинен бути мінімальним. Тому в проекті розглядалися й оцінювалися два варіанта черговості проведення робіт. У першому варіанті спочатку ліквідувався ставок-випарник, а потім ставки-накопичувачі. Інший варіант передбачав зворотну послідовність проведення робіт. Кількість окремих шкідливих речовин, які виділяються в атмосферу, визначалася за частковим вмістом кожного компонента. Питомий викид забруднювальних речовин з поверхні очисного об'єкта механічного очищення склав q = 0,02 кг/(м² год).

Існуючі сумарні викиди в атмосферу до початку проекту ліквідації технологічних ставків (1999 рік) складали 128,77 т/рік, у тому числі, від ставків-накопичувачів -- 67,45 т/рік і ставка-випарника -- 61,32 т/рік.

Оцінимо, як збільшиться кількість шкідливих викидів при послідовній обробці однієї карти ставка-випарника. Розподіл ставка-випарника здійснюється на 22 однакові частини (карти). У цьому випадку площа однієї карти дорівнює 1600 м², а викид при розкритті такої карти в результаті видалення шару води складе 1,6 кг/год проти 0,32 кг/год без розкриття. У той же час викид кожної з 4-х карт ставків-накопичувачів дорівнює 1,925 кг/год.

Отримана залежність зміна маси шкідливих випарів, якщо спочатку за першим варіантом проводяться роботи з ліквідації ставка-випарника. Цей варіант призводить до збільшення обсягів викидів порівняно з існуючим положенням. І тільки під час роботи на шостій ділянці буде досягнуте існуюче положення. Далі, під час роботи на сьомій і наступній ділянках, буде відбуватися зменшення загальної кількості викидів.

Другий варіант черговості проведення робіт, коли спочатку ліквідуються ставки-накопичувачі, є більш ефективним. Цей варіант черговості проведення робіт був реалізований у проекті. Таким чином, раціональне управління проектом з ліквідації ставків дозволило значно зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу в ході його реалізації.

В проекті був установлений наступний порядок виконання операцій:

- відсипання центральної дамби з водотривкої глини для уникнення водообміну між ставками-накопичувачами і ставком-випарником, а потім проведення поділу ставка-випарника і ставків-накопичувачів поперечними дамбами на окремі ділянки (технологічні карти) шириною 20 м;

- відкачування верхнього шару води, що містить нафту, з карт ставків-накопичувачів;

- відкачування середнього шару рідких нафтозалишків з технологічних карт ставків-накопичувачів;

- очищення дна технологічних карт ставків від сторонніх предметів (старих покришок, металобрухту й інших предметів);

- біологічна обробка ТДВ в картах ставків-накопичувачів;

- відкачування води, що містить нафту, з карт ставка-випарника;

- відкачування шару рідких нафтозалишків з карт ставка-випарника;

- біологічна обробка ТДВ в картах ставка-випарника;

- відсипання шару рослинного ґрунту на всіх картах і висівання багаторічних трав.

Збір і відкачування високов'язких рідких нафтозалишків здійснювалися за допомогою спеціалізованої нафтозбірної установки DESMI-250 фірми DESTROIL (Данія).

Зібрані нафтозалишки використовувалися як паливна складова для котельні ППС. Нафтовмісна вода зі ставків направлялася на очисні споруди й далі скидалася в міську каналізацію.

Основою розробленої біотехнології знешкодження твердих донних відкладень (ТДВ) ставків є здатність мікроорганізмів мінералізувати за допомогою ферментних систем в аеробних умовах різні органічні речовини, у тому числі вуглеводні нафти.

Механізм мікробіологічного окислювання органічних речовин в аеробних умовах у загальному вигляді може бути представлений наступною схемою:

Органічна речовина + О₂ + N + Р > C₅H₇NО₂ + БНОРР + СО₂ + Н₂О,

де C₅H₇NО₂ - органічна речовина утворюваних кліток мікроорганізмів;

N і Р - біогенні мінеральні елементи, азот і фосфор;

БНОРР - біологічно не окислюючи розчинні речовини.

Як видно з наведеної схеми, при повній мінералізації кінцевими продуктами розкладу (крім біомаси мікроорганізмів) є діоксид вуглецю і вода.

Хоча вуглеводні належать до категорії біологічно важко окислювальних речовин, дані про процеси природного самоочищення і досвід промислового культивування мікроорганізмів при вирішенні завдань мікробіологічного синтезу свідчать про те, що практично усі вуглеводні, які входять до складу нафти, з тією чи іншою швидкістю піддаються повній біодеструкції.

Моделювання процесів природного самоочищення в умовах очисних споруд дозволяє домагатися високих результатів під час ліквідації наслідків нафтового забруднення.

Біотехнологія, розроблена для знешкодження ТДВ ставків ППС, складалася з кількох етапів (рис. 1).

Рис. 1. Послідовність технологічних операцій знешкодження ТДВ

Перший підготовчий етап передбачав створення на основі ТДВ ростового субстрату для мікроорганізмів, що готувався шляхом введення в ТДВ домішок, що створюють умови життєдіяльності мікрофлори. Як домішки використовувалися доступні екологічно безпечні матеріали: червона глина (суглинки), солома, тирса, лузга насіння соняшника, курячий послід або перегній великої рогатої худоби.

Домішки після змішування з ТДВ формували склад біогенних елементів, збільшували поверхню контакту мікроорганізмів з нафтопродуктами і забезпечували необхідну пористість створюваного субстрату. Крім того, матеріали, що вводилися, за рахунок своїх сорбційних властивостей обмежували можливості міграції нафтопродуктів за межі зони обробки.

Другий етап - біологічна рекультивація. Етап охоплював операції мікробіологічного знешкодження ТДВ і фітомеліорації. Утворення на основі ТДВ ростового субстрату, збалансованого за компонентами живлення, і аеробні умови в матеріалі, що очищується, стимулювали розвиток мікрофлори, наявної у відкладеннях ставків, інтенсифікували процеси деструкції.

Прискорена біодеградація нафтопродуктів в оброблюваному субстраті забезпечувалася високою концентрацією в ньому нафтоокисних мікроорганізмів. Це досягалося періодичним внесенням культури мікроорганізмів на оброблювані площі, відтворення яких здійснювалося в біореакторі на території ППС.

Посівним матеріалом служили адаптовані до окислювання нафтопродуктів непатогенні, нетоксичні гетеротрофні мікроорганізми, виділені з природного середовища місць хронічного нафтозабруднення, або мікробні препарати, що випускаються промислово і що мають відповідний допуск до використання.

Вироблення культури нафтоокисних мікроорганізмів безпосередньо на місці їхнього використання, разом із підвищенням швидкості і глибини очищення ТДВ, дозволили знизити фінансові витрати на закупівлю великих кількостей дорогого посівного матеріалу, необхідного для обробки площ ліквідованих ставків.

...