Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения атомных станций с использованием непараметрических статистических методов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Разработка экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения атомных станций с использованием непараметрических статистических методов"

ииьо44906

На правах рукописи

РЯЗАНОВ Станислав Викторович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНАХ РАСПОЛОЖЕНИЯ

АТОМНЫХ СТАНЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Специальность 03.02.08 - Экология (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005044906

Работа выполнена в Федеральном бюджетном учреждении «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (ФБУ ГосНИИЭНП) г. Саратова

доктор технических наук, профессор Мартынов Владимир Васильевич

Острецов Игорь Николаевич, доктор технических наук, профессор

Иванов Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, ВНИИАЭС (г. Москва), заместитель директора

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Защита состоится «25» мая 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 521.022.01 при НОУ ВПО «Академия МНЭПУ» (Международный независимый эколого-политологический университет) по адресу: 127299, г. Москва, ул. Космонавта Волкова, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НОУ ВПО «Академия МНЭПУ».

Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии при Минобрнауки России wak.ed.gov.ru «20» апреля 2012 г.

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

С.А. Фомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из актуальных проблем атомной энергетики является проблема создания эффективной системы поддержки программ ее развития. К числу приоритетных задач, решаемых при создании этой системы, относится и задача аттестации объектов атомной промышленности, в том числе атомных станций (далее — АС) на соответствие современным стандартам экологически ориентированного управления промышленными предприятиями. Основная цель этой концепции -обеспечение условий для экологически безопасной эксплуатации предприятий, поскольку имеющийся опыт показывает, что какой бы совершенной ни была экологическая составляющая, природоохранные проблемы всегда возникают и в ряде случаев даже могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций экологического характера. Поэтому, несмотря на то, что при нормальной эксплуатации АС снимают часть нагрузки с окружающей среды (избавляя ее от неизбежных при выработке энергии из ископаемого топлива выбросов двуокиси серы и углерода, окислов азота и пыли), необходимой является оценка состояния окружающей среды, в том числе в интересах проживающего в районах расположения АС населения. Для этого проводится регулярный экологический контроль, основной целью которого является проверка соответствия уровней сбросов и выбросов АС установленным экологическим нормативам. Однако, попадая в окружающую среду даже в разрешенных количествах, загрязняющие вещества постепенно накапливаются в различных ее компонентах, что приводит к нарушению экологического равновесия в различных экосистемах и снижению их адаптационных возможностей. В связи с этим необходимы постоянные наблюдения за состоянием окружающей среды в районах расположения АС. В теории и практике современной науки организация таких наблюдений называется экологическим мониторингом. Основной решаемой при этом задачей является получение исходных данных для изучения протекающих в окружающей среде процессов с целью установления соотношения между качественным и количественным составом загрязнителей, присутствующих в компонентах окружающей среды, и специфической реакцией компонентов на это присутствие. Полученные результаты могут быть использованы для оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды с целью выработки рекомендаций по совершенствованию природоохранной системы в районах расположения АС. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы получения и обработки этих данных для обоснования и реализации различных мероприятий, направленных на снижение воздействия АС на экосистемы, т.е. организации и ведения мониторинга.

Цель работы — разработка экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения атомных станций на основе использования непараметрических статистических методов.

Методы и средства исследования. Работа представляет собой комплекс исследований, направленных на создание системы экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения АС, выполненных с использованием соответствующих разделов теорий систем, измерений, организации производства, вероятностей и математической статистики, математического моделирования на ЭВМ, современных информационных технологий. Экспериментальные исследования и обработка их результатов проведены на образцах проб основных компонентов природной среды (почва, поверхностные воды, донные отложения, снежный покров), отобранных в наземных и водных экосистемах в районе расположения действующей АС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана концепция (обоснованы наиболее значимые конструктивные принципы) организации и ведения экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения АС.

2. Обоснован подход к проектированию системы отбора проб основных компонентов природной среды (почвы, воды, донных отложений, снежного покрова), обеспечивающей получение информации для достоверной оценки воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду и наглядного отображения ее результатов.

3. Сформирована технология обработки данных мониторинга, основанная на использовании непараметрических процедур статистического анализа, позволяющая оперативно оценивать эффективность мероприятий, направленных на обеспечение экологически безопасного функционирования АС с целью корректировки их содержания и сроков проведения.

Практическая ценность работы состоит в создании научно-методического и информационно-аналитического обеспечения системы экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения АС.

Реализация работы была осуществлена в филиале ФГУП концерн «Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция» и позволила не только подтвердить достоверность основных полученных научных результатов, но и оценить реальный вклад станции в изменение состояния наземных и водных экосистем, находящихся в районе ее расположения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (г. Киров, 2007 г.), шестой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (г. Москва, 2008 г.), семинаре РЭА / ЭЛЕКТРИСИТЕ ДЕ ФРАНС «Окружающая среда и экологическая политика» (г. Париж, Франция, 2011 г.), Международной научно-практической конференции 4

«Научная мысль информационного века» (г. Пшемысль, Польша, 2012 г.), заседаниях научно-технического совета Федерального бюджетного учреждения «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (г. Саратов) в 2007-2011 гг., общественных слушаниях по проблемам повышения технической эффективности и экологической безопасности Балаковской АС в г. Балаково в 2009-2010 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных трудах, в том числе 3 - в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 104 страницах, списка литературы из 77 наименований, 40 рисунков, 5 таблиц и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 205 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, приведены цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с влиянием промышленных предприятий на загрязнение окружающей среды, и проводится сравнительный анализ этого влияния для основных энергопроизводящих отраслей. Результаты анализа позволяют констатировать, что по экологическим параметрам атомная энергетика превосходит традиционные отрасли, работающие на органическом топливе. Тем не менее, учитывая крайне негативные последствия воздействия объектов атомной энергетики на состояние окружающей среды, целесообразным является получение достоверной информации об истинных масштабах этого воздействия, в том числе по результатам проведения различных мероприятий, направленных на его уменьшение. В связи с этим актуальным является создание специализированных систем сбора и обработки информации, называемых системами мониторинга и реализующих специальные программы наблюдений за состоянием окружающей среды. Разработке основных элементов такой системы и посвящена настоящая работа, в которой поставлены и решаются следующие задачи:

1. Разработка концепции экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения АС и программы его проведения.

2. Обоснование системы отбора проб компонентов природной среды при мониторинге.

3. Обоснование математического обеспечения для оценки и прогнозирования влияния АС на состояние окружающей среды.

4. Практическая реализация мониторинга в районе расположения действующей АС.

Решению первых двух задач посвящена вторая глава работы, в которой сформулированы основные требования к мониторингу и программе его проведения, включающие (рис.1):

Рис.1. Концепция организации мониторинга

- использование результатов начального (стартового) обследования в качестве основы для оценки влияния АС на окружающую среду в течение всего времени функционирования системы мониторинга;

- определение совокупности точек пробоотбора, обеспечивающих достоверную оценку распределения ЗВ при их попадании в окружающую среду;

- статистическую обработку данных (замеров концентраций ЗВ в компонентах природной среды и результатов биологических исследований) и отображение на ситуационных картах-схемах результатов наблюдений, составление прогноза воздействия АС на окружающую среду;

- корректировку системы пробоотбора по результатам проведенных наблюдений;

- выдачу рекомендаций руководству по методам снижения воздействия АС на окружающую среду, а также систематизированной информации для представления в уполномоченные органы государственной власти, органы исполнительной власти субъектов РФ и в общественные организации.

Важное место в программе ведения мониторинга уделяется методам, позволяющим оценивать состояние биотической составляющей биосферы (природных экосистем). Комплекс предусмотренных программой биологических исследований включает следующие направления:

1. Оценка токсичности методами биотестирования, позволяющими изучать токсичность природных сред, и методами определения геноток-сичности, поскольку генетические последствия воздействия химических ЗВ, как правило, могут проявиться лишь спустя несколько поколений.

2. Биоиндикация с целью определения изменений в экосистемах в виде различного рода отклонений от нормы у свободно живущих в зоне проведения мониторинга животных и растений.

3. Оценка гематологических, биохимических и иммунологических показателей отдельных представительных видов мелких грызунов.

Фактически это наиболее перспективная и технически просто реализуемая технология мониторинга, позволяющая эффективно анализировать качество окружающей среды в районах расположения АС.

Важнейшим этапом разработки успешной, рациональной и экономически эффективной программы мониторинга являются четкое определение и конкретизация его информационных потребностей, которые напрямую определяют критерии для конструирования основных элементов системы мониторинга, прежде всего информационно-измерительной сети (системы пробоот-бора). Это означает, что, во-первых, в этой системе должны быть представлены сложившиеся в данной местности наземные и (или) водные экосистемы, во-вторых, точки пробоотбора должны быть расположены таким образом, чтобы результаты мониторинга обладали бы свойством репрезентативности, т.е. представительности с точки зрения достоверного воспроизведения по ним:

- размеров обнаруженных зон загрязнения;

- распределения концентраций ЗВ в них.

Существует много подходов к решению этих задач, однако наиболее продуктивным будет использование такого подхода, который позволил бы, во-первых, решать перечисленные задачи в совокупности, т.е. с единых вычислительных позиций, во-вторых, получить наиболее точное решение. В связи с этим заметим, что поскольку любая система пробоотбора является дискретной, с чисто математических позиций решение обеих задач возможно в направлении использования процедуры интерполяции дискретной функции двух переменных. Однако с учетом того, что в данном случае вид поверхности, описывающей распределение ЗВ в компонентах природной среды, неизвестен, эффективным будет использование процедур нелинейной интерполяции, позволяющих восстанавливать произвольные поверхности, в частности полиэкстремальные немонотонные. Проведенный поиск показал, что данному условию хорошо отвечает алгоритм, основанный на процедуре многоинтервальной квадратичной интерполяции-аппроксимации. Число точек отбора проб по результатам исследования точностных возможностей данного алго-

7

ритма, а также с учетом того, что область проведения мониторинга имеет большую площадь, рекомендуется принимать равным не менее 120, а их расположение должно иметь постоянные шаги по каждой из координат (как в декартовой, так и в полярной системах). Для размещения точек в ЗН АС предложена процедура, основанная на учете вероятностных характеристик производимой каждой частичной совокупностью точек информации по критерию уменьшения степени ее неопределенности (энтропии).

Спроектированная таким образом сеть имеет регулярный характер. На практике, однако, принцип регулярности трудно выполним, так как расположение точек зависит от наличия дорог, населенных пунктов и других особенностей конкретной местности. Поэтому реальная сеть обычно выглядит так, как если бы точки располагались случайным образом. В связи с этим подход к проектированию сети был дополнен процедурой учета отклонений при расположении точек и, как следствие, ошибок в определении истинной картины распределения ЗВ в ЗН АС (на уровне средних значений концентраций), которые с математических позиций характеризует дисперсия.

Третья глава работы посвящена обоснованию математического обеспечения мониторинга. Основной его задачей является определение уровня экологической безопасности АС. Решение этой задачи приводит к необходимости оценки влияния АС на состояние окружающей среды. При этом в большинстве случаев объем данных для проведения этой оценки является ограниченным, в связи с чем оценку целесообразно проводить с помощью непараметрических процедур, не зависящих от вида распределений данных. Разработанный алгоритм проведения этой оценки (рис.2) содержит следующие шаги:

1) начало алгоритма: ввод и накопление данных анализов отобранных проб, содержащих информацию о состоянии окружающей среды района расположения АС;

2) оценка изменчивости экологической картины в ЗН АС на основе проверки гипотезы о принадлежности данных одному и тому же непрерывному распределению с помощью двувыборочного критерия Уилкоксо-на-Манна-Уитни, который является одним из наиболее мощных против альтернатив параметра сдвига;

3) окончание обработки, если изменчивость не зафиксирована, либо прогноз времени стабильности экологической картины в зоне наблюдений АС с помощью коэффициента, который в непараметрическом корреляционном анализе носит название коэффициента конкордации;

4) идентификация точек, данные анализов из которых значимо отличаются от остальных с позиций проверки гипотезы об однородности с помощью процедуры, которая носит название «ящик с усами»;

5) проверка гипотезы об отсутствии эффекта накопления загрязняющих веществ в этих точках, как гипотезы о случайности данных с помощью

( Начало 1

Ввод результатов анализов

С Сохранение ^ч результатов у

_I

Оценка изменчивости экологической картины в ЗН

Прогноз

стабильности

экологической

картины

вЗН

Проверка гипотезы

об отсутствии эффекта накопления ЗВ в точках

Идентификация точек, вносящих

изменчивость в экологическую картину в ЗН

Оценка

нет значимости

процесса

накопления

С Сохранение результатов у

^ Конец ^

Установление взаимосвязей между

содержанием ЗВ в пробах и поведенческими реакциями помещенных в них живых организмов

да

Проверка

гипотезы о суще-

ствовании обла-

стеи загрязнении

вЗН

Рис.2. Алгоритм обработки данных мониторинга

критерия инверсий, который по эффективности превосходит большинство других непараметрических критериев для проверки гипотезы о существовании тренда;

6) оценка значимости процесса накопления в случае, если данные не являются случайными как проверка гипотезы о равенстве нулю углового коэффициента уравнения линейной регрессии, представляющего собой среднее (и с высокой вероятностью постоянное) приращение ЗВ в соответствующей точке схемы пробоотбора;

7) проверка гипотезы о существовании областей загрязнений в ЗН с помощью однофакторного или двухфакторного дисперсионного анализа, основанного на вычислении статистик Крускала-Уоллиса или Фридмана и проверки с их помощью гипотезы об однородности распределения ЗВ в пределах ЗН;

8) установление взаимосвязей между количественным содержанием ЗВ в пробах и поведенческими реакциями помещенных в них живых организмов с целью дальнейшей идентификации вызвавших реакции причин с помощью процедуры непараметрического корреляционного анализа, например, результатов химических и биологических исследований с помощью ранговых корреляций, выражающих статистическую связь между двумя порядковыми переменными. В качестве мер связи могут использоваться коэффициенты ранговой корреляции Спирмэна и Кендалла;

9) формирование и выдача сообщения по результатам выполненной оценки.

В четвертой главе представлены результаты практической реализации мониторинга, выполненной в природно-территориальном комплексе в районе расположения Балаковской атомной станции (БалАС) в 2003-2011 гг., которые легли в основу обоснования концепции компьютерной экспертно-аналитической системы мониторинга, включающей блоки накопления, обработки оперативных данных о состоянии компонентов природной среды и графического отображения объективной (выраженной в количественных показателях) оценки состояния природных экосистем в районе расположения станции.

Базы данных системы содержат следующие сведения: по характеристикам источников загрязнения; по радионуклидным и физико-химическим характеристикам ЗВ и потенциальным продуктам их трансформации; по фоновым значениям концентраций ЗВ в выбранных точках пробоотбора, результатам текущих и предшествующих анализов; по санитарно-гигиеническим и токсикологическим характеристикам ЗВ, путям их трансформации и накопления в компонентах природной среды; по системе пробоотбора в различных зонах проведения мониторинга; по приборному обеспечению и методической базе анализа ЗВ; по тест-объектам, применяемым для проведения биологических исследований.

Программно-математическое обеспечение системы позволяет: накапливать и анализировать данные, выполнять расчеты полей рассеяния и распространения ЗВ в компонентах природной среды с учетом особенностей экосистем в зоне техногенного влияния БалАС; анализировать процессы накопления и трансформации в природной среде загрязняющих радиоактивных веществ и химических соединений; оценивать достоверность экоаналитического контроля; выполнять прогноз по результатам анализа тенденций, критических ситуаций; корректировать аналитические (расчетные) закономерности рассеяния и распространения ЗВ в компонентах природной среды в соответствии с данными анализов; оптимизировать и корректировать точки пробоотбора в соответствии с прогнозируемым распределением ЗВ в компонентах природной среды (атмосферный воздух, водные объекты, почва, снежный покров).

Визуализируемая информация включает: компьютерную карту местности с топологически привязанной системой источников выбросов объекта (локальных и площадных), а также объектов окружающей среды, населенных пунктов и др.; экстраполяционные карты рассеяния и распространения контролируемых ЗВ с указанием уровней (изолиний) загрязнения; совмещенную с картами рассеяния и распространения контролируемых соединений систему точек пробоотбора с указанием по вызову текущих и ранее полученных результатов измерений в каждой точке.

Общая схема экспертно-аналитической системы приведена на рис.3.

Материалы выполненных в диссертации исследований легли в основу разработки методических рекомендаций по организации производственного экологического мониторинга на атомных станциях (1.3.3.99.0005-2008), согласованных Ростехнадзором, Федеральным медико-биологическим агентством (ФМБА) России и утвержденных ФГУП концерн «Росэнергоатом». Документ разработан с учетом требований основных нормативных и правовых документов, регламентирующих создание систем экологической безопасности для экологически опасных производственных объектов, содержит общие руководящие указания по созданию и обеспечению функционирования системы производственного экологического мониторинга и устанавливает единые требования как к ее организационной структуре, так и к содержательному наполнению (видам проводимых наблюдений, количеству и расположению точек отбора проб, периодичности отбора проб, приборной и методической базам, обработке и представлению результатов).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По материалам исследований, выполненных по разработке экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения атомных станций, формулируются следующие основные выводы.

СЭМ

Управление и административный контроль за работой

ЭКСПЕРТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА

СТРУКТУРНЫЕ БЛОКИ

Визуализация полей рассеяния и распространения загрязнителей

Оценка достоверности экоаналитического контроля

Аналитическая оценка долговременных тенденций, критических ситуаций

Оптимизация и корректировка системы точек пробоотбора

Управление экоаналитическим контро.

СИСТЕМА ЭКОАНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Управление экоаналитическим контролем, средства обработки и передачи информации

лабораторный комплекс

Лаборатория радиационного контроля. Тест-лаборатория

Мобильный пробоотбор

Экспресс-анализ по групповым признакам (маркерам)

Система учета и хранения проб

Детальный а

Рис.3. Экспертно-аналитическая система экологического мониторинга (функциональная схема)

1. Одной из важных проблем развития атомной энергетики является проблема сертификации объектов атомной промышленности на соответствие современным экологическим стандартам. Несмотря на то, что при нормальной эксплуатации АС снимают часть нагрузки с окружающей среды (избавляя ее от неизбежных при выработке энергии из ископаемого топлива выбросов двуокиси серы и углерода, окислов азота и пыли), необходимыми являются оценка и прогноз изменений состояния среды, в том числе в интересах проживающего в районах расположения АС населения. Это диктуется настоятельными требованиями со стороны общественных организаций, настаивающих на создании системы контроля за воздействием АС на окружающую среду и здоровье человека, и определяет необходимость разработки и внедрения высокоэффективных систем экологического контроля и мониторинга.

2. Объективные трудности, связанные с решением задачи организации и ведения мониторинга традиционным способом наблюдения за изменяющимися абиотическими составляющими экосистем, находящихся в районе расположения АС, определяют необходимость широкомасштабного использования биологических методов, основанных на моделировании процессов, протекающих в экосистемах, с целью идентификации причин изменений состояния экосистем, если они имеют место. В ряде практических случаев эти подходы становятся единственно возможными, поэтому требуют тщательной проработки вопросов, связанных с созданием математического обеспечения мониторинга, а также технологии его практического использования, поскольку сами по себе биологические исследования не дают ответа на вопрос о причинах изменений состояния экосистем. В связи с этим решать задачу идентификации целесообразно в математической постановке, последовательно сопоставляя результаты биологических исследований с результатами количественного химического анализа и радиоэкологических исследований.

3. Достоверная оценка степени воздействия АС на состояние окружающей среды является принципиально возможной только при условии реализации радиально-аксиальной структуры сети отбора проб для проведения их химических, биологических и радиоэкологических исследований. В этом случае появляется возможность реализовать процедуру гибкого реагирования на любые изменения состояния и не только сохранить информационную мощность, но и расширить содержательную сущность регистрируемой в ходе пробоотбора информации.

4. Формирование состояния окружающей среды является сложным процессом, зависящим от различных факторов, многие из которых носят неслучайный характер. В связи с этим осуществить количественную оценку этого процесса параметрическими методами статистической обработки данных, особенно в условиях их ограниченного объема, не представляется возможным. Предложенный алгоритм на основе использования непараметрических статистических методов позволяет решить эту задачу, по-

скольку их асимптотическая эффективность может быть сколь угодно большой, и они приводят к процедурам проверки гипотез с уровнями значимости, которые могут быть определены при любых распределениях генеральных совокупностей. Это делает процедуру оценки надежной, а получаемые результаты - достоверными.

5. В наземных экосистемах на территории района расположения Балаковской АС существуют зоны, в которых могут формироваться области локального загрязнения окружающей среды, поскольку влияние основных предприятий промышленной зоны г. Балаково выходит за пределы установленных для них границ санитарно-защитных зон. В связи с этим более детальное изучение экосистем именно в этих зонах на основе корректировки сети пробоотбора и программы мониторинга с целью повышения его результативности в аспекте идентификации содержательной сущности формирующих данные области процессов (природные, антропогенные или природно-антропогенные) является основным направлением продолжения исследований по данной проблематике.

6. Экосистема водоема-охладителя Балаковской АС испытывает повышенную антропогенную нагрузку, поскольку, попадая в него, токсиканты (включая радионуклиды и укрупненную в результате процесса коагуляции взвесь), нарушают биологическое равновесие, вызывая его изменения. Причем направления этих изменений могут быть различными в зависимости от того, насколько эффективными являются естественные реакции основных компонентов экосистемы водоема-охладителя (высшая водная растительность, гидробионты, бентос), обеспечивающих биологическую очистку (в том числе дезактивацию) воды и депонирование загрязнителей в донных отложениях и носящих характер естественных обратных связей в экосистеме. До тех пор, пока эти связи будут отрицательными, т.е. будут способны компенсировать действие возмущений, экосистема водоема-охладителя будет оставаться устойчивой, не оказывая значимого влияния на состояние других водных экосистем района расположения Балаковской АС (прежде всего - сопредельных).

7. Существующая в филиале ФГУП концерн «Росэнергоатом» «Ба-лаковская атомная станция» система обеспечения ее устойчивого функционирования способна обеспечить и выполнение необходимых условий по охране окружающей среды, поскольку значимые радиационные факторы в пределах установленной зоны наблюдения за АС стабильно отсутствуют. Однако с целью повышения эффективности системы обеспечения экологической безопасности Балаковской АС целесообразным является использование мониторинга для получения в нужном объеме и с требуемой достоверностью информации, необходимой для оценки эффективности мероприятий, направленных на дальнейшее улучшение экологической ситуации как на территории, так и в районе расположения станции с целью корректировки их сроков и содержания.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

- в изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Рязанов C.B. Анализ эффективности мероприятий по модернизации брызгальных бассейнов АЭС / В.А. Хрусталев, М.В. Ульянова, C.B. Рязанов, В.А. Писанец // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. - №1(31). - Вып.2. - С.107-110.

2. Рязанов C.B. Оценка влияния водных организмов на формирование зон повышенного содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях водоема-охладителя Балаковской атомной станции / В.В. Мартынов, C.B. Рязанов, А.Е. Шмелев, А.Ю. Хубецов // Экология урбанизированных территорий. - 2012. - №3. - С.12-13.

3. Рязанов C.B. Фоновый экологический мониторинг состояния окружающей среды в природно-территориальном комплексе в районе расположения Балаковской атомной станции: результаты и анализ / В.Н. Чупис, C.B. Рязанов, В.В. Мартынов // Проблемы региональной экологии. - 2012. - №3. - С.24-30.

- в других изданиях:

4. Рязанов C.B. Мониторинг окружающей среды в районах расположения атомных станций / В.В. Мартынов, C.B. Рязанов, В.Н. Чупис // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч. - Киров: Изд-во ВятГГУ, 2007. - Вып.У. - 4.1. - С.306-309.

. 5. Рязанов C.B. Организация экологического мониторинга атомных станций / В.Н. Чупис, В.В. Мартынов, C.B. Рязанов // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. уч. - Киров: Изд-во ВятГГУ, 2007'. -Вып.У.-Ч.1.-С.309-313.

6. Рязанов C.B. Основные проблемы и пути решения нормализации ионно-солевого состава воды в водоеме-охладителе Балаковской АЭС / В.Г. Чионов, В.М. Кочерьян, A.B. Носов, Л.С. Эрнестова, C.B. Рязанов // Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики: тез. докл. шестой Междунар. науч.-техн. конф. — М.: Росэнергоатом, 2008. - С. 167-169.

7. Рязанов C.B. Радиоэкологический мониторинг водных экосистем района расположения Балаковской АЭС / C.B. Рязанов, E.H. Писаренко, П.Е. Антонов, А.Ю. Хубецов // Теоретическая и прикладная экология. -2009. -№3.-С.31-34.

8. Рязанов C.B. Исследование эффективности алгоритма обработки двумерных массивов данных / В.В. Мартынов, C.B. Рязанов // Исследование сложных технологических систем: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011.-С.70-75.

9. Рязанов C.B. Математическое обеспечение для оценки и прогнозирования влияния техногенных объектов на состояние окружающей среды /

C.B. Рязанов, B.B. Мартынов // Исследование сложных технологических систем: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. - С.100-104.

10. Рязанов C.B. Информационная система обработки данных экологического мониторинга / C.B. Рязанов, В.В. Мартынов, В.Н. Чупис // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. -Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. - С.183-190.

11. Рязанов C.B. Организация экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения атомных станций / С.В.Рязанов // Naukowa mysl informacyjnej powieki - 2012: materialy VIII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji. Volume 26. Ekologia. -Przemysl: Nauka i studia, 2012. - S.55-58.

12. Рязанов C.B. Научно-практические аспекты разработки сети пробоотбора при экологическом мониторинге состояния окружающей среды в районах расположения атомных станций / С.В.Рязанов // Naukowa mysl informacyjnej powieki - 2012: materialy VIII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji. Volume 26. Ekologia. - Przemysl: Nauka i studia, 2012. - S.59-62.

РЯЗАНОВ Станислав Викторович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНАХ РАСПОЛОЖЕНИЯ

АТОМНЫХ СТАНЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Автореферат

Корректор O.A. Панина

Подписано в печать 20.04.2012 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 11

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Рязанов, Станислав Викторович, Саратов

61 12-5/2418

Федеральное бюджетное учреждение «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (ФБУ ГосНИИЭНП)

На правах и^огшси

РЯЗАНОВ Станислав Викторович

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНАХ РАСПОЛОЖЕНИЯ

АТОМНЫХ СТАНЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Специальность 03.02.08 - Экология (в энергетике)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.В. Мартынов

Саратов - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА......................................................................................................................7

1.1. Влияние промышленных предприятий на загрязнение

окружающей среды................................................................................................................................7

1.1.1. Загрязнение атмосферы....................................................................................................................7

1.1.2. Загрязнение поверхностных вод............................................................................................8

1.1.3 Загрязнение подземных вод..........................................................................................................9

1.1.4. Загрязнение почв..................................................................................................................................10

1.2. Постановка задач исследования..................................................................................................13

2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В РАЙОНАХ РАСПОЛОЖЕНИЯ АС..........................................................................................................18

2.1. Организация мониторинга................................................................................................................18

2.2. Программа мониторинга....................................................................................................................24

2.3. Система пробоотбора............................................................................................................................29

2.4. Выводы..............................................................................................................................................................38

3. ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА..........................................................................................................................................39

3.1. Обработка данных пробоанализа..............................................................................................................40

3.2. Визуализация результатов мониторинга..............................................................................50

3.3. Выводы..............................................................................................................................................................55

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА

В ФИЛИАЛЕ ФГУП КОНЦЕРН «РОСЭНЕРГОАТОМ»

«БАЛАКОВСКАЯ АТОМНАЯ СТАНЦИЯ»..........................................................................................57

4.1. Общая характеристика района расположения БалАС............................................57

4.2. Результаты фонового мониторинга 2003-2004 годов................................................58

4.3. Основные результаты мониторинга состояния наземных экосистем (2007-2011 годы)........................................................................................................................................70

4.4. Основные результаты мониторинга состояния водных экосистем (2007-2011 годы)........................................................................................................................................78

4.5. Экспертно-аналитическая система мониторинга........................................................88

4.6. Методические рекомендации по организации производственно-экологического мониторинга на АС............................................ 96

4.7. Выводы..............................................................................................................................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. 105

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных проблем атомной энергетики является проблема создания эффективной системы поддержки программ ее развития. К числу приоритетных задач, решаемых при создании этой системы, относится и задача аттестации объектов атомной промышленности, в том числе атомных станций (далее -АС) на соответствие современным стандартам экологически ориентированного управления промышленными предприятиями. Основная цель этой концепции -обеспечение условий для экологически безопасной эксплуатации предприятий, поскольку имеющийся опыт показывает, что какой бы совершенной ни была экологическая составляющая, природоохранные проблемы всегда возникают и в ряде случаев даже могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций экологического характера. Поэтому, несмотря на то, что при нормальной эксплуатации АС снимают часть нагрузки с окружающей среды (избавляя ее от неизбежных при выработке энергии из ископаемого топлива выбросов двуокиси серы и углерода, окислов азота и пыли), необходимой является оценка состояния окружающей среды, в том числе в интересах проживающего в районах расположения АС населения. Для этого проводится регулярный экологический контроль, основной целью которого является проверка соответствия уровней сбросов и выбросов АС установленным экологическим нормативам. Однако, попадая в окружающую среду даже в разрешенных количествах, загрязняющие вещества постепенно накапливаются в различных ее компонентах, что приводит к нарушению экологического равновесия в различных экосистемах и снижению их адаптационных возможностей. В связи с этим необходимы постоянные наблюдения за состоянием окружающей среды в районах расположения АС. В теории и практике современной науки организация таких наблюдений называется экологическим мониторингом. Основной решаемой при этом задачей является получение исходных данных для изучения протекающих в окружающей среде процессов с целью установления соотношения между качественным и количественным составом загрязнителей, присутствующих в компонентах окружающей среды, и специфической реакцией компонентов на это присутствие. Полученные результаты могут быть использованы для оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды с целью выработки рекомендаций по совершенствованию природоохранной системы в районах расположения АС. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы получения и обработки этих данных для обоснования и реализации различных мероприятий, направленных на снижение воздействия АС на экосистемы, т.е. организации и ведения мониторинга.

Цель работы - разработка экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения атомных станций на основе использования непараметрических статистических методов.

Методы и средства исследования. Работа представляет собой комплекс исследований, направленных на создание системы экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения АС, выполненных с использованием соответствующих разделов теорий систем, измерений, организации производства, вероятностей и математической статистики, математического моделирования на ЭВМ, современных информационных технологий. Экспериментальные исследования и обработка их результатов проведены на образцах проб основных компонентов природной среды (почва, поверхностные воды, донные отложения, снежный покров), отобранных в наземных и водных экосистемах в районе расположения действующей АС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана концепция (обоснованы наиболее значимые конструктивные принципы) организации и ведения экологического мониторинга состояния окружающей среды в районах расположения АС.

2. Обоснован подход к проектированию системы отбора проб основных компонентов природной среды (почвы, воды, донных отложений, снежного покрова, воздуха), обеспечивающей получение информации для достоверной оценки воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду и наглядного отображения ее результатов.

3. Сформирована технология обработки данных мониторинга, основанная на использовании непараметрических процедур статистического анализа, позволяющая оперативно оценивать эффективность мероприятий, направленных на обеспечение экологически безопасного функционирования АС с целью корректировки их содержания и сроков проведения.

Практическая ценность работы состоит в создании научно-методического и информационно-аналитического обеспечения системы экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения АС.

Реализация работы была осуществлена в филиале ФГУП концерн «Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция» и позволила не только подтвердить достоверность основных полученных научных результатов, но и оценить реальный вклад станции в изменение состояния наземных и водных экосистем, находящихся в районе ее расположения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции с междуна-

родным участием «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (г. Киров, 2007 г.), шестой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (г. Москва, 2008 г.), семинаре РЭА / ЭЛЕКТРИСИТЕ ДЕ ФРАНС «Окружающая среда и экологическая политика» (г. Париж, Франция, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Научная мысль информационного века» (г. Пшемысль, Польша, 2012 г.), заседаниях научно-технического совета Федерального бюджетного учреждения «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (г. Саратов) в 2007-2011 гг., общественных слушаниях по проблемам повышения технической эффективности и экологической безопасности Балаковской АС в г. Балаково в 2009-2010 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных трудах, в том числе 3 - в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 104 страницах, списка литературы из 77 наименований, 40 рисунков, 5 таблиц и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 205 страниц.

В связи с изложенным на защиту выносятся следующие положения работы, определяющие ее научную новизну:

- концепция организации мониторинга окружающей среды в районах расположения АС;

- программа экологического мониторинга окружающей среды в районе расположения АС;

- алгоритм обработки результатов мониторинга;

- системы отбора проб основных компонентов природной среды в районе расположения Балаковской АС;

- результаты мониторинга состояния природных экосистем в районе расположения Балаковской АС.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

При выработке стратегии развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации необходимо наряду с техническими аспектами проводить сравнение различных энергоносителей по степени их воздействия на окружающую среду. Это связано с тем, что проблемы защиты окружающей среды рассматриваются как одни из наиболее важных глобальных проблем современности, на фоне которых другие проблемы, в том числе исчерпаемость природных ресурсов, отступают на второй план [1-4].

1.1. Влияние промышленных предприятий на загрязнение

окружающей среды

1.1.1. Загрязнение атмосферы

Характеризуя состояние приземной атмосферы в целом, приходится констатировать, что практически все городское население России проживает в городах, где загрязнение воздушной среды близко к предельно-допустимым концентрациям (хотя бы по одному из ЗВ). Большинство же городского населения (60 млн. чел.) проживает в городах, где средние за год концентрации хотя бы одного из контролируемых веществ превышают предельно-допустимые значения (Г1ДК) [5].

По данным регулярных наблюдений средние ежегодные концентрации взвешенных веществ, диоксида серы, аммиака, фенола, фторида, водорода и формальдегида сероуглерода снижаются, в то время как средние концентрации оксида углерода, оксида и диоксида азота возрастают. К концу XX столетия в целом по городам России средние концентрации диоксида азота и фторида водорода превышали 1 ПДК, сероуглерода, формальдегида и бенз[а]пирена - 2 ПДК и более. На долю техногенных радионуклидов приходится менее 0,5% от их общей концентрации в атмосферном воздухе.

Промышленные и транспортные выбросы внутри страны и трансграничный перенос [6, 7] заметно (в 2-3 раза) повышают средние концентрации свинца, кадмия, пестицидов, углеводородов, оксидов серы и азота и других загрязняющих веществ в атмосфере Европейской территории России (ЕТР) по сравнению с атмосферой менее индустриализованной Азиатской территории России (АТР).

Таким образом, основными источниками техногенного загрязнения, представляющего опасность для населения страны и для устойчивости теплово-

го баланса глобальной атмосферы, являются энергетические отрасли промышленности (тепло- и электроэнергетика на органическом топливе), нефтехимия, химическая промышленность, цветная и черная металлургия, автотранспорт [2]. Предприятия атомной отрасли не оказывают вредного воздействия на качество атмосферного воздуха как в импактных зонах (за пределами промзон), так и на региональном уровне.

1.1.2. Загрязнение поверхностных вод

Анализ динамики качества поверхностных вод на территории Российской Федерации по наиболее характерным для каждого водного объекта показателям с учетом гидрохимической и гидробиологической классификации качества вод, принятых в Росгидромете, показывает, что для большинства водных объектов оно по-прежнему не отвечает нормативным требованиям. Наиболее распространенными ЗВ остались нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые вещества (по БПК5), соединения металлов, аммонийный и нитритный азот, а также специфические ЗВ - лигнин, ксантогенаты, формальдегид и другие. Основные источники загрязнения - сточные воды различных производств, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностный сток с загрязненных водосборов [8, 9].

Фоновое радиоактивное загрязнение рек и озер на Европейской и Азиатской территориях России обусловлено смывом долгоживущих радионуклидов трития и 908г со всей водосборной территории, загрязненной глобальными радиоактивными выпадениями. Содержание радионуклидов на начало 80-х годов

о

XX в. было на уровне 0,2-0,6 Бк/дм , что на 3-4 порядка ниже концентраций, допустимых в питьевой воде. Поэтому присутствие радиоактивного загрязнения в поверхностных водах на территории России не оказывает влияния на состояние природной среды и здоровье населения.

Превышение фоновых концентраций техногенных радионуклидов имеет место лишь на отдельных участках гидрографической сети, на которых расположены крупные предприятия атомной промышленности и энергетики, а также на реках и озерах, которые питаются водным стоком с радиоактивно-загрязненных территорий. Самые большие по сравнению с фоном уровни содержания радиоактивных веществ в поверхностных водах постоянно присутствуют на водных объектах, подверженных влиянию трех крупнейших радиохимических комбинатов - ПО «Маяк» (р. Теча), Сибирский химкомбинат (р. Томь), Красноярский горно-химический комбинат (р. Енисей) [3], а также на реках ЕТР,

водосборные бассейны которых загрязнены выпадениями от аварии на Чернобыльской АС. Причем только воды верховьев р. Теча имеют уровни радиоактивного загрязнения 90Sr, превышающие допустимую удельную активность для воды по санитарно-гигиеническим нормам для населения.

1.1.3. Загрязнение подземных вод

Ухудшение качества и рост загрязнения подземных вод вызвано деятельностью предприятий промышленности (37%), сельского (16%) и жилищно-коммунального (10%) хозяйств, совместным воздействием различных объектов (9%), а также подтягивание некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов (13%). В остальных случаях источник ухудшения качества и загрязнения подземных вод не установлен. Основными веществами, с которыми связано ухудшение качества и загрязнение подземных вод, являются:

- сульфаты и хлориды - (904 очага),

- соединения азота - нитраты, нитриты, аммиак или аммоний (850 очагов),

- нефтепродукты (522 очагов), фенолы (191 очаг),

- соединения железа (648 очагов),

- меди, цинка, свинца, кадмия, никеля, ртути (185 очагов).

Для 28% очагов загрязнение подземных вод изменяется в пределах 10-100 ПДК, для 12% - превышает 100 ПДК. В большинстве случаев ухудшение качества и загрязнение подземных вод носят локальный характер, и ограничивается размерами источника. Из общего количества очагов менее 10% имеют площадь, превышающую 10 км . Наибольшую экологическую опасность представляют ухудшение качества и загрязнение подземных вод на водозаборах питьевого снабжения, включая одиночные эксплуатационные скважины. Подземные воды, используемые для питьевого водоснабжения, содержат до 5 ПДК соединений азота, железа и марганца, сульфатов, хлоридов, нефтепродуктов, фенолов, бария, кадмия, бора, кобальта, бора, ртути, кремния. По экспертным оценкам суммарный расход загрязненных вод и вод низкого качества на водозаборах составляет 5-6% общего количества подземных вод, испо�