Сравнение с существующими поступлениям
Рис. 1. Схема расчета критических нагрузок при поступлении кислотообразующих и звтрофирующих соединений серы и азота в экосистему
Выбор рецептора. Рецептор представляет собой экосистему, актуально и потенциально подверженную загрязнению соединениями серы, азота, тяжелых металлов и/или стойких органических соединений. Характеристика наземной экосистемы как рецептора включает в себя описание типа использования городских земель, климата, принадлежности к биогеохимическому району, типа почвы, типа растительности и т. д. При характеристике водной экосистемы прежде всего учитываются тип водоема (река, озеро или пруд), его трофический статус и гидрохимия. При рассмотрении наземных экосистем важное значение имеет оценка источников загрязнения, например, в городские экосистемы поступление поллютантов происходит с атмосферными осадками (влажными и сухими), с удобрениями, мелиорантами, оросительными водами и другими антропогенными потоками. Аналогичная информация в ряде случаев необходима и для водных экосистем.
Выбор экологических критериев. Выбор экологических критериев (критических концентраций в наиболее чувствительных компонентах рецептора) связан с рассмотрением взаимозависимости между химическими параметрами, характеризующими тот или иной компонент экосистемы (почва, растительность, донные отложения, почвенные, грунтовые или поверхностные воды), и откликом отдельного живого организма или популяции на эти параметры. В соответствии с определением, критическая нагрузка представляет собой поступление полллютанта, не вызывающее необратимых изменений в биогеохимическом круговороте элементов в экосистемах, предотвращая таким образом «значительное вредное воздействие на специфические чувствительные организмы». Следовательно, этот шаг при оценке критических нагрузок представляется одним из важнейших.
Выбор метода расчета. Важное значение имеет выбор нединамической или динамической модели. Нединамические модели более важны при расчете критических нагрузок, поскольку могут предсказать долговременные изменения в биогеохимической структуре как наземных, так и водных экосистем под воздействием антропогенного загрязнения. Например, под воздействием кислых осадков происходит изменение скоростей химического выветривания, уменьшается содержание основных катионов, наблюдается вымывание питательных веществ, возрастание содержания свободного алюминия и тяжелых металлов. Динамические модели необходимы для оценки периода, в течение которого эти изменения произойдут в той или иной экосистеме, что позволит моделировать различные сценарии сокращения поступления поллютантов, например, эмиссии вредных веществ в атмосферу от автомобилей.
Сбор информации для характеристики входных параметров модели. Производится сбор максимально полной информации о биогеохимических циклах различных элементов, о почвенных, геоботанических, геологических, климатических, гидрологических, гидрохимических и других условиях, поступлении поллютантов с различными антропогенными потоками, современном состоянии загрязнения рассматриваемых городских условно-природных и трансформированных наземных и водных экосистем. При этом полезно применение геоинформационных систем.
Расчет критических нагрузок. Расчет критических нагрузок поллютантов осуществляется для всех экосистем в выбранном масштабе с использованием ГИС, позволяющих создавать карты этих величин. Обычно картографирование критических нагрузок выполняется для клеток выбранного масштаба (500 х 500 м; 1 х 1 км; 5 х 5 км и т. д ).
Сравнение с современными выпадениями. Критическая нагрузка поллютантов на данную экосистему сравнивается с экспериментальными или смоделированными величинами их выпадений и иных поступлений. Это позволит рассчитать, насколько критические нагрузки превышены или нет для определенной территории. Такое сравнение осуществляется с использованием ГИС. Рассчитанные величины превышений включаются в эколого-экономические оптимизационные модели для выбора различных сценариев сокращения поступления поллютантов.
3. Исходная информация для расчета КНвключает дигитализированные геологические, почвенные, геохимические, геоботанические, гидрологические, ландшафтные и гидрохимические карты. Для каждого элементарного таксона (минимального выдела) должны быть количественно охарактеризованы основные звенья биогеохимических циклов серы, азота и основных катионов (Са, Mg, К) с использованием данных экспериментальных и мониторинговых исследований в выбранном масштабе. Необходимый набор параметров, входящих в алгоритм расчета и использованных для получения величин критических нагрузок азота, серы и кислотности, показан ниже, и их количественные параметры для городских экосистем различных климатических зон России представлены в таблице 2.
Таблица 2
Входные параметры модели для расчета критических нагрузок кислотности на экосистему
Qrun | - сток избыточного поступления осадков (м3/га/год); т.е. влага, удаляемая из корневой системы |
N td | - суммарные N выпадения, влажные и сухие (NОx + NHx) |
S td | - суммарные S выпадения, влажные и сухие |
BC d | - выпадения основных катионов |
C t | - коэффициент активных температур (отношение суммы температур >5°С к общей годовой сумме) |
C b | - коэффициент биогеохимического круговорота как отношение массы элемента в ежегодном опаде к его массе в подстилке |
C:N | - отношение C:N в верхнем почвенном горизонте |
AMC | - азотоминерализующая способность почв |
CN | - максимально допустимое содержание азота в поверхностных водах |
Wr | - химическое выветривание почвенных минералов (экв/га/год/м почвенного профиля); определяет способность почвы к выветриванию |
D | - верхний активный слой почвы; толщина почвенного слоя |
K gibb | - костанта Гиббса |
N:BC | - отношение N и основных катионов в растительной биомассе; величины, обусловленные типом почвы |
N upt | - годовое поглощение азота |
N i | - иммобилизация почвенного N |
N i* | - иммобилизация N атмосферных выпадений |
N de | - денитрификация почвенного N |
N de* | - денитрификация N атмосферных выпадений |
N u | - поглощение почвенного N |
N u* | - поглощение N атмосферных выпадений |
N 1 | - вымывание N атмосферных выпадений |
BC w | - выветривание основных катионов в рассматриваемом почвенном слое |
Рассмотрим модели для расчета критических нагрузок кислотности на городские экосистемы. Методологические и методические подходы для количественной оценки и картографирования величин критических нагрузок азота, серы и кислотности описаны в соответствующих методических рекомендациях, разработанных при научном обеспечении Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния.
Для определения величины максимальной критической нагрузки по сере используется следующее уравнение:
CLmax (S) = Ctx(BCw - ANC1) + (BCdep -ВСu), (1)
где Сt -гидротермический коэффициент, характеризующий период года с температурой выше 5°С. Рассчитывается как отношение суммы годовых температур выше 5°С к сумме всех годовых температур.
Поглощение основных катионов определяется следующим уравнением:
BCu= Nu*x N/BC (2)
где N/BC _ величина, определяющая соотношение азота и основных катионов в растительной биомассе. Эти величины обусловлены типом почвы. Знак * относится к антропогенным поступлениям элемента в городские экосистемы в отличие от поглощения азота, образующегося вследствие естественно протекающих процессов минерализации почвенного органического вещества.
Выветривание основных катионов рассчитывается исходя из уравнения:
ВСW =WrxD, (3)
где коэффициент Wr определяет способность почвы к выветриванию, а D - толщина почвенного слоя.
Вымывание щелочности определяется уравнением:
Alk le(crit) = - Al le(crit) - Hle(crit) = -Q ([Al]crit + [H]crit ) (4)
где Q - сток избыточного поступления осадков (м3/га/год), т. е. влага, удаляемая из корневой зоны растений. Квадратные скобки означают концентрацию в экв/м3. Отношение между [Н] и [А1] описывается уравнением химического равновесия гиббсита:
[А1] = Kgibb [Н]3, или [Н] = ([Al]/KgibbP)1/3 (5)
где К gibb - гиббситовый коэффициент. Его величина зависит от типа почвы. Чаще всего используется величина К gibb = 300 м6/экв2.
Для того чтобы получить величину критического вымывания щелочности, необходимо определить или критическую концентрацию алюминия [А1], или критическое рН почвы, а затем рассчитать другой параметр согласно уравнению (5).
Сток осадков рассчитывается как количество осадков минус сумма эвапотранспирации лесным пологом, почвенной эвапотранспирации и испарения в корневой зоне растений; данные берутся из соответствующих справочников.
Определив величину минимальной критической нагрузки азота CLmin (N) как
Ndep £ Ni + Nu + Nde = CLmin (N)(6)
можно считать, что весь выпавший азот поглощается почвенными микроорганизмами и включается в состав гумуса, поглощается растениями и денитрифицируется. Величин азота CLmin (N) определяется следующим образом:
CL min = (Ni* + Nu*)x71,4 (6a)
где индекс * означает принадлежность отмеченных величин к допустимым (критическим) величинам выпадений атмотехногенного азота на экосистему.
Нагрузка по питательному азотуопределяется из следующего уравнения:
CLnutr (N) = CLmin (N) + N1 + Nde, (7)
Для количественной оценки величин, входящих в уравнения (6-7), используются следующие методы.
Процессы трансформации азота.
Поглощение азота почвы растительной биомассой определяется следующим уравнением:
Nu = (AMC – Ni - Nde) x Ct, (8)
Поглощение азота атмосферных выпадений рассчитывается исходя из следующего уравнения:
Nu* = Nupt – N u
Минимальные критические нагрузки азота:
CLmin (N) = (N i* + Nu *);
Критические нагрузки питательного азота:
CL nutr (N) = CLmin (N) + N1 + Nde*;
Максимальные критические нагрузки серы:
CL max (S) = Сt х (ВСw - ANC1) + (ВСd - ВСu );
Максимальные критические нагрузки азота:
CLmax (N) = CL max(S) + CLmin (N).
Контрольные вопросы:
1. Общие положения концепции критических нагрузок. Экологическое значение.
2. Схема расчета критических нагрузок.
3. Исходная информация модели. Алгоритм расчета.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; под общ. Ред. С.В. Белова. –М.: Высш. шк., 1999. -448с.
2. Бочкарева Т.Б. Экологический «джин» урбанизации. М.: Мысль, 1988. -268с.
3. Козерук Б.Б. Мониторинг атмосферного воздуха в городах и промышленных центрах Беларуси / Информационный бюллетень №1 (39). –Мн.: «БЕЛНИЦ ЭКОЛОГИЯ», 2003. -48С.
4. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. –М.: Высшая школа. -2001. -510с.
5. Маслов Н.В. Градостроительная экология. –М.: Высш. шк., 2002. -284с.
6. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений 2003г. / БЕЛНИЦ ЭКОЛОГИЯ, 2004 -202с.
7. Охрана природы. Городские экосистемы. Расчет величин критических нагрузок поллютантов на городские экосистемы. –Москва-Смоленск.: Моджента. -2003. -56с.
8. Природная среда Беларуси: Монография / Под ред. В.Ф. Логинова; НАН Беларуси. Ин-т пробл. Использования природ. Ресурсов и экологии: -Мн.: НОООО «БИП-С», 2002. -424с.
9. Самойлов М.В. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / М.В. Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев. 3-е изд. – Мн.: БГЭУ, 2004. -198с.
10. Сенько А. С., Лысухо Н. А., Зубрицкий В. С.. Методические подходы к расчету и картированию критических нагрузок азота и серы на экосистемы Беларуси. // Природопользование. -№4. –2004. –С. 80-85.
11. Степановских А.С. Прикладная экология: охрана окружающей среды: Учебник для вузов. –М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. -751с.
12. Хван Т.А. Промышленная экология. –Ростов-на Дону: Феникс. -2003. -320с.
13. Челноков А.А. Основы промышленной экологии: Учебное пособие. –Мн.: Вышейшая школа, 2001. -343с.
14. Экологические проблемы городов Беларуси и пути их решения / Обзорная информация. / Авт. Челноков А.А., Ющенко Л.Ф., Елизарова Л.В., Фридлянд М.Е. –Мн.: ОДО «ЛОРАНЖ-2», 2001. -44с.
15. Экология города./ А.С.Курбатов, В.Н.Башкин, Н.С.Касимов. –М.: Научный мир. -2004. -624с.
16. Экология города: Учебник. Под общей редакцией Стольберга Ф.В. – К.: Либра, 2000. -464с.