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:

CL_max (S) = Ctx(BCw - ANC₁) + (BCdep -ВСu), (1)

где С_t -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= N_u*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:

ВС_W =WrxD, (3)

где коэффициент W_r определяет способность почвы к выветриванию, а D - толщина почвенного слоя.

Вымывание щелочности определяется уравнением:

Alk _le(crit) = - Al _le(crit) - H_le(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] = K_gibb [Н]³, или [Н] = ([Al]/K_gibbP)^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 CL_min (N) как

Ndep £ Ni + Nu + Nde = CL_min (N)(6)

можно считать, что весь выпавший азот поглощается почвенными микроорганизмами и включается в состав гумуса, поглощается растениями и денитрифицируется. Величин азо­та CL_min (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:

CL_nutr (N) = CL_min (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.