Moskva, Moscow, Russian Federation
631.6
68.31
35.00.00
4
5607
TEC003000
Various methods of assessing geo-ecological risks that can be used to assess the negative consequences of various types of economic activity are considered. The influence of natural factors on the processes of formation of diffuse runoff of pollutants is estimated. When analyzing and assessing the geoecological risk of diffuse runoff from agricultural and reclaimed lands to water bodies, it is proposed to use a number of normative indicators. The geoecological risk ranking for the main biogenic pollutants coming from diffuse runoff from agricultural and reclaimed lands has been carried out. It has been established that the critical levels of geoecological risk for various pollutants should not exceed: for the main macro components, no more than 25% of the MPC and MPC, and for total nitrogen – no more than 10%. Dependencies on the assessment of prevented ecological and economic damage to water resources as a result of the discharge of pollutants into them are proposed.
water bodies, geo-ecological risk, environmental damage, agricultural and reclaimed lands, diffuse runoff
Введение. В настоящее время водосборные бассейны являются объектами пристального внимания и изучения многих ученых-исследователей, поскольку в результате высоких антропогенных нагрузок на этих территориях обострились проблемы ухудшения качества речных вод и экологического состояния водных объектов. Особое внимание в этой проблеме занимают вопросы изучения и оценки поступления точечных и диффузных загрязнений, вызванных сельскохозяйственной и мелиоративной деятельностью на водосборных территориях. Это в свою очередь, связано с ухудшением экологических условий водных объектов и экологического равновесия речных бассейнов в результате поступления и сбросов в речную систему диффузных загрязнений [9].
Следует отметить, что наиболее уязвимыми оказываются малые водосборные бассейны Европейской территории России, для которых весьма существенным оказываются масштабы диффузного загрязнения и увеличивается вероятность геоэкологических рисков их поступления в водные объекты. Сельскохозяйственная и мелиоративная деятельность в границах водосборных территорий оказывает влияние на загрязнение речной воды такими загрязнителями как биогенные вещества, азот, фосфаты и другие химические элементы [10].
Цель исследований заключается в оценке геоэкологических рисков поступления диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых территорий в водные объекты.
Методология исследований базируется на основных положениях системного анализа, теории управления сложными системами, теории вероятности, качественных и количественных оценок геоэкологических рисков и экологических ущербов [2, 4, 17].
Материалы исследований. Обеспечение и сохранение экологической безопасности окружающей среды является одной из приоритетных проблем нашего времени. Важными элементами обеспечения экологической безопасности в области мелиорации и вопросов природопользования являются анализ, оценка и прогноз изменения состояния окружающей среды и связанные с ними возможные опасности и риски возникновения негативных последствий антропогенной деятельности. В последние годы активно проводятся исследования по оценке рисков на объектах природопользования, однако единая теоретическая и методологическая база исследований по этой проблеме разработана недостаточно полно. Одним из важных задач в этой проблеме является оценка вероятности возникновения экологического риска и экологического ущерба, который наносится окружающей среде и, прежде всего, водным объектам, как наиболее динамичному фактору экологического состояния [5].
В общих вопросах мелиорации и при проектировании и эксплуатации мелиоративных систем для количественной оценки возникновения и развития негативных процессов предлагается использовать понятие геоэкологического риска, под которым «понимается вероятностная мера опасности или вероятность нарушения устойчивости окружающей среды при любых воздействиях на нее хозяйственной деятельности» [6].
Величина геоэкологического риска включает такие показатели как вероятность возникновения экологических опасностей и их реализацию, и величину ущерба при проявлении этих опасностей. В такой постановке геоэкологический риск (Rг) выражается следующей зависимостью [3, 13]:
, (1)
где: Р – вероятности возникновения негативных экологических процессов и последствий и их ущербов (U); k – вес фактора (весовой коэффициент); i, j – количество факторов.
Геоэкологические риски оценивают различными методами, среди которых наиболее известными являются вероятностные методы (Монте-Карло, Байеса), методы математического моделирования, экспертные методы, статистические методы, аналитические методы, использование балльных оценок, методы упорядочивания (ранжирования) и другие. Поскольку риск это понятие вероятностное, то в условиях неопределённости наиболее эффективным методом можно считать критерий Байеса, значения которого определяются выражением [7, 8]:
, (2)
где: еij ‒ элементы матричной таблицы рисков; Pj ‒ распределение вероятностей изменений состояний факторов риска; n ‒ общее число состояний факторов риска.
Общие понятия экологической безопасности и геоэкологического риска тесным образом связаны между собой, а степень их взаимосвязи (В) можно оценить, как:
, (3)
где: – уровень суммарного риска возникновения негативных последствий мелиоративной деятельности ; – весовой коэффициент ущерба от возникновения соответствующего геоэкологического риска.
В основе обеспечения, сохранения и повышения экологической безопасности лежит система управления геоэкологическими рисками, которая представляет собой разработку комплекса природоохранных компенсационных мероприятий по снижению геоэкологических рисков на основе расчетов экологических ущербов или потерь от воздействия сельскохозяйственной и мелиоративной деятельности.
Результаты исследований и их обсуждение. Особое внимание ученые уделяют проблеме ухудшения качества водных объектов и речных бассейнов за счёт попадания диффузного стока загрязняющих веществ как результата хозяйственной деятельности на водосборных территориях, для которых особенностью его формирования является недостаточно очищенные биогенные загрязнители или отсутствие централизованных очистных сооружений. Основными источниками биогенного загрязнения являются сельсхозяйственные угодья и мелиоративные объекты, расположенные на водосборных территориях и пойме рек, а основными загрязняющими элементами являются азот, фосфор и калий и др. К сожалению, все нормативно-методические документы, которые имеют непосредственное отношение к расчетам диффузного стока, находятся вне системы экологического мониторинга, контроля и водоохраны.
Следует отметить также, что на процессы формирования диффузного стока загрязняющих веществ влияют следующие природные факторы:
– физико-географические условия (атмосферные осадки, испарение с поверхности воды и почв, запасы снега, интенсивность снеготаяние и т.д.);
– почвенные условия (тип почв, содержание запасов гумуса, гранулометрический состав почв и пород зоны аэрации, влажность почв и т.д.);
– геоморфологические условия (рельеф водосборной территории, абсолютные и высотные отметки и т.д.);
– гидрографические условия (наличие поверхностного стока, уклон водосборной территории, залесённость и заболоченность водосбора);
– гидрогеологические условия (уровень грунтовых вод, фильтрационные и емкостные характеристики насыщенно-ненасыщенной зоны);
– биологические особенности естественной растительности и выращиваемых сельсхозяйственных культур.
Главными признаками, которые могут свидетельствовать о диффузном загрязнении на водосборных территориях, являются наличие загрязнителей в водном объекте и речной воде, которое можно оценить, как по визуальному появлению загрязнения на поверхности воды, так и по результатам непосредственных инструментальных измерений воды и почв.
Основной механизм поступления загрязняющих веществ от диффузного стока – это с поверхностным стоком, который включает внутрипочвенный и почвенно-грунтовый сток. Оценку выноса биогенных веществ по различным показателям с использованием эмпирических зависимостей и расчётам можно оценить по результатам моделирования с использованием ГИС-технологий, на картах которых выделяются зоны различной степени интенсивного поверхностного смыва и активные области проявления эрозионных процессов [11, 16].
При анализе и оценке геоэкологического риска поступления диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых земель на водные объекты целесообразно использовать следующие нормативные показатели [14]:
‒ геоэкологический риск минимального уровня (пренебрежительный приемлемый риск), который определяется как 1% от предельно-допустимого геоэкологического риска и не требует никаких природоохранных мероприятий по его снижению;
‒ приемлемый геоэкологический риск, который оправдан с точки зрения экологических, экономических и социальных условий для данного бассейна и только в отдельных случаях проводятся природоохранные мероприятия по его снижению;
‒ предельно-допустимый геоэкологический риск, который представляет собой максимальный риск и который не должен превышаться для данного речного бассейна.
‒ неприемлемый риск высокого уровня, при котором необходимо проводить экстренные и превентивные мероприятия по снижению негативных последствий на водосборных территориях.
Ранжирование (или упорядочивание) геоэкологического риска, связанного с поступлением загрязнителей в водный объект от поступления биогенных веществ и других загрязнителей с поверхностным и дренажным стоками, целесообразно проводить по следующим уровням [12]:
– экологически безопасный (до ПДК);
– экологически допустимый (0,10…0,25 ПДК);
– экологически недопустимый ( > 25 ПДК) .
Результаты ранжирования и оценки уровней геоэкологического риска за счёт диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых земель показаны в таблице.
Таблица ‒ Оценка геоэкологического риска за счёт диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых земель
|
№№ п/п |
Основные загрязняющие вещества, поступающие с диффузным стоком с сельскохозяйственных земель |
Оценка (уровни) геоэкологического риска |
||
|
Допустимый уровень (безопасный) |
Предельно-допустимый (опасный) Превышение ПДК, ПДС, % |
Недопустимый (критический) Превышение ПДК, ПДС, % |
||
|
1. |
Сульфаты, хлориды, катионы жесткости (Са2+, Mg2+, K+, Na+), мочевина и другие химические соединения с ПДКрх ≥ 40 г/м3 |
ПДК, ПДС |
20…25 |
> 25 |
|
2. |
Нитраты, кальций фосфорнокислый и другие химические соединения с 5,0 ≤ ПДКрх < 40,0 г/м3 |
ПДК, ПДС |
15…20 |
> 20 |
|
3. |
Взвешенные вещества |
ПДК, ПДС |
15…20 |
> 20 |
|
4. |
БПКполн, гуминовые кислоты и другие химические соединения с 2,0 ≤ ПДКрх < 4,0 г/м3 |
ПДК, ПДС |
10…15 |
> 15 |
|
5. |
Азот общий, алюминий, фосфор общий, железо общее, аммония-ион, ацетонитрил, бензол, диметилацетомид, карбомол, метазин, нитрат аммония (NH4+), сероуглерод, сульфонол, сульфат аммония (NH-), толуол, гексан и другие химические соединения с 0,5 ≤ ПДКрх ≤ 2,0 г/м3 |
ПДК, ПДС |
5…10 |
> 10 |
Как следует из структуры геоэкологического риска, важной и неотъемлемой его составляющей является понятие экологического ущерба, которое связано с ухудшением экологического состояния отдельного природного компонента (атмосферы, почвы, водного объекта, биоресурсам и т.д.), что приводит к соответствующим экономическим потерям.
В настоящее время оценка экологического ущерба может проводится в соответствии с методикой определения предотвращённого экологического ущерба, позволяющая оценить величину предотвращённого экологического ущерба как отдельным природным компонентам (водные ресурсы), так и в виде интегрального (суммарного) экологического ущерба. Кроме этого используется и методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства.
Оценка величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения водного объекта проводится на основе региональных показателей удельного ущерба, которые представляют собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведённой массы загрязняющих веществ. Расчётная формула для оценки эколого-экономического ущерба имеет следующий вид [1]:
где УВпр ‒ эколого-экономическая оценка величины предотвращенного ущерба водным ресурсам в рассматриваемом r-том регионе (далее ‒ предотвращенный ущерб), тыс. руб./год; 
‒ показатель удельного ущерба (цены загрязнения) водным ресурсам, наносимого единицей (условная тонна) приведенной массы загрязняющих веществ на конец расчетного периода для j-го водного объекта в рассматриваемом r-том регионе, руб./усл. тонну; 
‒ приведенная масса сброса загрязняющих веществ в водные объекты рассматриваемого региона, соответственно, на начало и конец расчетного периода, тыс. уcл. тонн; 
коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек; JД индекс-дефлятор по отраслям промышленности, устанавливаемый Минэкономики России на рассматриваемый период и доводимый до территориальных природоохранных органов.
В качестве интегральной оценки экологической безопасности предлагается использовать величину суммарных экологических ущербов, которые определяются как:
, (5)
где: Uа,, Uв,, Uз,, Uб, Uдр ‒ величина ущербов, определенных соответственно атмосферному воздуху, водным ресурсам, земельным ресурсам, биоресурсам и другие виды ущерба; Кэз ‒ корректировочный коэффициент, учитывающий экологическое состояние территории.
Порядок вычисления размера экологического ущерба, причинённому водному объекту сбросом вредных загрязняющих веществ в составе сточных или дренажных вод, может определяться по формуле [15]:
(6)
где: У – размер вреда, тыс. руб.; КВГ – коэффициент, учитывающий природно-климатические условия в зависимости от времени года; КВ – коэффициент, учитывающий экологические факторы (состояние водных объектов); КИН – коэффициент индексации, учитывающий инфляционную составляющую экономического развития; Нi – таксы для исчисления размера вреда от сброса i-го вредного (загрязняющего) вещества в водные объекты, тыс. руб./т; Мi – масса сброшенного i-го вредного (загрязняющего) вещества (определяется по каждому загрязняющему веществу); КИЗ – коэффициент, учитывающий интенсивность негативного воздействия из вредных (загрязняющих) веществ на водный объект.
На основе расчета эколого-экономических ущербов необходимо разрабатывать систему природоохранных мероприятий по оценке снижения диффузного загрязнения, среди которых наиболее эффективными можно считать гидромелиоративные, агромелиоративные, агротехнические и организационно-хозяйственные мероприятия [10].
Заключение. Основой сохранения и повышения экологической безопасности водных объектов является система анализа и оценки геоэкологическими рисками, позволяющая в значительной степени оценить размеры экологических ущербов на водосборных территориях, где осуществляется сельскохозяйственная и мелиоративная деятельность. Рассмотрены зависимости по оценке предотвращенных эколого-экономических ущербов водным ресурсам в результате сброса в них загрязняющих веществ. На основе экспертных оценок и статистических данных проведено обобщение и получены количественные величины геоэкологического риска за счет поступления диффузного стока с сельскохозяйственных и мелиорируемых земель на водные объекты. Установлено, что критические уровни геоэкологического риска для различных загрязнителей не должны превышать: по основным макрокомпонентам не выше 25% от ПДК и ПДС, а для общего азота – не более 10%.
1. Temporary methodology for determining the prevented environmental damage. – M. – 1999. – 60 p.
2. Karpenko N.P. Geoecological risk: analysis, assessment, management. Monograph. – Germany. – Palmarium Academic Pablishing. - 2014. – 145 p.
3. Karpenko N.P. Structure and assessment of geoecological risks // Environmental management. - 2009. – No. 3. – pp.45-50.
4. Karpenko N.P. Fundamentals of diagnostics of the formation of negative consequences under anthropogenic loads for the management of geoecological risks. – Materials of the international scientific and practical conference "Land reclamation and problems of restoration of agriculture in Russia" (Kostyakovsky readings), March 20-21, 2013. – Moscow: VNIIA Publishing House. – 2013. – pp. 289-293.
5. Karpenko N.P. Assessment of the geoecological situation of river basins based on attributive indicators and generalized geoecological risks // Environmental management. – 2018. – No. 2. – pp.15-22.
6. Karpenko N.P., Manukyan D.A. Geoecological risk management – the basis of environmental safety of the functioning of reclamation systems // Bulletin of the RAS. – 2010. – No. 6. – pp. 63-65.
7. Labsker L. G., Babeshko L.O. Game games in economic and business management. – M.: Delo. – 2001. – 205 p.
8. Kireicheva L.V., Karpenko N.P., Yashin V.M., Yalalova G.H. Methodological recommendations for assessing geoecological risks in the design and operation of irrigation systems. – M.: VNIIGiM. – 2018. – 80 p.
9. Kireicheva L.V., Lentyaeva E.A., Timoshkin A.D., Yashin V.M. Assessment of diffuse pollution from agricultural territories in the Upper Volga basin and development of measures to reduce it on the example of the Yakhroma River // Water Resources. – 2020. – Vol.47. – No. 5 – pp. 523-535.
10. Kireicheva L.V., Lentyaeva E.A., Suprun V.A. Methodological recommendations on the justification of measures to reduce diffuse pollution of water bodies. – M.: VNIIGiM. – 2019. – 60 p.
11. Kireicheva L.V., Yashin V.M., Timoshkin A.D. Assessment of the removal of nutrients from the catchment area of the small river and measures to reduce it // Ecology and industry of Russia. - 2022. –Vol. 26. – No. 6. – From 53-59.
12. Methodological recommendations for assessing geoecological risks under various scenarios of anthropogenic impacts on water bodies / Under the general editorship of L.V. Kireicheva. – M.: VNIIGiM named after A.N. Kostyakov, 2019. – 24 p.
13. Manukyan D.A., Karpenko N.P. Issues of geoecological risk management in meliorative systems // Melioration and water management. - 2010. – No. 5. – pp. 26-29.
14. Manukyan D.A., Karpenko N.P. Ecological safety of functioning of technoprirodic systems: state, problems and solutions. – Monograph. – M.: MGUP. – 2007. – 294 p.
15. Methodology for calculating the amount of damage caused to water bodies as a result of violation of water legislation. – M.: 2009. References– 38 p.
16. Ragozin A.L. Assessment and mapping of hazards and risks from natural and techno-natural processes (history and methodology) // Problems of safety in emergency situations. – M.: VINITI. – 1993. – From 16-41.
17. Environmental risk. Analysis, assessment and forecast. – Irkutsk. – 1998. – 148 p.
