Биогеохимические стандарты и их применение в экологии

ВНИИГАЗ

оценка экологических рисков на основе критических нагрузок
Case studies

наукой, переживает в ряде стран истинный бум, когда многие известные

университеты открывают кафедры и программы по биогеохимии.
При этом изучение фундаментальных механизмов количественной параметризации биогеохимических циклов позволяет вычленить ряд новых направлений развития биогеохимических исследований, на стыке именно фундаментальных и прикладных исследований. К их числу относится и новое направление в биогеохимии –биогеохимические стандарты.
Биогеохимические стандарты – экологические нормативы, основанные на знании, понимании и управлении потоками ЗВ с учетом их миграции в биогеохимических циклах.

обратимых и/или необратимых нарушений природной биогеохимической структуры наземных и водных

экосистем необходимо, чтобы антропогенные нагрузки укладывались в рамки природных колебаний различных звеньев биогеохимических пищевых цепей, что, как правило, должно сопровождаться существенным сокращением этих нагрузок

согласно определению (Nilsson, Grennfelt, 1988; Bashkin, 2002), соответствует максимальному уровню

поступления поллютантов в экосистему, которое не сопровождается необратимыми изменениями в функционировании биоты, биогеохимической структуре экосистемы и ее продуктивности в течение длительного периода времени – до 100 лет и более. Таким образом, оценка величин КН предполагает определение порога поступления загрязняющих веществ в экосистемы, после превышения которого возможны негативные последствия для живых организмов и экосистемы в целом, тогда как ниже данного уровня нарушений и неблагоприятных эффектов не наблюдается. В отличие от традиционных для России и большинства других стран «средовых» показателей, нормирующих концентрации поллютантов в отдельных средах, величина КН является экосистемным показателем.

для экологических ситуаций, когда уровень загрязнения отдельных компонентов экосистем ниже

установленных ПДК, и с экономической точки зрения обосновано более интенсивное использование территорий, которое, однако, не должно привести к загрязнению компонентов окружающей среды выше установленных нормативов. Для условий, когда существующий уровень загрязнения окружающей среды выше установленных нормативных показателей, для оценки допустимой интенсивности воздействия при дальнейшем использовании данных территорий и (или) определения параметров необходимого снижения антропогенных нагрузок используют динамические модели.

рамках исследований по Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие

расстояния (Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution, http://www.unece.org/env/lrtap/) в отношении веществ подкисляющего и эвтрофирующего действия, к которым относятся оксиды азота, присутствующие, в том числе, в эмиссионных выбросах объектов газовой отрасли, разработаны специальные методики расчета величин критических нагрузок.

на установление количественных связей между воздействием конкретных загрязняющих веществ (ЗВ)

и возникающими в результате этих воздействий экологическими последствиями, что особенно важно с точки зрения эколого-экономического обоснования управленческих решений. Количественные показатели, характеризующие допустимый уровень техногенных воздействий тех или иных ЗВ на конкретные экосистемы могут быть установлены на основе экспериментальных или мониторинговых исследований. Это так называемые эмпирические критические нагрузки. Но при проведении региональных исследований для территорий с высоким природным разнообразием более востребованы количественные методы оценки величин КН на основе математических расчетов с привлечением возможностей современных ГИС-технологий.

в токсикологии и химии окружающей среды, связанные с установлением разнообразных

стандартов, типа предельно допустимых концентраций или ориентировочно допустимого содержания поллютантов в различных средах. Эти приемы в основном основаны на моделировании с экспериментальными животными и их результаты зачастую весьма далеки от реальных условий окружающей среды, что делает применение таких стандартов спорным как с экологической, так и экономической точки зрения

основаны на использовании простых биогеохимических моделей масс-баланса элементов (Mapping.., 2004).

При оценке критических нагрузок могут быть учтены те или иные природоохранные приоритеты, определяемые через выбор реципиентов (сохранение конкретных природных объектов) и установление соответствующих биогеохимических индикаторов. В настоящее время при расчетах КН наиболее широко используются эффект-ориентированные модели, которые базируются, во-первых, на представлении об относительном биогеохимическом равновесии, существующем между различными компонентами экосистем при стабильных внешних условиях, а во-вторых, на учете конкретных экологических последствий – эффектов от техногенных воздействий. Это позволяет рассчитать допустимый уровень поступления поллютантов, соответствующий критической концентрации ЗВ в одной из рассматриваемых сред, и выполнить условие сохранения качества тех сред, которые определены как экологически приоритетные для данных условий.

с повышенным поступлением техногенных соединений азота

КН кислотности основан на использовании закона эквивалентов в соответствии с

уравнением
КН (S) max = BCdep + BC w - Cldep - Bcupt - ANC le(crit) , где: BCdep – поступление в экосистему катионов Ca, Mg, K, Na с атмосферными выпадениями; BC w – внутрипочвенное выветривание катионов Ca, Mg, K, Na; Cldep – поступление анионов Cl с атмосферными выпадениями; Bcupt – вынос катионов Ca, Mg, K из почв растительностью за счет корневого питания; ANC le(crit) – критическое вымывание щелочности. Единицы измерения значений всех параметров данного уравнения – грамм-эквивалент на гектар в год (г-экв./га в год).

Критическая нагрузка минимального азота (КН(N)min) - рассчитывается согласно уравнению
КН (N) min = Nim + Nupt, где: Nim – количество азота, ежегодно закрепляемого (иммобилизованного) в почве за счет процессов создания почвенного органического вещества, [г-экв./га в год]; Nupt – азот, аккумулированный в приросте биомассы растительности, [г-экв./га в год].

Критическая нагрузка питательного азота (КН (N)nutr) рассчитывается согласно уравнению
КН (N)nutr = КН (N) min + Nle(acc) / (1 - fde), где: КН (N) min – величина критической нагрузки минимального азота; Nle(acc) – допустимое вымывание азота из почв в почвенно-грунтовые воды; fde – коэффициент денитрификации.

Максимальная нагрузка азота (КН(N)max) рассчитывается в соответствии с уравнением
КН (N)max = КН (N) min + КН (S) max / (1 - fde)

нет превышения критических нагрузок
В белой зоне есть превышения и необходима

оценка экологического риска

расчетными значениями КН(S)max, КН(N)min и КН(N)max:









а - при постоянной величине

денитрификации (угол наклона функции 45o);
б - при параметрах денитрификации, зависящих от поступления азота с атмосферными выпадениями (более пологий наклон функции, определяемый величиной fde).
Серая зона соответствует «парам» уровней выпадений S (Sdep) и N (Ndep), обеспечивающих условия, при которых кислотность почв не будет ниже допустимых критических значений рН

модель расчета КН является статической. В качестве входной информации в

ней, как правило, используются детерминированные показатели (константы и усредненные значения различных параметров) (UBA, 1996; Mapping Manual., 2004). Сезонные, межгодовые и другие краткосрочные динамические изменения при этом не учитываются. При наличии хорошей мониторинговой сети (например, в Европе, где в большинстве стран существует достаточно детальная сеть мониторинговых натурных наблюдений), для расчетов величин КН используются измеренные средние показатели, характеризующие участки территорий с высокой степенью детальности.
Однако при оценках КН для крупных регионов со слабой степенью изученности или сложной природной структурой возникают проблемы, связанные с высокой пространственной вариабильностью природных показателей и повышенной неопределенностью имеющихся данных. Кроме того, детерминированные расчеты не учитывают естественную межгодовую динамику биоклиматических условий, характерную для всех природно-территориальных комплексов, что с позиций выполнения долговременных оценок также повышает неопределенность получаемых результатов (выводов), снижая их значимость для анализа экологических рисков. Возможным решением данной проблемы является использование вероятностных методов расчета КН. В этом случае, для входных параметров уравнений масс-баланса и миграционных потоков по литературным и картографическим данным определяются диапазоны или набор возможных (вероятных) значений, которые включаются в модельные расчеты «случайным образом», используя, например, метод Монте-Карло. Таким образом, для каждой экосистемы (пространственного выдела) выполняется многократное число «прогонов» модели (например, 1000), что позволяет получить диапазон вероятных значений КН, соответствующий сочетанию природных условий конкретной территории. Анализ распределения полученных вероятных значений КН позволяет обосновать интенсивность техногенных нагрузок в зависимости от природоохранных приоритетов и/или экономической целесообразности использования территорий и их природных ресурсов

поллютантов для условной экосистемы

связи с техногенными воздействиями поллютантов предлагается характеризовать величиной вероятности превышений

критических нагрузок, определяющих экологически допустимый порог воздействия на экосистему и рассчитанных в отношении тех или иных экологических ущербов. В этом случае количественные расчеты показателей риска выполняются с использованием метода Монте-Карло, согласно следующей формуле:
Risk = Р(Ех(КН)) = Р(КН – [X]dep)
где, Р(Ех(КН)) – вероятность превышений допустимых воздействующих доз поллютанта (критических нагрузок); КН – величина критической нагрузки, рассчитываемая индивидуально для каждой конкретной экосистемы в отношении конкретного загрязняющего вещества и по отношению к конкретным реципиентам и их специфическим реакциям на неблагоприятное воздействие; [X]dep – актуальный или прогнозируемый уровень поступления поллютанта в экосистему.

рисков

с воздействием атмосферных поллютантов
[X]dep
КН

антропогенным воздействием
Блок-схема
итерационных
мероприятий

на полуострове Ямал

– 50% уровень, В – 75%, С – 95%)
В зависимости

от характера фитоценозов и видов-эдификаторов рассчитанные величины КН азота в отношении эффектов эвтрофирования составляют: - для 50% уровня вероятных значений КН(N)nut – 210-350 г-экв./га в год; - для 75% уровня – 210-700 г-экв./га в год; - для 95% значений – 210-840 г-экв./га в год. Полученные значения соответствует допустимому поступлению с атмосферными выпадениями от 3-5 до 10-12 кг N/га в год, что выше существующих в настоящее время показателей атмосферной поставки азота.

В – 75%, С – 95%)
Полученные значения КН(S)max отражают характерный

для тундровых экосистем пониженный потенциал в отношении устойчивости к кислотной составляющей атмосферных выпадений. Согласно минимальным оценкам (уровень 50% вероятностных значений), рассчитанные величины КН(S)max в 30 км зоне от объектов БГКМ соответствуют допустимому поступлению 50-100 г-экв./га в год кислотообразующих соединений. Значения КН, соответствующие показателям 75% и 95%, выше, но не превышают значения 280 г-экв./га в год, что сопоставимо с поступлением около 3.5-4 кг серы и/или азота и соответствует современным значениям суммарной поставки этих элементов с атмосферными выпадениями.

экосистемы на разных этапах освоения БГКМ
Сценарии эмиссии оксидов азота технологическими

установками БГКМ соответствуют их поэтапному вводу согласно планам разработки месторождения (Самсонов, 2007). Оценка уровней поступления азота в наземные экосистемы с атмосферными выпадениями выполнена с использованием модели рассеивания NOx от точечного источника (УКПГ) на основе данных суммарных выбросов NO и NO2, подготовленных в ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Детальность пространственного моделирования – полигоны 1х1 км, соответствующие полигонам модельных расчетов КН.

зоне воздействия БГКМ при поэтапном вводе технологических установок
На всех этапах

большая часть рассматриваемой территории характеризуется отсутствием превышений КН(N)nut, рассчитанных для наиболее чувствительных к азотному загрязнению олиготрофных видов – лишайников и мхов. Высокие риски эвтрофирования прогнозируются для экосистем вблизи БГКМ после ввода в эксплуатацию дожимных компрессорных станций.

в районах Крайнего Севера на основе критерия риска

рисков от загрязнения ОС кислотообразующими соединениями