К экономической оценке опасности природных и техногенных катастроф

Ущерб от катастрофических явлений природного и техногенного характера неуклонно увеличивается: число пострадавших от них увеличивается ежегодно примерно на 6 %. Интенсификации опасных природных процессов способствуют демографический взрыв современности, различный уровень развития, недостаточность средств на профилактику опасных явлений, коммуникационное разобщение многих стран и др. факторы.

Крупные катастрофы, генерирующие наводнения, штормы, засухи и землетрясения составляют, соответственно, 32, 30, 22 и 10 процентов от общего количества. Природные явления наиболее опасны для горных регионов и крупных городов. В результате синергетических или многоступенчатых катастроф природные катастрофы инициируют технические катастрофы и наоборот (рис.1). Так, даже техногенные землетрясения сопровождаются разрушением зданий, сходом оползней и лавин, ураганами и т.д. Величина только прямого экономического ущерба от природных опасностей в России превышает 2 млрд. долл. в год.

Рисунок 1. Взаимодействие катастроф

Для своевременной профилактики последствий катастроф необходима методика оценка их опасности с учетом максимально большего взаимодействующих факторов [1-3].

Вероятность катастроф в гористом регионе определяется количеством и качеством поражающих факторов, а также временем их действия. При миграции вещества во взвешенном состоянии, газы или пары проникают в почву, воздух или воду, или непосредственно воздействуют на живое вещество. Выветривание и выщелачивание минералов и отходов их переработки производства формирует потоки загрязненных вод, вследствие чего в почвах, подземных и поверхностных водах формируются ореолы загрязнения [4].

Время наступления катастрофы прогнозируют из условия, что увеличение скорости воздействия фактора до значений, превышающих обычную скорость в 3-4 раза, происходит за время, составляющее 0,7-0,8 периода до стадии прогрессирующего деформирования.

Ежегодно на Земле регистрируются сотни тысяч естественных землетрясений. Природные и техногенные объекты существуют в поле напряжений, вызванных естественными и техногенными землетрясениями. Поскольку для любого объекта существует резонансная частота колебаний, он находит «свое» землетрясение и в резонансном режиме реагирует на него. Между резонансной частотой и скоростью развития геодинамических процессов установлена коррелятивная взаимосвязь [5].

Наибольшую опасность на всех стадиях существования представляют процессы горного производства (рис.2).

Рис унок 2. Схема влияния горного производства на окружающую среду

В рамках комплексной охраны природы приоритетное значение обретает проблема оценки влияния природно-техногенных систем на безопасность жизнедеятельности общества.

При переносе вредных веществ в гомогенных средах действует полуэмпирическая теория атмосферной и гидрологической дисперсии, включающая физико-математические модели переноса вредных веществ и методы их реализации. Однако, полуэмпирическая теория атмосферной и водной дисперсии является идеализированной, поэтому расчеты на ее основе нуждаются в уточнении, учитывая особенности геосфер.

В атмосфере концентрация загрязнителей описывается моделью диффузии:

г с ^ сс     г с   гиг с ) ( н 1 гиг с ) _

U+ V+ W = I Dy1 + 1I    \ Dx1 + Q гx гx      гx   гy ( y гy J  ^ н - zg J гz»(   гy J где U – динамическая скорость; V – горизонтальная составляющая скорости ветра; W1 – вертикальная составляющая скорости ветра; C – концентрация загрязнителей; H – высота распространения загрязнителей; Dy – коэффициент горизонтальной диффузии; x, y, z – декартовы координаты; Q – конвективный тепловой поток от поверхности земли в атмосферу.

В гидросфере распространение воздействий описывается моделью:

dC   dC   dC   d ² C   d ² C   d ² C  dC

Vx~t ⁺ Vy^T ⁺ V  - Di. - d j - Dz^J = - F?

dx    dy    dz     dx2     dy2     dz2    dt где x, y, z – продольная, поперечная и вертикальная координаты; Vx, Vy, Vz – компоненты скорости распространения по координатам; Dx, Dy, Dz – коэффициенты турбулентного распространения по осям; С – концентрация загрязнителя; t – время транспортирования загрязнителя.

Нами предложена модель, учитывающая особенности горного региона [6]:

dC dC          d ² C

+ V = К I D   2- dt cp dx              y dy 2

—

K 1 C ] • t

где C – интенсивность воздействия загрязнителей на экосистемы региона; Vcp – средняя скорость воздействия загрязнителей на экосистемы; Dy – коэффициент диффузии загрязнителей в рамках региона; Кп – коэффициент влияния факторов возникновения природных катастроф; К1 – коэффициент восприимчивости экосистем региона к воздействию; t – продолжительность процессов загрязнения экосистем.

В литосфере применен подход, который скатывающуюся со склона частицу представляет в виде геометрически правильного тела, испытывающего влияние ударов о подстилающую поверхность и трения.

Уравнение движения породной отдельности:

dV

M—x = G siny — FT dt                т dVy

M—- = N — G cosy dt dto

J 0 _dt

= F _T R — N f * ,

где M – масса скальной отдельности; G –вес скальной отдельности (G = M/g); dVx и dVy – компоненты скорости центра массы тела; Fr - сопротивление трению скольжения; ^ - угол наклона поверхности движения; N – сила реакции опорной поверхности; ю - скорость вращения тела вокруг центра массы; R – радиус приведенного цилиндрического граненого тела; J0 – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр; f - коэффициент трения качения.

Вероятность возникновения катастрофических оползневых зон:

Р - 2 F.

t.F , где SFa - площадь оползней в t - лет в пределах опасной зоны площадью F.

Математическая модель техногенного катастрофического поражения окружающей среды увязывает все процессы в окружающей среде:

Хт=КОп,Ос^л =

= S Е ЕЕ[(2_а + бг + Qn¥ka\- а^‘ »=1р=1о=1/=1

\Кс-КуКдКбКвК^

где Y – потенциал техногенного катастрофического поражения; Оп – количество промышленных отходов, вес. ед.; Ос – количество сельскохозяйственных отходов, вес. ед.; S - количество загрязнителей, мигрирующее из отходов в окружающую среду; a – концентрация загрязнителей, вес. ед. /ед. объема; Т – время, ед. времени; n – количество предприятий по переработке отходов; Р – количество загрязняющих компонентов в отходах; О – количество операций технологической переработки; Qа, Qг, Qл – количество загрязнителей в атмосфере, гидросфере и литосфере; a1, a2 – исходная и конечная концентрация загрязнителей в отходах; Кс – коэффициент самоорганизации загрязнителей в местах скопления; Ку – коэффициент утечки загрязнителей в окружающую среду; Кд – коэффициент дальности миграции загрязнителей; Кб – коэффициент влияния загрязнителей на биосферу; Кв – коэффициент вероятности наступления катастрофы со временем; Кн – коэффициент риска наступления катастрофы от неучтенных факторов.

Модель природного катастрофического поражения окружающей среды увязывает процессы в геосферах с учетом взаимной интенсификации:

Х.-^С.-ЕсЗ^- т м р t Г                             1

= Z 2 2 2 te/ Q/ Q) Л1 К. К. К. К.

т=1 л/=1 р=\ f=12

где Yп – потенциал природного катастрофического поражения; Cd – количество сейсмических явлений с деградацией экосистем; Ес – энергия, физ.

ед.; Зd – площадь деградированной земной поверхности; Т – время; n – номенклатура сейсмических проявлений с деформированием литосферы; м – количество изменений в экосистемах окружающей среды; р – количество работ по ликвидации последствий катастроф; Qа, Qг, Qл – факторы поражения системам атмосферы, гидросферы и литосферы; Рз – количество работ по компенсации ущерба земле; Кп – коэффициент точности прогнозирования наступления катастрофы; Кб – коэффициент влияния загрязнителей на биосферу; Кв – коэффициент вероятности наступления катастрофы со временем; Кн – коэффициент риска наступления катастрофы от неучтенных факторов.

Интегральная модель совокупного природного и техногенного катастрофического поражения окружающей среды увязывает все процессы, причинно связанные друг с другом:

= +

g

#1=1 р=1 0=1 < = 1

где Y u - потенциал интегрального поражения окружающей среды; Q – объем подверженного катастрофе участка Земли; 2 - количество агентов воздействия на окружающую среду; Е – энергия сейсмических явлений, физ. ед.; Т – время, ед. времени; n – количество факторов поражения среды; р – количество работ по ликвидации последствий катастроф; Q_а, Q_г, Q_л – количество загрязнителей в атмосфере, гидросфере и литосфере; Р_з – количество работ по компенсации ущерба земле; К_у – коэффициент усиления воздействия на среду; К_п – коэффициент влияния загрязнителей на биосферу; К_в – коэффициент вероятности наступления катастрофы со временем; К_т – коэффициент точности прогнозирования наступления катастрофы; К_н – коэффициент риска наступления катастрофы от неучтенных факторов.

Величина риска катастроф является функцией ряда переменных [7, 8]:

Р = f АРл-Рв-Рву-С?

где f - фактор, различный для разного рода катастроф; РЛ – количество катастроф предшествующих лет; РВ – вероятность возникновения разрушительных процессов при катастрофе; РВу – внешние условия (плотность населения, характер построек и т.д.); С – последствия катастрофы.

Интегральной оценкой последствий воздействия на природную среду является его стоимостное выражение [8]:

n

m

V , = У V + У V + У V ,

«У общ .     Z-^-У инж j-^-У экол.    Z—i «У соц?

n = 1          m = 1          К=1

где n, m, k – число последствий одного вида; У – ущерб материальный, экологический и социальный.

Эффективность охраны окружающей среды определяется соотношением последствий катастроф в денежном выражении и затратами по профилактике и предупреждению их возникновения и развития [10, 11]:

я3=f f f i: [(en + Qc + а )• (^ ■ ск - р„ ■ с,,)]- к,кпкткн n=\p=Ac=\t=A где Пэ – прибыль от использования технологий защиты среды; 2 - количество факторов воздействия на среду; Т – время, ед. времени; n – количество факторов поражения среды; р – количество работ по ликвидации последствий катастроф; Qа, Qг, Qл – количество загрязнителей в атмосфере, гидросфере и литосфере; Рк– количество работ по компенсации ущерба окружающей среде; Ск – стоимость работ по компенсации ущерба; Ро – количество работ по охране окружающей среды; Ск – стоимость работ по окружающей среды; Ку – коэффициент усиления воздействия на среду; Кп – коэффициент влияния загрязнителей на биосферу; Кв – коэффициент вероятности наступления катастрофы со временем; Кт – коэффициент точности прогнозирования наступления катастрофы; Кн – коэффициент риска наступления катастрофы от неучтенных факторов.

Выводы:

• 1.    Прогнозирование катастроф, кроме ранжирования опасных компонентов и прогноза изменения состояния экосистем, должна включать в себя экономическую оценку технологий рационального использования ресурсов.

• 2.    Интегральная математическая модель совокупного поражения окружающей среды увязывает причинно связанные друг с другом процессы, происходящие в геосферах, в том числе: возникновение, транспортирование и депонирование мобильных загрязнителей и развитие геодинамических явлений в массивах.

• 3.    Уменьшение опасности возникновения, течения и последствий катастроф обеспечивается применением природоохранных технологий, использующих свойства экосистем и природных ресурсов.

• 4.    Эффективность охраны окружающей среды определяется соотношением последствий катастроф в денежном выражении и затратами на профилактику их возникновения и развития.