Методология оценки потерь энергетического потенциала компонентами окружающей среды в сопоставлении с результатами функционирования угледобывающих предприятий

В последние годы в литературе, касающейся вопросов экологии при добыче угля, встречается словосочетание - “экологически чистые технологии”. Не стоит заблуждаться, на сей счет: экологически чистых технологий в горнодобывающей отрасли нет и создать их невозможно, так как здесь антропогенному воздействию подвергается все компоненты окружающей среды, включая и часть литосферы. Уменьшение запылённости, выбросов выхлопных газов или размещение вскрышных пород в выработанном пространстве карьеров, последующая рекультивация не приводит горное производство к числу “экологически чистых”. Как отмечено в [1], для создания таких предприятий - “... природоохранная деятельность должна иметь своим конечным результатом сооружение некоего саркофага”... Несостоятельна и точка зрения о способности природы к самоочищению при условии, что уровень загрязнения не будет превышать установленного минимального предела. Согласно [2], в природе идет процесс частичной трансформации загрязнителей в менее вредные или, наоборот, в еще более канцерогенные вещества и их распределение, то есть разбавление в природной среде. Нарушение эпохально сложившихся равновесий в литосфере и выбросы отходов приводят к постепенному накоплению загрязнений и к инерционной деградации экосистем. В результате прямые и наиболее мощные воздействия современного периода будут проявляться еще многие десятилетия. Например, зафиксированный в 1992 году рост усыхания лесов в Мурманской области - результат более чем 30-летнего воздействия выбросов серы от функционирующих здесь горнометаллургических предприятий [3].

Согласно [4], экосистемы и их «услуги» - это важнейший капитал каждой страны. Но из-за того, что они не включены в стандартные системы экономических индикаторов, их разрушение не отражается на формальных показателях богатства стран и благосостояния населения. В стране могут уничтожаться леса и ландшафты, но при этом ВВП будет расти за счет разрушения «основного природного капитала», подрывая возможности бу- дущего развития страны. Поэтому в последние годы (при поддержке ООН и Всемирного банка) ведется разработка экономических критериев и индикаторов, учитывающих ущерб от разрушения природной среды.

Известно, что высокое биоразнообразие повышает интенсивность экосистемных функций и их устойчивость. Это положение имеет критическое значение для теории и практики охраны природы: искусственное снижение видового разнообразия в сообществах ведет к деградации их экосистемных функций [5-7]. Экологическая доктрина Российской Федерации [8] в качестве одной из основных задач государственной экологической политики определяет “…сохранение и восстановление ландшафтного и биологического разнообразия, достаточного для поддержания способности природных систем к саморегуляции и компенсации последствий антропогенной деятельности.”.

Воздействия горных предприятий на объекты биосферы весьма многогранны, а количественная оценка степени такого влияния на основе сложнейших многослойных причинно-следственных связей конкретных экосистем пока не решены. Поэтому используются различные опосредованные оценки, посредством которых в действительности оценивается не ущерб, наносимый окружающей среде, а недополученные выгоды, например, в охотничьем хозяйстве [9].

Согласно положениям экономической теории, природные ресурсы не обладают стоимостью, поскольку в них не вкладывается труд [10]. К проблеме оценки природных ресурсов посредством энергетических показателей ученые обращались неоднократно. Впервые на это обратил внимание С. А. Подолинский более 100 лет назад [11]. Современные фундаментальные основы анализа энергетических потоков в экосистемах разработаны, согласно [12], Г.Т. Одумом, основные положения которого использованы в данной работе.

Для количественного определения влияния угледобычи на окружающую среду используем холистический подход (от греч. Holos – целый), предполагающий оценку совокупных свойств экосистемы (внутренних и эмерджентных) посредством измерения в её условных границах поступления и выхода вещества и энергии, что допускается следующими соображениями:

– живое органическое вещество, продуцируемое экосистемой, может служить мерой жизнеспособности сообществ. Чем больше масса живого вещества (при сложившемся природном балансе биоразнообразия), тем стабильнее среда обитания микромира, растений, животных и, в конечном итоге, человека;

– цель функционирования угледобывающего предприятия состоит в извлечении из недр органического вещества (топлива), образовавшегося и накопленного предшествующими миллионнами лет за счёт энергии Солнца и последующих глобальных геологических процессов Земли. Поэтому количество угля, в соответствующих границах, является, по сути, запасом преобразованной веками биомассы;

– угледобывающие предприятия, как источник топлива для производства энергии, сами её потребляют, оказывая воздействие на окружающую среду, в том числе на продуцирование биомассы, количество которой на соответствующей территории (зона влияния технологических процессов), возможно использовать в качестве индикатора состояния экосистемы.

Для представления состояния окружающей среды используем метод энергетической оценки компонентов биомассы, учитывающих их энергетическую значимость, фиксируемых либо через энергетический эквивалент утраченной продукции, либо через энергетический эквивалент съедобного вещества, которое могло бы быть получено из утраченной биомассы при переработке. Энергетическую оценку потнциала природных и аграрных экосистем (Q_b, ГДж/год ) на территории влияния будущего горного предприятия определим по продуцируемой биомассе:

LN           M К

Qb = ££М ■ et • U^ + £ £ (5/ ■ e, - Y?^         (1)

1=1 :=1                  m=lj=l где So, Sa – площади природных и аграрных экосистем в пределах территории влияния будущего горного предприятия, га; Uo, Ya – годовая продуктивность (количество биомассы) природных и аграрных экосистемах, т/га; e – энергетическая оценка единицы биомассы, ГДж/т; l, m –условные номера природных и аграрных экосистем; i, j – компоненты продукции в фиксированном номере природной и аграрной экосистемы соответственно.

Предположим, что добыча энергоресурсов определённых по (1) будет выполняться T лет. Если же добыча угля не будет осуществляться, то функционирование ненарушенных экосистем позволит за T лет получить (в соответствии с (1)) количество продукции в энергетических единицах составит:

G=T∙Qb , ГДж.                              (2)

Такое представление хотя и является идеализированным, в том плане что в (2) не учитываются содержание аграрных экосистем с целью получения постоянной продуктивности, но в целом не лишена смысла.

При расположении на территории расположения горнодобывающего предприятия невозможно избежать причинения ущерба окружающей среде. При этом весьма важной является информация о площадях занимаемыми отдельными экосистемами и суммарной площади территории, которая потенциально будет подвергаться негативному влиянию геотехнологиче-ских процессов:

Se=Sb-Sy                                              (4)

где Sb – суммарная площадь территорий в зоне влияния будущего горного предприятия, га; индексы l, m, i, j – соответствуют указанным в (3); Sy – площадь безвозвратно утраченных земель, га; Se –площадь территории опосредованно подвергаемых влиянию геотехнологических процессов, га; Sy – безвозвратно теряемые площади (горный отвод, объекты инфраструк- туры, промышленные площадки, размещение отходов, под жилой комплекс и др.), га.

Обсудим представленное в (3) и (4). Площадь Sb слагается из площадей безвозвратно утраченных и площадей опосредованного влияния тех- нологических процессов, на которых происходит снижение продуктивно- сти по причине нарушения пределов толерантности по лимитирующим факторам (Se). Если определение Sу тривиально, то определение Se представляет сложную динамическую задачу и на стадии проектирования горного предприятия во многом неопределённую. Площадь опосредованного влияния слагается из площади депрессионной воронки (Sv), образующейся созданием выработанного пространства (размеры Sv превосходят площади горных отводов в 2 -3,5 раза), площадей на которые оказывают влияние атмосферного переноса загрязнителей от технологических процессов (Sf) и площадей загрязнения водными потоками (Sw). Все составляющие Se, од- нажды возникнув, развиваются во времени в зависимости от множества причин (географическое расположение территории, рельеф поверхности, разновидность природных экосистем, освоенность территорий в аграрном плане, виды и концентрации загрязнителей воды и атмосферы, время воздействия, аномальные климатические проявления и пр.) В комплексном представлении эта задача не решена. Один из подходов её решения бази- руется на сравнении результатов в аналогичных условиях.

Безвозвратные потери энергетического потенциала (Z, ГДж) на пло- щадях изъятых земель можно оценить по средегодовому продуцированию биомассы (Uycp, т/га в год) и средневзвешенному энергетическому эквиваленту (eycp, ГДЖ/т), с учетом всего срока существования горного предприятия:

Z=T∙Sy∙Uycp∙eycp

Полагаем, что динамика деградации экосистем на площадях опосре- дованного влияния угледобывающего предприятия (Se), в части её продук- тивности установлена. Тогда за T лет потери энергетического потенциала (D, ГДж) составят:

т

О = S_e^U_ecpt-e_ecpt                            (6)

t=i где Uecht – средневзвешенная продуктивность экосистем на территории опосредованного влияния горного предприятия в t-ом году, т/га; eecpt – средневзвешенный энергетический эквивалент продукции в t-ом году на этой территории, ГДж/т;

Тогда суммарный экологический ущерб (Хэ) окружающей среде за T лет существования горного предприятия, с учётом (4) и (5), определится суммой:

Xэ=Z+D                                (7)

Оценку угольных энергоресурсов в недрах (природные ресурсы) ло- гично выполнять в предположении известных границ горного отвода или месторождения по площади и глубине, в пределах которых учтены геоло- гические и промышленные запасы. При известных запасах угля энергетическая их оценка для сопоставимости выполняется количеством условного топлива:

k

R y = ZP i- ('-^s i ) E- (8) 1

где R y – количество условного топлива в промышленных запасах угля, т у.т.; P i – геологические запасы угля, т; ε i – коэффициент потерь угля в недрах; E i – калорийный эквивалент угля (коэффициент приведения к условному топливу); i–уголь i-го качества в недрах.

Используя (2) и (8) определим соотношение между потенциальными энергоресурсами в недрах и продуцируемыми в аграрных и природных экосистемах:

µ=29.3∙R y /G (9)

где 29.3 –теплота сгорания 1 т у.т., ГДж.

Очевидно, при µ ≤ 1 создание горного предприятия в этих экологических условиях природных и аграрных системах становится проблематичным.

Количество “чистой” энергии, полученной с использованием извлечённых запасов угля, определим с учетом: энергозатрат на разработку, последующие процессы технологические процессы и ущерба окружающей среде:

W= ∙R y /b-(F тп +X э ) (10)

где W – количество “чистой” энергии, полученной потребителями, ГДж; b – удельный расход топлива на генерацию соответствующего вида энергии, кг у.т./(един. генерируемой энергии); F тп – количество затраченной энергии (ГДж) на выемку угля из недр (не важно каким способом) и последующие технологические процессы (транспорт на ТЭС, генерация энергии и её передача по сетям, содержание персонала для осуществления всех технологических процессов); X э – экологический ущерб окружающей среде, ГДж; – коэффициент перевода единиц измерения в ГДж, определяемый в зависимости от генерируемого вида энергии.

Из (10) получим коэффициент энергетической эффективности функционирования угледобывающего предприятия в пределах территории со сложившимися природными и аграрными экосистемами:

∙R y /[b∙(F тп +X э )]-1 (11)

Очевидно, что при функционирование угледобывающего предприятия в этих экологических системах энергетически ущербно. Повышение возможно только за счёт мероприятий снижающих влияние технологических процессов на окружающую среду (качество угля в недрах неизменяемо). Для снижения ущерба с уровня X э до X с необходимы соответствующие мероприятия, на осуществление которых требуются дополнительные энергозатраты ( F э ). В результате (11) представим в следующем виде:

n = ( -R y /[Ъ-(Р тп +Х с +Е э )]-1.

Изложенный подход к оценке экологического ущерба предполагает учёт всех технологических процессов по полным энергозатратам [13]. В представленном выше, автор не касался экологического влияния предприятий угольной промышленности на Человека. Это отдельная и очень важная проблема, связанная с определением экологического следа не вообще для Человека, а для особой касты людей: Горняков, Шахтёров.

окружающая среда, аграрные и природные экосистемы, потенциальные энергетические ресурсы запасов угольного месторождения и экосистем, биологическое разнообразие, энергетический ущерб от снижения продуцирования биомассы, энергетическая эффективность угледобычи environment, agricultural and natural ecosystems, potential energy resources of coal deposits and ecosystems, biodiversity, decreased biomass generation energy damage, coal mining energy efficiency