Муравей Л.А. 2000 – Экология и безопасность жизнедеятельности (книга)

Муравей Л.А. 2000 – Экология и безопасность жизнедеятельности

Раздел 1. Основы экологии

Мы не унаследовали Землю наших отцов.

Мы взяли ее в долг у наших детей.

(Из материалов ООН)

Глава 1. Основные понятия, законы и концепции

Глава 2. Мониторинг окружающей среды

Глава 3. Экотоксикология

1. Основные понятия, законы и концепции

1.1. Концепция экосистемы

Термин «экология» (от греч. «Ойкос» – дом, жилище и «логос» – наука) был
предложен более 100 лет назад выдающимся немецким естествоиспытателем
Эрнстом Геккелем.

В буквальном смысле экология – это наука об условиях существования живых
организмов, их взаимодействиях между собой и окружающей средой.

Экология – также междисциплинарное системное научное направление [27,
32]. Возникнув на почве биологии, оно включает в себя концепции,
технологии математики, физики, химии. Но экология и гуманитарная наука,
поскольку от поведения человека, его культуры во многом зависит судьба
биосферы, а вместе с ней и человеческой цивилизации.

В зависимости от специфики решаемых экологических задач существуют ее
разнообразные прикладные направления: инженерная, медицинская,
химическая, космическая экология, агроэкология, экология человека и т.д.

Что является предметом исследования экологии? Экология изучает
организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм,
т. е. надорганизменных систем. Эти системы получили название
экологических систем или экосистем.

Экосистема – это безразмерная устойчивая система живых и неживых
компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот
вещества и энергии [27]. В качестве примеров можно привести лесные
экосистемы, почвы, гидросферу и т.д.

Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является
биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все
живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой
(химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое
целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд. лет, она растет и
усложняется наперекор тенденциям холодной энтропийной смерти; она несет
разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления
человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека
невозможно без биосферы.

Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и являются ее
подсистемами. Крупная региональная экосистема, характеризующаяся
каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например,
биом пустыни или влажного тропического леса. Гораздо меньшей системой
является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого
происхождения, занимающая определенный участок. Более сложной системой,
чем популяция, является сообщество, которое включает все популяции,
занимающие данную территорию. Таким образом, популяция, сообщество,
биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к
крупным.

Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере
объединения компонентов в более крупные функциональные единицы на новых
ступенях иерархической лестницы возникают новые свойства, отсутствующие
на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из
свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип получил
название эмерджентности. Суть его: свойства целого невозможно свести к
сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на
атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды, обладающую уже
совершенно новыми свойствами. Другой пример. Некоторые водоросли и
кишечно-полостные образуют систему коралловых рифов. Огромная
продуктивность и разнообразие коралловых рифов – эмерджентные свойства,
характерные только для рифового сообщества, но никак не для его
компонентов, живущих в воде с низким содержанием биогенных элементов.

Деятельность организмов в экосистеме приспосабливает геохимическую среду
к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химический состав
атмосферы и сильно забуференная физическая среда Земли резко отличаются
от условий на любой другой планете Солнечной системы, позволил
сформулировать гипотезу Геи [49]. Согласно этой гипотезе именно живые
организмы создали и поддерживают на Земле благоприятные для жизни
условия. В табл. 1.1 представлен сравнительные анализ состава атмосферы
Земли, Марса, Венеры, а также гипотетической атмосферы, которая имелась
на Земле до появления жизни.

Скорее всего, зеленые растения и некоторые микроорганизмы сыграли
основную роль в формировании земной атмосферы с ее высоким содержанием
кислорода и низким содержанием углекислого газа. Гипотеза Геи
подчеркивает важность изучения и сохранения этих регулирующих
механизмов, которые позволяют атмосфере приспосабливаться к
загрязнениям, обусловленным деятельностью человека.

В состав экосистемы входят следующие компоненты:

неорганические вещества (С, О2, N2, P, S, СО2, Н2О и др.), которые
включаются в круговороты веществ;

органические соединения (белки, углеводы, липиды и др.), связывающие
биотическую (живую) и абиотическую (неживую) компоненты экосистемы;

воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и
другие физические факторы;

продуценты, автотрофные (самопитающиеся) организмы, в основном зеленые
растения, которые, используя энергию солнечного света, синтезируют
органические вещества из углекислого газа и воды;

консументы первого порядка (растительноядные животные) и второго порядка
(хищники), гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся
другими организмами;

редуценты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет
разложения тканей умерших организмов.

Образование органических веществ зелеными растениями при использовании
энергии солнечного света происходит в процессе фотосинтеза:

У зеленых растений Н2О окисляется с образованием газообразного кислорода
О2, при этом СО2 восстанавливается до органических веществ (в
приведенном уравнении органическое вещество – глюкоза). У
фотосинтезирующих бактерий синтезируются органические вещества, но не
образуется кислород. Дыхание – процесс, обратный фотосинтезу, при
котором органические вещества окисляются с помощью атмосферного
кислорода.

Редуценты, разлагая отмершие остатки организмов, освобождают биогенные
элементы (С, О2, N2, P, S и др.), которые поступают в круговорот,
необходимый для существования экосистем.

Каждый год продуцентами на Земле создается около 100 млрд. т.
органического вещества, что составляет глобальную продукцию биосферы. За
этот же промежуток времени приблизительно такое же количество живого
вещества, окисляясь, превращается в СО2 и H2O в результате дыхания
организмов. Этот процесс называется глобальным распадом. Но этот баланс
существовал не всегда. Примерно 1 млрд. лет назад часть образуемого
продуцентами вещества не расходовалась на дыхание и не разлагалась, так
как в биосфере еще не было достаточного числа консументов. В результате
этого органическое вещество сохранялось и задерживалось в осадках.
Преобладание синтеза органических веществ над их разложением привело к
уменьшению в атмосфере Земли углекислого газа и накоплению кислорода.
Около 300 млн. лет назад особенно большой избыток органической продукции
привел к образованию горючих ископаемых, за счет которых человек позже
совершил промышленную революцию. А более чем 60 млн. лет назад
выработалось колеблющееся стационарное соотношение между глобальной
продукцией и распадом.

Однако за последние полвека в результате хозяйственной деятельности
человека, связанной главным образом со сжиганием горючих ископаемых,
концентрация СО2 в атмосфере повысилась, а О2 – уменьшилась, что создает
критическую ситуацию для устойчивости атмосферы. Таким образом,
важнейшей характеристикой экосистем является круговорот веществ,
определяемый глобальной продукцией и распадом.

Следующей важнейшей характеристикой экосистем является их
кибернетическое поведение. Кибернетическое поведение экосистем
определяется тем, что они обладают развитыми информационными сетями,
включающими потоки физических и химических сигналов, которые связывают
все части экосистемы и управляют ею как единым целым. Отличие экосистем
от кибернетических устройств, созданных человеком, заключается в том,
что управляющие функции экосистемы сосредоточены внутри нее и диффузны.
В кибернетических же системах, созданных человеком, управляющие функции
направлены вовне и специализированы.

При сравнении кибернетической системы с экосистемой можно найти нечто
общее. В той и другой управление основано на обратной связи. Известно,
что энергия обратной связи крайне мала по сравнению с инициируемой ею
энергией, которая возбуждается в системе, идет ли речь о техническом
устройстве, организме или экосистеме. Устройства, осуществляющие
обратную связь в живых системах, называются гомеостатическими
механизмами. Гомеостаз в применении к организму означает поддержание его
внутренней среды и устойчивость его основных физиологических функций. В
применении к экосистеме гомеостаз означает сохранение ее постоянного
видового состава и числа особей. Гомеостатические механизмы поддерживают
стабильность экосистем, предупреждая полное выедание растений
травоядными животными или катастрофические колебания численности
хищников и их жертв и т.д.

Степень стабильности экосистем весьма различна и зависит как от
жесткости окружающей среды, так и от эффективности внутренних
управляющих механизмов. При этом выделяют два типа устойчивости:

резистентная устойчивость – способность оставаться в устойчивом
состоянии под нагрузкой. Так, лес из секвойи (высота деревьев выше 100
м, диаметр 6–11 м) устойчив к пожарам, поскольку эти деревья среди
сородичей обладают самой толстой корой, содержат десятки тонн воды и
т.д. Но если этот лес все-таки сгорит, то восстанавливается очень
медленно;

упругая устойчивость (противоположна резистентной) – способность быстро
восстанавливаться. Так, заросли кустарника чапараля легко выгорают, но
быстро восстанавливаются.

Помимо систем обратной связи стабильность обеспечивается избыточностью
функциональных компонентов. Избыточность хорошо объясняется на примере
организма, имеющего парные органы (руки, ноги, глаза, уши, почки,
легкие) и многократно дублированные органы иммунитета. Избыточность
характерна и для экосистемы. Если в экосистеме имеется несколько видов
автотрофных зеленых растений, каждое из которых имеет свой температурный
диапазон, то скорость фотосинтеза в экосистеме может оставаться
неизменной, несмотря на колебания температуры.

Мозг человека представляет собой устройство с низкими энергетическими
характеристиками и с огромными способностями к управлению, поскольку при
относительно малой затрате энергии он способен продуцировать
разнообразные мощные идеи. Это сделало человека самым могущественным
существом на Земле. По крайней мере, это касается его способности
изменять функционирование экосистем, в том числе и биосферы.

Основные характеристики экосистемы – ее размер, ее устойчивость,
процессы самовосстановления, самоочищения.

Размер экосистемы – пространство, в котором возможно осуществление
процессов саморегуляции и самовосстановления всех составляющих
экосистему компонентов и элементов.

Самовосстановление природной экосистемы – самостоятельный возврат
природной экосистемы к состоянию динамического равновесия, из которого
она была выведена воздействием природных и антропогенных факторов.

Самоочищение – естественное разрушение загрязнителя в среде в результате
процессов, происходящих в экосистеме.

Экосистемы можно классифицировать по разным признакам. Биомная
классификация экосистем основана на преобладающем типе растительности в
крупных регионах. В водных местообитаниях, где растительность
малозаметна, в основе выделения экосистем находятся главные физические
черты среды, например «стоячая вода», «текущая вода» и т.д.

Биомная классификация экосистем

Наземные биомы:

Тундра: арктическая и альпийская

Хвойные леса

Листопадный лес умеренной зоны

Степь умеренной зоны

Тропические гарсленд и саванна

Пустыня: травянистая и кустарниковая

Вечнозеленый тропический дождевой лес

Пресноводные экосистемы:

Лентические (стоячие воды): озера, пруды и т.д.

Логические (текучие воды): реки, ручьи и т.д.

Заболоченные угодья: болота и болотистые леса

Морские экосистемы:

Открытый океан (пелагическая)

Воды континентального шельфа (прибрежные воды)

Регионы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством)

Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек и т.д.)

Использование в экосистемах различных источников энергии – Солнца,
химического топлива – позволило выделить четыре фундаментальных вида
экосистем по энергетическому признаку.

Движимые солнцем несубсидируемые экосистемы – природные системы,
полностью зависящие от прямого солнечного излучения. К их числу
относятся открытые участки океанов, крупные участки горных лесов и
большие глубокие озера. Экосистемы этого типа получают мало энергии и
имеют малую продуктивность. Однако они крайне важны, так как занимают
огромные площади. Это основной модуль жизнеобеспечения биосферы. Здесь
очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода,
формируются климатические условия и т. д.

Экосистемы, движимые Солнцем, но субсидируемые другими естественными
источниками. Примерами такой экосистемы являются эстуарии рек, морские
проливы и лагуны. Приливы и течения способствуют более быстрому
круговороту минеральных элементов питания, поэтому эстуарии более
плодородны, чем прилегающие участки океана или суши.

Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком. Примером их
являются агроэкосистемы (поля, коровники, свинарники, птицефабрики и
т.д.).

Экосистема, движимая топливом – индустриально-городская экосистема, в
которой энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию.
Потребность в энергии плотно заселенных городов на 2–3 порядка больше
того потока энергии, который поддерживает жизнь в естественных
экосистемах, движимых Солнцем. Поэтому на небольшой площади города может
жить большое количество людей.

Концепция продуктивности. Совокупность организмов в экосистеме в момент
наблюдения называют биомассой, скорость продуцирования биомассы –
продуктивностью. Различают первичную продуктивность – скорость, с
которой продуценты (зеленые растения) в процессе фотосинтеза связывают
энергию и запасают ее в форме органических веществ, и вторичную
продуктивность – скорость образования биомассы консументами.

Высокая продуктивность сельского хозяйства в развитых странах
поддерживается ценой больших вложений энергии и селекционной работой,
направленной на выведение высокоурожайных сортов растений и
высокопродуктивных пород животных. Этот вспомогательный поток энергии
называется энергетической субсидией. Если в XIX в. страны мира делились
на промышленно развитые и аграрные, то в XX возникла ситуация, при
которой чем более развита страна, тем выше продуктивность ее сельского
хозяйства. Именно развитые страны могут себе позволить соответствующие
энергетические субсидии в сельское хозяйство.

Существует принципиальная разница в поведении энергии и материи. Материя
циркулирует в системе; элементы и вещества, входящие в состав живого,
имеют свои циклы, свои круговороты. Энергия, однажды использованная
экосистемой, превращается в тепло и утрачивается для системы.

Пищевые цепи, пищевые сети. Перенос веществ и энергии пищи от ее
источника – зеленых растений – через ряд организмов, от одного звена
потребителей к другому называется пищевой или трофической цепью.
Рациональное поведение звеньев трофической цепи определяется не
эффективностью добывания пищи, а умеренностью. Поэтому в экосистемах
остаются лишь виды, хорошо выполняющие свои биологические функции –
живущие и дающие жить другим. Особенности человека как биологического
вида в трофических цепях состоят в следующем:

человек всеяден и может жить то за счет одних, то за счет других звеньев
трофической цепи; это снимает с него узду умеренности;

он может приближать к себе ресурсы с помощью одомашнивания растений и
животных или привозить их, выходя из-под контроля среды в месте
проживания;

он может уходить из нарушенной им цепи в другую. Это дает человеку
чувство свободы, однако это свобода от немедленного ответного
воздействия и от ответственности перед потомками.

Трофическая структура экосистемы состоит из ряда параллельных и
переплетающихся пищевых цепей и называется пищевой или трофической
сетью.

Метаболизм и размеры особей. При неизменном энергетическом потоке в
пищевой цепи более мелкие организмы имеют более высокую интенсивность
обмена, более высокий удельный метаболизм (метаболизм в пересчете на 1
кг массы), чем крупные организмы. При этом мелкие организмы создают
относительно меньшую биомассу, чем крупные. Так, биомасса бактерий,
имеющихся в данный момент в экосистеме, гораздо ниже биомассы
млекопитающих. Эта закономерность получила название правила Одума. Это
правило заслуживает особого внимания, поскольку из-за антропогенного
нарушения природы происходит измельчание организмов, которое неминуемо
должно привести к общему снижению продуктивности и к разладу в
экосистемах.

При измельчании особей выход биомассы с единицы площади в силу более
плотного заселения пространства увеличивается. Слоны не дадут такой
биомассы и продукции с единицы площади, которую способна дать саранча.
Это – закон удельной продуктивности. Так, мелкие предприятия и фермы в
сумме производят больший объем хозяйственной продукции, чем крупные, тем
более крупнейшие.

Исчезновение видов, представленных крупными особями, меняет структуру
экосистем. При этом организмы одной трофической группы замещают друг
друга. Так, копытных в степи и саванне сменяют грызуны, а в ряде случаев
– растительноядные насекомые. Это – принцип экологического дублирования.

В результате потери энергии при переносе ее по трофической цепи и таких
факторов, как зависимость метаболизма от размеров особи, каждая
экосистема приобретает определенную трофическую структуру. Ее можно
представить в виде экологических пирамид. Если принять, что в вещество
тела животного переходит в среднем 10% энергии съеденной пищи, то за
счет 1 т растительной массы может образоваться 100 кг массы тела
травоядного животного, а за счет последнего – 10 кг массы тела хищников.

Экологические факторы. На состояние окружающей среды и на живые
организмы оказывают сильное влияние различные экологические факторы
[27]. Экологический фактор – любое условие среды, способное оказывать
прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Экологические
факторы делятся на три категории: 1) абиотические – факторы неживой
природы; 2) биотические – факторы живой природы; 3) антропогенные –
факторы человеческой деятельности.

Приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды
определяются периодичностью их воздействия. К первичным периодическим
факторам относятся явления, связанные с вращением Земли, – смена времен
года, суточная смена освещенности и т.д. Эти факторы действовали еще до
появления жизни на Земле, и возникающие живые организмы должны были
сразу адаптироваться к ним. Вторичные периодические факторы – следствия
первичных, это влажность, температура, осадки и т.д. К непериодическим
факторам относятся стихийные явления, а также факторы, имеющие
техногенную природу.

Абиотические факторы наземной среды:

1. Свет. Поступающая от Солнца лучистая энергия распределяется по
спектрам следующим образом. На видимую часть спектра с длиной волны
400-750 нм приходится 48% солнечной радиации. Наиболее важную роль для
фотосинтеза играют оранжево-красные лучи, на которые приходится 45%
солнечной радиации. Инфракрасные лучи с длиной волны более 750 нм не
воспринимаются многими животными и растениями, но являются необходимыми
источниками тепловой энергии. На ультрафиолетовую часть спектра – менее
400 нм – приходится 7% солнечной энергии.

2. Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией,
способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам
с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Источник
ионизирующего излучения – радиоактивные вещества и космические лучи.
Доза излучения (1 рад) – это такая доза излучения, при которой на 1 г
ткани поглощается 100 эрг энергии. Единица дозы излучения, которую
получает человек, называется бэр (биологический эквивалент рентгена); 1
бэр равен 0,01 Дж/кг.

В течение года человек в среднем получает дозу 0,1 бэр и, следовательно,
за всю жизнь (в среднем 70 лет) 7 бэр.

3. Влажность атмосферного воздуха – параметр, характеризующий процесс
насыщения его водяными парами. Разность между максимальным (предельным)
насыщением и данным насыщением называется дефицитом влажности. Чем выше
дефицит, тем суше и теплее, и наоборот. Растения пустынь
приспосабливаются к экономному расходованию влаги. Они имеют длинные
корни и уменьшенную поверхность листьев. Пустынные животные способны к
быстрому и продолжительному бегу для длинных маршрутов на водопой.
Внутренним источником воды у них служит жир, при окислении 100 г
которого образуется 100 г воды.

4. Осадки являются результатом конденсации водяных паров. Они играют
важную роль в круговороте воды на Земле. В зависимости от характера их
выпадения выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны.

5. Газовый состав атмосферы. Важнейшим биогенным элементом атмосферы,
который участвует в образовании белков в организме, является азот.
Кислород, поступающий в атмосферу в основном от зеленых растений,
обеспечивает дыхание. Углекислый газ является естественным демпфером
солнечного и ответного земного излучений. Озон выполняет экранирующую
роль по отношению к ультрафиолетовой части солнечного спектра.

6. Температура на поверхности Земли определяется температурным режимом
атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Для большинства
наземных животных и растений температурный оптимум колеблется от 15 до
30°С. Некоторые моллюски живут в горячих источниках при температуре до
53°С, а некоторые сине-зеленые водоросли и бактерии – до 70–90°С.
Глубокое охлаждение вызывает у насекомых, некоторых рыб и пресмыкающихся
полную остановку жизни – анабиоз. Так, зимой карась вмерзает в ил, а
весной оттаивает и продолжает обычную жизнедеятельность. У животных с
постоянной температурой тела, у птиц и млекопитающих состояние анабиоза
не наступает. У птиц в холодные времена отрастает пух, у млекопитающих –
густой подшерсток. Животные, у которых зимой корма недостаточно, впадают
в спячку (летучие мыши, суслики, барсуки, медведи).

Абиотические факторы водной среды:

На долю Мирового океана приходится 71% земной поверхности. Водная среда
отличается от наземной плотностью и вязкостью. Плотность воды в 800 раз,
а вязкость в 55 раз больше плотности воздуха. Наряду с этим важнейшими
особенностями водной среды являются: подвижность, температурная
стратификация, прозрачность и соленость, от которых зависит фотосинтез
бактерий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

Биотические факторы окружающей среды:

Под биотическими факторами понимают совокупность влияний
жизнедеятельности одних организмов на другие.

Антропогенные факторы окружающей среды.

Антропогенные факторы окружающей среды обязаны своим происхождением
комплексной техногенной деятельности человека на Земле, включающей его
бытовую сферу (сжигание мусора и отходов, строительство и т.д.) и
производственную деятельность (все отрасли промышленной индустрии,
сельское хозяйство, нефте-, газо- и горнодобывающие отрасли и т.д.).

Лимитирующие факторы: законы минимума и толерантности:

В 1840 г. Ю. Либихом был сформулирован закон минимума, согласно которому
развитие растений лимитируется не теми элементами питания, которые
присутствуют в почве в изобилии, а теми, которых очень мало (например,
цинк или бор). Закон минимума справедлив и для животных, и для человека.
Здоровье человека определяется в том числе и специфическими веществами,
которые присутствуют в организме в ничтожных количествах (витамины,
микроэлементы).

Любому живому организму или сообществу организмов необходимы не вообще
температура, влажность, пища и т.д., а их определенный режим, т. е.
границы допустимых колебаний этих факторов. Диапазон между экологическим
минимумом и экологическим максимумом составляет пределы устойчивости, т.
е. толерантности данного организма – этот закон толерантности был
сформулирован в 1910 г. В. Шелфордом.

Ценность концепции лимитирующих факторов в том, что она дает возможность
исследования самых сложных экологических ситуаций. Если для организма
характерен широкий диапазон толерантности к фактору, который
присутствует в среде в умеренных количествах, то такой фактор не может
быть лимитирующим. Напротив, если организм обладает узким диапазоном
толерантности к какому-нибудь изменчивому фактору, то этот фактор
заслуживает изучения, так как может быть лимитирующим.

Биогеохимические циклы. В экосистемах очень важна роль биогеохимических
циклов [27]. Биогенные элементы – С, О2, N2, Р, S, СО2, Н2О и другие – в
отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный
круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти
замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом круговороте
различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся
веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или
обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный,
отличительной особенностью которого является быстрый обмен между
организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа: 1) круговорот
газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере
(океан), 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30– 40 необходимы для
живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм
нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует
почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80% атмосферного воздуха и
является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы.
Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между
тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот.
Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы –
бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох,
фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя
клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут
усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они
образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых
водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом.
Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и
называется аммонификацией (рис. 1.1). Аммиак используется растениями для
синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации
азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак
преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются
корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез
белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой
бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием
нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание
азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных
фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном
масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте СО2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами
углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры.
До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой,
материками и океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание СО2
постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание
горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.).
В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29% СОз; в 1958 – 0,315%, а к
1980 г. его содержание выросло до 0,335%. Если концентрация СО2 вдвое
превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине XXI
в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем
повысится на 3°. В результате подъем уровня моря и перераспределение
осадков могут погубить сельское хозяйство.

Биологический круговорот углерода достаточно прост; в нем участвуют
только органические соединения и СО2 (рис. 1.2). Весь потребленный в
процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания
весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в
СО2. Растения потребляют ежегодно около 100 млрд. т. углерода, 30 млрд.
т. возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений. Остальные 70
млрд. т. обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в
различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают
через себя 0,25–0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и океанах.
Весь обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300–400 лет.

Кроме СО2 в атмосфере присутствует в небольших количествах окись
углерода – СО (примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с
сильным автомобильным движением содержание СО может достигать 100 частей
на миллион, что представляет уже угрозу для здоровья человека. Для
сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день
пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что часто является
причиной анемии и других сердечно-сосудистых заболеваний.

Другое соединение углерода в атмосфере – метан (СН4). Его содержание
составляет 1,6 частей на миллион. Считается, что метан поддерживает
стабильность озонового слоя в атмосфере.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в
теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%.
На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей
поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств
создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков,
охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки
поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь
происходят четыре процесса (рис. 1.3):

перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды
до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в
атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25%
общей суммы осадков, это – физическое испарение;

транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая
вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения,
потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в
круговороте воды;

инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной
воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней
коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в
моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в
экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода
проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует
на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных
компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран,
систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина.
Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а
горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.
Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.

Круговорот второстепенных элементов. Второстепенные элементы подобно
жизненно важным мигрируют между организмами и средой, хотя и не
представляют ценности для организмов. Но в окружающую среду часто
попадают побочные продукты промышленности, содержащие высокие
концентрации тяжелых металлов, радиоактивные элементы и ядовитые
органические соединения.

Радиоактивный Sr-90 крайне опасен для человека и животных. По химическим
свойствам он похож на кальций и поэтому, попав в организм, накапливается
в костях и оказывается в опасном контакте с костным мозгом – кровеносной
тканью.

Радиоактивный Cs-137 – по свойствам схож с калием и поэтому быстро
циркулирует по пищевым цепям.

Sr-90 и Cs-137 – новые вещества, которые не существовали в природе до
того, как человек расщепил атом. Они характеризуются длительными
периодами полураспада. Аккумуляция этих радиоактивных изотопов в
организме человека создает постоянный источник облучения, приводящего к
канцерогенезу.

Для того чтобы количественно определить повторно используемую часть
вещества в обороте, предложен коэффициент рециркуляции – отношение
суммарных количеств вещества, циркулирующих между разными отделами
системы, к общему потоку вещества через всю систему: CI = TSTc/TST, где
СI – коэффициент рециркуляции, TSTc – рециркулируемая доля потока через
систему и TST – общий поток вещества через систему.

Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото), повторно
используются на 90% и более. Однако коэффициент рециркуляции энергии
равен нулю.

1.2. Популяция как элемент экосистемы

Если экосистема – основная функциональная единица экологии, предмет ее
исследования, то популяция – основной элемент каждой экосистемы.

Популяция – это совокупность особей одного вида, способная к
самовоспроизведению, более или менее изолированная в пространстве и во
времени от других аналогичных совокупностей того же вида [27].

Популяция обладает биологическими свойствами, присущими составляющим ее
организмам, и групповыми свойствами, присущими только популяции в целом.
Как и отдельный организм, популяция растет, дифференцируется и
поддерживает сама себя. Но такие свойства, как рождаемость, смертность,
возрастная структура, характерны только для популяции в целом.

При описании популяций используют две группы количественных показателей:
статические, характеризующие состояние популяции в какой-то определенный
момент времени, и динамические, характеризующие процессы, протекающие в
популяции за некоторый промежуток времени. Общая численность популяции
выражается определенным количеством особей. Для ее оценки применяются
различные методы. Если речь идет о крупных и хорошо заметных организмах,
применяется аэрофотосъемка. В других случаях применяется метод мечения.
Животных ловят, метят и отпускают обратно в природу. Через некоторое
время производят новый отлов и по доле меченных животных определяют
численность популяции.

. В соответствии с этим отношение дисперсии к среднему значению есть
показатель степени пространственной агрегированности. Если величина
этого показателя примерно равна единице – распределение случайное;
меньше единицы – регулярное; больше единицы – пятнистое.

Поскольку длительность существования популяции значительно превышает
продолжительность жизни отдельных особей, в ней всегда присутствует
смена поколений. И даже если численность популяции постоянна, то
постоянство является результатом динамического равновесия прибыли и
убыли особей.

Рождаемость – это число особей N, родившихся за некоторый промежуток
времени dt – dNn/dt. Для сравнения популяций разной численности величину
dNn/dt относят к общему числу особей N в начале промежутка времени dt.
Полученную величину dNn/Ndt называют удельной рождаемостью. Единица
времени, выбранная для оценки рождаемости, изменяется в зависимости от
интенсивности размножения организмов, образующих популяцию. Для
популяции бактерий единицей времени может быть час, для планктонных
водорослей – сутки, для насекомых – недели или месяцы, для крупных
млекопитающих – годы. Смертность – величина противоположная рождаемости.
Она оценивается числом особей dNm, погибших за время dt. Удельная
смертность выражается как dNm/Ndt.

Продолжительность жизни у разных видов различна, и, чтобы их сравнивать,
строятся кривые выживания. На оси абсцисс откладывается время жизни, на
оси ординат – число выживших (рис. 1.4). Кривая типа I (сильно выпуклая)
характерна для популяций организмов, у которых смертность почти до конца
жизни остается низкой. Этот тип кривой выживания характерен для многих
видов крупных животных, в том числе и для человека. Другой крайний
вариант – кривая типа III (сильно вогнутая) характерна для популяций, у
которых смертность высока на ранних стадиях. Так, у личинок устриц и
прорастающих желудей очень высокая смертность, но как только особи
хорошо приживутся, продолжительность жизни резко увеличивается.

Кривая типа II (диагональная) соответствует постоянной смертности в
течение всей жизни. Такие кривые встречаются у рыб, пресмыкающихся и
птиц. Кривая выживания человека не всегда имела выпуклую форму.
Например, кривые, построенные по надписям на надгробиях людей, живших в
Римской империи в I-IV вв. н. э., были диагональными.

В популяции выделяют три экологические возрастные группы:
пререпродуктивную, репродуктивную и пострепродуктивную. В быстрорастущих
популяциях значительную долю составляют молодые особи. В популяциях,
находящихся в стационарном состоянии, возрастное распределение
относительно равномерное. В популяциях, численность которых снижается,
содержится большая доля старых особей. У современного человека
упомянутые три возрастные группы приблизительно одинаковы.

У первобытных людей пререпродуктивный период очень длителен,
репродуктивный – короткий, а пострепродуктивный отсутствует совсем. У
поденок, например, личиночное развитие занимает несколько лет, а во
взрослом состоянии (в репродуктивный период) они живут несколько дней.

В среде, не ограничивающей рост популяции (нет ограничения в пище,
пространстве и т.д.), удельная скорость роста, т. е. скорость,
рассчитанная на одну особь, становится постоянной и максимальной. Этот
показатель, обозначаемый r, является экспонентой в дифференциальном
уравнении роста популяции в нелимитирующей среде.

dN/dt
= rN; r = dN/Ndt,
(1.1)

интегрируя, получаем экспоненциальную зависимость:

Nt = N0ert,
(1.2)

Где N0 – численность в начальный момент времени,

Nt – численность в момент времени t,

е – основание натурального логарифма.

Логарифмируя обе части равенства, получаем уравнение в форме, удобной
для расчета:

In (Nt) = In (No) + rt,
(1.3)

откуда

r = (ln(Nt)-ln(N0))/t.
(1.4)

Когда популяция переходит в стационарное состояние, r называют
внутренней скоростью естественного роста – биотическим потенциалом и
обозначают rmax. Разницу между биотическим потенциалом и скоростью роста
в реальных условиях называют сопротивлением среды. Сопротивление среды –
это сумма всех лимитирующих факторов, препятствующих реализации rmах.

По форме кривых роста можно выделить два основных типа роста:
описываемый J-образной кривой и S-образной (или сигмоидной) кривой (рис.
1.5). При J-образной кривой (рис 1.5 а) плотность популяции быстро
возрастает по экспоненте, но затем, когда начинает действовать
сопротивление среды, рост быстро прекращается. Этот тип роста может быть
описан простым экспоненциальным уравнением (1.1) при заданном
ограничении на величину N.

При типе роста, описываемом сигмоидной кривой (рис. 1.5 б), популяция
сначала увеличивается медленно, затем рост ее все ускоряется, затем под
влиянием среды рост постепенно замедляется и в конце концов достигает
равновесия. Этот тип роста описывается простым логистическим уравнением:

dN/dt = rN0(K- N0)/К,

где dN/dt – скорость роста популяции,

r – удельная, или внутренняя, скорость роста,

N – величина популяции (численность),

К – максимально возможная величина популяции. Этот предел является
верхней асимптотой сигмоидной кривой.

В природе экспоненциальный рост или не происходит вообще, или происходит
в течение очень короткого времени. Эта модель используется, чтобы
количественно охарактеризовать потенциальные возможности популяции к
росту. Она позволяет выявить факторы, ограничивающие рост изучаемой
популяции.

Константы r и К из логистического уравнения характеризуют два типа
естественного отбора, которые позволяют обосновать разные типы
экологических стратегий:

r-стратегия характерна для популяций в начальный период увеличения ее
численности. Она определяется отбором в условиях, когда плотность
популяции мала и соответственно слабо выражено тормозящее воздействие
конкуренции. Эта стратегия характерна, например, для временных водоемов,
заполняющихся водой только в период дождей. r-отбор направлен на высокую
плодовитость, быстрое достижение половой зрелости, достижение короткого
жизненного цикла, способности выживания в неблагоприятный период в виде
покоящихся стадий;

K-стратегия связана с отбором, направленным на повышение выживаемости и
величины предельной плотности К в условиях стабилизирующейся численности
популяции при сильном воздействии конкуренции. K-отбор направлен на
оценку конкурентоспособности и предусматривает возможные пути
защищенности от хищников и паразитов, и выживаемости потомства, а также
совершенствования механизмов регуляции численности.

В южных регионах распространено растение амброзия. Она растет по
свалкам, залежам и другим недавно нарушенным местообитаниям. С другой
стороны, в умеренном поясе в стабильном нижнем ярусе леса обитают
травянистые растения. Если сравнить эти растения по продукции семян,
окажется, что амброзия продуцирует семян в 50 раз больше, чем растения
леса, и тратит в 5 раз больше чистой энергии на размножение. Амброзия –
пример r-отбора, растения лесного сообщества – K-отбора.

Выделение r- и K-стратегий в чистом виде условно. На самом деле каждый
вид организмов испытывает некую комбинацию r- и K-отбора, т. е.
оставляемые отбором особи должны обладать и достаточно высокой
плодовитостью, и развитой способностью выживания при наличии
конкуренции.

Логистическая модель популяционного роста исходит из предположения о
том, что для каждой популяции существует определенный равновесный
уровень плотности (численности). Это уровень, при котором рождаемость
равна смертности. Если равновесный уровень превышен, то в самой
популяции или в окружающей среде что-то должно измениться так, чтобы
смертность стала больше рождаемости, а популяция соответственно начала
сокращать свою численность. Напротив, в случае понижения численности
ниже равновесного уровня процессы, происходящие в популяции или в среде,
должны привести к росту численности популяции. Отсюда возник подход к
оценке механизмов, поддерживающих численность популяции, называемый
регуляционизмом.

Регуляционизм – представление о том, что каждая популяция обладает
равновесным уровнем плотности (численности) и существуют механизмы,
направленные на поддержание этой плотности. Наблюдения и эксперименты
позволили считать, что динамика численности любой популяции есть
автоматически регулируемый процесс, а действие факторов, контролирующих
популяцию, определяется плотностью самой популяции.

Принципиально иной подход к оценке механизмов, поддерживающих
численность популяции, – это стохастизм, при котором придается случайно
действующим факторам среды, например, погодным, основное значение.
Стохастизм отрицает существование равновесного уровня, отклонение от
которого автоматически возвращает популяцию к исходному уровню плотности
(численности). С позиции стохастизма равновесный уровень численности
есть результат ее усреднения за длительный срок.

Концепция саморегуляции. Сторонники и регуляционизма, и стохастизма,
несмотря на различия, сходятся в том, что главная роль в ограничении
роста численности популяции принадлежит факторам внешней среды. Однако
регуляционисты считают, что факторы среды приводят в действие
автоматически регулируемую плотность популяции, стохастисты отводят
случайным факторам ведущую роль в определении численности популяции.

В начале 60-х годов нашего столетия была предложена концепция
саморегуляции популяций, согласно которой в процессе роста популяции
изменяется не только и не столько качество среды, в которой существует
эта популяция, сколько качество самих составляющих ее особей.
Следовательно, суть концепции саморегуляции состоит в том, что любая
популяция способна регулировать свою численность так, чтобы не подрывать
возобновляемые ресурсы местообитания, и так, чтобы не потребовалось
вмешательства каких-либо внешних факторов, например хищников или
неблагоприятной среды.

Основанием для выдвижения этой концепции послужили наблюдения за
колониями мышей, содержащихся в лаборатории. В этих условиях при
достаточном снабжении пищей возрастание плотности популяции приводило к
увеличению у мышей надпочечников – органов эндокринной системы.
Гормональные сдвиги, происходящие в организме под влиянием нервного
перевозбуждения при перенаселении, ведут к повышению агрессивности
животных, изменению репродуктивного потенциала (позднее половое
созревание, снижение продуктивности, иногда полное прекращение
размножения), снижению устойчивости к заболеваниям. Эти изменения обычно
ведут к резкому снижению жизнеспособности особей и их массовой гибели.

Если в лабораторных условиях результатом стрессового состояния,
вызванного перенаселенностью, является возрастание смертности, то в
природных условиях – миграция в новые местообитания, где больше риск
гибели от разнообразных причин.

1.3. Человек и биосфера

Давление человека на биосферу началось задолго до наступления этапа
промышленной эволюции, ибо целые цивилизации погибли еще до нашей эры.
Среди невозвратно погибших цивилизаций – Средиземноморская, цивилизация
Майя, цивилизация острова Пасхи и др. Катастрофические экологические
явления в прошлом были в основном связаны не с загрязнением природной
среды, как сейчас, а с ее трансформациями. Главная из них – деградация
почв, эрозия, засоление и т.д.

Вследствие антропогенной нагрузки на биосферу сегодня возникли новые
экологические проблемы, которых не было в предыдущем XIX столетии [22,
27, 41]:

началось потепление климата нашей планеты. В результате «парникового
эффекта» температура поверхности Земли за последние 100 лет возросла на
0,5–0,6?С. Источниками СО2, ответственными за большую часть парникового
эффекта, являются процессы сжигания угля, нефти и газа и нарушение
деятельности сообществ почвенных микроорганизмов тундры, потребляющих до
40% выбрасываемого в атмосферу СО2;

значительно ускорился процесс подъема уровня Мирового океана. За
последние 100 лет уровень моря поднялся на 10–12 см и сейчас этот
процесс десятикратно ускорился. Это грозит затоплением обширных
территорий, лежащих ниже уровня моря (Голландия, область Венеции,
Санкт-Петербург, Бангладеш и др.);

произошло истощение озонового слоя атмосферы Земли (озоносферы),
задерживающего губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение.
Считается, что главный вклад в разрушение озоносферы вносят
хлор-фтор-углероды (т. е. фреоны). Они используются в качестве
хладоагентов и в баллончиках с аэрозолями. В 1996 г. была принята
международная декларация, запрещающая использование наиболее опасных
хлор-фтор-углеродов. При соблюдении условий декларации для полного
восстановления озонового слоя потребуется не менее 100 лет и с начала
XXI в. можно ожидать постепенный рост толщины «экрана» озоносферы;

происходит интенсивное опустынивание и обезлесение планеты Земля. В Азии
и Африке процесс опустынивания идет со скоростью 6 млн га в год. Главной
причиной опустынивания является неоправданный рост поголовья скота,
вытаптывающего растительный покров. В России это происходит в Калмыкии и
Нижнем Поволжье. Интенсивно вырубаются леса в Бразилии и России.
Сведение лесов приводит к снижению продукции кислорода, сопровождающей
процесс фотосинтеза;

интенсивно загрязняется Мировой океан. Загрязнение сопровождает
разработку морских месторождений нефти и является результатом
промышленных и коммунальных стоков в океан. Мировой океан в результате
фотосинтетической деятельности одноклеточных зеленых водорослей дает 2/3
продукции кислорода, насыщающего атмосферу. Наибольшую опасность для
жизни Океана как живого сообщества представляет нефтяное загрязнение.
Сейчас в Океан ежегодно выливается 10 млн т нефти, углеводороды которой
разрушаются микроорганизмами, превращающими нефть в углекислый газ и
воду. Но защитные силы Океана не безграничны. Модельные расчеты
показали, что одновременное попадание в Океан 25 млн т нефти уничтожит
это уникальное живое сообщество, т. е. буквально перекроет кислород
биосфере.

Поступление кислорода в атмосферу Земли в результате фотосинтетической
деятельности ежегодно составляет 240– 300 млрд т. Организмы биосферы
расходуют на дыхание 90% этого количества, оставшиеся 10% – 24–30 млрд т
расходуются промышленностью. Но к началу XXI в. промышленность при
нынешних темпах ее развития может потреблять уже 57– 60 млрд т
кислорода. Если не ограничить и не изменить технологию сжигания горючих
ископаемых, то через 100 лет содержание кислорода в атмосфере снизится с
21 до 8%.

Химические и радиационные загрязнения природы, уменьшение толщины
озонового слоя подавляют прежде всего иммунную систему живых организмов,
в том числе и человека, вызывая иммуннодефицитное состояние организма.
При заболевании СПИДом особый вирус поражает иммунную систему человека.
В результате организм теряет защиту и может погибнуть от самого простого
заболевания. В отличие от вируса СПИДа, обладающего огромной
разрушительной силой, загрязнения действуют медленно, но столь же
губительно.

В результате безудержной техногенной агрессии средняя продолжительность
жизни в России находится в конце четвертого десятка стран мира, по
выживаемости детей в возрасте до 1 года (по детской смертности) – в
конце пятого десятка стран (на уровне африканских стран), отставая от
Индии, Бразилии и Южной Кореи. Сегодня смертность в России превышает
рождаемость в 1,7 раза. По прогнозам демографов, к 2000 г. на двух
ушедших из жизни российских граждан придется только один новорожденный.
В России сложилась беспрецедентная ситуация со смертностью мужчин в
трудоспособном возрасте от несчастных случаев, отравлений и травм. Для
стран Европы, США и Японии доля умерших от этих причин составляет
5–5,5%, а в России 22–25%. В России у 40% мужчин средняя
продолжительность жизни составляет 58 лет. Столь драматическая ситуация,
уже приведшая к депопуляции, когда смертность существенно возрастает, а
рождаемость падает, свойственна исключительно нашей стране. Это является
результатом резкого ухудшения экологической обстановки, разрушения ранее
существовавших в стране систем общей профилактики заболеваний и
пренебрежения к правилам и нормам безопасности жизнедеятельности.

Одним из главных факторов, приведших к ухудшению природной среды России,
стало необоснованное развитие отраслей минерально-сырьевого комплекса –
добывающей промышленности. Численность населения России составляет менее
3% общемировой, но до последнего времени Россия производила свыше 20%
мирового объема продукции горнодобывающей промышленности, и большая
часть этого сырья экспортировалась. В этом отношении Россия мало
отличается от стран Третьего мира, которые являются сырьевыми придатками
промышленно развитых стран. Структура российской добывающей
промышленности такова, что на производство ее конечной продукции
расходуется менее 7% сырьевой массы, извлекаемой из недр Земли. Здесь и
терриконы вблизи угольных шахт, насыпанные прямо на плодородный
чернозем, и неполное извлечение полезных ископаемых из недр, и сжигание
попутного газа в факелах, и т.д. Так, например, для поднятия нефти из
скважин во всем мире применяется газ, а в России из-за отсутствия
соответствующего компрессорного оборудования в скважину закачивается
вода. В результате из скважин берут только 30% нефти, вода смешивается с
нефтью и т.д. К тому же именно в добывающей промышленности наблюдается
самый высокий уровень травматизма среди работающих.

В структуре экспорта России кроме сырой нефти, газа и неразделанного на
пиломатериалы леса имеется металл и минеральные удобрения. На мировом
рынке у России покупают и черные, и цветные металлы. Однако металлургия
– одно из самых экологически грязных производств. Поэтому покупатели
нашей металлургической продукции предпочитают иметь грязные производства
в России, а не у себя дома. То же самое относится к промышленности
минеральных удобрений. Чтобы минимизировать, а затем и вовсе уйти от
последствий интенсивного загрязнения среды обитания, необходимо активно
внедрять чистые технологии, что позволит значительно увеличить
продолжительность жизни; развивать наукоемкие технологии,
широкомасштабно используя компьютеризацию; совершенствовать постоянно
действующее эффективное природоохранное законодательство.

Мировой опыт показывает, что для стабилизации экологической ситуации в
стране нужно затратить не менее 3% валового национального продукта, а
для улучшения экологической ситуации – необходимо уже 5%. Такие расходы
несут Германия, Англия и Швеция. Самые большие затраты на
природоохранные мероприятия у США – 7%. По данным 1989 г., затраты СССР
на эти цели составляли 1,5%, а в России, по данным Комитета по экологии
Государственной Думы, выделяется на эти цели не более 0,5%.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение экосистемы.

2. Как соотносятся время существования биосферы и вида Homo sapiens?

3. Как вы понимаете гипотезу Геи?

4. Сформулируйте принцип эмерджентности.

5. В результате каких процессов биосфера накопила горючие ископаемые –
основу промышленной революции?

6. Расскажите о биомной и энергетической классификации экосистем.

7. Сформулируйте правило Одума, закон удельной продуктивности и принцип
экологического дублирования.

8. Перечислите абиотические факторы наземной среды.

9. Сформулируйте законы минимума и толерантности.

10. Опишите круговороты азота, углерода и воды.

11. Дайте определение популяции и ее свойств.

12. Что такое r- и K-стратегии отбора?

13. Изложите концепции регуляционизма, стохастизма и саморегуляции.

14. В чем заключаются глобальные экологические проблемы XX в.?

15. Что нужно для стабилизации экологической ситуации в России?

Глава 2. Мониторинг окружающей среды

2.1. Понятие экологического мониторинга и его задачи

Всесторонний анализ окружающей среды предусматривает оценку ее
экологического состояния и влияние на нее естественных и антропогенных
воздействий. Характер этих воздействий весьма специфичен. Лимитирующим
показателем уровня естественных и антропогенных воздействий является
предельно-допустимая экологическая нагрузка (ПДЭН), которая во многих
странах установлена в связи с тем, что нормальное функционирование и
устойчивость экосистем и биосферы возможны при непревышении определенных
предельных нагрузок на них.

Состояние биосферы, непрерывно меняющееся под влиянием естественных
факторов, обычно возвращается в первоначальное. Например, изменения
температуры и давления, влажности воздуха и почвы происходят в пределах
некоторых постоянных средних значений. Как правило, крупные экосистемы
под влиянием природных процессов изменяются чрезвычайно медленно.
Существующие в мире экологические службы (гидрометеорологическая,
сейсмическая, ионосферная и др.) проводят контроль за изменением этих
процессов.

Изменение состояния биосферы под влиянием антропогенных факторов
происходит в более короткие временные сроки. Поэтому с целью измерения,
оценки и прогноза антропогенных изменений абиотической составляющей
биосферы (в первую очередь загрязнений) и ответной реакции биоты на эти
изменения, а также последующих изменений в экосистемах в результате
антропогенных воздействий создана информационная система экологического
мониторинга.

Экологический мониторинг является комплексным мониторингом биосферы. Он
включает в себя контроль изменений состояния окружающей среды под
влиянием как природных, так и антропогенных факторов.

Основные задачи экологического мониторинга антропогенных воздействий:

• наблюдение за источниками антропогенного воздействия;

• наблюдение за факторами антропогенного воздействия;

• наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней
процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

• оценка физического состояния природной среды;

• прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов
антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной
среды.

Термин «мониторинг» образован от лат. «монитор» – «наблюдающий»,
«предостерегающий». Существует несколько современных формулировок
определения мониторинга. Некоторые исследователи под мониторингом
понимают систему повторных наблюдений за состоянием объектов окружающей
среды в пространстве и во времени в соответствии с заранее
подготовленной программой [52]. Более конкретная формулировка
определения мониторинга предложена академиком РАН Ю.А. Израэлем в 1974
г., в соответствии с которой под мониторингом состояния природной среды,
и в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере,
подразумевают комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза
изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов под влиянием
антропогенных воздействий [14].

Программа ЮНЕСКО от 1974 г. определяет мониторинг как систему регулярных
длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающую информацию о
прошлом и настоящем состояниях окружающей среды, позволяющую
прогнозировать на будущее изменение ее параметров, имеющих особенное
значение для человечества [51].

2.2. Классификация мониторинга

Мониторинг включает в себя следующие основные практические направления:

наблюдение за состоянием окружающей среды и факторами, воздействующими
на нее;

оценку фактического состояния окружающей среды и уровня ее загрязнения;

прогноз состояния окружающей среды в результате возможных загрязнений и
оценку этого состояния.

Объектами мониторинга являются атмосфера (мониторинг приземного слоя
атмосферы и верхней атмосферы); атмосферные осадки (мониторинг
атмосферных осадков); поверхностные воды суши, океаны и моря, подземные
воды (мониторинг гидросферы); криосфера (мониторинг составляющих
климатической системы).

По объектам наблюдения различают: атмосферный, воздушный, водный,
почвенный, климатический мониторинг, мониторинг растительности,
животного мира, здоровья населения и т.д.

Существует классификация систем мониторинга по факторам, источникам и
масштабам воздействия (рис. 2.2 и табл. 2.2).

Мониторинг факторов воздействия – мониторинг различных химических
загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и
физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, солнечная
радиация, шумовые вибрации).

Мониторинг источников загрязнений – мониторинг точечных стационарных
источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт),
пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами)
источников.

По масштабам воздействия мониторинг бывает пространственным и временным.

По характеру обобщения информации различают следующие системы
мониторинга:

• глобальный – слежение за общемировыми процессами и явлениями в
биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты, и
предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях;

• базовый (фоновый) – слежение за общебиосферными, в основном
природными, явлениями без наложения на них региональных антропогенных
влияний;

• национальный – мониторинг в масштабах страны;

• региональный – слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то
региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по природному
характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона,
характерного для всей биосферы;

• локальный – мониторинг воздействия конкретного антропогенного
источника;

• импактный – мониторинг региональных и локальных антропогенных
воздействий в особо опасных зонах и местах.

Классификация систем мониторинга может основываться и на методах
наблюдения (мониторинг по физико-химическим и биологическим показателям,
дистанционный мониторинг).

Химический мониторинг – это система наблюдений за химическим составом
(природного и антропогенного происхождения атмосферы, осадков,
поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных
отложений, растительности, животных и контроль за динамикой
распространения химических загрязняющих веществ. Глобальной задачей
химического мониторинга является определение фактического уровня
загрязнений окружающей среды приоритетными высокотоксичными
ингредиентами, представленными в табл. 2.1.

Примечание: И- импактный, Р – региональный, Б – базовый, Г – глобальный.

Физический мониторинг – система наблюдений за влиянием физических
процессов и явлений на окружающую среду (наводнения, вулканизм,
землетрясения, цунами, засухи, эрозия почв и т.д.).

Биологический мониторинг – мониторинг, осуществляемый с помощью
биоиндикаторов (т. е. таких организмов, по наличию, состоянию и
поведению которых судят об изменениях в среде).

Экобиохимический мониторинг – мониторинг, базирующийся на оценке двух
составляющих окружающей среды (химической и биологической).

Дистанционный мониторинг – в основном, авиационный, космический
мониторинг с применением летательных аппаратов, оснащенных
радиометрической аппаратурой, способной осуществлять активное
зондирование изучаемых объектов и регистрацию опытных данных.

В зависимости от принципа классификации имеются различные системы
мониторинга (табл. 2.2).

Наиболее универсальным является комплексный экологический мониторинг
окружающей среды.

Комплексный экологический мониторинг окружающей среды – это организация
системы наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды для
оценки их фактического уровня загрязнения и предупреждения о создающихся
критических ситуациях, вредных для здоровья людей и других живых
организмов. Различают мониторинг локальный, региональный и фоновый.

При проведении комплексного экологического мониторинга окружающей среды:
а) проводится постоянная оценка экологических условий среды обитания
человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и
т.д.), а также оценка состояния и функциональной целостности экосистем;
б) создаются условия для определения корректирующих действий в тех
случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

Система комплексного экологического мониторинга предусматривает:

выделение объекта наблюдения;

обследование выделенного объекта наблюдения;

составление для объекта наблюдения информационной модели;

планирование измерений;

оценку состояния объекта наблюдения и идентификацию его информационной
модели;

прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

представление информации в удобной для использования форме и доведение
ее до потребителя.

Основные цели комплексного экологического мониторинга состоят в том,
чтобы на основании полученной информации:

оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем и
среды обитания человека (т. е. провести оценку соблюдения экологических
нормативов);

выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких
изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда
целевые показатели экологических условий не достигаются (т. е. провести
диагностику состояния экосистем и среды обитания);

создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих
негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб, т. е. обеспечить
заблаговременное предупреждение негативных ситуаций.

В Российской Федерации функционирует несколько ведомственных систем
мониторинга, например, служба наблюдения за загрязнением окружающей
среды Росгидромета, служба мониторинга водных ресурсов Роскомвода,
служба агрохимических наблюдений и мониторинга загрязнений
сельскохозяйственных земель Роскомзема и др.

2.3. Критерии оценки качества окружающей среды

Государственная экологическая экспертиза представляет собой систему
государственных природоохранных мероприятий, направленных на проверку
соответствия проектов, планов и мероприятий в области народного
хозяйства и природных ресурсов требованиям защиты окружающей среды от
вредных воздействий.

Токсикологическая характеристика технологических процессов требует
обоснования рекомендаций по такому изменению производства, чтобы
уменьшить количество вредных полупродуктов или побочных соединений или
исключить их, и медико-технических требований к планированию
производственных помещений, аппаратуре, санитарно-техническому
оборудованию, в том числе очистному или рассеивающему, и – в случае
необходимости – к индивидуальным средствам защиты. В основе этого лежит
установление предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в
различных средах.

В воздушной среде:

ПДКр.з – предельно допустимая концентрация вещества в воздухе рабочей
зоны, мг/м3. Эта концентрация при ежедневной (кроме выходных дней)
работе в пределах 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в
неделю, в течение всего рабочего стажа не должна вызывать в состоянии
здоровья настоящего и последующего поколений заболеваний или отклонений,
обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы.
Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или
площадки, на которой находятся места постоянного или временного
пребывания работающих;

ПДКМ.Р – предельно допустимая максимальная разовая концентрация вещества
в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация при вдыхании в
течение 20 мин не должна вызывать рефлекторных (в том числе
субсенсорных) реакций в организме человека;

ПДКС.С – предельно допустимая среднесуточная концентрация токсичного
вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация не должна
оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при
неограниченно продолжительном вдыхании.

В водной среде:

ПДКВ – предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема
хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, мг/л. Эта
концентрация не должна оказывать прямого или косвенного влияния на
органы человека в течение всей его жизни, а также на здоровье
последующих поколений и не должна ухудшать гигиенические условия
водопользования;

ПДКВ.Р – предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема,
используемого для рыбохозяйственных целей, мг/л;

Интегральные показатели для воды:

БПК – биологическая потребность в кислороде – количество кислорода,
использованного при биохимических процессах окисления органических
веществ (исключая процессы нитрификации) за определенное время инкубации
пробы (2, 5, 20, 120 суток), мг О2/л воды (БПКП – за 20 суток, БПК5 – за
5 суток);

ХПК – химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным
методом, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству
расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех
восстановителей, содержащихся в воде, мг О2/л воды.

По отношению БПКП /ХПК судят об эффективности биохимического окисления
веществ.

В почве:

ПДКП – предельно допустимая концентрация вещества в пахотном слое почвы,
мг/кг. Эта концентрация не должна вызывать прямого и косвенного
отрицательного влияния на здоровье человека, а также на самоочищающую
способность почвы;

ПДКПР (ДОК) – предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное
количество) вещества в продуктах питания, мг/кг.

Если величина ПДК в различных средах не установлена, действует временный
гигиенический норматив ВДК (ОБУВ) – временно допустимая концентрация
(ориентировочно безопасный уровень воздействия) вещества. Временный
норматив устанавливается на определенный срок (2–3 года).

Различные вещества могут оказывать сходное неблагоприятное воздействие
на организм. Например, существует эффект суммации для диоксида азота и
формальдегида, фенола и ацетона, этанола и целой группы органических
веществ. Для токсичных веществ безопасная концентрация определяется
соотношением С/ПДК Ni > Си > Zn) [24].

Ртуть – самый токсичный элемент в природных экосистемах. По
токсикологическим свойствам соединения ртути классифицируются на
следующие группы: элементная ртуть, неорганические соединения,
алкилртутные (метил- и этил-) соединения с короткой цепью и другие
ртутьорганические соединения, а также комплексные соединения ртути с
гумусовыми кислотами [5]. Из этих соединений ртути наиболее токсичны для
человека и биоты ртутьорганические соединения. Их доля в речных водах
составляет 46% от общего содержания, в донных отложениях -до 6%, в рыбах
– до 80–95%. Как неорганические, так и органические соединения ртути
высокорастворимы.

Степень загрязнения окружающей среды токсикантами во многом определяется
их химически активными миграционными формами и механизмом миграции.

Миграция элементов – это перенос и перераспределение химических
элементов в земной коре и на поверхности Земли.

Сложность биогеохимических процессов, происходящих в атмосферном
воздухе, атмосферных осадках, природных водах, донных отложениях,
почвах, не позволяет высказать достаточно однозначной точки зрения на
соединения тяжелых металлов, определяющих их подвижные формы, и
преобладание одной из них в естественных и техногенных процессах. Тем не
менее анализ фундаментальных работ позволил сделать следующее
заключение: в атмосферном воздухе и атмосферных осадках тяжелые металлы
находятся и мигрируют в газообразной и аэрозольной формах, а также в
форме органических и неорганических комплексных соединений; в природных
водах – в форме свободных ионов, моноядерных гидроксокомплексов,
неорганических (сульфатные, хлоридные, карбонатные) и органических
(фульватные, гуматные) соединений, взвешенных и коллоидных формах; в
донных отложениях – преимущественно во взвешенных формах органического
происхождения; в почвах – в водорастворимых ионообменных и непрочно
адсорбированных формах.

3.3. Понятие токсичности и канцерогенности элементов и соединений

Показателями негативного воздействия элементов и соединений на живые
организмы являются их токсичность и канцерогенность.

Токсичность и канцерогенность – это свойства элементов и соединений,
отрицательно влияющие на живые организмы и приводящие к уменьшению
продолжительности их жизни.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно
опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения
ими гидросферы или атмосферы, но также от химических особенностей этих
ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени
токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные
организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан
ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла,
необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной
величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью [37] (табл.
3.7).

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие
реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы
резервуаром для скопления токсикантов (табл. 3.8). Тот или иной предел,
до которого атмосфера привносит токсикант (7) либо в землю, либо на
поверхность океана сверх природного циклического уровня, может быть
выражен с помощью фактора обогащения EFA:

где JT – средний поток (осадки) Е на землю или поверхность океана;

JIT – средний поток (осадки) индексного Т (index toxicant IT) при
условии его пренебрежимо малых антропогенных «отложений» в атмосфере.
Обычно в качестве IT выбирают алюминий, кремний, титан и железо.

Антропогенный перенос токсикантов посредством рек может быть оценен по
фактору обогащения EFw:

EFw = (TFW/AlFW)(AlS/TS),

где TFW – средняя концентрация токсиканта в пресной воде;

TS – средняя концентрация токсиканта на поверхности почвы.

Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются
температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды,
присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде [46].
Уменьшение парциального давления кислорода и увеличение рН и жесткости
воды приводят к понижению токсикологического воздействия
веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы, обитающие в
ней. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть
достигнута при: 1) уменьшении поступления токсиканта; 2) увеличении
коэффициента выделения токсиканта; 3) переводе токсиканта в неактивную
форму в результате его изоляции или осаждения. Например, синтез
металлотионеинов обусловливается несколькими металлами, включая ртуть,
кадмий, цинк, медь, серебро. Поэтому наличие одного из этих металлов
может вызвать устойчивость к другому металлу из-за неспецифичности
лигандов.

Факторы, влияющие на доступность токсикантов, усвоение, их воздействие
на организм, могут быть совершенно разной природы:

химические (химические свойства, окислительно-восстановительные
потенциалы, частота воздействия);

физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние
здоровья, акклиматизация).

Канцерогенез – это способность металла проникать в клетку и реагировать
с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными
веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий.
Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью
металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат
канцерогенные ионы металла, способные легко внедряться в клетки и
реагировать с молекулой ДНК [20]. Например, соли шестивалентного хрома
СгO42- потенциально более канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома
СгСl3, поскольку первые легче проникают в клетки, а вторые – лишь
ограниченно.

Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ
в клетку, так и от их количества внутри клетки. Важным фактором в этом
аспекте является общая цитотоксическая активность конкретного иона
металла. Так, например, если ион металла также активен и цитотоксичен,
как Hg2″1″, то гибель клетки будет предшествовать канцерогенному ответу.

Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории: 1)
металлсодержащие частицы; 2) водорастворимые соединения металлов; 3)
жирорастворимые соединения. Наибольшей проникающей способностью в клетку
обладают водорастворимые соединения. Например, такой водорастворимый ион
металла, как хромат-ион Сr042-, способен легко проникать в клетки с
использоваением SO42–транспортной системы. А никель в ионной форме не
внедряется в клетки с легкостью и поэтому многие водорастворимые соли
никеля не рассматриваются как потенциально канцерогенно опасные.
Жирорастворимые соединения металлов, такие, например, как карбонил
никеля Ni(CO)4, легко входят в клетку и поэтому очень токсичны.

На механизм канцерогенеза сильно влияет рН среды, температура, наличие в
клетке аминокислот. При более кислых значениях рН наблюдается наибольшая
растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот,
хорошо связывающих металлы (таких, как цистеин, гистидин), сильно
понижает способность канцерогенов, например, никеля, проникать в клетки.
Температура среды является ярким индикатором канцерогенеза. Повышение ее
приводит к ускорению процесса канцерогенеза.

Локализация канцерогенных ионов металлов в клетках приводит к
хромосомным нарушениям, которые являются результатом сшивания молекул
ДНК с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как
никель и хром, образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из
ДНК, металла и белка. Образовавшись, эти комплексы чрезвычайно
устойчивы, они вовлекают в канцерогенез никель и хром, и
перераспределение ионов металлов по мере образования этих комплексов
становится менее вероятным.

Объекты экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны. Это
воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты животного
происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой
химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач,
решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен. Наиболее
приоритетные из них:

1) создание современной методологии экотоксикологических исследований,
позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в
условиях природопользования и комплексного влияния основных ее
экологических составляющих на живые организмы;

2) осуществление ранней диагностики изменений в организме, выявляемых до
наступления морфологических, генетических, популяционных и других
изменений;

3) разработка прикладных основ химико-токсикологического анализа
приоритетных загрязнителей, включающего разнообразные способы их
обнаружения, изолирования и количественного определения в объектах
окружающей среды;

4) создание целенаправленного мониторинга токсикантов, вызывающих те или
иные отклонения в живых организмах, который позволит по-новому подойти к
идентификации наиболее активно действующего фактора, так как
специфичность биохимического ответа организма даст возможность
проследить путь от следствия к причине, т. е. выйти на соответствующего
токсического агента или на узкую группу агентов, выделяя их из общего
массива веществ-загрязнителей .

Основная задача химико-токсикологического анализа – установление
характера объекта, его консистенции и морфологического состава [45].

Чрезвычайно большое разнообразие объектов химико-токсикологического
анализа обусловливает специфические его особенности, заключающиеся в
изолировании (или извлечении из достаточно большого количества
исследуемого образца ничтожно малых количеств токсиканта) и
необходимости анализа в большинстве случаев не индивидуальных веществ, а
многокомпонентных смесей, в которых каждый определяемый компонент может
влиять на последующий. Стандартная схема выполнения
химико-токсикологического анализа (рис. 3.1) включает методы выделения
(или изолирования) и очистки токсикантов, а также методы их
качественного обнаружения и количественного определения. Среди этих
методов особенное внимание, как правило, уделяется методам выделения и
очистки, поскольку анализируемые системы представляют собой достаточно
сложные неоднородные и многокомпонентные смеси, анализ которых сопряжен
с рядом трудностей, обусловленных селективностью определения,
достоверностью и воспроизводимостью получаемых аналитических данных.

В зависимости от свойств и природы токсикантов для выделения веществ
органического происхождения применяют различные способы изолирования:
дистилляцией с водяным паром; подкисленным 96°- или 70°-ным этиловым
спиртом (алкалоиды, ряд синтетических веществ, гликозиды); подкисленной
водой (алкалоиды, синтетические лекарственные препараты и др.);
подщелоченной водой (некоторые органические кислоты, фенол и его
производные); различными органическими растворителями (остаточные
количества пестицидов и др.).

Для изолирования веществ неорганической природы используются
минерализация (соединения металлов и мышьяка), диализ (кислоты, щелочи,
соли некоторых ядовитых кислот), озоление (фториды, кремнефтористые
соединения).

Основными методами, применяемыми для очистки выделенных токсикантов,
являются возгонка и перекристаллизация; экстракция и реэкстракция;
различные виды хроматографии (газожидкостная, хроматография в тонком
слое сорбента). Наиболее широко применяются последние из описанных
вследствие дуализма характерных для них аналитических возможностей. Так,
они позволяют не только определить и отделить исследуемые соединения от
сопутствующих компонентов, но и качественно определить их структуры и
количественное содержание. Например, газожидкостная хроматография широко
применяется для анализа спиртов (этилового, метилового и др.),
ацетальдегида, некоторых галогенопроизводных, а хроматография в тонком
слое сорбента – для анализа барбитуратов, алкалоидов, различных
лекарственных веществ, гликозидов, элементо-органических соединений.

Основные требования к методам качественного обнаружения – достаточно
высокая чувствительность, характеризуемая низким пределом обнаружения, и
специфичность. В ряде случаев на практике применяют весьма традиционные
аналитические методы (гравиметрические и титриметрические), однако они
не распространены широко из-за недостаточной чувствительности (диапазон
определяемых содержаний токсикантов 0,1–1 г) при необходимости работы с
достаточно большими объемами растворов (до 100 мл). Более
чувствительными и экспрессными являются микрохимические методы,
например, капельный анализ и микрокристаллоскопический анализ с
элементами кристаллооптики, широко применяющиеся для анализа как
органических, так и неорганических соединений, позволяющие определять
токсиканты в диапазоне концентраций 0,001–0,01 г при анализе очень малых
объемов анализируемых систем (от 0,01 до 0,1 мл).

Для обнаружения отдельных токсических соединений (хинина, стрихнина,
никоглина, атропина и др.) применяются хроматографические,
полярографические, люминесцентные и биологические методы.

Методы количественного определения токсикантов представлены арсеналом
различных физических (нейтронно-активационный, рентгенофлуоресцентный,
масс-спектрометрический) и физико-химических методов
(атомно-абсорбционный анализ, атомно-эмиссионный метод с индуктивно
связанной плазмой, хроматографические, электрохимические и
спектрофотометрические методы с использованием органических реагентов
различных классов). В последнее время активно применяются тест-методы на
основе классических цветных реакций, позволяющие определять токсиканты
на уровне экспресс-анализа с достаточно высокой точностью и
селективностью. Перспективны в экотоксикологии комбинированные
аналитические методы, сочетающие эффективные приемы концентрирования с
разнообразными способами детектирования и химическими сенсорами.

Контрольные вопросы

1. Что такое экотоксикология?

2. Каковы задачи экотоксикологии?

3. Как определяется пороговый эффект токсикологического воздействия в
системах «токсикант– окружающая среда» и «токсикант–живой организм»?

4. Что показывает индекс загрязнения?

5. Что такое ПДК?

6. Что такое фоновая концентрация и токсическая концентрация?

7. Дайте определение канцерогенеза.

Раздел 2 Охрана окружающей среды

Не обвиняйте природу, она сделала

свое дело, делайте теперь свое.

Д. Мильтон

Глава 4. Защита биосферы от загрязнений

Глава 5. Основы рационального природопользования

Глава 6. Экологический менеджмент

Глава 7. Экологический маркетинг

Глава 8. Экологическое право

Глава 4. Защита биосферы от загрязнений

4.1. Основные виды загрязнений природной среды

Чтобы обеспечить свое существование, человечество должно иметь пищу,
воду, кров, одежду и т.д. Все это с неизбежностью предполагает
образование различного рода отходов, которые поступают в окружающую
среду. Во избежание ненужного, а порой и непоправимого ущерба,
наносимого природной среде, такое воздействие на среду должно тщательно
планироваться. При этом следует сочетать удовлетворение потребностей
человека за счет природы с активной защитой природной среды от
последствий человеческой деятельности. Как правило, эти цели не
исключают друг друга, хотя в некоторых случаях приходится принимать
компромиссные решения. Например, количество отходов, приходящихся на
типичный американский город с населением 1 млн человек, является
поразительным (рис. 4.1). Ежедневно в городскую канализацию поступает
80% количества воды, которое приходится на одного жителя (0,6 т);
образуется 150 т сажи, зольной пыли и других загрязнителей воздуха и
2000 т твердых отходов.

Теоретически в условиях города возможно избежать загрязнения окружающей
среды: получать чистую воду из сточных вод, а на иле сточных вод
выращивать сельскохозяйственную продукцию. Даже СО2 и Н2О, выделяемые
при дыхании, можно было бы превратить с помощью растений и водорослей в
углеводы и кислород. Однако согласно законам термодинамики такое
изолированное существование веществ не может продолжаться бесконечно
долго.

Любая деятельность человека оказывает воздействие на суммарные ресурсы
Земли. Казалось бы, в результате такой деятельности ресурсы Земли должны
иссякнуть. Однако не следует забывать, что Земля постоянно получает
приток новой энергии, источником которой является Солнце.

Таким образом, деятельность человека причиняет ущерб окружающей среде
независимо от его добрых намерений и задача состоит в том, чтобы сделать
последствия этой деятельности наименее пагубными.

Загрязнения окружающей среды (ОС) можно классифицировать (рис. 4.2) на
физические (шум, вибрации, различные виды излучений) и химические
(различные вещества: в воздухе – это токсичные газы и пары, в воде и
почве – ионы тяжелых металлов).

4.2. Защита атмосферы

Характеристика атмосферы и виды загрязнений. Огромное число вредных
веществ находится в воздухе, которым мы дышим.

Это и твердые частицы, например частицы сажи, асбеста, свинца, и
взвешенные жидкие капельки углеводородов и серной кислоты, и газы,
такие, как оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы. Все эти
загрязнения, находящиеся в воздухе, оказывают биологическое воздействие
на организм человека: затрудняется дыхание, осложняется и может принять
опасный характер течение сердечно-сосудистых заболеваний. Под действием
одних содержащихся в воздухе загрязнителей (например, диоксида серы и
углерода) подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том
числе известняк и металлы. Кроме того, может измениться облик местности,
поскольку растения также чувствительны к загрязнению воздуха.

Смог (от англ. smoke – дым и fog – туман), нарушающий нормальное
состояние воздуха многих городов, возникает в результате реакции между
содержащимися в воздухе углеводородами и оксидами азота, находящимися в
выхлопных газах автомобилей.

Таблица 4.1 и рис. 4.3 позволят вспомнить нормальный состав и строение
атмосферы Земли.

Земная атмосфера подразделяется на слои в соответствии с их
температурой. На рис. 4.3 высота слоев указана приблизительно, поскольку
она меняется в зависимости от точки отсчета.

К основным загрязнителям атмосферы, которых, по данным ЮНЕП*, ежегодно
выделяется до 25 млрд т, относят:

диоксид серы и частицы пыли – 200 млн т/год;

оксиды азота (NxOy) – 60 млн т/год;

оксиды углерода (СО и СО2) – 8000 млн т/год;

углеводороды (СxНу) – 80 млн т/год.

* ЮНЕП – Программа ООН по окружающей среде.

Оксид серы IV SO2. При растворении в воде образует кислотные дожди: Н2О
+ SO2 = H2SO3. Выделяется в атмосферу в основном в результате работы
теплоэлектростанций (ТЭС) при сжигании бурого угля и мазута, а так же
серосодержащих руд – PbS, ZnS, Cus, NiS, MnS и т.д.

При сжигании угля или нефти содержащаяся в них сера окисляется, при этом
образуются два соединения – диоксид серы и триоксид серы. В процессе
первоначального горения топлива до триоксида серы окисляется менее 3%
серы. Кислотные дожди губят растения, закисляют почву, увеличивают
кислотность озер. В Норвегии, например, в 80-е годы из-за кислотных
дождей погибло много рыбы, в этом была и большая доля вины российских
предприятий (в основном, комбината «Североникель», расположенного на
Кольском полуострове). Большую озабоченность вызывает в России огромный
трансграничный перенос серы с Запада, составляющий примерно 2 млн. т.
оксидов серы – 10 млн. т. сульфатов в год, так как воздушные массы с
Запада в нашу страну в связи с розой ветров в 7 – 10 раз превышают наши
воздушные массы в Европу. Это в основном страны Восточной Европы и
Украина, энергетика которых базируется на бурых углях.

Россия входит в конвенцию по SO2 и участвует во всех процессах,
способствующих снижению выбросов окислов серы в атмосферу. В основном
это строительство заводов по производству серной кислоты по схеме:
диоксид серы – триоксид серы – серная кислота. Используя оксиды серы как
вторичное сырье, человечество для производства такого необходимого ему
во многих отраслях промышленности продукта, как серная кислота,
перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.

Подсчитано, что в 80-е годы человечеству было необходимо получать около
25 млн. т. серной кислоты в год (например, для получения синтетических
моющих средств и других продуктов), а выброс оксидов серы в то же время
составил 15,6 млн. т. в год, больше чем необходимо для производства
указанного выше количества серной кислоты.

Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе порядка 100 мкг. на
кубометр, что нередко имеет место в городах, растения приобретают
желтоватый оттенок. Отмечено, что заболевания дыхательных путей,
например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в
воздухе.

Разработано большое число методов для улавливания двуокиси серы из
отходящих дымовых газов. Весьма привлекательными оказались скрубберные
установки, дающие отходы в виде продуктов, имеющих спрос на рынке: один
из таких скрубберов производит серу высокой чистоты, другой –
разбавленную серную кислоту. Последнюю невыгодно перевозить на большие
расстояния, но высокочистая сера, которая находит применение при
производстве лекарственных препаратов, промышленных реагентов, удобрений
в развитых странах привлекает и потребителей из-за рубежа.

В России пока удалось решить эту проблему на большей части европейской
территории. В азиатской части, где трудно решить вопросы с
транспортировкой серной кислоты, например, огромные массы SO2 комбината
«Норильский никель», которые выбрасывают высокие (до 100 м) трубы,
достигают Канады через Северный полюс. Эта проблема в разных регионах
России требует срочного решения. В Москве, например, на единственном
нефтеперерабатывающем заводе в Капотне с 1997 г. запрещено использовать
серосодержащие нефтепродукты.

Оксиды азота (NxOy). В природе оксиды азота образуются при лесных
пожарах. Высокие концентрации оксидов азота в городах и окрестностях
промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. В
значительном количестве оксиды азота выделяют ТЭС и двигатели
внутреннего сгорания. Выделяются оксиды азота и при травлении металлов
азотной кислотой. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты –
еще два источника выбросов оксидов азота в атмосферу.

Загрязняют атмосферу:

N2O – оксид азота I (веселящий газ), обладает наркотическими свойствами,
используется при хирургических операциях;

NO – оксид азота II, действует на нервную систему человека, вызывает
паралич и судороги, связывает гемоглобин крови и вызывает кислородное
голодание;

NO2, N2O4 – оксиды азота V (N2О4= 2NО2), при взаимодействии с водой
образуют азотную кислоту 4NO2 + 2Н2О + О2 = 4HNО3. Вызывают поражение
дыхательных путей и отек легких.

Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога. К
фотохимическим процессам относятся процессы образования
пероксиацетилнитратов (ПАН). При концентрациях ПАН 0,1–0,5 мг/м3 они
могут вызывать раздражение слизистой оболочки глаз и гибель растений,
что характерно для южных солнечных городов.

Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом
движения автотранспорта. В период высокой интенсивности движения утром и
вечером отмечается пик выбросов в атмосферу оксидов азота и
углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом,
обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.

Наблюдается большое количество заболеваний верхних дыхательных путей у
населения, подвергавшегося воздействию высоких уровней оксидов азота, по
сравнению с группой людей, которые находились в условиях меньшей
концентрации NхOy, a концентрации других загрязнителей были такими же.

Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей (эмфизема легких,
астма), а также страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, более
чувствительны к прямым воздействиям оксидов азота.

Оксид углерода II (СО). Концентрация оксида углерода II в городском
воздухе больше, чем любого другого загрязнителя. Однако поскольку этот
газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, наши органы чувств не в
состоянии обнаружить его.

Самый крупный источник оксида углерода в городах – автотранспорт. В
большинстве городов свыше 90% СО попадает в воздух вследствие неполного
сгорания углерода в моторном топливе по реакции: 2С+О3 = 2СО. Полное
сгорание дает в качестве конечного продукта диоксид углерода: С + О2 =
СО2.

Другой источник оксида углерода – табачный дым, с которым сталкиваются
не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Доказано, что
курильщик поглощает вдвое больше оксида углерода по сравнению с
некурящим.

Оксид углерода вдыхается вместе с воздухом или табачным дымом и
поступает в кровь, где конкурирует с кислородом за молекулы гемоглобина.
Оксид углерода соединяется с молекулами гемоглобина прочнее, чем
кислород. Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше
гемоглобина связывается с ним и тем меньше кислорода достигает клеток.
По этой причине оксид углерода при повышенных концентрациях представляет
собой смертельно опасный яд.

Типичный автомобильный двигатель середины 60-х годов выбрасывал с
выхлопными газами в среднем 73 г оксида углерода на каждые 1,5 км
пробега. К 1981 г. выброс оксида углерода новыми автомобилями достиг
уровня всего 3,4 г на 1,5 км (данные США).

Для достижения установленного стандарта выхлопные газы смешиваются с
воздухом в присутствии катализатора. Дальнейшее окисление оставшегося
оксида углерода происходит в каталитическом преобразователе (Pt/Pd –
платина-палладий). Именно такая система в настоящее время повсеместно
выбрана для уменьшения выбросов СО в атмосферу. В Москве, например, по
решению мэрии не оформляют покупку автомобилей иностранных марок до 1985
г. выпуска, т. е. без установленных каталитических дожигателей на
выхлопные газы. В США годовые выбросы оксида углерода постепенно
уменьшались начиная с 1976 г., по мере того как новые модели автомобилей
с каталитическими преобразователями выхлопных газов сменяли старые,
менее эффективные модели; общий выброс СО автотранспортом США сократился
с 64,3 млн т в 1976 г. до 47,7 млн т в 1983 г., т.е. на 25%. Одна из
причин столь небольшого снижения связана с общей длиной пробега
автомобилей, которая ежегодно возрастает из-за постоянного роста числа
автомобилей на дорогах и улицах. Эффективность каталитических
преобразователей со временем уменьшается и необходимо регулярно
осуществлять повторные проверки выхлопных газов автомобилей на
содержание СО. Борьба за качество воздуха во всех странах продолжается,
поскольку пробег автомобилей непрерывно растет. Этот неограниченный рост
можно было бы сократить за счет создания новых систем общественного
транспорта, привлекательных для населения и способных широко
развиваться, или перехода на электромобили.

Оксид углерода IV (СО2). Влияние углекислого газа (СО2) связано с его
способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК) в диапазоне длин волн
от 700 до 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою
энергию от Солнца в лучах видимого участка спектра (от 400 до 700 нм), а
отражает в виде длинноволнового ИК-излучения.

С 1850 г. содержание СО2 в атмосфере возросло с 0,027 до 0,033% в связи
с техногенной деятельностью. Человечество сожгло в XX в. ископаемых
видов топлива столько, сколько за весь период своего существования до XX
в. Поглощая ИК-излучение, СО2 действует как парниковая пленка.

Подсчитано, что если к 2000 г. среднегодовая температура возрастет на
1°С, то в результате таяния ледников уровень Мирового океана поднимется
на 1,5 м. К счастью, накопление углекислого газа в атмосфере идет в 2–3
раза медленнее, чем это подсчитано теоретически.

Механизмом вывода углекислого газа из атмосферы является поглощение его
в результате фотосинтеза растений, а также связывание его в океанских
водах по реакции: СО2+Н2О+Са2+ = =СаСО3+2Н+.

Пыль. Причины основных выбросов пыли в атмосферу – это пыльные бури,
эрозия почв, вулканы, морские брызги. Около 15– 20% общего количества
пыли и аэрозолей в атмосфере – дело рук человека: производство
стройматериалов, дробление пород в горнодобывающей промышленности,
производство цемента, строительство. Например, во Франции приблизительно
3% общего объема производимого цемента выбрасывается в атмосферу (около
100 т в год). Пыль, осевшая в индустриальных городах, содержит 20%
оксидов железа (Fе2О3), 15% оксида кремния (SiO2) и 5% сажи (С).
Промышленная пыль часто включает также оксиды различных металлов и
неметаллов, многие из которых токсичны (оксиды марганца, свинца,
молибдена, ванадия, сурьмы, теллура).

Американский эколог О. Бартон так охарактеризовал проблему, связанную с
запыленностью атмосферы: «Одно из двух: либо люди сделают так, что в
воздухе станет меньше дыма, либо дым сделает так, что на Земле станет
меньше людей».

Пыль и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к
климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и
затрудняют отвод тепла от Земли. Например, так называемые смоги в очень
населенных южных городах (Мехико – 22 млн жителей и др.) снижают
прозрачность атмосферы в 2–5 раз.

Кислород (О2). Кислород на Земле создан самой жизнью. Рис. 4.4
иллюстрирует историю происхождения кислорода на планете Земля. Примерно
2 млрд лет назад содержание свободного кислорода в земной атмосфере
начало возрастать. После того как из части атмосферного кислорода
сформировался защитный озоновый слой, начали развиваться наземные
растения и животные. С течением времени содержание кислорода в атмосфере
значительно менялось, поскольку менялись уровни его образования и
использования [30].

Главным продуцентом кислорода на Земле служат зеленые водоросли
поверхности океана (60%) и тропические леса суши (30%). Тропические леса
Амазонки называют легкими планеты Земля. Ранее в литературе
высказывались опасения, что возможно уменьшение количества кислорода на
Земле вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива. Но
расчеты показывают, что использование всех доступных человеку залежей
угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не
более чем на 0,15% (с 20,95 до 20,80%). Другая проблема – вырубка лесов,
приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые
живут за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих растений
имеет только 45% кислорода, Швейцария – 25%.

Озон (О3). Озон образуется в верхних слоях стратосферы и в нижних слоях
мезосферы в результате протекания следующих реакций:

О2 + hv (=240 нм) = О + О,

O2 + О + М,

где М – различные составляющие атмосферы, например, кислород или азот.

Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмосфере
согласно реакциям:

O3 + hv (380 нм) = О2 + О,

О3 + О = 2O2,

О + О + М = O2+М.

Эти реакции образуют так называемый цикл Чепмена. Общее содержание озона
иногда выражают как число молекул, получаемое в результате суммирования
по всем широтам, долготам и высотам. На сегодняшний день это количество
приблизительно равно 4·1037 молекул озона. Наиболее распространенной
количественной оценкой состояния озона в атмосфере является толщина
озонного слоя Х – это толщина слоя озона, приведенного к нормальным
условиям, которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется
от 2,5 до 5 относительных мм. Области с уменьшенным содержанием на
40–50% озона в атмосфере называют «озоновыми дырами».

Около 90% озона находится в стратосфере. Долгое время считалось, что
основной причиной истощения озонного слоя являются полеты космических
кораблей и сверхзвуковых самолетов, а также извержения вулканов и другие
природные явления.

Разрушительное действие хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) на
стратосферный озон было открыто в 1974 г. американскими учеными –
специалистами в области химии атмосферы Ш. Роулендом и М. Молина (в 1996
г. за открытия в этой области им присуждена Нобелевская премия). С тех
пор не раз предпринимались попытки ограничить выброс ХФУ в атмосферу, и
тем не менее сейчас во всем мире ежегодно производится около миллиона
тонн газообразных веществ, способных разрушить озонный слой.

ХФУ, часто встречающиеся в быту и в промышленном производстве, – это
пропелленты в аэрозольных упаковках, хладоагенты (фреоны) в
холодильниках и кондиционерах. Они применяются и при производстве
вспененного полиуретана, и при чистке электронной техники.

Постепенно ХФУ поднимаются в верхний слой атмосферы и разрушают озонный
слой – щит атмосферы, спасающий от УФ-излучения. Время жизни двух самых
опасных фреонов – Ф-11 и Ф-12 – от 70 до 100 лет. Этого вполне
достаточно, чтобы в ближайшее время ощутить на себе последствия
сегодняшней экологической неграмотности. Если, сохранятся современные
темпы выброса ХФУ в атмосферу, то в ближайшие 70 лет количество
стратосферного озона уменьшится на 90%. При этом весьма вероятно, что:

рак кожи примет эпидемический характер;

резко сократится количество планктона в океане;

исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;

УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.

Все это нарушает равновесие во многих экосистемах Земли, из-за
фотохимического смога ухудшится общее состояние атмосферы, усилится
«парниковый эффект».

ХФУ – высокостабильные соединения и поскольку они не поглощают солнечное
излучение с большой длиной волны, они не могут подвергнуться его
воздействию в нижних слоях атмосферы, но, преодолев защитный слой,
поднимаются вверх по атмосфере и коротковолновое излучение высвобождает
из них атомы свободного хлора. Свободные атомы хлора затем вступают в
реакцию с озоном:

Сl + О3 = СlO + O2,

СlO + О = Сl + O2.

Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает
каталитическую цепную реакцию, согласно которой один атом хлора способен
разрушить до 100 000 молекул озона. Канцерогенным является УФ-излучение
с длиной волны короче 320 нм. Ожидается, что каждый процент сокращения
озонного слоя повлечет за собой увеличение числа случаев заболевания
раком кожи на 5–6%.

Основные санитарные требования к качеству атмосферного воздуха. Основным
критерием контроля качества атмосферного воздуха является ПДК токсичных
веществ. При санитарной оценке качества атмосферного воздуха принято
выражать содержание загрязняющих веществ в мг на м3 воздуха. Это
выражение концентрации применимо для любого агрегатного состояния
примесей. За рубежом, например в США, часто пользуются другой
концентрацией:

где М – молекулярная масса загрязнителя;

22,4 – объем в литрах 1 моля газа при 25°С и 760 мм рт. ст.

Критерием оценки влияния выбросов предприятий на окружающую среду
является уровень практических концентраций примесей в атмосфере,
полученных в результате рассеивания выбросов, по сравнению с предельно
допустимыми.

Для атмосферного воздуха установлены соответствующие значения ПДК.

Концентрация вредных веществ в воздухе производственных помещений не
должна превышать ПДКр.з., в воздухе для вентиляции производственных
помещений – 0,3 ПДКр.з.; в атмосферном воздухе населенных пунктов – ПДК
м.р.; в зоне отдыха и курортов – 0,8 ПДК м.р..

Нормы ПДК служат исходной базой для проектирования и экспертизы новых
машин и механизмов, технологических линий, промышленных сооружений и
предприятий, а также для расчета вентиляционных, газопылеулавливающих и
кондиционирующих систем, контролирующих приборов и систем сигнализации.

Основные организации, контролирующие выбросы предприятий в атмосферный
воздух, – санитарно-эпидемиологические станции (СЭС); территориальные
управления Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды; Государственная инспекция по контролю за работой
газоочистных и пылеулавливающих установок.

Для предотвращения загрязнения атмосферы введены нормативы на выбросы
вредных веществ непосредственно из каждого источника (труба, шахта и
т.д.). Государственным стандартом (1990 г.) установлены величины
предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферу:

ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени (г/с),
которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает
приземной концентрации примеси, превышающей значение ПДК. Это
научно-технический норматив для конкретного источника загрязнения,
обязательный для данного предприятия.

Если в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина
ПДВ по объективным причинам не может быть достигнута, то фактический
выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).

Нормативные выбросы вредных веществ устанавливают для каждого источника
загрязнения в г/с и для всего предприятия в целом (т/год). При
установлении ПДВ или ВСВ необходимо учитывать фоновые концентрации,
значения которых определяются для предприятия территориальными
организациями Федеральной службы России по гидрометеорологии и
мониторингу окружающей среды. Для городов с населением меньше 250 тыс.
человек приняты следующие нормы фоновых концентраций основных
токсикантов:

SО 2 – 0,1 мг/м3 СО – 1,5 мг/м

NО2 – 0,03 мг/м3 пыль – 0,2 мг/м3

Методика для расчета ПДВ основана на применении модели, которая
учитывает индивидуальные свойства загрязнителя (ПДКм.р.); фоновую
концентрацию Сф; геометрические размеры источника загрязнения (h –
высота, м; D – диаметр устья, м); условия выхода газового потока из
источника (Т – разность температур выбрасываемой смеси и окружающего
воздуха, V – средняя скорость выхода смеси из устья источника, м/с); W,
f – условия вертикального и горизонтального рассеивания вредного
вещества в атмосферном воздухе; А, – показатель относительной
агрессивности; F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных
веществ в воздухе; п – коэффициент, учитывающий рельеф местности.

Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных
загрязнителей. Основное направление защиты воздушного бассейна от
загрязнений вредными веществами – создание новой безотходной технологии
с замкнутыми циклами производства и комплексным использованием сырья.

Многие действующие предприятия используют технологические процессы с
открытыми циклами производства. В этом случае отходящие газы перед
выбросом в атмосферу подвергаются очистке с помощью скрубберов, фильтров
и т.д. Это дорогая технология, и только в редких случаях стоимость
извлекаемых из отходящих газов веществ может покрыть расходы на
строительство и эксплуатацию очистных сооружений.

Наиболее распространены при очистке газов адсорбционные, абсорбционные и
каталитические методы.

Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО2,
СО, оксидов азота, 8O2, от взвешенных частиц.

Очистка газов от СО2.

а) Абсорбция водой. Простой и дешевый способ, однако эффективность
очистки мала, так как максимальная поглотительная способность воды – 8
кг СО2 на 100 кг воды.

б) Поглощение растворами этанол-аминов по реакции:

2R – NH2 + СО2 + Н2О ? (R – NH3)2СО3.

В качестве поглотителя обычно применяется моноэтаноламин.

в) Холодный метанол СН3ОН является хорошим поглотителем СО2 при -35°С.

). Для извлечения СO2 из природного газа и удаления продуктов
жизнедеятельности (влаги и СО2) в современных экологически изолированных
системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.) используются
молекулярные сита типа СаО.

Очистка газов от СО.

а) Дожигание на Pt/Pd (платино-палладиевом) катализаторе:

2СО + О2 ? 2СО2.

б) Конверсия (адсорбционный метод):

СО + Н2О ? СО2 + H2.

Очистка газов от оксидов азота.

В химической промышленности очистка от оксидов азота на 80% и более
осуществляется в основном в результате превращений на катализаторах.

а) Окислительные методы основаны на реакции окисления оксидов азота с
последующим поглощением водой и образованием НNО3:

окисление озоном в жидкой фазе по реакции:

2NO + О3 + Н2О ? 2 НNО3;

окисление кислородом при высокой температуре:

2NO + О2 ? 2NО2.

б) Восстановительные каталитические методы основаны на восстановлении
оксидов азота до нейтральных продуктов в присутствии катализаторов или
под действием высоких температур в присутствии восстановителей. Процесс
восстановления можно представить в виде следующей схемы:

N2О5 ? N2О4 ? NО2 ? NO N2 +О2.

-11°C 21,5°C 140°C 600°C 10 000°С

Разложение оксидов азота до нейтральных соединений (2NO ? N2 + О2)
происходит в потоке низкотемпературной плазмы (10 000°С). Этот процесс
при более низких температурах в присутствии катализатора протекает в
двигателях внутреннего сгорания. Присутствие восстановителей в зоне
реакции (угля, графита, кокса) также понижает температуру реакции
восстановления. При температуре 1000°С степень разложения N0 в реакции С
+ 2NO ? СО2 + N2 составляет 100%.

При температуре выхлопных газов автомобиля в двигателе внутреннего
сгорания возможна реакция:

2NO + 2СО ? N2 + 2СО2.

в) Сорбционные методы.

Это адсорбция оксидов азота водными растворами щелочей и известью СаСО3
и адсорбция оксидов азота твердыми сорбентами (угли, торф, силикагели,
цеолиты).

Очистка газов от SO2.

ТЭС мощностью 1 млн кВт при работе на каменном угле выбрасывает в
атмосферу 11 тыс. т SO2, на газе – 20% этого количества.

Очистка дымовых газов электростанций обходится сейчас приблизительно в
300–400 тыс. руб. за 1 кВт в год. Снижение доли серы в нефтепродуктах на
0,5% обходится при этом в 30 тыс. руб. на 1 т. Методы улавливания SO2
требуют больших затрат, их можно разделить на аммиачные, нейтрализации и
каталитические.

Эффективность очистки зависит от множества факторов: парциальных
давлений SO2 и O2 в очищаемой газовой смеси; температуры отходящих
газов; наличия и свойств твердых и газообразных компонентов; объема
очищаемых газов; наличия и доступности хемосорбентов; потребности в
продуктах утилизации SO2; требуемой степени очистки газа.

Очистка газов от взвешенных частиц, например, пыли.

Можно выделить несколько методов улавливания частиц пыли:

гравитационное оседание;

центрифугирование;

электростатическое оседание;

инерционное соударение;

прямой захват;

диффузия.

Все процессы очистки осуществляются с помощью специальных фильтров,
скрубберов и т.д.

4.3. Защита гидросферы

Характеристика гидроресурсов и сточных вод. Гидросферой называют водную
оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и
подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она
составляет лишь 10-3% общей массы планеты.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнана. Без воды человек
может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды.
Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным
потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание
животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания

1 т пшеницы – 1500 т

1 т риса – 7000 т

1 т хлопка – 10 000 т

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется
воды на производство

1 т чугуна –50–150т

1 т пластмасс – 500–1000 т

1 т цемента – 4500 т

1 т бумаги – 100 000 т

На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн
т/год.

Указанные производства требуют только пресную воду. Расчеты показывают,
что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете;
85% – морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды
распределены крайне неравномерно: 72,2% – льды; 22,4% – грунтовые воды;
0,35% – атмосфера; 5,05% – устойчивый сток рек и вода озер. На долю
воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10-2% всей
пресной воды на Земле.

Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению
количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки,
высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня
грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

Проблема Каспия – хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб
при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их
популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме –
Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.

Проблема Азовского моря – увеличение концентрации солей. За послевоенные
годы его засоленность увеличилась с 9 до 15,6 ррт. Организмы, питающие
рыбу, погибают. Результат – снижение возможности рыболовства на Азовском
море.

Проблема Байкала – воду этого ценнейшего озера используют для получения
целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной
минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей. Обычно в пресной воде
содержание солей составляет 300–450 мг/л, в питьевой – 380 мг/л. Байкал
после строительства целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске
стал загрязняться (60-е годы). В озере Байкал находится несколько сот
эндаминореликтов – редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С
запозданием разработаны уникальные очистные сооружения, стоимость
которых составила 30% стоимости основных фондов производства. Однако
принимаемые меры недостаточны для защиты Байкала.

По количеству солей вода делится на: пресную ( 25). В океане, например, – 35 г/л;
Балтийском море – 8–16 г/л; Каспийском – 11–13 г/л; Черном – 17–22 г/л.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением
солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет,
даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волги с ее
притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например, в Северном
Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины
составляет 2–3 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть
использованы как источники водоснабжения. Так, в Каму поступают
промышленные стоки с минерализацией 1,5–5,0 г/л.

Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей,
выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не
пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В
качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек,
используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской
области.

Громаден объем сброса дренажных вод. К 2000 г. он составит 25–35 км3.
Системы орошения потребляют обычно 1–2 тыс. м3/га, их минерализация
составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса
промышленных стоков. По данным за 1996 г. в России объем промстоков был
равен стоку такой большой реки, как Кубань.

Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так
и на бытовые нужды. В среднем в городах с населением 1 млн человек, по
данным США, потребляется 200 л/сутки воды на человека, по другим
городам, л/с. (литр/сутки):

Москва – 400 Лондон – 170

С.-Петербург – 500 Париж – 130

Берлин – 250 Брюссель – 85

Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую
систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них
непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся
к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия
могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к
невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели
экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к
первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К
важнейшим из них относятся:

осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

окисление (минерализация) органических примесей;

окисление минеральных примесей кислородом;

нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию
малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Основные характеристики сточных вод, влияющие на состояние водоемов:
температура, минералогический состав примесей, содержание кислорода, мл,
рН (водородный показатель), концентрация вредных примесей. Особенно
большое значение для самоочищения водоемов имеет кислородный режим.
Условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны
поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Сточные воды
характеризуются следующими признаками:

мутность воды – определяется с помощью мутномера: исследуемую воду
сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из
инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;

цветность воды – определяется сравнением интенсивности окраски
испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности.
В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;

сухой остаток – масса солей и веществ, которые остаются после
выпаривания воды (мг/л);

кислотность – измеряется в единицах рН. Природная вода обычно имеет
щелочную реакцию (рН > 7);

после кипячения в течение 1 ч (она не удаляется); устранимая
(временная) – устраняется кипячением: Са (НСО3) 2 ? СаСО3 + СО2 + Н2О.
Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв
соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1° – количество солей кальция и
магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды). 1° жесткости = 10 мг-экв
= 2,8° жесткости;

растворимый кислород – зависит от температуры воды и барометрического
давления, измеряется в мг/л;

биологическая потребность в кислороде (БПК) – количество кислорода,
поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За критерий оценки БПК
принята величина уменьшения количества растворенного кислорода в воде в
течение 5 или 20 суток при температуре 20°С.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:

бытовые сточные воды – стоки душевых, прачечных, бань, столовых,
туалетов, от мытья полов и т.д. Их количество в среднем составляет 0,5–2
л/с. с 1 га жилой застройки города, они содержат примерно 58%
органических и 42% минеральных веществ;

атмосферные сточные воды, или ливневые, их сток неравномерен: 1 раз в
год – 100–150 л/с. с 1 га; 1 раз в 10 лет – 200–300 л/с. с 1 га.
Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из-за их
неравномерности затруднены сбор и очистка этих стоков;

промышленные сточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче
и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного
водопотребления на единицу продукции.

Самым важным условием, необходимым для того, чтобы биохимические
процессы в водоеме протекали правильно и обеспечивали самоочищение воды,
является наличие в ней растворенного кислорода. Если кислорода
недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения
вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением
сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, создающих вторичные
загрязнения водоема.

По санитарным нормам (СНИП) значение БПК в зависимости от типа природных
водоемов не должно превышать 3–6 мг О2/лН2О. В сточных водах БПК
составляет от 200 до 3000 мг/л, поэтому при сбросе в водоемы промстоков
необходимо их чистить или сильно разбавлять.

Главным критерием качества воды и атмосферы в нашей стране являются ПДК.
Но они установлены далеко не для всех веществ. Спуск в водоемы новых
веществ, ПДК которых не определены, в нашей стране запрещен. Кроме того,
часто используют значения ПДК не для сточных вод, а для водоема. Таким
образом, появляется возможность достичь установленного ПДК простым
разбавлением сточных вод, чем часто пользуются. Около половины сточных
вод на Земле не подвергается специальной очистке перед сбросом в
водоемы. Их обезвреживание заключается лишь в разбавлении чистой водой и
самоочищении водоемов. Например, сточные воды заводов по производству
полиэтилена и полистирола надо разбавлять в 30 раз; сточные воды от
производства синтетического каучука – в 185 раз.

В России ежегодно образуется около 21 км3 сточных вод, из них 16 км3
сливаются в Волгу или ее притоки. Выбросы Си, Zn, Сг превышают ПДК.
Поэтому принято специальное постановление по защите окружающей среды в
бассейнах Волги и Урала.

Сбросы сточных вод регламентируются также величиной ПДС
(предельно-допустимого сброса) предприятия. В 90-х годах в мире
использовали 2000–3000 км3 пресных вод, т. е. примерно 30% устойчивого
мирового стока рек. Чтобы не погибнуть, чистить воду придется всем
странам. Кроме того, пресная вода, удобная для использования,
распределена крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70%
населения Земли, мировых запасов речных вод очень мало. Гидроресурсы
нашей страны велики, однако более 80% речного стока приходится на
малонаселенные районы Севера и Востока. На Европейской части России
проживает около 80% населения и на них приходится всего 20%
гидроресурсов.

Таким образом, влияние хозяйственной деятельности человека на
кругооборот воды в природе привело к:

сокращению количества воды в водоемах суши;

росту водопотребления;

исчерпанию самоочищающей способности водоемов;

деградации природных вод.

Выход из положения – создание замкнутых водооборотных систем. Помимо
перечисленных выше факторов это связано с экономическими соображениями.
Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень
велика. Так, если принять стоимость 90% очистки за 1 условную единицу
(у. е.), то очистка на 99% дороже в 10 раз (10 у. е.), а очистка на
99,9%, которая требуется чаще всего, будет дороже уже в 100 раз, т. е.
составит 100 у. е. В результате локальная очистка сточных вод только от
характерных для данного вида стоков загрязнений для их повторного
использования в том же производстве оказывается существенно дешевле их
полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов.

Для характеристики замкнутых водооборотных систем используется критерий
кратности использования воды в обороте:

– общий объем воды, потребляемый предприятием (м3/ч; м3/г сырья или
продукции);

Q3 – забор потребления свежей воды.

Чем больше кратность использования, Тем совершеннее схема водоснабжения.
В США в 1995 г. среднее значение кратности равнялось 7,5. В России в
1995 г. критерий кратности использования воды по отраслям составлял:

Нефтехимия – 7,00

Черная и цветная металлургия – 5,25

Пищевая промышленность – 3,00

Теплоэнергетика – 2,25

Производство стройматериалов – 1,60

Легкая промышленность – 1,30

В нашей стране планировалось довести этот показатель в ближайшие годы до
7,00 в среднем по предприятиям, а в США – до 27.

Создание экономически радикальных замкнутых систем водного хозяйства –
весьма трудная задача. Сложный химический состав сточных вод,
разнообразие содержащихся в них соединений делают невозможной разработку
универсальной бессточной технологической схемы. Можно говорить лишь об
общих принципах создания и проектирования бессточных схем.

Основные положения создания водооборотных систем:

1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды,
используемой во всех технологических процессах и операциях. В
подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды
питьевого качества.

2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водного.
Здесь большую роль сыграло бы внедрение агрегатов большой единичной
мощности. При этом высокоэнергетическое тепло используется для
технологических целей, а низкоэнергетическое – для обогрева. Так,
например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на
предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на
110–160 млн м3/год (Омский нефтеперерабатывающий завод и др.).

3. Размещение на промышленных площадях комплекса производств (так
называемых территориально-производственных комплексов – ТПК) должно
обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в
технологических процессах и операциях.

4. Последовательное многократное использование воды в технологических
операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объема
максимально загрязненных сточных вод.

5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений
целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем
утилизируют ценные компоненты.

6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только
в замкнутом цикле.

Методы очистки воды. Чистые сточные воды – это воды, которые в процессе
участия в технологии производства практически не загрязняются и сброс
которых без очистки не вызывает нарушений нормативов качества воды
водного объекта. Нормативы едины и утверждены Правилами охраны вод от
загрязнения сточными водами, принятыми Минводхозом, Минздравом и
Минрыбхозом в 1974 г. В 1996 г. на базе Роскомвода и Роскомнедр было
создано Министерство природных ресурсов РФ. Принят ряд новых законов
Российской Федерации, которые значительно меняют сложившуюся
нормативно-правовую базу и систему управления и контроля в области
охраны окружающей среды и рационального использования природных
ресурсов.

Загрязненные сточные воды – это воды, которые в процессе использования
загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также
сточные воды, проходящие очистку, степень которой ниже норм,
установленных местными органами Государственного комитета РФ по охране
окружающей среды. Сброс этих вод вызывает нарушение нормативов качества
воды в водном объекте.

Практически всегда очистка промышленных стоков – это комплекс методов.
Наиболее широко используется комбинация механической очистки,
нейтрализации промышленных стоков, или реагентной очистки, и
биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех
комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при
очистке бытовых (канализационных) стоков. Рассмотрим их подробнее.

1. Механическая очистка стоков

Сюда относятся отстой сточных вод в специальных отстойниках, в которых
происходит оседание взвешенных частиц на дно отстойников; сбор
нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности
стоков устройствами типа механических рук и, наконец, фильтрация вод
через слой песка примерно 1,5-метровой толщины.

2. Химическая, или реагентная, очистка

а) Один из видов обработки сточных вод – реакции нейтрализации.
Нейтрализация – химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных
свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора – с
помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов может быть
различной, то для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить
кислотные свойства, а для другого вида отходов – щелочные свойства. О
степени кислотности или щелочности раствора судят по величине
водородного показателя рН. Значение величины рН растворов различных
веществ колеблется от 0 до 14. Небольшие значения рН свидетельствуют о
наличии кислотной среды.

Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, надо знать, какое количество
кислоты или щелочи надо добавить в раствор для получения необходимого
значения рН. Для этого используют метод титрования, по объему
израсходованного титранта вычисляя количество определяемого вещества.

Самую простую систему очистки на основе реакции нейтрализации можно
представить в виде измельченного известняка, на который вылили раствор
кислоты, а осадок собрали в отстойник.

б) Реакции окисления-восстановления. Любая реакция
окисления-восстановления есть одновременное окисление одних компонентов
и восстановление других. Наиболее распространенные окислители и
восстановители:

Окислители Восстановители

Кислород или воздух Хлорит

Озон Сульфат Fe2+

Хлор, гипохлорит Гидросульфит

Перекись водорода Диоксид серы

Перманганат калия Сероводород

Одним из важнейших окисляющих агентов является хлор, поэтому большинство
химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, чтобы
высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из
воды. Окислительно-восстановительные реакции используются для
превращения токсичных веществ в безвредные.

3. Биохимическая очистка

а) Аэробная биохимическая очистка – минерализация органического вещества
промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления
при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе
использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях
интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде
кислорода:

С6Н12О6 + 6O2 = 6СО2 + 6H2O.

Было установлено, что органические вещества омертвевших организмов
разрушаются под действием бактерий, если для последних созданы
соответствующие условия, т. е. своевременно подается кислород и
среда-носитель оказывается благоприятной для развития микроорганизмов. В
качестве среды-носителя был выбран песчаный слой толщиной 1,5 м. Доступ
кислорода обеспечивается с помощью вентиляции или путем естественной
тяги. Сточные воды сливаются на грунт только в течение 6 часов, а
остальные 18 часов отводятся на биохимические процессы. Культура
микробов развивается в верхних слоях песка.

Этот метод очистки, названный методом капельной фильтрации, впервые
использован в прошлом веке (1866 г.) в Лондоне. Метод позволяет при
использовании 1 га песчаной почвы очистить 1,038·106л/с. сточных вод,
следовательно, Лондону в 1866г. для очистки 1,57·109л/с. сточных вод
необходимо было иметь 810 га подходящих земель. Это слишком большая
площадь.

Усовершенствование метода капельного фильтра – перполяционный фильтр –
разбрызгивание сточных вод на пласт щебня. Наиболее широко система с
перполяционным фильтром стала применяться, когда были достигнуты успехи
в области получения пластмасс с заданными свойствами. В современных
системах очистки накопление бактериального материала осуществляется на
пластмассовых дисках, смонтированных на вращающейся оси. Диски
наполовину погружены в сточные воды, по мере их вращения бактерии
периодически снабжаются питательной средой и кислородом. Сейчас метод
капельного фильтра используют только при условии дешевой земли и мягкого
климата.

Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка
активным илом. Сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в
результате предварительного окисления вод, поэтому способ и получил
такое название.

Как известно, ил представляет собой огромную популяцию различных
бактерий, грибков и другой флоры, добавление которой к сточным водам
приводит к быстрому установлению равновесия, способствующего разложению
органических веществ, в результате которого образуются СО2 и Н2О. По
существу авторы нового способа обработки изменили естественный
биологический цикл таким образом, что скорость потребления питательного
вещества (т.е., скорость разложения органического вещества) увеличилась
на несколько порядков. Дальнейшее усовершенствование этого способа
связано с разработкой методов надлежащего ухода и питания используемой
популяции микроорганизмов.

Активный ил представляет собой аморфный коллоид с поверхностью 100 м2/г
сухого вещества, имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3–150
мкм, взвешенных в воде. B 1 г сухого ила содержится от 108 до 1012 штук
бактерий. При этом определенный вид бактерий способен окислять
определенные вещества.

Бактерии, входящие в состав активного ила, способны перерабатывать
только те сточные воды, из которых сформировался этот активный ил.
Поэтому, если в состав очищаемых промышленных стоков будут введены новые
вещества, например при изменении технологии производства, то потребуется
время, чтобы бактерии, способные окислить именно эти вещества,
размножились в достаточном количестве и смогли обеспечить наилучшую
очистку.

Иногда даже приходится завозить на вновь создаваемое предприятие
активный ил с другого предприятия, где очищаются аналогичные по составу
воды и где в активном иле распространены нужные виды бактерий.

Обычно концентрацию активного ила поддерживают равной 2–4 г/л. В ходе
очистки активный ил время от времени выводят из очистных сооружений, так
как его количество растет. Часть его при этом используется в качестве
ценного удобрения, если нет тяжелых металлов, часть стабилизируют, т. е.
обрабатывают избытком кислорода для удаления всевозможной органики,
предотвращая таким образом гниение. Часть поступает на анаэробное
разложение. Аппаратура для аэробной биохимической очистки представляет
собой так называемый аэротенк, или окситенк (рис. 4.5).

.

В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных
микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого
водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные
органические соединения до более простых, а затем с помощью
метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.

Процесс окисления–восстановления – это переход электронов от
субстрата-донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным
акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) –
органическое соединение, образующееся в результате «простого
перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую:

С6Н12О6 = ЗСН3СООН + 15 ккал;

2СН3СООН = 2СН4 + 2СО2.

Образующийся газ состоит из метана (65%) и СОз (33%) и может быть
использован для нагрева до 45–55°С в самом метантенке, где происходит
анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95–98%),
его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если
есть токсичные примеси, сжигают;

Однако не всякие сточные и природные воды могут быть очищены
биохимическими методами. Нормы на содержание вредных веществ в сточных и
природных водах, поступающих на биологические очистные сооружения, по
некоторым металлам следующие: А13+ – 5 мг/л; Fе3+ – 5 мг/л; Сr6+ – 0,1
мг/л; Mg2+ – 1000 мг/л.

Не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической
очистки. Так, практически не разрушается бензин, красители, мазут и др.
Эффективность биохимической очистки на самых современных установках
составляет 90% по органическим веществам и лишь 20–40% – по
неорганическим, т. е. практически не снижается солесодержание. Не могут
быть очищены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300–500 мг/л
спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов, т. е. для многих случаев эти методы не
эффективны. В среднем эффективность анаэробного метода составляет около
40%. Сравнительная оценка очистки сточных вод различными методами
представлена в табл. 4.2.

Процессы анаэробной очистки проводят в специальных метантенках при
температуре 30–55°С, выделяющийся метан СН4 может быть использован для
нагрева метантенка.

Например, в США при анаэробной очистке сточных вод животноводческого
комплекса (500 голов свиней) за счет сжигания метана после анаэробной
очистки комплекс не только обеспечивает себя электроэнергией, но иногда
в летнее время может даже продавать ее. Образующиеся после анаэробной
очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания специальных
одноклеточных водорослей типа хлореллы, которые в дальнейшем могут быть
использованы на корм скоту. Цикл оказывается замкнутым.

Необходимо искать такие способы ликвидации отходов, которые дают
возможность получать полезные продукты, например, дрожжи для выпечки
хлебо-булочных изделий и для производства этилового спирта или для
превращения отходов, образующихся при переработке древесной пульпы, в
полезный продукт.

4. Обеззараживание воды

Последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее
обеззараживание, т. е. избавление от болезнетворных микроорганизмов, так
как хорошо известно, что через воду могут распространяться такие
страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит и
др. Многие годы обеззараживание воды осуществляли с помощью обработки ее
хлором. Однако стало известно, что полихлорированные бифенилы являются
ядами, их находят в основном в жирах. Окисляясь, они образуют абсолютные
яды – диоксины. Летальная доза диоксинов в организме для свиней, которые
являются тест-объектами, – 10 мкг/кг их веса. Но эту дозу можно набрать
и постепенно. Это привело ученых к выводу, что хлорирование может быть
вредным. Во многих странах в 80-е годы перешли к обработке воды
фторированием, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире и
в России тоже отдают предпочтение обработке воды озонированием.

Биологическая очистка не может обеспечить обессоливания сточных вод. Как
известно, вода питьевого качества должна содержать не более 1000 мг/л
солей, из них: хлоридов – 350 мг/л, сульфатов – 500 мг/л. Необходимую в
технических целях пресную воду получают методами выделения солей из
сточных и природных вод.

5. Специальные методы очистки воды

Существует много специальных методов выделения солей из природных и
сточных вод.

а) Дистилляция (выпаривание) – хорошо освоенный и широко применяемый
метод. Мощность выпарных установок составляет 15–30 тыс. м3 в сутки.
Одни из самых мощных выпарных установок располагаются на предприятиях
атомной энергетики, где необходимо опреснение морской воды, например, в
г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основным недостатком этого
способа является большой расход энергии – 0,020 Гкал/т.
Геоопреснительные установки невелики по мощности ( 0 (9.8)

, то аналогично предыдущему случаю снова получаем формулу (9.8).
Дифференцируя (9.8) по t, имеем

, (9.9)

(рис. 9.1). Мы не приводим здесь элементарную, но громоздкую формулу
второй производной d2x/dt2, показывающую, что верхний и нижний графики
имеют по одной точке перегиба.

Мы рассмотрели весьма упрощенную ситуацию, так как предполагали, что
популяция не взаимодействует ни с какими другими популяциями, учет же
этого обстоятельства, конечно, значительно усложняет модель.

Рассмотрим одну из таких моделей. Будем обозначать биомассы двух
популяций через х и у соответственно. Предположим, что обе популяции
потребляют один и тот же корм, количество которого ограничено, и из-за
этого находятся в конкурентной борьбе друг с другом.

Французский математик В. Вольтерра в 1926 г. показал, что при таком
предположении динамика популяций достаточно хорошо описывается следующей
системой дифференциальных уравнений:

, (9.10)

– определенные положительные числа.

Первые члены правых частей системы (9.10) характеризуют скорость роста
популяций при отсутствии ограничивающих факторов. Вторые члены учитывают
те изменения в скоростях, которые вызываются ограниченностью корма.

Задавая различные значения параметров, с помощью системы (9.10) можно
описать взаимодействие двух популяций, одна из которых – хищник, а
другая – жертва [36]. В литературе [47] более подробно описаны
математические аспекты исследования системы (9.10).

Прежде чем исследовать, как будет вести себя система (9.10), заметим,
что в любой момент времени t ее состояние полностью описывается
значениями х и у: каждому состоянию системы соответствует некоторая
точка (х, у) на плоскости хОу, называемой «фазовой плоскостью». Каждой
точке фазовой плоскости можно поставить в соответствие вектор (стрелку
на рис. 9.2) с координатами, которые являются правыми частями системы,
указывающий направление движения в этой точке. Проведя из начальной
точки линии, касательные этим векторам, получим траектории, по которым
будет происходить движение системы, т. е. решения задачи Коши для
системы (9.10) с начальными условиями

x(t0)=x0, y(t0)=y0, (х0,у0)( х0у. (9.11)

– через у. Имеем

,

,

т. е. х = 0 на двух прямых в фазовой плоскости:

,

а у=0 также на двух прямых:

(рис. 9.2, 9.3).

(рис. 9.3).

, откуда

, (9.12)

, откуда

(9.13)

9.3. Простейшая модель эпидемии

За многие годы существования человечества огромное число людей погибло
от разных эпидемий. Для того чтобы уметь бороться с эпидемиями, т. е.
своевременно проводить тот или иной комплекс мероприятий (прививки,
вакцины, карантин и т.д.), необходимо уметь оценить эффективность
каждого такого комплекса и выбрать наиболее оптимальный для данного вида
эпидемии (холера, чума, грипп, СПИД и т.д.). Оценка эффективности
базируется, как правило, на прогнозе о протекании эпидемии. Отсюда
вытекает задача построения модели, которая могла бы служить целям
прогноза. Самой простой моделью является описание естественного хода
эпидемии без применения каких-либо профилактических мероприятий.

Итак, пусть имеется N здоровых людей, и в момент времени t = 0 в эту
группу попадает один заболевший человек (источник инфекции).
Предположим, что удаления заболевших из группы не происходит и человек
становится источником инфекции сразу же, как заразился сам.

Обозначим через x(t) число источников инфекции в момент времени t, а
через y(t) – число еще не заболевших (часть из них, естественно, может
заболеть с течением времени). Очевидно, что х(t) + y(t) = N +1 в любой
момент времени t, причем при t = 0 выполняется условие х(0) = 1.
Рассмотрим интервал времени t, t +? t, где ? t достаточно мало.
Естественно, что число больных ?х, появившихся за этот интервал,
пропорционально ?t(?x??t). Естественно также предположить, что это число
пропорционально числу контактов между больными и здоровыми, т.е.
произведению x(t)y(t). Таким образом, ?x??x(t)y(t)dt, где ? –
коэффициент пропорциональности. Устремляя ?t к нулю из последнего
соотношения, получим дифференциальное уравнение

=?x(t)(N+1-x(t)), (9.14)

которое вместе с начальным условием

х(0)=1 (9.15)

определяет функцию x(t). Уравнение (9.14) по виду является
логистическим, оно рассмотрено в предыдущем параграфе. Поэтому сразу
можно записать решение x(t) задачи Коши (9.14), (9.15) в удобном виде

0. (9.16)

=N+1. Конечно, это грубая модель, не учитывающая естественного
иммунитета у здоровых людей к данному заболеванию.

Интересно выяснить, как меняется скорость увеличения числа больных, т.
е. величина

0 (9.17)

.

Дифференцируя уравнение (9.17), получаем

0. (9.18)

? численность популяции экспоненциально возрастет
(при ?=?+a определяется уравнением (10.3)), а при ? ? для коэффициента вариации получаем выражение

(10.14)

. Следовательно, при достаточно больших начальных значениях популяции
N0 среднее квадратичное отклонение от N(t) является равномерно малым, и
детерминистская модель дает адекватное представление о поведении
популяции при больших значениях времени.

10.2. Случайные изменения среды

Рассмотрим теперь модель, учитывающую случайные изменения среды.
Простейшая модель, соответствующая уравнению (10.1), имеет вид

(10.15)

N(0)=N0, (10.16)

где y(t) – случайная величина со средним значением, равным нулю.
Решение задачи (уравнения (10.15) при условии (10.16)) имеет вид

. (10.17)

от случайной величины y(t), сделаем некоторые упрощающие
предположения. Будем считать, что y(t) – ступенчатая функция: y(t)=yi,
при i-1?t?i, i=1,2,…. при этом все случайные величины у, имеют
нормальное распределение [6]. Нормальный закон распределения (часто
называемый законом Гаусса) наиболее часто встречается на практике.
Большинство встречающихся на практике случайных величин, таких,
например, как ошибки измерений, могут быть представлены как суммы
большого числа сравнительно малых слагаемых – элементарных ошибок,
каждая из которых вызвана действием отдельной причины, не зависящей от
остальных. Каким бы законам распределения ни были подчинены элементарные
ошибки, особенности этих распределений в сумме большого числа слагаемых
нивелируются, а сумма оказывается подчиненной закону, близкому к
нормальному. Например, проводя измерения длины листьев, упавших с
деревьев в лесу, мы имеем случайную величину Х – длину листьев.
Вероятность того, что Х 0, следовательно,
показательная функция выпукла на всей оси.

Пример 2. f(x) = sin x, x([0,2(], f”(x) = – sin x, следовательно,
функция sin x вогнута на отрезке [0, ?] и выпукла на отрезке [?, 2 ?].

Прежде чем сформулировать задачу поиска, отметим, что оптимизационная
задача

f(x) ? min, х ( Р (f(x) ? max, х ( Р), (11.11)

где в случае max целевая функция f (х) выпукла, в случае min – вогнута и
Р – полиэдр, называется задачей выпуклого программирования. Ясно, что
задача линейного программирования является ее частным случаем.

, где (i>0 – заданное число (формула показывает, что за бесконечное
время ti объект был бы найден). Требуется распределить по районам время
наблюдения (поиска) так, чтобы максимизировать вероятность обнаружения
объекта. Соответствующая задача оптимизации имеет вид

(11.12)

(11.13)

(11.14)

Из теории вероятностей хорошо известно, что

(11.15)

получаем следующую оптимизационную задачу:

, (11.16)

где Р– полиэдр, заданный неравенствами (11.13) и (11.14).

, то функция f(t) выпуклая и мы имеем задачу выпуклого
программирования. Общие методы решения таких задач довольно сложны,
однако в нашем конкретном случае можно предложить наглядное
геометрическое решение.

0. Следовательно, полагая у3 = 0, правую систему неравенств
можно заменить системой трех линейных уравнений

-y4 –2y1 = v, -3y4 – 6у2 = v, -15y4 – 30у3 = v

с тремя неизвестными y1, у2, у4. Ее решение, очевидно, имеет вид

, т. е. цена игры для рыбы отрицательна и равна

, (11.33)

что несколько меньше, чем в предыдущем случае. Оптимальная стратегия
рыбалки имеет вид

(11.34)

Изучим теперь оптимальную стратегию для рыбы, так как у3, = 0, то и x3 =
0, т. е. насекомые m3 слишком опасны для жизни. Тогда из системы четырех
неравенств выпадают третье и четвертое, которое при x3 = 0 является
следствием двух первых (их полусуммой). Таким образом, для определения
x1, х2 и v имеем систему трех уравнений с тремя неизвестными

x1 + x2 + x3 = 1, v = -2×1, v = -6×2,

откуда

и, с учетом x3 = 0,

(11.35)

Значит, оптимальная стратегия для рыбы равна

(11.36)

, т. е. совпадает с (11.34), что, вообще говоря, вытекает из общей
теории.

Модели, основанные на теории игр, представляют собой интересный, но пока
еще недостаточно изученный подход к решению стратегических экологических
задач. Разработка теории для более сложных игр с ненулевой суммой и игр
многих лиц, где между игроками могут создаваться коалиции, должна найти
эффективное применение в экологических проектах, связанных с
планированием и оценкой различных воздействий на окружающую среду.

Контрольные задания

.

? min при ограничениях Ах ? b, х ? 0.

2. При тех же ограничениях решить задачу f2(x) = х2 ? max .

.

4. Привести геометрическую интерпретацию задач 1–3.

= 1 : 2 : 3. Найти условия на параметры p1, р2, p3, при которых задача
имеет решение в каждом из районов, т.е. t1 = Т, t2=Т, t3 = Т , и в
случае, когда время поиска в каждом из районов одно и то же (t1 = t2 =
t3 = T/3).

6. Найти оптимальную стратегию рыбака, использующего в качестве наживки
мух и живца, если матрица стратегий имеет вид:

7. Найти оптимальную стратегию рыбака, если он дополнительно использует
искусственных мух и блесну, а матрица стратегий в этом случае имеет вид:

Глава 12. Системный анализ и управление в экологии

12.1. Общее представление о системном анализе

Вопреки представлениям многих экологов, системный анализ не есть
какой-то математический метод и даже не группа математических методов.
Это стратегия научного поиска, использующая математические методы и
модели, но в рамках систематизированного научного подхода к решению
сложных проблем. По существу системный анализ таким образом организует
наши знания об объекте, что облегчается выбор нужной стратегии или
предсказания результатов той или иной стратегии для принятия
определенного решения. При использовании системного анализа в решении
практических задач можно, следуя Дж. Джефферсу [12], выделить семь
этапов (рис. 12.1).

12.2. Основные этапы системного анализа

Обсудим кратко каждый из этих этапов.

1. Выбор проблемы

Данный этап предусматривает выбор правильного метода исследования для
решения актуальной экологической проблемы. Как показывает опыт, на
практике часто не учитываются существенные практические аспекты
экологии, с одной стороны; а с другой – ряд представлений об
экологических процессах настолько широко распространен, что их можно
использовать без дополнительных обоснований. Поэтому, с одной стороны,
можно взяться за решение проблемы, не поддающейся системному анализу, а
с другой – выбрать проблему, которую можно более экономно решить, не
используя всю мощь методов системного анализа. Такая двойственность
первого этапа делает его критическим для успеха (или неудачи) всего
исследования.

2. Постановка задачи и ограничение степени ее сложности

Как только существование проблемы осознано, требуется упростить задачу
настолько, чтобы она имела по возможности аналитическое решение,
сохраняя в то же время все те элементы, которые допускают содержательную
практическую интерпретацию. Это тоже критический этап, характерный для
любого системного исследования, на котором успех или неудача во многом
зависят от тонкого равновесия между упрощением и усложнением –
равновесия, при котором сохранены все существенные связи с исходной
проблемой и при этом можно получить решение, поддающееся качественному
анализу и имеющее наглядную интерпретацию.

3. Установление иерархии целей и задач

После постановки задачи и ограничения степени ее сложности (как правило,
разумного упрощения) можно приступать к установлению целей и задач
исследования. Обычно цели и задачи выстраивают в некоторую цепочку
(образуют иерархию) по степени их возможности; при этом производят
подразделение (декомпозицию) [44] основных задач на ряд более простых
(второстепенных). Однако здесь следует иметь в виду, что задачи, важные
с точки зрения получения научной информации, в ряде случаев довольно
слабо влияют на вид решений, принимаемых относительно воздействия на
экосистему и управления ею. Поэтому установление приоритетности тех или
иных задач в иерархической цепочке – одна из центральных проблем
системного анализа. Особенно это проявляется в ситуации, когда
исследователь заведомо ограничен определенными формами управления и
концентрирует максимум усилий на задачах, непосредственно связанных с
самими экологическими процессами.

4. Выбор путей решения задач

На данном этапе можно выбрать несколько путей решения проблемы. В общем
случае естественно искать наиболее общее аналитическое решение,
поскольку это позволит максимально использовать результаты исследования
аналогичных задач и соответствующий математический аппарат. При этом
выбор семейства, в рамках которого проводится поиск аналитического
решения, во многом зависит от специалиста по системному анализу. Как
правило, аналитик разрабатывает несколько альтернативных решений и
выбирает из них то, которое лучше подходит для исследуемой задачи.

5. Моделирование

После того как проанализированы подходящие альтернативы, приступают к
важному этапу моделирования сложных динамических взаимосвязей между
различными аспектами проблемы. Здесь следует отметить, что моделируемым
процессам, а также механизмам обратной связи присуща внутренняя
неопределенность, что значительно усложняет понимание как самой системы,
так и возможностей ее управляемости.

6. Оценка возможных стратегий

Как только моделирование доведено до стадии, на которой модель можно (по
крайней мере, предварительно) использовать, начинается этап оценки
потенциальных стратегий, полученных из модели. В ходе оценки исследуется
чувствительность результатов к допущениям, сделанным при построении
модели. Если окажется, что основные допущения некорректны, возможно,
придется вернуться к этапу моделирования и скорректировать модель.

Обычно это связано с исследованием модели на «чувствительность» к тем
аспектам проблемы, которые были исключены из формального анализа на
втором этапе, когда ставилась задача и ограничивалась степень ее
сложности.

7. Внедрение результатов

Заключительный этап системного анализа представляет собой применение на
практике результатов, полученных на предыдущих этапах. Если исследование
проводилось по описанной выше схеме, то шаги, которые для этого
необходимо предпринять, будут достаточно очевидны. В то же время как раз
на последнем этапе может выявиться неполнота тех или иных стадий или
необходимость их пересмотра, в результате чего придется скорректировать
модель и снова пройти какие-то из уже завершенных этапов.

12.3. Комплексная схема системного анализа

Поскольку системный анализ представляет собой определенный способ
мышления, то перечень этапов должен рассматриваться как некое
руководство к действию. Цель такого многоэтапного подхода состоит в том,
чтобы помочь выбрать правильную стратегию для решения практических
экологических задач. А задачи эти, как правило, крайне сложны, поэтому
использование ЭВМ является характерной особенностью современных
системных исследований.

Структура системного анализа направлена на то, чтобы сосредоточить
главные усилия на сложных и, как правило, крупномасштабных проблемах, не
поддающихся решению более простыми исследованиями, например, наблюдением
или простым экспериментированием. Комплексная схема системного анализа
приведена на рис. 12.2.

Если мы вернемся к предыдущим параграфам данной главы, то без труда
обнаружим элементы этой схемы при рассмотрении тех или иных подходов,
например, установление иерархии целей в задаче об оптимальном рационе
питания, анализ чувствительности в задачах динамики популяции и
необходимость в связи с этим рассмотрения стохастических моделей, оценки
возможных и выбор оптимальных стратегий и т.д.

Тем не менее ряд вопросов не нашел отражения в предыдущих параграфах. А
именно, все экологические воздействия – динамические, т. е. зависят от
времени и постоянно изменяются. Более того, взаимодействия часто имеют
особенность, называемую в технике «обратной связью», т. е.
характеризуются тем, что некоторые эффекты процесса возвращаются к
своему источнику, в результате чего эти эффекты усиливаются или
видоизменяются. Обратные связи бывают положительными (усиление эффекта)
или отрицательными (ослабление эффекта). С моделями такого типа
познакомимся далее.

12.4. Задача управления водохранилищем

Водные системы используются для орошения, производства электроэнергии,
водоснабжения, коммерческого рыболовства, как место для отдыха и т.д. С
таким разнообразным характером эксплуатации ресурсов почти всегда
связано столкновение различных интересов, что в свою очередь порождает
множество различных проблем. Как сравнить, например, между собой
различные стратегии управления? Или: как одна и та же стратегия
благоприятствует одной группе пользователей и наносит удары другим?

Начнем с более простой задачи – управления водохранилищем, т. е. с
накопления определенного запаса пресной воды и такого управления этим
запасом, чтобы наилучшим образом удовлетворялись потребности в пресной
воде. Выберем также некоторый период времени, для которого будем решать
задачу управления, пусть это будет 5-летний период.

Итак, нас интересует величина Xt – запас воды в водохранилище в момент
времени t и ее изменение с течением времени. Выделим факторы (прежде
всего природные), которые оказывают влияние на величину Xt:

приток по реке, на которой построено водохранилище, который обозначим
через Rt;

пополнение запаса воды за счет боковой приточности – Bt;

выпадение осадков на поверхность водохранилища – Оt;

испарение воды с поверхности водохранилища – It;

фильтрация воды в нижнем створе водохранилища – F1.

Помимо этого есть и факторы антропогенного происхождения, из которых для
простоты выделим два:

вода расходуется на нужды сельского хозяйства – St и коммунальное
водоснабжение – Кt;

часть воды пропускается через плотину дальше по реке – Рt.

Естественно предполагать, что запас воды в водохранилище не должен
становиться меньше некоторой минимальной величины Хmin, но и не должен
превышать объем водохранилища Xmax ? V

Схематически динамику запаса воды в водохранилище можно представить так,
как показано на рис. 12.3.

Следующий вопрос, который необходимо решить, касается величин этих
факторов, их изменений во времени. Пусть известны ряды наблюдений
среднедоходных величин стока (выше водохранилища), осадков в районе
водохранилища и боковой приточности за предыдущие 20 лет. Естественно
предполагать, что изменение этих величин Rt, Оt и Вt в ближайшие 5 лет
будет происходить примерно так же, как и в предыдущие 20 лет, т. е. их
можно положить равными средним значениям за 20 лет:

(12.1)

(12.2)

(12.3)

где T = 1, 2, 3, 4, 5 .

Другими словами, можно считать величины Rt, Оt и Вt детерминированными,
однако для их определения можно было бы применить и статистические
методы, описанные в гл. 10.

Перейдем к процессам расходования воды, один из них – испарение. С
достаточной точностью можно считать, что It ? Dt, где Dt – дефицит
влажности, который может быть рассчитан так же, как выражения
(12.1)–(12.3) по данным наблюдений. Тогда

It = ?Dt, (12.4)

где ? – эмпирический коэффициент пропорциональности.

Далее, объем воды Ft, которая профильтровывается в нижнем створе
водохранилища, пропорциональна объему воды в водохранилище, т. е.

Ft = kXt, (12.5)

где k – эмпирический коэффициент пропорциональности, соответствующий
определенному типу грунта.

Расход воды через плотину Рt – величина регулируемая. Регулируемыми
величинами являются величины потребления St и Кt, которые суммарно
обозначим через Qt, т. е.

Qt = St + Kt (12.6)

Итак, после рассмотрения всех процессов формирования воды в
водохранилище можно записать закон сохранения массы воды:

X t+?t = x t + Y t – Zt, (12.7)

где

Yt = Rt + Ot + Вt, (12.8)

Zt = It + Ft + Pt + Qt. (12.9)

Эти уравнения часто называют уравнениями баланса. Задавая условия
накопления и расходования воды и решая уравнения водного баланса, можно
получить ответ на поставленный вопрос: чему равен запас воды в
водохранилище в каждый момент времени t. Блок-схема соответствующего
расчета на ЭВМ приведена на рис. 12.4.

Прокомментируем значения отдельных фрагментов программных блоков.

Блок «Внешние факторы» с шагом в один месяц прогнозирует значения
внешних факторов по заданным временным рядам.

Следующий блок, используя прогнозные значения внешних факторов,
осуществляет вычисление воды, испарившейся и профильтровавшейся из
водохранилища. Блок «Водный баланс I» вычисляет запас воды, который был
бы в водохранилище в отсутствие промышленно-потребительских факторов
использования воды.

Блок «Допустимые стратегии» оценивает количество воды, потребляемой в
течение месяца сельским хозяйством и коммунальным водоснабжением. В
блоке «Водный баланс II» проводится соответствующая корреляция
количества воды в водохранилище с учетом антропогенного фактора.
Варьируя количества воды, потребляемой водопользователями, можно путем
численных экспериментов составить прогноз водопользования и на его
основе осуществлять выбор стратегии на практике.

12.5. Управление водной системой

Рассмотрим теперь более сложный пример управления водной системой [50],
в которой учтено 12 переменных: емкость трех водохранилищ, мощности двух
электростанций, распределение рабочей емкости и мертвого объема в
водохранилище, питающем одну из электростанций, распределение резервной
системы для регулирования паводков в трех других водохранилищах и
ежегодная требуемая отдача воды для ирригации и энергетики. Структура
этой системы представлена на рис. 12.5.

Введем следующие обозначения:

, компонентами которой являются различные факторы, влияющие на величину
прибыли: запроектированные параметры в системе дамб, турбогенераторов и
оросительных каналов и т.д.;

;

– первоначальные капиталовложения на создание системы водных
сооружений и подготовку оборудования.

, получим следующие выражения для экономической эффективности
многоцелевой системы водных ресурсов, эксплуатируемой в течение T лет:

(12.10)

= х.

, вклад Еt(уt) – Мt(х) в R оказывается тем меньшим, чем позже получена
прибыль. Отсюда следует, что нет никакого смысла сохранять ресурсы для
будущего и что оптимальной всегда будет политика наиболее интенсивной
эксплуатации ресурсов без чрезмерного увеличения величины Мt(х). Другими
словами, уравнение (12.10) оправдывает уничтожение всех естественных
ресурсов в максимально короткий срок, ограниченный лишь экономическими и
технологическими возможностями. Естественный путь – ввести наряду с
уравнением (12.10) ограничения (граничные условия), чтобы исключить
случаи, когда ежегодно изымаемое количество ресурсов данного типа
превышает величину их максимальной величины, сохраняющей устойчивость
всей системы. Заметим, что эти ограничения – постоянный источник
конфликтов всех заинтересованных групп пользователей.

&

$

‚

„

?

O

?&?

”

??? ?&?

?&?

–

j

l

n

p

?

?

?

o

/oeoaYoaYoOoIoA1/4A1/4o·o1/4o·o±?±oA·o·o·o·o·oA·oA·oAo·AoAoA·o·A·o·o·oAo
·

L

?

o

?o

o

U

b

c

¦

°

j`Y

ooioioioioioioeaoioioioUioUiUioUiUoOoOoOoOoOoOoOoOoioioIoIoioioioioioCoi
A

jB¦

O

?

jE

jaa

jN

jUe

j?n

je?

?????????Одновременно можно учесть и экономические, и биологические
факторы, если ввести первые непосредственно в показатель R, а вторые – в
граничные условия.

Рассмотрим сначала метод оценки функции Еt(уt). Во многих случаях
прибыль можно рассчитать непосредственно в денежных единицах. Ежегодный
доход от орошения земель, постройки электростанций или плотин можно
определить, найдя такие элементы вектора уt, как:

y1 – урожай, собранный с орошаемой площади;

y2 – количество электроэнергии;

y3 – ущерб, причиняемый паводками, которого удалось избежать в
результате постройки плотин, и т.д.

Дальше можно вычислить посредством моделирования на ЭВМ доходность
различных членов в течение T лет с использованием показателя R. Затем
выбрать проект, который соответствует максимальному значению R и
совместим с граничными условиями (ограничениями); последние диктуются
необходимостью сохранения естественных ресурсов и желанием использовать
их не только для получения электроэнергии или орошения, но и для
организации отдыха населения.

Различные способы математического анализа и моделирования
рассматриваемой водной системы описаны в работе Мааса [50], в которой
перечислены основные этапы исследования. В результате исследования была
создана программа для моделирования этой сложной системы. Это следующие
этапы:

1. Вначале была схематически описана структура системы в целом (рис.
12.5) и найдены аналогичные случаю одного водохранилища математические
уравнения, устанавливающие внутренние функциональные связи между
отдельными ее частями. Эти взаимосвязи таковы:

Зависимые переменные

Прибыль, получаемая от ирригации

Капитальные затраты на строительство ирригационных сооружений,
распределительных систем и насосных станций

Капитальные затраты на строительство гидроэлектростанций

Ущерб, причиняемый паводками

Капитальные затраты

Независимые переменные

Обеспеченная годовая отдача воды для ирригации

Установленная мощность электростанций

Емкость водохранилища

Расходы воды

Данные о стоках воды во всех частях системы, полученные осреднением
наблюдений за 60 лет

2. Были заданы правила работы системы. В частности, с февраля по август
система работает следующим образом:

вода выпускается из водохранилища С до тех пор, пока не будет достигнута
заданная отдача, соответствующая предельной пропускной способности
станции G, или водохранилище С не опорожнится;

та же операция повторяется по отношению к водохранилищу D;

если возможно, назначается дополнительный пропуск из водохранилища А до
тех пор, пока не будет достигнута заданная отдача, соответствующая
предельной пропускной способности станции G, или водохранилище А не
опорожнится;

если это возможно, отбирают дополнительное количество воды из
водохранилища В до тех пор, пока не будет достигнута заданная отдача,
соответствующая предельной

пропускной способности станций В и G, или в водохранилище В не останется
только мертвый объем;

специально предусматривается емкость для регулирования паводков в
апреле, мае и июне;

в течение марта, апреля и мая вода от отработки резервной емкости
пропускается через турбины электростанций В и G до их полной пропускной
способности, а вода из водохранилища В обеспечивает требуемую отдачу для
ирригации.

Рассмотренная функциональная модель – лишь одна из многих, изученных с
помощью этой методики. Она показывает, что для создания компьютерной
программы, позволяющей изучать различные стратегии управления, необходим
огромный объем информации и детальное знание процессов принятия решений.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные этапы системного анализа? Дайте их краткое описание.

2. Как вы понимаете обратную связь? Приведите примеры положительной и
отрицательной обратной связи.

Библиографический список к разделам 1–3

Акимова ТА., Хаскин В.В. Экология. – М.: ЮНИТИ, 1998.

Ашманое С. А. Линейное программирование.– М.: Наука, 1981.

Большаков В.Н., Корытин Н.С., Кряжимский Ф.В, Шишмарев В.М. Новый подход
к оценке стоимости биотических компонентов экосистем//Экология. – 1998.
– № 5.

Брукс P.P. Химия окружающей среды. – М.: Химия, 1982.

Варшал Г.М., Папина Т.С. Определение сосуществующих в природных объектах
форм ртути. Поведение ртути и других тяжелых металлов в экосистемах.
Аналитический обзор. Часть 1. Физико-химические методы определения ртути
и других тяжелых металлов в природных объектах. – Новосибирск, 1989.

Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М., 1962.

Виженский В.А., Петрухин В.А. Мониторинг фонового загрязнения природных
сред. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Вып. 6.

Вильямс Дж. Д., Совмещенный стратег или букварь по теории стратегических
игр: Пер. с англ. – М.: Советское радио, 1960.

Вопросы водной токсикологии /Под ред. А.В. Топачевского и Н.С.
Строганова. – М.: Наука, 1970.

Горстко А.Б. Познакомьтесь с математическим моделированием. – М.:
Знание, 1991.

Делятицкий С., Зайонц И., Чертков Л., Экзарьян В. Экологический словарь.
– М.: КОНКОРД Лтд – ЭКОПРОМ. 1993.

Джефферс Дж. Введение в системный анализ; применение к экологии: Пер. с
англ. – М.: Мир, 1981.

Игнатов В.Г., Кокин А.В. Экологичный менеджмент. – Ростов-на-Дону: АООТ
«Ростовское книжное издательство», 1997.

Израэль Ю.А. Гидрометеорология и контроль состояния природной среды//
Проблемы современной гидрометеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. –
С. 230.

Израэль Ю.А. Роль всестороннего анализа природной окружающей среды в
организации оптимального взаимодействия человека с
природой//Всесторонний анализ окружающей природной среды. Труды III
советско-американского симпозиума. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. -М.:
Гидрометеоиздат, 1984.

Карлин С. Основы теории случайных процессов: Пер. с англ. – М.:
Мир,1971.

Кинси Дж. Мак. Введение в теорию игр: Пер. с англ. – М., 1960.

Комплексный глобальный мониторинг загрязнений окружающей природной
среды. Труды II Международного симпозиума. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

Коста М., Хек Дж. Д. Канцерогенность ионов металлов// Некоторые вопросы
токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.

Лапин В.Л., Мартинсен А.Г, Попов В.М. Основы экологических знаний
инженера. – М.: Экология, 1996.

Лисичкин В.А., Шелепин Л. А., Боев Б. В. Закат цивилизации или движение
к ноосфере (экология с разных сторон). – М.: ИЦ-Гарант, 1997.

Мартин Р. Бионеорганическая химия токсичных ионов металлов// Некоторые
вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.

Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах/Под ред.
Ц.И. Бобовниковой и С.Г. Малахова. Труды II Всесоюзного Совещания,
Обнинск, 1978. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. – М.: Наука, 1987.

Моисеев Н.Н. Быть или не быть человечеству? – М.: Россия молодая, 1999.

Одум Ю. Экология. В 2-х т.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. –Л.:
Химия, 1975.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде
водоемов санитарно-бытового водопользования и требования к составу и
свойствам воды водоемов и пунктов питьевого и культурно-бытового
водопользования. – М.: Минздрав СССР. Главное
санитарно-эпидемиологическое управление, 1973.

Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Книга первая
(Народонаселение и пищевые ресурсы): Пер. с англ. – М.: Мир, 1994; Книга
вторая (Защита атмосферы и гидросферы).

Реймерс Н.Ф. Природопользование. – М.: Мысль, 1990.

Реймерс Н.Ф. Экология. – М.: Россия молодая, 1994.

Роева Н.Н., Ровинский Ф.Я., Кононов Э.Я. Специфические особенности
поведения тяжелых металлов в различных природных средах // Журнал
аналитической химии. – 1996. – Т.51. – № 4.

Саноцкий И.В. Концепция пороговости реакции живых систем на внешние
воздействия и ее следствия в проблеме противохимической защиты
биосферы//Всесторонний анализ окружающей природной среды. Труды I
советско-американского симпозиума.– Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

Синицын Ю.Б., Пятова В.Н. Геологические исследования и охрана недр.
(Обзорная информация). Вып. 1. Контроль загрязнения окружающей среды с
использованием лазерного спектрографического микроанализа. – М.: МРП
Геоинформкомитет РФ по геологии и использованию недр, 1993.

Смит Дж. М. Модели в экологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1976.

Спозито Г. Распределение потенциально опасных следов металлов//Некоторые
вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.

Стоянов А., Андреев Г., Дмитров Д. Проблемы фонового мониторинга
состояния природной среды. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Вып.8.

Сухарев А. Г., Тимохов А.В., Федоров В. В. Курс методов оптимизации. –
М.: Наука, 1986.

Уатт К. Экология и управление природными ресурсами. – М.: Мир,1971.

Форрестер Дж. Динамика развития города. – М.: Прогресс, 1974.

Химия окружающей среды /Под ред. Дж.О.М. Бокриса. – М.: Химия, 1982.

Хэммонд П.Б., Фолкс Э.К. Токсичность иона металла в организме человека и
животных//Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.

Цурков В. И. Динамические задачи большой размерности. – М.: Наука, 1998.

Швайкова М.Д. Токсикологическая химия. – М.: Медицина, 1975.

Экспериментальная водная токсикология /Под ред. Г. П. Андрушайтиса. –
Рига: Зинатне, 1972.

Эрроусмит Д., Плейс К. Обыкновенные дифференциальные уравнения
(качественная теория с приложениями): Пер. с англ. – Волгоград: Платон,
1997.

Chaston I. Mathematics for Ecologists, Butterworths, London, 1971.

Lovelock J.E. Gaia: A New Look at Life on Earth, New York, Oxford
University Press, 1979.

Maass A. (ed.) Design of Water-Resource System; New Techniques for
Relating Economic Objectives, Engineering Analysis and Covernmental
Planning, Harvard University Press, Cambridge, Mass., 1962.

Martin В., Sella F. The development and implementation of the global
Environmental monitoring sustem. – Doc. VNEP, Nairobi, 1977.

Munn R.E. Global environmental monitoring system. SCOPE, rep.3. Toronto,
1973.

Suviki Т. Toxicology of trace elements. Halstead press, 1977.

Williamson М. Н. Introducing students to the concepts of population
dynamics. In: The Teaching of Ecology, ed. Lambert J. М., Blackwells,
Oxford, 169-175, 1967.

Раздел 4. Безопасность труда

Природа не терпит неточностей и не прощает ошибок.

Р. Эмерсон

Глава 13. Опасные и вредные производственные факторы. Общие понятия

Глава 14. Влияние на организм человека метеорологических условий

Глава 15. Воздействие на организм человека вредных веществ, содержащихся
в воздухе рабочей зоны

Глава 16. Производственное освещение

Глава 17. Защита от шума, ультра- и инфразвука, вибрации

Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения

Глава 19. Защита от ионизирующих излучений

Глава 20. Электробезопасность и молниезащита зданий и сооружений

Глава 21. Безопасность работы оборудования под давлением выше
атмосферного

Глава 22. Пожарная и взрывная безопасность

Глава 23. Основные требования безопасности к промышленному оборудованию

Глава 24. Обеспечение безопасности при работе с компьютером

Глава 13. Опасные и вредные производственные факторы. Общие понятия

В процессе жизнедеятельности человек подвергается воздействию различных
опасностей, под которыми обычно понимают явления, процессы, объекты,
способные в определенных условиях наносить ущерб здоровью человека
непосредственно или косвенно, т.е. вызывать различные нежелательные
последствия.

Человек подвергается воздействию опасностей и в своей трудовой
деятельности. Эта деятельность осуществляется в пространстве, называемом
производственной средой. В условиях производства на человека в основном
действуют техногенные, т.е. связанные с техникой, опасности, которые
принято называть опасными и вредными производственными факторами.

Опасным производственным фактором (ОПФ) называется такой
производственный фактор, воздействие которого на работающего в
определенных условиях приводит к травме или к другому внезапному резкому
ухудшению здоровья. Травма – это повреждение тканей организма и
нарушение его функций внешним воздействием. Травма является результатом
несчастного случая на производстве, под которым понимают случай
воздействия опасного производственного фактора на работающего при
выполнении им трудовых обязанностей или заданий руководителя работ.

Вредным производственным фактором (ВПФ) называется такой
производственный фактор, воздействие которого на работающего в
определенных условиях приводит к заболеванию или снижению
трудоспособности. Заболевания, возникающие под действием вредных
производственных факторов, называются профессиональными.

К опасным производственным факторам следует отнести, например:

электрический ток определенной силы;

раскаленные тела;

возможность падения с высоты самого работающего либо различных деталей и
предметов;

оборудование, работающее под давлением выше атмосферного, и т.д.

К вредным производственным факторам относятся:

неблагоприятные метеорологические условия;

запыленность и загазованность воздушной среды;

воздействие шума, инфра- и ультразвука, вибрации;

наличие электромагнитных полей, лазерного и ионизирующих излучений и др.

Все опасные и вредные производственные факторы в соответствии с ГОСТ
12.0.003-74 подразделяются на физические, химические, биологические и
психофизиологические.

К физическим факторам относят электрический ток, кинетическую энергию
движущихся машин и оборудования или их частей, повышенное давление паров
или газов в сосудах, недопустимые уровни шума, вибрации, инфра- и
ультразвука, недостаточную освещенность, электромагнитные поля,
ионизирующие излучения и др.

Химические факторы представляют собой вредные для организма человека
вещества в различных состояниях.

Биологические факторы – это воздействия различных микроорганизмов, а
также растений и животных.

Психофизиологические факторы – это физические и эмоциональные
перегрузки, умственное перенапряжение, монотонность труда.

Четкой границы между опасным и вредным производственными факторами часто
не существует. Рассмотрим в качестве примера воздействие на работающего
расплавленного металла. Если человек попадает под его непосредственное
воздействие (термический ожог), это приводит к тяжелой травме и может
закончиться смертью пострадавшего. В этом случае воздействие
расплавленного металла на работающего является согласно определению
опасным производственным фактором.

Если же человек, постоянно работая с расплавленным металлом, находится
под действием лучистой теплоты, излучаемой этим источником, то под
влиянием облучения в организме происходят биохимические сдвиги,
наступает нарушение деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем.
Кроме того, длительное воздействие инфракрасных лучей вредно влияет на
органы зрения – приводит к помутнению хрусталика. Таким образом, во
втором случае воздействие лучистой теплоты от расплавленного металла на
организм работающего является вредным производственным фактором.

Состояние условий труда, при котором исключено воздействие на работающих
опасных и вредных производственных факторов, называется безопасностью
труда. Безопасность жизнедеятельности в условиях производства имеет и
другое название – охрана труда. В настоящее время последний термин
считается устаревшим, хотя вся специальная отечественная литература,
изданная приблизительно до 1990 г., использует именно его.

Охрана труда определялась как система законодательных актов,
социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и
лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих
безопасность, сохранение здоровья и работоспособности в процессе труда.

Будучи комплексной дисциплиной, «Охрана труда» включала следующие
разделы: производственная санитария, техника безопасности, пожарная и
взрывная безопасность, а также законодательство по охране труда. Кратко
охарактеризуем каждый из этих разделов.

Производственная санитария – это система организационных мероприятий и
технических средств, предотвращающих или уменьшающих воздействие на
работающих вредных производственных факторов.

Техника безопасности – система организационных мероприятий и технических
средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных
производственных факторов.

Пожарная и взрывная безопасность – это система организационных и
технических средств, направленных на Профилактику и ликвидацию пожаров и
взрывов, ограничение их последствий.

Законодательство по охране труда составляет часть трудового
законодательства.

Одна из самых распространенных мер по предупреждению неблагоприятного
воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов –
использование средств коллективной и индивидуальной защиты. Первые из
них предназначены для одновременной защиты двух и более работающих,
вторые – для защиты одного работающего. Так, при загрязнении пылью
воздушной среды в процессе производства в качестве коллективного
средства защиты может быть рекомендована общеобменная приточно-вытяжная
вентиляция, а в качестве индивидуального – респиратор.

Введем понятие основных нормативов безопасности труда. Как уже сказано
выше, при безопасных условиях труда исключено воздействие на работающих
опасных и вредных производственных факторов. Всегда ли в условиях
реального производства можно так организовать технологический процесс,
чтобы значения воздействующих на работающих опасных и вредных
производственных факторов равнялись нулю (чтобы на работающих не
действовали опасные и вредные производственные факторы)?

Эта задача в принципе эквивалентна задаче создания безопасной техники,
т. е. достижения абсолютной безопасности труда. Однако абсолютная
безопасность либо технически недостижима, либо экономически
нецелесообразна, так как стоимость разработки безопасной техники обычно
превышает эффект от ее применения. Поэтому при разработке современного
оборудования стремятся создать максимально безопасные машины,
оборудование, установки и приборы, т. е. свести риск1 при работе с ними
к минимуму. Однако этот параметр не может быть сведен к нулю.

1 Риск – количественная характеристика действия опасностей, формируемых
конкретной деятельностью человека.

Существующие нормативы безопасности делятся на две большие группы:
предельно допустимые концентрации (ПДК), характеризующие безопасное
содержание вредных веществ химической и биологической природы в воздухе
рабочей зоны, а также предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия
различных опасных и вредных производственных факторов физической природы
(шум, вибрация, ультра- и инфразвук, электромагнитные поля, ионизирующие
излучения и т.д.).

По особому нормируются психофизиологические опасные и вредные
производственные факторы. Они могут быть охарактеризованы параметрами
трудовых (рабочих) нагрузок и (или) показателями воздействия этих
нагрузок для человека.

В практических целях нормативы безопасности применяются следующим
образом. Предположим, нужно определить, является ли безопасным для
работающих воздух рабочей зоны, в котором содержатся пары бензина. По
нормативным документам (ГОСТ 12.1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие
санитарно-гигиенические требования») находят, что величина предельно
допустимой (безопасной) концентрации (ПДК) этого вещества составляет 100
мг/м3. Если действительная концентрация бензина в воздухе не превышает
этого значения (например, составляет 90 мг/м3), то такой воздух является
безопасным для работающих. В противном случае необходимо применить
специальные меры для снижения повышенной концентрации паров бензина до
безопасного значения (например, используя общеобменную приточно-вытяжную
вентиляцию).

Таким же образом для характеристики безопасности при воздействии опасных
и вредных производственных факторов физической природы используют
понятие предельно допустимого уровня (ПДУ) этого фактора. Если нужно,
например, определить безопасные допустимые уровни напряжения и тока, то
по справочной литературе2 находят интересующие значения. Так, для
переменного тока частотой 50 Гц (промышленная частота) при
продолжительности воздействия на организм человека свыше 1 с эти
значения составят: напряжение (V) – 36В, ток (I) – 6 мА (1 мА = 10-3A).
Действие на организм человека электрического тока с параметрами,
превышающими указанные значения, опасно.

2 См.: Метрологическое обеспечение безопасности труда. В 2 т. / Под ред.
И.Х. Сологяна. Т. 1. Измеряемые параметры физических опасностей и
вредных факторов. – М-: Издательство стандартов, 1988.

Далее рассмотрим влияние основных опасных и вредных факторов,
действующих в условиях производства на организм человека.

Контрольные вопросы

Дать определение понятий «опасный производственный фактор» (ОПФ) и
«вредный производственный фактор» (ВПФ). Существует ли между ними четкая
граница?

Как подразделяются опасные и вредные производственные факторы?

Дать определение понятий «безопасность труда», «производственная
санитария», «техника безопасности», «пожарная и взрывная безопасность».

Что такое средства коллективной и индивидуальной защиты?

Какие основные нормативы безопасности труда вы знаете?

Глава 14. Влияние на организм человека метеорологических условий

14.1. Основные параметры микроклимата в производственных помещениях

В процессе труда в производственном помещении человек находится под
влиянием определенных метеорологических условий, или микроклимата –
климата внутренней среды этих помещений. К основным нормируемым
показателям микроклимата воздуха рабочей зоны1 относятся температура (t,
°С), относительная влажность (?, %), скорость движения воздуха (V, м/с).
Существенное влияние на параметры микроклимата и состояние человеческого
организма оказывает также интенсивность теплового излучения (I, Вт/м2)
различных нагретых поверхностей, температура которых превышает
температуру в производственном помещении.

1 Воздух рабочей зоны – это воздушная среда в пространстве высотой до 2
м над уровнем пола или площадки, где находятся рабочие места.

.

Если в производственном помещении находятся различные источники тепла,
температура которых превышает температуру человеческого тела, то тепло
от них самопроизвольно переходит к менее нагретому телу, т. е. к
человеку. Известно, что различают три принципиально разных элементарных
способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое
излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие
беспорядочного (теплового) движения микрочастиц (атомов, молекул или
электронов), непосредственно соприкасающихся друг с другом. Конвекцией
называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания
макроскопических объемов газа или жидкости. Тепловое излучение – это
процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной
волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего
тела. В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из
указанных выше способов, а комбинированным.

Тепло, поступающее в производственное помещение от различных источников,
влияет на температуру воздуха в нем. В производственных помещениях с
большим тепловыделением приблизительно 2/3 тепла поступает за счет
излучения, а практически все остальное количество приходится на долю
конвекции. Количество тепла, переданного окружающему воздуху конвекцией
(QK, Вт), при непрерывном процессе теплоотдачи может быть рассчитано по
закону теплоотдачи Ньютона, который для непрерывного процесса
теплоотдачи записывается в виде:

,

;

S – площадь теплоотдачи, м2;

t – температура источника, °С;

tB, – температура окружающего воздуха, °С.

Источником теплового излучения в производственных условиях является
расплавленный или нагретый металл, открытое пламя, нагретые поверхности
оборудования.

Количество тепла, переданного посредством излучения (Qи, Дж) от более
нагретого твердого тела с температурой T1К к менее нагретому телу с
температурой T2К, определяется по уравнению:

где S – поверхность излучения, м2;

? – время, с;

? – средний угловой коэффициент, определяемый формой и размерами
участвующих в теплообмене поверхностей, их взаимным расположением в
пространстве и расстоянием между ними.

Человек в процессе труда постоянно находится в состоянии теплового
взаимодействия с окружающей средой. Для нормального протекания
физиологических процессов в организме человека требуется поддержание
практически постоянной температуры его внутренних органов
(приблизительно 36,6°С). Способность человеческого организма к
поддержанию постоянной температуры носит название терморегуляции.
Терморегуляция достигается отводом выделяемого организмом тепла в
процессе жизнедеятельности в окружающее пространство.

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени его
физического напряжения и параметров микроклимата в производственном
помещении и составляет в состоянии покоя 85 Вт, возрастая до 500 Вт при
тяжелой физической работе.

Теплоотдача от организма человека в окружающую среду происходит
следующими путями: в результате теплопроводности через одежду (Qt);
конвекции тела (QК) излучения на окружающие поверхности (QИ), испарения
влаги с поверхности кожи (Qисп), а также за счет нагрева выдыхаемого
воздуха (QB), т. е.:

Qобщ = QT + QK + QИ + Qисп + QВ.

Представленное уравнение носит название уравнения теплового баланса.
Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от
параметров микроклимата в производственном помещении, а также от
температуры окружающих человека поверхностей (стен, потолка,
оборудования и др.). Если температура этих поверхностей ниже температуры
человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека
к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в
обратном направлении – от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача
конвекцией зависит от температуры воздуха в помещении и скорости его
движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения – от
относительной влажности и скорости движения воздуха. Основную долю в
процессе отвода тепла от организма человека (порядка 90% общего
количества тепла) вносят излучение, конвекция и испарение.

Нормальное тепловое самочувствие человека при выполнении им работы любой
категории тяжести достигается при соблюдении теплового баланса,
уравнение которого приведено выше. Рассмотрим, как влияют основные
параметры микроклимата на теплоотдачу от организма человека в окружающую
среду.

Влияние температуры окружающего воздуха на человеческий организм связано
в первую очередь с сужением или расширением кровеносных сосудов кожи.
Под действием низких температур воздуха кровеносные сосуды кожи
сужаются, в результате чего замедляется поток крови к поверхности тела и
снижается теплоотдача от поверхности тела за счет конвекции и излучения.
При высоких температурах окружающего воздуха наблюдается обратная
картина: за счет расширения кровеносных сосудов кожи и увеличения
притока крови существенно увеличивается теплоотдача в окружающую среду.

Повышенная влажность (? > 85%) затрудняет теплообмен между организмом
человека и внешней средой вследствие уменьшения испарения влаги с
поверхности кожи, а низкая влажность (? 23,2Дж/мз•c). Производственные помещения с
незначительными избытками явной теплоты относятся к «холодным цехам», а
со значительными – к «горячим».

1 Явная теплота – это теплота, поступающая в производственное помещение
от оборудования, отопительных приборов, солнечного нагрева, людей и
других источников воздействия на температуру воздуха в этом помещении.

В качестве примера определим оптимальные и допустимые параметры
микроклимата на постоянных рабочих местах исходя из следующих
показателей: категория работ – тяжелая, период года – холодный,
помещения – с незначительным избытком явной теплоты.

По ГОСТу 12.1.005-88 находим следующие параметры микроклимата:

Параметр Величина параметра

Оптимальная Допустимая

Температура воздуха, ?С

Относительная влажность воздуха, %

Скорость движения воздуха, м/с 16–18

40–60

Не более 0,3 13–19

Не более 75

Не более 0,5

При постоянном тепловом облучении человеческого организма наступают
нарушения в деятельности его основных систем и в первую очередь
сердечно-сосудистой и нервной систем. Предельно допустимый уровень
(нормируемое значение) интенсивности теплового излучения при облучении
поверхности тела:

50% и более – 35,0 Вт/м2

От 25 до 50% – 70,0 Вт/м2

Не более 25% – 100 Вт/м2

Для поддержания нормальных параметров микроклимата в рабочей зоне
применяют следующие основные мероприятия: механизацию и автоматизацию
технологических процессов, защиту от источников теплового излучения,
устройство систем вентиляции, кондиционирования воздуха и отопления.

Кроме того, важное значение имеет правильная организация труда и отдыха
работников, выполняющих трудоемкие работы или работы в горячих цехах.
Для этих категорий работников устраивают специальные места отдыха в
помещениях с нормальной температурой, оснащенных системой вентиляции и
снабжения питьевой водой.

Рассмотрим более подробно перечисленные мероприятия. Механизация и
автоматизация производственного процесса позволяют либо резко снизить
трудовую нагрузку на работающих (массу поднимаемого и перемещаемого
вручную груза, расстояние перемещения груза, уменьшить переходы,
обусловленные технологическим процессом, и др.), либо вовсе убрать
человека из производственной среды, переложив его трудовые функции на
автоматизированные машины и оборудование. Однако автоматизация
технологических процессов требует значительных экономических затрат, что
затрудняет внедрение указанных мероприятий в производственную практику.

Для защиты от теплового излучения используют различные теплоизолирующие
материалы, устраивают теплозащитные экраны и специальные системы
вентиляции (воздушное душирование). Перечисленные выше средства защиты
носят обобщающее понятие теплозащитных средств. Теплозащитные средства
должны обеспечивать тепловую облученность на рабочих местах не более 350
Вт/м2 и температуру поверхности оборудования не выше 35°С при
температуре внутри источника тепла до 100°С и не выше 45°С – при
температуре внутри источника тепла выше 100°С.

Основным показателем, характеризующим эффективность теплоизоляционных
материалов, является низкий коэффициент теплопроводности1, который
составляет для большинства из них 0,025-0,2 Вт/м?К.

1 Коэффициент теплопроводности или теплопроводность (?) показывает,
какое количество тепла проходит за счет теплопроводности в единицу
времени через единичную площадь стенки при разности температур между
поверхностями стенки один градус. В системе СИ размерность ? Вт/м?К.

Для теплоизоляции используют различные материалы, например, асбестовую
ткань и картон, специальные бетон и кирпич, минеральную и шлаковую вату,
стеклоткань, углеродный войлок и др. Так, в качестве теплоизоляционных
материалов для трубопроводов пара и горячей воды, а также для
трубопроводов холодоснабжения, используемых в промышленных
холодильниках, могут быть использованы материалы из минеральной ваты.

Теплозащитные экраны используют для локализации источников теплового
излучения, снижения облученности на рабочих местах, а также для снижения
температуры поверхностей, окружающих рабочее место. Часть теплового
излучения экраны отражают, а часть поглощают.

Для количественной характеристики защитного действия экрана используют
следующие показатели: кратность ослабления теплового потока (т), а также
эффективность действия экрана (?э). Эти характеристики выражаются
следующими зависимостями:

где Е1 и Е2 – интенсивность теплового облучения на рабочем месте
соответственно до и после установки экранов, Вт/м2.

Таким образом, показатель т определяет, во сколько раз первоначальный
тепловой поток на рабочем месте превышал тепловой поток на рабочем месте
после установки экрана, а показатель ?э – какая часть из первоначального
теплового потока доходит до рабочего места, защищенного экраном.
Эффективность ?э для большинства экранов лежит в пределах 50–98,8%.

Различают теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие экраны.
Теплоотражающие экраны изготавливаются из алюминия или стали, а также
фольги или сетки на их основе. Теплопоглощающие экраны представляют
собой конструкции из огнеупорного кирпича (типа шамота), асбестового
картона или стекла (прозрачные экраны). Теплоотводящие экраны – это
полые конструкции, охлаждаемые изнутри водой.

Своеобразным теплоотводящим прозрачным экраном служит так называемая
водяная завеса, которую устраивают у технологических отверстий
промышленных печей и через которую вводят внутрь печей инструменты,
обрабатываемые материалы, заготовки и др.

14.2. Создание требуемых параметров микроклимата в производственных
помещениях

Для создания требуемых параметров микроклимата в производственном
помещении применяют системы вентиляции и кондиционирования воздуха, а
также различные отопительные устройства. Вентиляция представляет собой
смену воздуха в помещении, предназначенную поддерживать в нем
соответствующие метеорологические условия и чистоту воздушной среды.

Вентиляция помещений достигается удалением из них нагретого или
загрязненного воздуха и подачей чистого наружного воздуха. Поскольку в
данной главе рассматриваем системы вентиляции, предназначенные для
обеспечения заданных метеорологических условий, рассмотрим общеобменную
вентиляцию, которая осуществляет смену воздуха во всем помещении. Другие
типы вентиляции рассмотрены далее.

Общеобменная вентиляция предназначена для поддержания требуемых
параметров воздушной среды во всем объеме помещения. Схема такой системы
вентиляции представлена на рис. 14.1.

Для эффективной работы системы общеобменной вентиляции при поддержании
требуемых параметров микроклимата количество воздуха, поступающего в
помещение (Lпр), должно быть практически равно количеству воздуха,
удаляемого из него (Lвыт).

Количество приточного воздуха, требуемого для удаления избытков явной
теплоты из помещения (Qизб> кДж/ч), определяется выражением:

(14.1)

– температура приточного воздуха, °С.

Для эффективного удаления избытков явной теплоты температура приточного
воздуха должна быть на 5–8°С ниже температуры воздуха в рабочей зоне.

Количество приточного воздуха, необходимого для удаления влаги,
выделившейся в помещении, рассчитывают по формуле:

(14.2)

– плотность приточного воздуха, кг/м3.

При одновременном выделении в производственном помещении паров влаги и
избыточной теплоты последовательно проводят расчет по формулам (14.1) и
(14.2) и в качестве искомого результата используют большее из полученных
значений.

По способу перемещения воздуха вентиляция может быть как естественной,
так и с механическим побуждением, возможно также сочетание этих двух
способов. При естественной вентиляции воздух перемещается за счет
разности температур в помещении и наружного воздуха, а также в
результате ветрового давления (действия ветра). Способы естественной
вентиляции: инфильтрация, проветривание, аэрация, с использованием
дефлекторов.

При механической вентиляции воздух перемещается с помощью специальных
воздуходувных машин-вентиляторов, создающих определенное давление и
служащих для перемещения воздуха в вентиляционной сети. Чаще всего на
практике используют осевые и радиальные вентиляторы.

По месту действия вентиляция бывает общеобменной и местной. Общеобменная
вентиляция обеспечивает поддержание требуемых параметров воздушной среды
во всем объеме помещения, а местная – в определенной его части.

Воздух, всасываемый вентиляторами из атмосферы, после очистки и
подогрева поступает в специальные каналы, называемые воздуховодами, и
разводится по производственному помещению. Такая вентиляция называется
приточной. Нагретый воздух из помещения, содержащий водяные пары,
отводится из помещения с помощью системы вытяжной вентиляции.

Приточная и вытяжная ветвь вентиляции могут быть объединены, в этом
случае система вентиляции называется приточно-вытяжной. Большое
распространение на практике получила приточно-вытяжная вентиляция с
рециркуляцией воздуха. Для нее характерно использование части воздуха,
удаляемого из помещения и прошедшего очистку в системе приточной
вентиляции. При этом рециркулирующий воздух разбавляется частью свежего
воздуха, поступающего из атмосферы. Использование такой системы
вентиляции позволяет снизить расходы на очистку воздуха, поступающего из
атмосферы, и на его нагрев в холодное время года.

Как уже сказано выше, для создания требуемых параметров микроклимата на
определенном участке производственного помещения служит местная
приточная вентиляция. В отличие от общеобменной приточной вентиляции она
подает воздух не во все помещения, а лишь в ограниченную часть.
Различают следующие устройства местной приточной вентиляции: воздушные
души и оазисы, а также воздушно-тепловые завесы.

Воздушные души применяются для защиты работающих от воздействия
теплового излучения интенсивностью 350 Вт/м2 и более. Принцип действия
этого устройства основан на обдуве работающего струей увлажненного
воздушного потока, скорость которого составляет 1–3,5 м/с. При этом
увеличивается теплоотдача от организма человека в окружающую среду.

В воздушных оазисах, представляющих собой часть производственного
помещения, ограниченного со всех сторон переносными перегородками,
создаются требуемые параметры микроклимата. Указанные источники
используются в горячих цехах.

Для защиты людей от переохлаждения в холодное время года в дверных
проемах и воротах устраивают воздушные и воздушно-тепловые завесы.
Принцип их работы основан на том, что под углом к холодному воздушному
потоку, поступающему в помещение, направлен воздушный поток (комнатной
температуры или подогретый), который либо снижает скорость и изменяет
направление холодного воздушного потока, уменьшая вероятность
возникновения сквозняков в производственном помещении, либо подогревает
холодный поток (в случае воздушно-тепловой завесы). Такие
воздушно-тепловые завесы установлены на входах на станции метрополитена,
а также в дверях крупных магазинов.

В настоящее время для поддержания требуемых параметров микроклимата
широко применяются установки для кондиционирования воздуха
(кондиционеры). Кондиционированием воздуха называется создание и
автоматическое поддержание в производственных или бытовых помещениях
независимо от внешних метеорологических условий постоянных или
изменяющихся по определенной программе температуры, влажности, чистоты и
скорости движения воздуха, сочетание которых создает комфортные условия
труда или требуется для нормального протекания технологического
процесса. Кондиционер – это автоматизированная вентиляционная установка,
которая поддерживает в помещении заданные параметры микроклимата.
Эксплуатация установок для кондиционирования воздуха обычно дороже, чем
вентиляционных систем.

Для поддержания заданной температуры воздуха в помещениях в холодное
время года используют различные системы отопления: водяная, паровая,
воздушная и комбинированная.

В системах водяного отопления в качестве теплоносителя используется
вода, нагретая либо до 100°С либо перегретая выше этой температуры. Эти
системы отопления наиболее эффективны в санитарно-гигиеническом
отношении.

Системы парового отопления используются, как правило, в промышленных
помещениях. Теплоносителем в них является водяной пар низкого или
высокого давления.

В воздушных системах для отопления используется нагретый в специальных
установках (калориферах) воздух. Комбинированные системы отопления
используют в качестве элементов рассмотренные выше системы отопления.

Параметры микроклимата в производственных помещениях контролируются
различными контрольно-измерительными приборами. Для измерения
температуры воздуха в производственных помещениях применяют ртутные (для
измерения температуры выше 0°С) и спиртовые (для измерения температуры
ниже 0°С) термометры. Если требуется постоянная регистрация изменения
температуры во времени, используют приборы, называемые термографами.
Например, отечественный прибор – термограф типа М-16 – регистрирует
изменение температуры за определенный период (сутки или неделю).
Существуют и другие устройства для измерения температуры воздуха,
например, термопары.

Для измерения относительной влажности воздуха используются приборы,
называемые психрометрами и гигрометрами, а для регистрации изменения
этого параметра во времени служит гигрограф.

Простейший психрометр – это устройство, состоящее из сухого и влажного
термометров. У влажного термометра резервуар обернут гигроскопической
тканью, конец которой опущен в стаканчик с дистиллированной водой. Сухой
термометр показывает температуру воздуха в производственном помещении, а
влажный – более низкую температуру, так как испаряющаяся с поверхности
влажной ткани вода отнимает тепло у резервуара термометра. Существуют
специальные переводные психрометрические таблицы, позволяющие по
температурам сухого и влажного термометров определять относительную
влажность воздуха в помещении.

Более сложным по конструкции, но и более точным является так называемый
аспирационный психрометр, который также состоит из сухого и влажного
термометров, помещенных в металлические трубки и обдуваемых воздухом со
скоростью 3–4 м/с, в результате чего повышается стабильность показаний
термометров и практически устраняется влияние теплового излучения.
Определение относительной влажности осуществляется также с
использованием психрометрических таблиц. Аспирационные психрометры,
например МВ-4М или М-34, могут быть использованы для одновременного
измерения в помещении температуры воздуха и относительной влажности.

Другим устройством для определения относительной влажности служит
гигрометр, действие которого основано на свойстве некоторых органических
веществ (органических мембран, человеческого волоса) удлиняться во
влажном воздухе и укорачиваться в сухом. Измеряя деформацию
чувствительного элемента (мембраны или волоса), можно судить о величине
относительной влажности в производственном помещении. Гигрографы
записывают изменения величины относительной влажности как функцию
времени. Примером такого гигрографа может служить прибор типа М-21,
который осуществляет суточную или недельную запись регистрируемого
параметра.

Скорость движения воздуха в производственном помещении измеряется
приборами – анемометрами.

Работа крыльчатого анемометра основана на изменении скорости вращения
специального колеса, оснащенного алюминиевыми крыльями, расположенными
под углом 45° к плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса. Ось
колеса соединена со счетчиком оборотов. При изменении скорости
воздушного потока изменяется и скорость вращения колеса, т. е.
увеличивается (уменьшается) число оборотов за определенный промежуток
времени. По этой информации можно определить скорость воздушного потока.

Крыльчатые анемометры рекомендуется применять для измерения скорости
воздушного потока в интервале 0,4–10 м/с, при скоростях 1–35 м/с
применяются чашечные анемометры, в которых крылья заменены чашечками.
Примером крыльчатого анемометра служит прибор АСО-3 тип Б, чашечного –
тип МС-13.

Существуют и другие приборы для измерения скорости движения воздуха:
шаровые или цилиндрические кататермометры и термоанемометры.

Интенсивность теплового излучения в отечественной практике измеряют
актинометрами, действие которых основано на поглощении теплового
излучения и регистрации выделившейся тепловой энергии. Простейший
тепловой приемник – термопара. Она представляет собой электрический
контур из двух проволок, изготовленных из различных материалов (как
металлов, так и полупроводников), например медь–константан,
серебро–палладий, серебро–висмут, висмут–сурьма, вольфрам–рений и др.
Две проволоки из различных материалов сваривают или спаивают между
собой. Тепловое излучение нагревает один из спаев двух проволок, в то
время как другой спай служит для сравнения и поддерживается при
постоянной температуре (Т0). Электрическая схема термопары представлена
на рис. 14.2.

Две проволоки из материалов А и В составляют электрический контур. При
нагреве одного из спаев тепловым излучением до температуры Т возникает
термоЭДС VAB, величина которой измеряется вольтметром. ТермоЭДС в
большом интервале температур прямо пропорциональна разности Т– Т0 (где,
Т0 – температура холодного слоя термопары):

носит название коэффициента Зеебека для веществ А и В. Этот эффект
называют термоэлектрическим или эффектом Зеебека в честь его открывателя
(1821 г.). Иногда п термопар соединяют между собой последовательно,
получая при этом термоэлектрическую батарею. ТермоЭДС и соответственно
чувствительность этого прибора в п раз выше, чем у обычной термопары,
что позволяет измерять тепловое излучение малой интенсивности.

В основу промышленных приборов для измерения интенсивности теплового
излучения – актинометров – положен принцип термоэлектрической батареи.
Чувствительный элемент актинометра состоит из алюминиевой пластинки, на
которой в шахматном порядке расположены зачерненные и блестящие секции.
Зачерненные полоски интенсивно поглощают тепловое излучение, а блестящие
отражают его, поэтому первые из них нагреваются значительно сильнее, чем
вторые. Положительные спаи термопар, соединенные между собой
последовательно присоединены к зачерненным полоскам алюминиевой фольги и
нагреваются под воздействием теплового излучения значительно сильнее,
чем отрицательные спаи, присоединенные к блестящим полоскам. Под
воздействием разности температур возникает термоЭДС, которая измеряется
чувствительным прибором, отградуированным в единицах тепловой радиации
(Вт/м2).

При отклонении параметров микроклимата от величин, создающих комфортные
условия, большое значение имеет правильный выбор спецодежды. При работе
в помещениях с пониженной температурой воздуха необходимо использовать
утепленную спецодежду. Для персонала, занятого в горячих цехах,
используют спецодежду, изготовленную из материалов с низкой
теплопроводностью.

Контрольные вопросы

Что такое воздух рабочей зоны?

Какие основные нормируемые показатели микроклимата воздуха рабочей зоны
вы знаете?

Что является источниками теплового излучения?

Что такое терморегуляция человеческого организма?

Из каких основных процессов состоит теплоотдача человеческого организма
в окружающую среду?

Как влияют на человеческий организм температура окружающего воздуха, его
относительная влажность и скорость движения?

Как выбирают параметры микроклимата в производственном помещении?

Дайте определение понятий «оптимальные параметры микроклимата» и
«допустимые параметры микроклимата».

Какие мероприятия используют для поддержания нормальных параметров
микроклимата в рабочей зоне?

Дайте определение понятий «вентиляция воздуха» и «кондиционирование
воздуха».

Как рассчитать количество приточного воздуха, требуемого для удаления
избытков явной теплоты и влаги из помещения?

Что такое естественная вентиляция и вентиляция с механическим
побуждением?

Дайте определение понятий «приточная вентиляция», «вытяжная вентиляция»
и «приточно-вытяжная вентиляция».

Что такое воздушные души, воздушные оазисы, воздушные и
воздушно-тепловые завесы?

Какие системы отопления вы знаете?

Назовите приборы и устройства для измерения метеорологических условий.

Глава 15. Воздействие на организм человека вредных веществ, содержащихся
в воздухе рабочей зоны

15.1. Виды вредных веществ

Выполнение различных видов работ в промышленности сопровождается
выделением в воздушную среду вредных веществ. Вредное вещество – это
вещество, которое в случае нарушения требований безопасности может
вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания или
отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые как в процессе работы,
так и в отдаленные сроки жизни настоящих и последующих поколений.

Наиболее благоприятен для дыхания атмосферный воздух, содержащий (% по
объему) азота – 78,08, кислорода – 20,95, инертных газов – 0,93,
углекислого газа – 0,03, прочих газов – 0,01.

Необходимо обращать внимание и на содержание в воздухе заряженных частиц
– ионов. Так, например, известно благотворное влияние на организм
человека отрицательно заряженных ионов кислорода воздуха.

Вредные вещества, выделяющиеся в воздух рабочей зоны, изменяют его
состав, в результате чего он существенно может отличаться от состава
атмосферного воздуха.

При проведении различных технологических процессов в воздух выделяются
твердые и жидкие частицы, а также пары и газы. Пары и газы образуют с
воздухом смеси, а твердые и жидкие частицы – аэродисперсные системы –
аэрозоли. Аэрозолями называют воздух или газ, содержащие в себе
взвешенные твердые или жидкие частицы. Аэрозоли принято делить на пыль,
дым, туман. Пыли или дымы – это системы, состоящие из воздуха или газа и
распределенных в них частиц твердого вещества, а туманы – системы,
образованные воздухом или газом и частицами жидкости.

Размеры твердых частиц пылей превышают 1 мкм1, а размеры твердых частиц
дыма меньше этого значения. Различают крупнодисперсную (размер твердых
частиц более 50 мкм), среднедисперсную (от 10 до 50 мкм) и
мелкодисперсную (размер частиц менее 10 мкм) пыль. Размер жидких частиц,
образующих туманы, обычно лежит в пределах от 0,3 до 5 мкм.

1 1мкм (1 микрометр) = 10-6 м.

Проникновение вредных веществ в организм человека происходит через
дыхательные пути (основной путь), а также через кожу и с пищей, если
человек принимает ее, находясь на рабочем месте. Действие этих веществ
следует рассматривать как воздействие опасных или вредных
производственных факторов, так как они оказывают негативное
(токсическое2) действие на организм человека. В результате воздействия
этих веществ у человека возникает отравление – болезненное состояние,
тяжесть которого зависит от продолжительности воздействия, концентрации
и вида вредного вещества.

2 Токсичность – ядовитость, способность некоторых химических и
биологических веществ оказывать вредное воздействие на живые организмы.

Существуют различные классификации вредных веществ, в основу которых
положено их действие на человеческий организм. В соответствии с наиболее
распространенной (по Е.Я. Юдину и С.В. Белову) классификацией вредные
вещества делятся на шесть групп: общетоксические, раздражающие,
сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные, влияющие на репродуктивную
(детородную) функцию человеческого организма.

Общетоксические вещества вызывают отравление всего организма. Это оксид
углерода, свинец, ртуть, мышьяк и его соединения, бензол и др.

Раздражающие вещества вызывают раздражение дыхательного тракта и
слизистых оболочек человеческого организма. К этим веществам относятся:
хлор, аммиак, пары ацетона, оксиды азота, озон и ряд других веществ.

Сенсибилизирующие3 вещества действуют как аллергены, т.е. приводят к
возникновению аллергии4 у человека. Этим свойством обладают
формальдегид, различные нитросоединения, никотинамид, гексахлоран и др.

3 Сенсибилизация – повышение реактивной чувствительности клеток и тканей
человеческого организма.

4 Аллергия – необычные, ненормальные, реакции организма, например
появление сыпи.

Воздействие канцерогенных веществ на организм человека приводит к
возникновению и развитию злокачественных опухолей (раковых заболеваний).
Канцерогенными являются оксиды хрома, 3,4-бензпирен, бериллий и его
соединения, асбест и др.

Мутагенные вещества при воздействии на организм вызывают изменение
наследственной информации. Это радиоактивные вещества, марганец, свинец
и т.д.

Среди веществ, влияющих на репродуктивную функцию человеческого
организма, следует в первую очередь назвать ртуть, свинец, стирол,
марганец, ряд радиоактивных веществ и др.

Пыль, попадая в организм человека, оказывает фиброгенное воздействие,
заключающееся в раздражении слизистых оболочек дыхательных путей. Оседая
в легких, пыль задерживается в них. При длительном вдыхании пыли
возникают профессиональные заболевания легких – пневмокониозы. При
вдыхании пыли, содержащей свободный диоксид кремния (SiO2), развивается
наиболее известная форма пневмокониоза – силикоз. Если диоксид кремния
находится в связанном с другими соединениями состоянии, возникает
профессиональное заболевание – силикатоз. Среди силикатозов наиболее
распространены асбестоз, цементоз, талькоз.

Для воздуха рабочей зоны производственных помещений в соответствии с
ГОСТ 12.1.005-88 устанавливают предельно допустимые концентрации (ПДК)
вредных веществ. ПДК выражаются в миллиграммах (мг) вредного вещества,
приходящегося на 1 кубический метр воздуха, т. е. мг/м3.

В соответствии с указанным выше ГОСТом установлены ПДК для более чем
1300 вредных веществ. Еще приблизительно для 500 вредных веществ
установлены ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ).

По ГОСТ 12.1.005-88 все вредные вещества по степени воздействия на
организм человека подразделяются на следующие классы: 1 – чрезвычайно
опасные, 2 – высокоопасные, 3 – умеренно опасные, 4 – малоопасные.
Опасность устанавливается в зависимости от величины ПДК, средней
смертельной дозы и зоны острого или хронического действия.

Если в воздухе содержится вредное вещество, то его концентрация не
должна превышать величины ПДК.

При одновременном присутствии в воздушной среде нескольких вредных
веществ, обладающих однонаправленным действием, должно соблюдаться
условие:

(15.1)

где С1, С2, С3,…,Сn– фактические концентрации вредных веществе воздухе
рабочей зоны, мг/м3;

– предельно допустимые концентрации этих веществ в воздухе рабочей
зоны.

Примеры предельно допустимых концентраций различных веществ представлены
в табл. 15.1.

15.2. Оздоровление воздушной среды

Оздоровление воздушной среды достигается снижением содержания в ней
вредных веществ до безопасных значений (не превышающих величины ПДК на
данное вещество), а также поддержанием требуемых параметров микроклимата
в производственном помещении.

Снизить содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны можно,
используя технологические процессы и оборудование, при которых вредные
вещества либо не образуются, либо. не попадают в воздух рабочей зоны.
Например, перевод различных термических установок и печей с жидкого
топлива, при сжигании которого образуется значительное количество
вредных веществ, на более чистое – газообразное топливо, а еще лучше –
использование электрического нагрева.

Большое значение имеет надежная герметизация оборудования, которая
исключает попадание различных вредных веществ в воздух рабочей зоны или
значительно снижает в нем концентрацию их. Для поддержания в воздухе
безопасной концентрации вредных веществ используют различные системы
вентиляции. Если перечисленные мероприятия не дают ожидаемых
результатов, рекомендуется автоматизировать производство или перейти к
дистанционному управлению технологическими процессами. В ряде случаев
для защиты от воздействия вредных веществ, находящихся в воздухе рабочей
зоны, рекомендуется использовать индивидуальные средства защиты
работающих (респираторы, противогазы), однако следует учитывать, что при
этом существенно снижается производительность труда персонала.

Устройство и принцип работы общеобменной вентиляции, а также ее
использование для поддержания требуемых параметров микроклимата
рассмотрены в § 14.2.

В нем мы рассмотрели устройство общеобменной вентиляции, предназначенной
для смены воздуха во всем помещении. Движение воздуха в этой системе
достигается за счет использования специальных воздуходувных машин –
вентиляторов. Такая система общеобменной вентиляции носит название
механической. В ряде случаев, особенно в горячих цехах и помещениях со
значительным избытком явной теплоты, может быть использован и другой тип
общеобменной вентиляции – естественная. Перемещение воздуха при
естественной вентиляции достигается за счет разности температур в
производственном помещении и наружного воздуха (холодный воздух
вытесняет из помещения теплый), а также в результате действия ветра
(ветрового давления). Простейшим способом естественной вентиляции
является проветривание помещений через окна, форточки или фрамуги. Кроме
того, воздух может поступать в помещение и удаляться из него через
различные щели и неплотности стен, окон и т.д. (инфильтрация воздуха).
Кроме того, естественная вентиляция производственных помещений может
осуществляться с помощью специальных технических приемов: аэрацией и с
использованием дефлекторов. Наиболее часто для снижения содержания
вредных веществ в воздухе рабочей зоны используется механическая
вентиляция, иногда возможно использование вентиляции, состоящей из
естественной и механической систем.

Необходимое количество воздуха, подаваемого в помещение для снижения
содержания в нем вредных веществ до нормы, может быть определено из
выражения:

(15.2)

– концентрация вредного вещества в удаляемом воздухе, мг/м3; G –
выделяющиеся в помещении с внутренним объемом V(м3) вредные пары или
газы, мг/ч.

и обозначая количество приточного или удаляемого воздуха через L
(м3/ч), перепишем равенство (15.2):

Отсюда находим:

(15.3)

= 0), то формула (15.3) упрощается:

? 0,3 ПДК вредного вещества.

Если в воздух рабочей зоны выделяется несколько веществ, не обладающих
однонаправленным действием, то требуемое количество приточного воздуха L
должно рассчитываться для каждого из этих веществ, после чего выбирают
наибольшее из полученных значений L.

В случае выделения в воздух рабочей зоны нескольких веществ, обладающих
однонаправленным действием (например, паров кислот), рассчитывают по
уравнению (15.3) количество воздуха, требуемое для разбавления каждого
вещества до его предельно допустимой концентрации при совместном
действии вредных веществ, а затем суммируют полученные значения L. Сумма
значений L и используется для расчетов вентиляции в этом случае.

Если неизвестны состав и концентрация выделяющихся в воздух рабочей зоны
вредных веществ, для ориентировочных расчетов L может быть использовано
выражение:

L = kV,

где k – кратность воздухообмена, показывающая, сколько раз в течение
часа воздух меняется в помещении, ч-1;

V – объем вентилируемого помещения, м3.

В качестве примера приведем рекомендуемые значения k для следующих
технологических процессов и производств:

Участок окраски и сушки машин – 17

Участок сварки – 26

Участок ремонта электрооборудования – 15

Кузнечное отделение – 20

Помещение очистных сооружений – 8

Для удаления вредных веществ у источников их образования служит местная
вытяжная вентиляция. Использование устройств местной вытяжной вентиляции
практически полностью позволяет удалить пыль и другие вредные вещества
из производственного помещения. Устройства местной вентиляции
изготавливают в виде отсосов открытого типа и отсосов от полных укрытий.

Отсосы открытого типа находятся за пределами источников выделения
вредных веществ. Это вытяжные зонты, вытяжные панели, бортовые отсосы и
другие устройства.

Отсосы от полных укрытий – это вытяжные шкафы, кожухи и вытяжные камеры,
а также ряд других устройств, внутри которых находятся источники
выделения вредных веществ.

Для более эффективного удаления из помещений вредных веществ система
общеобменной вентиляции обычно комбинируется с местной.

В производственном помещении необходим постоянный контроль за
содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Отбор проб на
определение этих веществ обычно проводят на рабочем месте на уровне
дыхания работающего.

Для контроля запыленности воздуха рабочей зоны могут быть использованы
различные методы (фильтрационные, седиментационные, электрические) и др.
Весьма перспективны новые методы измерения концентрации пыли в воздухе
рабочей зоны с использованием лазерной техники. В нашей стране наиболее
распространен прямой весовой (гравиметрический) метод измерения
концентрации пыли в воздухе рабочей зоны. Он заключается в отборе всей
находящейся в зоне дыхания пыли на специальные аэрозольные фильтры типа
АФА ВП. Отбор проб осуществляется с помощью различных аспираторов.

Определение концентрации вредных веществ, присутствующих в воздухе в
виде паров и газов, может также осуществляться различными методами,
например с использованием переносных газоанализаторов типа УГ-1 или
УГ-2.

Рассмотрим основные индивидуальные средства защиты, предназначенные для
защиты органов дыхания человека от вредных веществ, находящихся в
воздухе рабочей зоны. Указанные средства защиты делятся на фильтрующие и
изолирующие.

В фильтрующих устройствах вдыхаемый человеком загрязненный воздух
предварительно фильтруется, а в изолирующих – чистый воздух подается по
специальным шлангам к органам дыхания человека от автономных источников.
Фильтрующими приборами (респираторами и противогазами) пользуются при
невысоком содержании вредных веществ в воздухе рабочей зоны (не более
0,5% по объему) и при содержании кислорода в воздухе не менее 18%.
Респираторы предназначены для защиты человека от пыли и делятся на
фильтр-маски, в которых закрывающая лицо человека маска является
одновременно фильтром, и патронные, в которых лицевая маска и
фильтрующий элемент разделены.

Один из наиболее распространенных отечественных респираторов –
бесклапанный респиратор ШБ-1 «Лепесток» – предназначен для защиты от
воздействия мелкодисперсной и среднедисперсной пыли. Различные
модификации «Лепестка» применяются для защиты от пыли, если ее
концентрация в воздухе рабочей зоны в 5–200 раз превышает величину ПДК.

Промышленные фильтрующие противогазы предназначены для защиты органов
дыхания от различных газов и паров. Они состоят из полумаски, к которой
подведен шланг с загубником, присоединенный к фильтрующим коробкам,
наполненным поглотителями вредных газов или паров. Каждая коробка в
зависимости от поглощаемого вещества окрашена в определенный цвет (табл.
15.2).

Изолирующие противогазы применяются в тех случаях, когда содержание
кислорода в воздухе менее 18%, а содержание вредных веществ более 2%.
Различают автономные и шланговые противогазы. Автономный противогаз
состоит из ранца, наполненного воздухом или кислородом, шланг от
которого соединен с лицевой маской. В шланговых изолирующих противогазах
чистый воздух подается по шлангу в лицевую маску от вентилятора, причем
длина шланга может достигать нескольких десятков метров.

Контрольные вопросы

Что такое аэрозоли?

Каковы основные пути проникновения вредных веществ в организм человека?

Как действуют вредные вещества на организм человека?

Представьте классификацию вредных веществ.

Что такое фиброгенное действие пыли на организм человека?

Дайте определение понятия «предельно допустимая концентрация» (ПДК).

Как обеспечить поддержание в воздухе безопасной концентрации вредных
веществ?

Перечислите индивидуальные средства защиты от воздействия вредных
веществ.

Как рассчитать необходимое количество воздуха, подаваемого в помещение
для снижения содержания в нем вредных веществ до нормы?

Что такое кратность воздухообмена?

Для чего служит местная вытяжная вентиляция?

Какие устройства местной вытяжной вентиляции вы знаете?

Как осуществляется контроль за содержанием вредных веществ в воздухе
рабочей зоны?

Как устроены фильтрующие и изолирующие противогазы? Какова область их
применения?

Как маркируются и окрашиваются фильтрующие коробки отечественных
фильтрующих противогазов?

Глава 16. Производственное освещение

16.1. Основные характеристики производственного освещения

Производственное освещение – неотъемлемый элемент условий трудовой
деятельности человека. При правильно организованном освещении рабочего
места обеспечивается сохранность зрения человека и нормальное состояние
его нервной системы, а также безопасность в процессе производства.
Производительность труда и качество выпускаемой продукции находятся в
прямой зависимости от освещения.

Видимый свет – это электромагнитные волны с длиной волны от 770 до 380
нм1. Он входит в оптическую область электромагнитного спектра, который
ограничен длинами волн от 10 до 340 000 нм. Кроме видимого света в
оптическую область входит ультрафиолетовое излучение (длины волн от 10
до 380 нм) и инфракрасное (тепловое) излучение (от 770 до 340 000 нм).

1 1 нм (1 нанометр) = 10-9 м.

С физической точки зрения любой источник света – это скопление множества
возбужденных или непрерывно возбуждаемых атомов. Каждый отдельный атом
вещества является генератором световой волны.

С физиологической точки зрения свет является возбудителем органа зрения
человека (зрительного анализатора). Человеческий глаз различает семь
основных цветов и более сотни их оттенков. Приблизительные границы длин
волн (нм) и соответствующие им ощущения (цвета) следующие:

380-455 – фиолетовый 540-590 – желтый

455-470 – синий 590–610 – оранжевый

470–500 – голубой 610–770 – красный

500–540 – зеленый

Наибольшая чувствительность органов зрения человека приходится на
излучение с длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет).

Введем основные световые величины, позволяющие количественно описать
видимое излучение.

Часть лучистого потока, воспринимаемая органами зрения человека как
свет, называется световым потоком, обозначается буквой Ф и измеряется в
люменах (лм). С физической точки зрения световой поток – это мощность
видимого излучения, т.е. световая энергия, излучаемая по всем
направлениям за единицу времени. Но так как измерение светового потока
основывается на зрительном восприятии, то световой поток – величина не
только физическая, но и физиологическая.

Пространственную плотность светового потока называют силой света и
измеряют в канделах (кд). Она характеризует неравномерность
распространения светового потока в пространстве и определяется
выражением:

, (16.1)

где dФ – световой поток, исходящий от источника света и
распространяющийся равномерно

внутри элементарного телесного угла;

– величина элементарного телесного угла.

Единицей меры телесного угла является телесный угол, вырезающий из сферы
(с центром в вершине угла) площадь, равную площади квадрата,
построенного на радиусе. Такой телесный угол называют стерадианом (ср).
Полный телесный угол вокруг точки равен 4? ср, поэтому сила света
точечного источника:

. (16.2)

Следующая светотехническая величина – это освещенность. Освещенностью
поверхности Е называется величина, измеряемая отношением светового
потока dФ, падающего на поверхность dS, к величине поверхности dS, т. е.

(16.3)

Освещенность измеряется в люксах (лк). Освещенность может быть выражена
и через силу света. Так, для точечного источника света:

(16.4)

где I – сила света в направлении от источника на данную точку
поверхности;

r – расстояние от светильника до поверхности;

? – угол между нормалью поверхности и направлением светового потока от
источника.

Яркость используется для характеристики протяженного источника света,
обладающего светящейся поверхностью dS. Яркость протяженного источника
света L определяется отношением силы света в данном направлении dI к
поверхности источника, видимой по этому направлению, либо отношением
светового потока dФ к произведению телесного угла d?, внутри которого
излучается поток, на видимую поверхность источника света:

, (16.5)

где ? – угол между нормалью к светящейся поверхности и глазом
наблюдателя.

Яркость измеряется в кд/м2.

Кроме перечисленных выше светотехнических величин используют коэффициент
отражения, характеризующий способность поверхности отражать падающий на
нее световой поток:

(16.6)

– отраженный от поверхности световой поток;

– падающий на поверхность световой поток.

– безразмерная величина.

Рассмотренные светотехнические величины относятся к количественным
показателям производственного освещения.

Различают следующие виды производственного освещения: естественное,
искусственное и совмещенное. Естественное освещение осуществляется за
счет прямого и отраженного света неба. С физиологической точки зрения
естественное освещение наиболее благоприятно для человека. Естественное
освещение в течение дня меняется в достаточно широких пределах в
зависимости от состояния атмосферы (облачность).

Различают боковое естественное освещение – через световые проемы (окна)
в наружных стенах и верхнее естественное освещение, при котором световой
поток поступает через световые проемы, расположенные в верхней части
(крыше) здания (аэрационные и зенитные фонари и т.д.). Если используется
оба вида освещения, то оно называется комбинированным.

Для характеристики естественного освещения используется коэффициент
естественной освещенности (КЕО):

, (16.7)

где: Е – освещенность на рабочем месте, лк;

E0 – освещенность на улице (при среднем состоянии облачности), лк.

Величины КЕО для различных помещений лежат в пределах 0,1-12%.

Искусственное освещение осуществляется электрическими лампами или
прожекторами. Оно может быть общим, местным или комбинированным. Общее
предназначено для освещения всего производственного помещения. Местное
при необходимости дополняет общее и концентрирует дополнительный
световой поток на рабочих местах. Сочетание местного и общего освещения
называют комбинированным.

Если в светлое время суток уровень естественного освещения не
соответствует нормам, то его дополняют искусственным. Такой вид
освещения называют совмещенным.

По функциональному назначению различают следующие виды искусственного
освещения: рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное и дежурное.

16.2. Создание требуемых условий освещения на рабочем месте

Для создания наилучших условий для видения в процессе труда рабочие
места должны быть нормально освещены. Требуемый уровень освещенности в
первую очередь определяется точностью выполняемых работ и степенью
опасности травмирования. Для характеристики точности выполняемых работ
вводится понятие объекта различения – это наименьший размер
рассматриваемого предмета, который необходимо различить в процессе
работы. Например, при выполнении чертежных работ объектом различения
служит толщина самой тонкой линии на чертеже, при работе с печатной
документацией – наименьший размер в тексте имеет точка и т.д.

Большое значение имеет характер фона, на котором рассматриваются
объекты, т. е. поверхности, непосредственно прилегающей к объекту
различения, и контраст объекта с фоном, который определяется
соотношением яркостей рассматриваемых объекта и фона.

0,5 контраст объекта с фоном считается большим, при К = 0,2–0,5
– средним, при К 1000 Гц) более неприятны для человека, чем
низкочастотные (f Vк доп), срабатывает защитное отключающее устройство.
Схема работает следующим образом.

Вследствие разности потенциалов между корпусом электроустановки 1 и
землей возникает ток Iр, который, проходя через реле 5, замыкает его
контакты, подавая питание на отключающую катушку 3. Под влиянием
возникшего электромагнитного поля внутрь нее втягивается сердечник 4,
вызывая отключение автоматического выключателя 2, и установка
обесточивается.

Защитное отключение рекомендуется применять:

в передвижных установках напряжением до 1000 В;

для отключения электрооборудования, удаленного от источника питания, как
дополнение к занулению;

в электрифицированном инструменте как дополнение к защитному заземлению
или занулению;

в скальных и мерзлых грунтах при невозможности выполнить необходимое
заземление.

Рассмотрим кратко организационные мероприятия, обеспечивающие безопасную
эксплуатацию электроустановок. К ним относятся оформление
соответствующих работ нарядом или распоряжением, допуск к работе, надзор
за проведением работ, строгое соблюдение режима труда и отдыха,
переходов на другие работы и окончания работ.

Нарядом для проведения работы в электроустановках называют составленное
на специальном бланке задание на ее безопасное производство,
определяющее содержание, место, время начала и окончания работы,
необходимые меры безопасности, состав бригад и лиц, ответственных за
безопасность выполнения работ. Распоряжением называют то же задание на
безопасное производство работы, но с указанием содержания работы, места,
времени и лиц, которым поручено ее выполнение.

Все работы на токопроводящих частях электроустановок под напряжением и
со снятием напряжения выполняют по наряду, кроме кратковременных работ
(продолжительностью не более 1 ч), требующих участия не более трех
человек. Эти работы выполняют по распоряжению.

К организационным мероприятиям также относятся обучение персонала
правильным приемам работы с присвоением работникам, обслуживающим
электроустановки, соответствующих квалификационных групп. Сведения о
квалификационных группах персонала представлены в табл. 20.3.

В ряде случаев существенную опасность для человека представляет
статическое электричество, под которым понимают совокупность явлений,
связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (ослаблением)
свободного электрического заряда на поверхности и в объеме
диэлектрических веществ, материалов, изделий или на изолированных
проводниках. Протекание различных технологических процессов, таких, как
измельчение, распыление, фильтрование и другие, сопровождается
электризацией материалов и оборудования, причем возникающий на них
электрический потенциал достигает значений тысяч и десятка тысяч вольт.
Воздействие статического электричества на организм человека проявляется
в виде слабого длительно протекающего тока либо в форме кратковременного
разряда через тело человека, в результате чего может произойти
несчастный случай.

Вредное воздействие на организм человека оказывает и электрическое поле
повышенной напряженности. Оно вызывает функциональные изменения
центральной нервной, сердечнососудистой и некоторых других систем
организма.

Защиту от статического электричества осуществляют по двум основным
направлениям: уменьшение генерации электрических зарядов и устранение
зарядов статического электричества. Для реализации первого направления
необходимо правильно подбирать конструкционные материалы, из которых
изготавливаются машины, агрегаты и прочее технологическое оборудование.
Эти материалы должны быть слабо электризующимися или неэлектризующимися.
Например, синтетический материал, состоящий на 40% из нейлона и 60%
дакрона, не электризуется при трении о хромированную поверхность.

Для снятия зарядов статического электричества с поверхности
технологического оборудования его обязательно заземляют.

Кроме перечисленных способов защиты от статического электричества
большое значение имеет снижение удельного поверхностного электрического
сопротивления перерабатываемых материалов. Это достигается повышением
относительной влажности в помещении, где производится обработка
поглощающих воду материалов (древесины, бумага, хлопчатобумажной ткани и
др.), до 65–70%, нанесением на их поверхность специальных
антистатических составов, введением в состав твердых диэлектриков
электропроводящих материалов (графита, углеродных волокон, алюминиевой
пудры и т.д.). Существуют и другие методы защиты от статического
электричества.

20.3. Молниезащита

Важным вопросом электробезопасности является защита от удара молний, или
молниезащита.

Молния – это особый вид прохождения электрического тока через огромные
воздушные промежутки, источник которого – атмосферный заряд, накопленный
грозовым облаком.

Различают три типа воздействия тока молнии: прямой удар, вторичное
воздействие заряда молнии и занос высоких потенциалов (напряжения) в
здания. При прямом разряде молнии в здание или сооружение может
произойти его механическое или термическое разрушение. Последнее
проявляется в виде плавления или даже испарения материалов конструкции.
Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкнутых
токопроводящих контурах (трубопроводах, электропроводках и др.),
расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать
искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной
возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие
или взрывоопасные вещества. К этим же последствиям может привести и
занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металлоконструкциям,
находящимся внутри зданий и сооружений под действием молнии.

Для защиты от действия молнии устраивают молниеотводы (громоотводы). Это
заземленные металлические конструкции, которые воспринимают удар молнии
и отводят ее ток в землю. Различают стержневые и тросовые молниеотводы.
Их защитное действие основано на свойстве молний поражать наиболее
высокие и хорошо заземленные металлические конструкции.

Молниеотводы характеризуются зоной защиты, которая определяется как
часть пространства, защищенного от удара молнии с определенной степенью
надежности. В зависимости от степени надежности зоны защиты могут быть
двух типов – А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого
количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N). Если
величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (степень надежности
защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N ? 1 принимают
зону защиты типа В (степень надежности этой защиты – 95% и выше).

Рассмотрим, какую зону защиты образует стержневой отдельно стоящий
молниеотвод (рис. 20.9).

Как следует из рисунка, зона защиты для данного молниеотвода
представляет собой конус высотой h0 с радиусом основания на земле r0.
Обычно высота молниеотвода (h) не превышает 150 м. Остальные размеры
зоны в зависимости от величины (h, м) следующие (табл. 20.4):

Существуют также зависимости, позволяющие, задаваясь размерами
защищаемого объекта (hx и rx), определить величину h. Эта зависимость
для зоны Б имеет вид:

(20,19)

Для молниеотводов других типов зависимости иные.

20.4. Оказание первой помощи пораженному электрическим током

Рассмотрим основные вопросы, касающиеся оказания первой помощи от
воздействия электрического тока. Эта помощь состоит из двух этапов:
освобождение пострадавшего от воздействия электрического тока и оказание
ему первой помощи.

Если человек прикоснулся к токопроводящей части электроустановки и не
может самостоятельно освободиться от воздействия тока, то присутствующим
необходимо оказать ему помощь. Для этого следует быстро отключить
электропроводку с помощью выключателя, рубильника и т.д. Если быстро
отключить электроустановку от сети невозможно, оказывающий помощь должен
отделить пострадавшего от токопроводящей части. При этом следует иметь в
виду, что без применения необходимых мер предосторожности нельзя
прикасаться к человеку, находящемуся в цепи тока, так как можно самому
попасть под напряжение. Действовать следует таким образом.

Если пострадавший попал под действие напряжения до 1000 В,
токопроводящую часть от него можно отделить сухим канатом, палкой или
доской или оттянуть пострадавшего за одежду, если она сухая. Руки
оказывающего помощь следует защитить диэлектрическими перчатками, на
ноги необходимо надеть резиновую обувь или встать на изолирующую
подставку (сухую доску). Если перечисленные меры не дали результата,
допускается перерубить провод топором с сухой деревянной рукояткой или
перерезать его другим инструментом с изолированными ручками.

При напряжении, превышающем 1000 В, лица, оказывающие помощь, должны
работать в диэлектрических перчатках и обуви и оттягивать пострадавшего
от провода специальными инструментами, предназначенными для данного
напряжения (штангой или клещами). Рекомендуется также накоротко замкнуть
все провода линии электропередачи, набросив на них соединенный с землей
провод.

После освобождения пострадавшего от воздействия электрического тока ему
оказывают доврачебную медицинскую помощь. Если получивший электротравму
находится в сознании, ему необходимо обеспечить полный покой до прибытия
врача или срочно доставить в лечебное учреждение. Если человек потерял
сознание, но дыхание и работа сердца сохранились, пострадавшего
укладывают на мягкую подстилку, расстегивают пояс и одежду, обеспечивая
тем самым приток свежего воздуха, и дают нюхать нашатырный спирт,
обрызгивают лицо холодной водой, растирают и согревают тело.

При редком и судорожном, а также ухудшающемся дыхании пострадавшему
делают искусственное дыхание. При отсутствии признаков жизни
искусственное дыхание сочетают с наружным массажем сердца.

В заключение главы укажем, что измерения уровня тока, напряжения,
сопротивления, мощности и других параметров сети, осуществляемые с целью
обеспечения безопасности работающих на электроустановках, проводят с
использованием обычных амперметров, вольтметров, омметров, ваттметров и
других приборов. Конструкции, принципы работы, области применения и
методики измерений соответствующих электрических величин рассматриваются
в курсах физики и электротехники.

Контрольные вопросы

Какое действие оказывает электрический ток на организм человека?

Что такое электротравмы?

Каковы причины электротравматизма?

От каких факторов зависит исход поражения электрическим током?

Охарактеризуйте допустимые уровни напряжения и тока.

Перечислите основные случаи включения человека в электросеть.

Что такое шаговое напряжение?

Перечислите основные способы и средства электрозащиты и охарактеризуйте
их.

Какова классификация производственных помещений по степени опасности
поражения электрическим током?

Что такое защитное заземление и как с его помощью осуществляется защита
человека от поражения электрическим током?

Что такое зануление и каков принцип обеспечения электробезопасности с
его помощью?

Что такое защитное отключение и каковы принципы его работы?

Назовите индивидуальные средства защиты от поражения электрическим
током.

Что такое молниеотвод?

Какие типы молниеотводов существуют?

Что такое зона защиты молниеотвода?

Глава 21. Безопасность работы оборудования под давлением выше
атмосферного

При осуществлении различных технологических процессов, проведении
ремонтных работ, в быту и т.д. широко распространены различные системы
повышенного давления, к которым относится следующее оборудование:
трубопроводы, баллоны и емкости для хранения или перевозки сжатых,
сжиженных и растворенных газов, паровые и водяные котлы, газгольдеры и
др. Основной характеристикой этого оборудования является то, что
давление газа или жидкости в нем превышает атмосферное. Это оборудование
принято называть сосудами, работающими под давлением.

Основное требование к этим сосудам – соблюдение их герметичности на
протяжении всего периода эксплуатации. Герметичность – это
непроницаемость жидкостями и газами стенок и соединений, ограничивающих
внутренние объемы сосудов, работающих под давлением. Кроме этих сосудов
требования по герметичности обязательны и для вакуумных установок и
оборудования1.

1 Вакуумным называют оборудование, в котором различные технологические
процессы протекают в среде разреженных газов. С физической точки зрения
к разреженным относятся газы, находящиеся при столь малых давлениях, что
средняя длина свободного пробега их молекул соизмерима с линейными
размерами того оборудования, в котором эти газы находятся.

Любые сосуды, работающие под давлением, всегда представляют собой
потенциальную опасность, которая при определенных условиях может
трансформироваться в явную форму и повлечь тяжелые последствия.
Разгерметизация (потеря герметичности) сосудов, работающих под
давлением, достаточно часто сопровождается возникновением двух групп
опасностей.

Первая из них связана с взрывом сосуда или установки, работающей под
давлением. Взрывом называют быстропротекающий процесс физических и
химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением большого
количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в
окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна1,
способная создать угрозу жизни и здоровью людей. При взрыве может
произойти разрушение здания, в котором расположены сосуды, работающие
под давлением, или его частей, а также травмирование персонала
разлетающимися осколками оборудования.

1 Ударной волной называется распространение в газообразной, жидкой или
твердой среде поверхности, на которой происходит скачкообразное
повышение давления, сопровождающееся изменением плотности, температуры и
скорости движения среды. Эта поверхность называется поверхностью взрыва
или скачком уплотнения.

Вторая группа опасностей зависит от свойств веществ, находящихся в
оборудовании, работающем под давлением. Так, обслуживающий персонал
может получить термические ожоги, если в разгерметизировавшейся
установке находились вещества с высокой или низкой температурой. Если в
сосуде находились агрессивные вещества, то работающие могут получить
химические ожоги; кроме того, при этом возникает опасность отравления
персонала. Радиационная опасность возникает при разгерметизации
установок, содержащих различные радиоактивные вещества. Таким образом,
для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего сосуды под
давлением, весьма важно, чтобы эксплуатируемое оборудование сохраняло
герметичность.

Рассмотрим основные виды сосудов и аппаратов, работающих под давлением.

Трубопроводы – это устройства для транспортировки жидкостей и газов. По
существующему ГОСТу 14202-69 все жидкости и газы; транспортируемые по
ним, разбиты на десять групп. Для определения вида вещества,
транспортируемого по трубопроводам, их окрашивают в соответствующие
цвета (опознавательная окраска):

Вода – зеленый

Пар – красный

Воздух – синий

Газы горючие и негорючие – желтый

Кислоты – оранжевый

Щелочи – фиолетовый

Жидкости горючие и негорючие – коричневый

Прочие вещества – серый

Кроме опознавательной окраски на трубопроводы наносят краской
предупредительные (сигнальные) цветные кольца:

Цвет наносимого Транспортируемые вещества на трубопровод кольца

Красный – Взрывоопасные, огнеопасные, легковоспламеняющиеся

Зеленый – Безопасные или нейтральные

Желтый – Токсичные или иной вид опасности, например глубокий вакуум,
высокое

давление, наличие радиации

Количество сигнальных колец определяет степень опасности. Баллоны – это
сосуды для транспортировки и хранения сжатых и растворенных газов.
Различают (согласно ГОСТу 949-73) баллоны малой (0,4–12 л), средней
(20–50 л) и большой (80– 500 л) вместимости. В зависимости от
содержащихся газов баллоны окрашивают в соответствующие сигнальные
цвета, а также на их поверхность наносят надпись, указывающую вид газа,
а в ряде случаев – отличительные полосы (табл. 21.1).

В верхней части каждого стального баллона выбиты следующие данные:
товарный знак предприятия-изготовителя; дата (месяц и год) изготовления
(последнего испытания) и год следующего испытания; вид термообработки
материала баллона; рабочее и пробное гидравлическое давление, МПа;
емкость баллона, л; масса баллона, кг; клеймо ОТК; обозначение
действующего стандарта.

Криогенные сосуды предназначены для хранения и транспортировки различных
сжиженных газов: воздуха, кислорода, аргона и др. В соответствии с
ГОСТом 16024-79 Е их выпускают шести типоразмеров; 6; 3; 10; 16; 25 и 40
л. Эти сосуды маркируются следующим образом: например СК-40 – сосуд
криогенный емкостью 40 л. Снаружи их окрашивают серебристой или белой
эмалью и посередине наносят отличительную полосу с названием сжиженного
газа, находящегося в сосуде. Кроме рассмотренных сосудов для хранения
больших количеств сжиженных газов используют стационарные резервуары
(объемом до 500 тыс. л и более), а для их перевозки – транспортные
сосуды (цистерны), имеющие объем до 35 тыс. л.

Газгольдеры предназначены для хранения и выдачи больших количеств сжатых
газов, отделения от них механических примесей и других целей. Различают
газгольдеры высокого и низкого давления. В первых из них сжатый газ
находится по одним из следующих давлений: менее 25; 32 и 40 МПа.
Газгольдеры низкого давления рассчитаны на большой объем хранимых газов:
105-3?107 л.

Кроме рассмотренных герметичных устройств и установок применяют также
автоклавы1, компрессоры2, котлы.

1 Автоклавы – герметичные установки, предназначенные для проведения
различных тепловых и химических процессов под повышенным давлением.

2 Компрессоры – устройства для получения сжатого воздуха давлением свыше
3?105 Па.

В нашей стране обеспечение безопасности работы герметичных устройств
регламентируется нормативным документом:

«Правила устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных
установок, воздухопроводов и газопроводов» и др.

Рассмотрим теперь основные причины, приводящие к разгерметизации
сосудов, работающих под давлением. Их принято делить на эксплуатационные
и технологические.

Первой эксплуатационной причиной разгерметизации является образование
взрывоопасных смесей, состоящих из горючих газов, паров или жидкостей и
окислителя. Примером таких смесей могут служить ацетилен и кислород,
водород и кислород, пары этилового спирта и кислород и др.

Взрывоопасные смеси «горючее–окислитель» могут возгораться и взрываться,
если имеется инициатор (источник) зажигания, в качестве которого может
выступить электрическая искра (например, возникающая в результате
накопления статического электричества), искры от газо- и электросварки,
искры, возникающие от удара стальных предметов, нагретые тела и др.
Существует также ряд самовоспламеняющихся систем, для которых не
требуется инициатор зажигания. Примером таких систем могут служить
натрий или калий, которые при нормальной температуре взрываются при
соприкоановении с хлороформом.

Для предотвращения взрывов следует исключать возможность образования
систем «горючее–окислитель», предотвращать инициирование горения, а
также обеспечивать локализацию очага горения.

Исключить образование взрывоопасных смесей в системе
«горючее–окислитель» можно следующими путями. Во-первых, максимально
ограничивать концентрацию горючего вещества в смеси с окислителем, чтобы
в этой системе не образовывалась взрывоопасная смесь. Во-вторых,
рекомендуется добавлять к взрывоопасным смесям «горючее-окислитель»
инертные компоненты, называемые флегматизаторами. Примером таких веществ
могут служить азот и углекислый газ. Эти вещества не участвуют в реакции
горения и способны ее тормозить.

Для того чтобы предотвратить инициирование процесса горения, необходимо
нейтрализовать источники зажигания. Это достигается заземлением
оборудования для исключения возможности накапливания статического
электричества, применением безискрового (не дающего искр в процессе
эксплуатации) инструмента и другими мероприятиями.

Локализацию очага горения применяют, если существует вероятность
образования взрывоопасной смеси и имеется инициатор зажигания. В этом
случае используют огневзрывопреградители, которые ограничивают очаг
горения в пределах определенного аппарата или газопровода, способного
выдержать последствия горения. Передача горящей смеси в другие аппараты,
таким образом, исключается.

Вторая эксплуатационная причина разгерметизации установок и аппаратов,
работающих под давлением, – это так называемые побочные процессы,
протекающие в них и приводящие к постепенному изменению и разрушению
конструкционных материалов, из которых эти установки изготовлены.
Примерами таких процессов могут служить коррозия стенок аппаратов,
образование накипи на стенках котлов, уменьшение прочностных свойств
материалов установок и др. Для того чтобы исключить влияние побочных
процессов, необходимо своевременно и качественно проводить
профилактические и ремонтные работы сосудов, работающих по давлением, а
также правильно их эксплуатировать.

Технологические причины разгерметизации – это различные дефекты
(трещины, вмятины, дефекты сварки и др.), возникшие при изготовлении,
хранении и транспортировке сосудов, работающих под давлением.

Для своевременного обнаружения этих дефектов применяют различные методы
контроля: внешний осмотр сосудов и аппаратов, работающих под давлением,
неразрушающие методы контроля (люминесцентные, ультразвуковые и
рентгеновские методы), гидравлические испытания сосудов, механические
испытания материалов, из которых изготовлены сосуды, и др.

Меры безопасности при эксплуатации газовых баллонов:

газовые баллоны необходимо хранить в вертикальном положении в
проветриваемом помещении или под навесами. Их следует защищать от
действия прямых солнечных лучей и осадков. Баллоны не должны храниться
на расстоянии менее 1 м от радиаторов отопления и ближе 5 м от открытого
огня;

нельзя переносить баллоны на плечах или руками в обхват;

эксплуатировать можно только исправные баллоны. Их надо устанавливать
вертикально на месте проведения работ и надежно закреплять для
предохранения от падения. Установленный баллон должен быть надежно
защищен от воздействия открытого огня, теплового излучения и прямых
солнечных лучей.

Контрольные вопросы

Дайте определение понятия «сосуд, работающий под давлением».

Какие виды сосудов, работающих под давлением, вы знаете?

Что такое сигнальная окраска трубопроводов?

Перечислите цвета окраски баллонов.

Каковы основные условия безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением?

Как необходимо хранить и транспортировать сосуды, работающие под
давлением?

Глава 22. Пожарная и взрывная безопасность

22.1. Основные понятия

Пожаром называют неконтролируемое горение, развивающееся во времени и
пространстве, опасное для людей и наносящее материальный ущерб. Пожарная
и взрывная безопасность – это система организационных и технических
средств, направленная на профилактику и ликвидацию пожаров и взрывов.

Пожары на промышленных предприятиях, на транспорте, в быту представляют
большую опасность для людей и причиняют огромный материальный ущерб.
Поэтому вопросы обеспечения пожарной и взрывной безопасности имеют
государственное значение.

Рассмотрим физико-химические основы процесса горения. Горение – это
сложное, быстропротекающее физико-химическое превращение веществ,
сопровождающееся выделением тепла и света. Примером таких
экзотермических реакций1 горения может служить взаимодействие углерода,
водорода и метана с кислородом:

1 Экзотермическими называют химические реакции, протекающие с выделением
тепла.

С+О2 = СО2 + 383,5 кДж/моль; (22.1)

2Н2 +О2 = 2Н2О +517,7 кДж/моль; (22.2)

СН4 + 2С2 = СО2 + 2Н2О + 882,0 кДж/моль. (22.3)

Таким образом, для протекания процесса горения требуется наличие трех
факторов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания
(импульса). Чаще всего окислителем является кислород воздуха, но его
роль могут выполнять и некоторые другие вещества: хлор, фтор, бром, йод,
оксиды азота и др. Некоторые вещества (например, сжатый ацетилен,
хлористый азот, озон) могут взрываться с образованием тепла и пламени.
Горение большинства веществ прекращается, когда концентрация кислорода
понижается с 21 до 14–18%. Некоторые вещества, например, водород,
этилен, ацетилен, могут гореть при содержании кислорода воздуха до 10% и
менее.

Источниками зажигания могут служить случайные искры различного
происхождения (электрические, возникшие в результате накопления
статического электричества, искры от газо- и электросварки и т.д.),
нагретые тела, перегрев электрических контактов и др.

Различают полное и неполное горение. Процессы полного горения протекают
при избытке кислорода, а продуктами реакции являются вода, диоксиды серы
и углерода, т. е. вещества, не способные к дальнейшему окислению.
Неполное горение происходит при недостатке кислорода, продуктами реакции
в этом случае являются токсичные и горючие (т. е. способные к
дальнейшему окислению) вещества, например, оксид углерода, спирты,
альдегиды, кетоны и др.

В зависимости от свойств горючей смеси горение бывает гомогенным и
гетерогенным. При гомогенном горении горючее вещество и окислитель имеют
одинаковое агрегатное состояние (например, смесь горючего газа и
воздуха), а при гетерогенном – вещества при горении имеют границу
раздела (например, горение твердых или жидких веществ в контакте с
воздухом).

По скорости распространения пламени различают следующие виды горения:
дефлаграционное (скорость распространения пламени – десятки метров в
секунду), взрывное (сотни метров в секунду) и детонационное (тысячи
метров в секунду). Для пожаров характерно дефлаграционное горение.

Принято различать бедные и богатые горючие смеси в зависимости от
соотношения горючего и окислителя. Бедные смеси содержат в избытке
окислитель, а богатые – горючее.

Процессы возникновения горения следующие:

вспышка – быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся
образованием сжатых газов;

возгорание – возникновение горения под действием источника зажигания;

воспламенение – возгорание, сопровождающееся появлением пламени;

самовозгорание – явление резкого увеличения скорости экзотермических
реакций, приводящее к возникновению горения вещества при отсутствии
источника зажигания;

самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Взрыв – чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение,
сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов,
способных производить механическую работу.

При пожаре на людей воздействуют следующие опасные факторы: повышенная
температура воздуха или отдельных предметов, открытый огонь и искры,
токсичные продукты сгорания (например, угарный газ), дым, пониженное
содержание кислорода в воздухе, взрывы и др.

Оценим пожарную опасность (пожароопасность) различных веществ и
материалов, учитывая их агрегатное состояние (твердое, жидкое или
газообразное). Основные показатели пожарной опасности – температура
самовоспламенения и концентрационные пределы воспламенения.

Температура самовоспламенения – минимальная температура вещества или
материала, при которой происходит резкое увеличение скорости
экзотермических реакций, заканчивающееся пламенным горением. Отличие
этого процесса от процесса возгорания заключается в том, что при
последнем процессе загорается только поверхность вещества или материала,
а при самовоспламенении горение происходит во всем объеме. Процесс
самовоспламенения происходит только в том случае, если количество
теплоты, выделяемое в процессе окисления, превысит ее отдачу в
окружающую среду.

Смеси горючих газов, паров и пыли с окислителем способны гореть только
при определенном соотношении в них горючего вещества. Минимальную
концентрацию горючего вещества, при котором оно способно загораться и
распространять пламя, называют нижним концентрационным пределом
воспламенения. Наибольшую концентрацию, при которой еще возможно
горение,. называют верхним концентрационным пределом воспламенения.,
Область концентрации между этими пределами представляет собой область
воспламенения.

Значения нижнего и верхнего пределов воспламенения не являются
постоянными, а зависят от мощности источника воспламенения, содержания в
горючей смеси инертных компонентов, температуры и давления горючей
смеси.

Кроме концентрационных различают и температурные пределы (нижний и
верхний) воспламенения, под которыми понимают такие температуры вещества
или материала, при которых его насыщенные горючие пары образуют в
окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему и
верхнему концентрационным пределам распространения пламени.

Температура воспламенения – это минимальная температура вещества или
материала, при которой они выделяют горючие пары и газы с такой
скоростью, что при наличии источника зажигания возникает устойчивое
горение. После удаления этого источника вещество продолжает гореть.
Таким образом, температура воспламенения характеризует способность
вещества к самостоятельному устойчивому горению.

Температура вспышки (tвсп) – это минимальная температура горючего
вещества, при которой над его поверхностью образуются пары или газы,
способные вспыхнуть от источника. Скорость образования горючих газов при
вспышке еще недостаточна для возникновения пламени.

Температура вспышки используется для характеристики всех горючих
жидкостей по пожарной опасности. По этому показателю все горючие
жидкости делятся на два класса: легковоспламеняющиеся (ЛВЖ), к которым
относятся жидкости с температурой вспышки до 61°С (бензин, ацетон,
этиловый спирт и др.) и горючие (ПК) с температурой вспышки выше 61°С
(масло, мазут, формалин и др.).

Температура воспламенения, температура вспышки, а также температурные
пределы воспламенения относятся к показателям пожарной опасности. В
табл. 22.1 представлены эти показатели для некоторых технических
продуктов.

Пыли многих твердых горючих веществ, взвешенные в воздухе, образуют с
ним воспламеняющиеся смеси. Минимальную концентрацию пыли в воздухе, при
которой происходит ее загорание, называют нижним концентрационным
пределом воспламенения пыли. Понятие верхнего концентрационного предела
воспламенения для пыли не применяется, так как невозможно создавать
очень большие концентрации пыли во взвешенном состоянии. Сведения о
нижнем концентрационном пределе воспламенения (НКПВ) некоторых пылей
представлены в табл. 22.2.

Кроме рассмотренных характеристик пожароопасности веществ и материалов,
используется понятие горючести вещества или материала, т. е. их
способности к горению. По этому признаку все вещества делятся на горючие
(сгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и негорючие (несгораемые).

Горючими называют такие вещества и материалы, которые продолжают гореть
и после удаления источника зажигания. Трудносгораемые вещества способны
возгораться на воздухе от источника зажигания, но после его удаления
самостоятельно гореть не могут. Негорючие вещества и материалы не
способны гореть на воздухе. Для количественной характеристики горючести
веществ и материалов используют показатель возгораемости В:

(22.4)

– количество теплоты, полученный от источника поджигания;

Q0 – количество теплоты, выделяемой образцом при горении в процессе
испытания.

Если величина В более 0,5, то материалы относят к сгораемым, для
трудносгораемых В = 0,1–0,5, а для несгораемых – В менее 0,1.

Основными причинами пожаров на производстве являются нарушение
технологического режима работы оборудования, неисправность
электрооборудования, плохая подготовка оборудования к ремонту,
самовозгорание различных материалов и др. В соответствии с нормативными
документами (ГОСТ 12.1.044-84 «Пожарная безопасность» и ГОСТ 12.1.010-76
«Взрывобезопасность. Общие требования») вероятность возникновения пожара
или взрыва в течение года не должна превышать 10-6 (одной миллионной).
Для предотвращения пожаров и взрывов необходимо исключить возможность
образования горючей и взрывоопасной среды и предотвратить появление в
этой среде источников зажигания.

При проектировании промышленных предприятий следует учитывать требования
пожарной безопасности. Необходимо, чтобы используемые строительные
конструкции обладали требуемой огнестойкостью, т. е. способностью
сохранять под действием высоких температур пожара свои рабочие функции,
связанные с огнепреграждающей, теплоизолирующей или несущей
способностью.

Огнепреграждающая способность строительных конструкций характеризует их
стойкость к образованию трещин или сквозных отверстий, через которые
проникают продукты горения или пламя.

Теплоизолирующая способность конструкции зависит от их способности к
прогреву. Многие строительные материалы плохо проводят тепло (обладают
низкой теплопроводностью). Это объясняется тем, что они имеют пористую
структуру, причем в их ячейках заключен воздух, теплопроводность
которого мала. Огнестойкость по теплоизолирующей способности
характеризуется повышением температуры в любой точке на необогреваемой
поверхности конструкции более чем на 190°С по сравнению с ее
первоначальной температурой (до нагрева).

Потеря несущей способности строительной конструкции характеризуется ее
обрушением или прогибом.

Количественно огнестойкость строительных конструкций характеризуют
пределом огнестойкости, т. е. временем (в часах или минутах), по
истечении которого строительная конструкция теряет несущую или
ограждающую способность1.

1 Потеря ограждающей способности – это образование в несущих
конструкциях трещин, через которые в соседние помещения могут проникать
продукты горения и пламя, или прогрев строительных конструкций до таких
температур, при которых возможно самовоспламенение веществ в смежных
помещениях.

Для повышения огнестойкости зданий и сооружений их металлические
конструкции оштукатуривают или облицовывают материалами с низкой
теплопроводностью, например, гипсовыми плитами. Хороший эффект дает
окрашивание металлических и деревянных конструкций специальными
огнезащитными красками (например, типа ВПМ). Для защиты деревянных
конструкций от огня их также оштукатуривают или пропитывают
антипиренами2 (например, фосфорнокислым или сернокислым аммонием и др.).

2 Антипирены – это химические вещества, придающие древесине негорючесть.

Существенное значение имеет зонирование территорий, которое заключается
в группировании на территории предприятий, цехов и участков с повышенной
пожарной опасностью в определенных местах (с подветренной стороны).
Кроме того, необходимо учитывать рельеф местности. Например, склады и
резервуары с горючим надо располагать в низких местах, чтобы при
возникновении пожара разлившаяся горючая жидкость не могла стекать к
низлежащим зданиям и сооружениям.

Для того чтобы огонь при пожаре не распространялся с одного здания на
другое, их располагают на определенном расстоянии друг от друга. Это
расстояние называют противопожарным разрывом. Для различных категорий
зданий противопожарные разрывы составляют 9–18 м.

Для защиты от пожара в зданиях устраивают противопожарные преграды, т.
е. конструкции с нормируемым пределом огнестойкости, препятствующие
распространению огня из одной части здания в другую. К этим преградам,
имеющим предел огнестойкости не менее 2,5 ч, относятся стены,
перегородки, перекрытия, двери, ворота, окна и др.

При проектировании и строительстве необходимо предусмотреть пути
эвакуации работающих, т. е. пути, ведущие к эвакуационному выходу на
случай возникновения пожара. Здания и сооружения должны быть снабжены
устройствами, предназначенными для удаления дыма при пожаре:
аэрационными фонарями, специальными дымовыми люками и др.

22.2. Основные способы тушения пожаров

Рассмотрим основные способы тушения пожаров и применяемые при этом
огнегасительные вещества.

Для тушения пожара используют следующие средства: разбавление воздуха
негорючими газами до таких концентраций кислорода, при которых горение
прекращается; охлаждение очага горения ниже определенной температуры
(температуры горения); механический срыв пламени струей жидкости или
газа; снижение скорости химической реакции, протекающей в пламени;
создание условий огнепреграждения, при которых пламя распространяется
через узкие каналы.

Огнегасительньши называют вещества, которые при введении в зону сгорания
прекращают горение. Основные огнегасящие вещества и материалы – это вода
и водяной пар, химическая и воздушно-механическая пены, водные растворы
солей, негорючие газы, галоидоуглеводородные огнегасительные составы и
сухие огнетушащие порошки.

Наиболее распространенным веществом, применяемым для тушения пожара,
является вода. Она снижает температуру очага горения. При нагреве до
100°С 1 литра воды поглощается приблизительно 4•105Дж теплоты, а при
испарении – 22•105Дж. Водяной пар (из 1 литра воды образуется около 1700
л пара) препятствует доступу кислорода к горящему веществу. Вода,
подаваемая к очагу горения под большим давлением, механически сбивает
пламя, что облегчает тушение пожара. Воду не применяют для тушения
щелочных металлов (натрия, калия), карбида кальция, а также
легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, плотность которых меньше
плотности воды (бензин, керосин, ацетон, спирты, масла и др.), так как
они всплывают на поверхность воды и продолжают гореть на поверхности.
Вода хорошо проводит электрический ток, поэтому ее не используют для
тушения электроустановок, находящихся под напряжением (это приводит к
короткому замыканию).

Водяной пар можно применять для тушения ряда твердых, жидких и
газообразных веществ. Наибольший эффект от применения водяного пара
достигается в помещениях, объем которых не превышает 500 м3, а также при
пожарах, возникших на небольших открытых площадках.

Химические и воздушно-механические пены1 применяют для тушения твердых и
жидких веществ, не взаимодействующих с водой. Одной из основных
характеристик этих пен является их кратность, т. е. отношение объема
пены к объему ее жидкой фазы.

1 Пеной называют неоднородную систему, состоящую из жидкости и
распределенных в ней пузырьков воздуха или газа.

Воздушно-механическую пену получают в специальных пенообразующих
аппаратах с использованием пенообразователей (ПО-1С, ПО-6К, ПО-ЗА,
«САМПО» и др.). Различают воздушно-механическую пену низкой (до 20),
средней (20–200) и высокой (свыше 200) кратности. Воздушная пена,
полученная пенообразователем ПО-1C и некоторыми другими, пригодна для
тушения некоторых ЛВЖ и ГЖ (спиртов, ацетона, эфиров и др.).

Химическая пена образуется при взаимодействии растворов кислот и щелочей
в присутствии пенообразователя. Она состоит из водного раствора
минеральных солей, пенообразователя и пузырьков углекислого газа. Ее
стоимость выше, чем воздушно-механической пены, поэтому использование
химической пены при пожаротушении имеет тенденцию к сокращению. При
тушении пожаров пеной покрывают горящие вещества, препятствуя тем самым
поступлению горючих газов и паров к очагу горения.

Применение инертных и негорючих газов (аргон, азот, галоидированные
углеводороды и др.) основано на разбавлении воздуха и снижении в нем
концентрации кислорода до значений, при которых горение прекращается.
Так, углекислый газ (диоксид углерода) используется для тушения горящих
складов ЛВЖ, аккумуляторных станций, электрооборудования, печей и др.
Его нельзя применять для тушения щелочных и щелочноземельных металлов,
тлеющих материалов и некоторых других. Для тушения этих материалов лучше
применять аргон, а в некоторых случаях и азот. Высокими огнегасительными
свойствами обладают и галоидированные углеводороды (хладоны, бромистый
этил и др.).

К числу жидких огнегасительных веществ относятся водные растворы
некоторых солей, например, бикарбоната натрия, хлористого кальция,
хлористого аммония, аммиачно-фосфорных солей и др. Их действие при
тушении пожара основано на образовании на поверхности горящего материала
изолирующих пленок, возникающих при испарении из растворов солей воды.
Эти пленки препятствуют проникновению кислорода к поверхности горящего
материала. Кроме того, на испарение воды затрачивается значительное
количество теплоты, что приводит к понижению температуры очага горения.
При разложении некоторых солей в результате горения в воздухе выделяются
негорючие газы, снижающие концентрацию кислорода.

Порошковые огнегасительные составы препятствуют поступлению кислорода к
поверхности горящего материала. Их используют для тушения небольших
количеств различных горючих веществ и материалов, при тушении которых
нельзя применять другие огнесительные средства. Примером этих материалов
могут служить хлориды калия и натрия, порошки на основе карбонатов и
бикарбонатов натрия и калия.

Средства пожаротушения подразделяют на первичные, стационарные и
передвижные (пожарные автомобили).

Первичные средства используют для ликвидации небольших пожаров и
загорания. Их обычно применяют до прибытия пожарной команды. К первичным
средствам относятся передвижные и ручные огнетушители, переносные
огнегасительные установки, внутренние пожарные краны, ящики с песком,
асбестовые покрывала, противопожарные щиты с набором инвентаря и др.

Различают ручные огнетушители (до 10 л) и передвижные (свыше 25 л). В
зависимости от вида огнегасительного средства, находящегося в
огнетушителях, они делятся на жидкостные, углекислотные, химические
пенные, воздушно-пенные, хладоновые, порошковые и комбинированные.
Жидкостные огнетушители заполнены водой с добавками, углекислотные –
сжиженным диоксидом углерода, химические пенные – растворами кислот и
щелочей, хладоновые – хладонами (например, марок 114В2,13В1); порошковые
огнетушители заполнены порошковыми составами. Огнетушители маркируются
буквами, характеризующими вид огнетушителя по разряду, и цифрой,
обозначающей его объем в литрах.

Различают следующие виды углекислотных огнетушителей: ручные – ОУ-2А,
ОУ-5, ОУ-8 и передвижные – ОУ-25, ОУ-80, ОУ-400. Эти огнетушители
используют для тушения загораний некоторых материалов и электрических
установок, работающих под напряжением до 1000 В.

Из химических пенных огнетушителей наиболее распространены на практике
ОХП. Их применяют для ликвидации загораний твердых материалов и горючих
жидкостей (при малых площадях горения).

Воздушно-пенные огнетушители маркируются как ОВП (например, ручные ОВП-5
и ОВП-10). Их используют для тушения загораний ЛВЖ, ГЖ, большинства
твердых материалов (кроме металлов). Их нельзя использовать для тушения
электроустановок, находящихся под напряжением.

Хладоновые огнетушители маркируются как ОХ (например, OX-3, OX-7) или
ОАХ-0,5 (в аэрозольной установке).

Порошковые огнетушители маркируются как ОПС (например, ОПС-10). Их
используют для тушения металлов, ЛВЖ, ГЖ, кремнийорганических
материалов, установок, работающих под напряжением до 1000 В.

Комбинированные огнетушители (например, типа ОК-10) используют для
тушения горящих ЛВЖ и ГЖ. Их заряжают порошковыми составами ПСБ-3 и
воздушно-механической пеной.

Стационарные установки предназначены для тушения пожаров в начальной
стадии их возникновения. Они запускаются автоматически или с помощью
дистанционного управления. Эти установки заправляются следующими
огнетушащими средствами: водой, пеной, негорючими газами, порошковыми
составами или паром.

К автоматическим установкам водяного пожаротушения относятся
спринклерные и дренчерные установки. Отверстия, через которые вода
поступает в помещение при пожаре, запаяны легкоплавкими сплавами. Эти
сплавы плавятся при определенной температуре и открывают доступ
распыляемой воде. Сведения о температуре вскрытия спринклерных головок
представлены в табл. 22.3.

Каждая головка орошает помещение и находящееся в нем оборудование
площадью до 9 м2.

В тех случаях, когда целесообразно подавать воду на всю площадь
помещения, в котором возник пожар, применяют дренчеры, которые также
представляют собой систему труб, заполненную водой, оборудованную
распылительными головками-дренчерами. В них в отличие от спринклерных
головок выходные отверстия для воды (диаметром 8, 10 и 12,7 мм)
постоянно открыты. Спринклерные головки приводят в действие открыванием
клапана группового действия, который в обычное время закрыт. Он
открывается автоматически или вручную (при этом дается сигнал тревоги).
Каждая спринклерная головка орошает 9–12 м2 площади пола. Рис. 22.1
объясняет, как работает схема автоматического пожаротушения.

Система работает следующим образом. Пожарный датчик (извещатель)
реагирует на появление дыма (дымовой извещатель), на повышение
температуры воздуха в помещении (тепловой извещатель), на излучение
открытого пламени (световой извещатель) и т.д. и подает сигнал включения
системы подачи огнетушащих веществ, которые подаются к очагу загорания.

Пожарные датчики (извещатели) могут быть как ручные (пожарные кнопки,
устанавливаемые в коридорах помещений и на лестничных площадках), так и
автоматические. Последние, как уже сказано выше, подразделяются на
тепловые, дымовые и световые.

Типы используемых на практике тепловых извещателей представлены в табл.
22.4.

В дымовых извещателях используют два основных способа обнаружения дыма –
фотоэлектрический и радиоизотопный. Так, дымовые фотоэлектрические
(ИДФ-1М) и полупроводниковые (ДИП-1) действуют на принципе рассеивания
частицами дыма теплового излучения. Радиоизотопные извещатели дыма
(РИД-1) основаны на эффекте ослабления ионизации межэлектродного
промежутка заряженными частицами, входящими в состав дыма. Один дымовой
извещатель устанавливается на 65м2 защищаемой площади. Имеются
комбинированные извещатели (КИ), реагирующие на теплоту и дым.

Сигнал от пожарных извещателей передается на пожарные станции, наиболее
распространенные из них – ТЛО-10/100 (тревожная лучевая оптическая) и
«Комар – сигнал 12 AM» (концентратор малой вместимости). В качестве
передвижных средств пожаротушения используются пожарные автомобили
(автоцистерны и специальные).

Контрольные вопросы

Что представляет собой процесс горения?

Каковы разновидности горения и их характеристики?

Каковы основные показатели пожароопасности веществ и материалов?

Каковы характеристики материалов по горючести?

Что представляет собой классификация производств по пожарной опасности?

Что такое огнестойкость строительной конструкции?

Какие существуют огнегасительные вещества?

Что представляют собой автоматические системы тушения пожара?

Назовите типы химических огнетушителей.

Назовите типы пожарных извещателей и принципы их работы.

Глава 23. Основные требования безопасности к промышленному оборудованию

При проектировании и изготовлении машин и оборудования необходимо
учитывать основные требования безопасности для обслуживающего их
персонала, а также надежность и безопасность эксплуатации этих
устройств.

При проведении различных технологических процессов на производстве
возникают опасные зоны, в которых на работающих воздействуют опасные и
(или) вредные производственные факторы. Примером таких факторов могут
служить опасность механического травмирования (получение травм в
результате воздействия движущихся частей машин и оборудования,
передвигающихся изделий, падающих с высоты предметов и др.), опасность
поражения электрическим током, воздействие различных видов излучения
(теплового, электромагнитного, ионизирующего), инфра- и ультразвука,
шума, вибрации и т.д.

Размеры опасной зоны в пространстве могут быть переменными, что связано
с движением частей оборудования или транспортных средств, а также с
перемещением персонала, либо постоянными.

Как уже сказано выше (гл. 13), для защиты от воздействия опасных и
вредных производственных факторов используют средства коллективной и
индивидуальной защиты. Здесь рассмотрим основные средства коллективной
защиты, которые делятся на оградительные, предохранительные,
блокирующие, сигнализирующие, системы дистанционного управления машинами
и оборудованием, а также специальные.

Оградительными средствами защиты, или ограждениями, называют устройства,
препятствующие появлению человека в опасной зоне. Ограждения могут быть
стационарными (несъемными), подвижными (съемными) и переносными.
Практически ограждения выполняются в виде различных сеток, решеток,
экранов, кожухов и др. Они должны иметь такие размеры и быть установлены
таким образом, чтобы в любом случае исключить доступ человека в опасную
зону.

При устройстве ограждений должны соблюдаться определенные требования:

ограждения должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать удары
частиц (стружки), возникающих при обработке деталей, а также случайное
воздействие обслуживающего персонала, и надежно закрепленными;

ограждения изготавливаются из металлов (как сплошных, так и
металлических сеток и решеток), пластмасс, дерева, прозрачных материалов
(органическое стекло, триплекс и др.);

все открытые вращающиеся и движущиеся части машин должны быть закрыты
ограждениями;

внутренняя поверхность ограждений должна быть окрашена в яркие цвета
(ярко-красный, оранжевый), чтобы было заметно, если ограждение снято;

запрещается работа со снятым или неисправным ограждением.

Предохранительные устройства – это такие устройства, которые
автоматически отключают машины или агрегаты при выходе какого-либо
параметра оборудования за пределы допустимых значений. Это звено
разрушается или не срабатывает при отклонении режима эксплуатации
оборудования от нормального. Общеизвестный пример такого звена – плавкие
электрические предохранители («пробки»), предназначенные для защиты
электрической сети от больших токов, вызываемых короткими замыканиями и
очень большими перегрузками. Такие токи могут повредить
электроаппаратуру и изоляцию проводов, а также привести к пожару.
Плавкий предохранитель действует следующим образом: ток проходит через
тонкую проволоку (плавкую вставку), сечение которой рассчитано на
определенный максимальный ток. При перегрузке проволока расплавляется,
отключая неисправный или перегруженный током участок сети.

Примерами устройств этого типа могут служить: предохранительные клапаны
и разрывные мембраны, устанавливаемые на сосуды, работающие под
давлением, для предотвращения аварии; различные тормозные устройства,
позволяющие быстро остановить движущиеся части оборудования; концевые
выключатели и ограничители подъема, предохраняющие движущиеся механизмы
от выхода за установленные пределы, и др.

Блокировочные устройства исключают возможность проникновения человека в
опасную зону или устраняют опасный фактор на время пребывания человека в
опасной зоне. По принципу действия различают механические,
электрические, фотоэлектрические, радиационные, гидравлические,
пневматические и комбинированные блокировочные устройства.

Широко известно применение фотоэлектрических блокировочных устройств в
конструкциях турникетов, установленных на входах станций метрополитена.
Проход через турникет контролируется световыми лучами. При
несанкционированной попытке прохода через турникет человека на станцию
(не предъявлена магнитная карточка) он пересекает световой поток,
падающий на фотоэлемент. Изменение светового потока дает сигнал на
измерительно-командное устройство, которое приводит в действие
механизмы, перекрывающие проход. При санкционированном проходе
блокировочное устройство отключается.

Различные сигнализирующие устройства предназначены для информации
персонала о работе машин и оборудования, для предупреждения об
отклонениях технологических параметров от нормы или о непосредственной
угрозе.

По способу представления информации различают сигнализацию звуковую,
визуальную (световую) и комбинированную (светозвуковую). В газовом
хозяйстве используют одорационную (по запаху) сигнализацию об утечке
газа, подмешивая к газу пахнущие вещества.

В шумных условиях рекомендуется использовать визуальную сигнализацию,
которая включает различные источники света, световые табло, цветовую
окраску и т.д. Для звуковой сигнализации используют сирены или звонки.

В зависимости от назначения все системы сигнализации принято делить на
оперативную, предупредительную и опознавательную. Оперативная
сигнализация представляет информацию о протекании различных
технологических процессов. Для этого используются различные
измерительные приборы – амперметры, вольтметры, манометры, термометры и
др. Предупредительная сигнализация включается в случае возникновения
опасности. В устройстве этой сигнализации используют все перечисленные
выше способы представления информации.

Опознавательная сигнализация служит для выделения наиболее опасных узлов
и механизмов промышленного оборудования, а также зон. В красный цвет
окрашивают сигнальные лампочки, предупреждающие об опасности, кнопку
«стоп»», противопожарный инвентарь, токоведущие шины и др. В желтый –
элементы строительных конструкций, которые могут являться причиной
получения травм персоналом, внутризаводской транспорт, ограждения,
устанавливаемые на границах опасных зон, и т.д. В зеленый цвет
окрашивают сигнальные лампы, двери эвакуационных и запасных выходов,
конвейеры, рольганги и другое оборудование. Применение опознавательной
окраски различных баллонов рассмотрено в гл. 21.

Кроме отличительной окраски, используют и различные знаки безопасности,
о некоторых из них упомянуто в гл. 21. Эти знаки наносят на цистерны,
контейнеры, электроустановки и другое оборудование.

Системы дистанционного управления основаны на использовании
телевизионных или телеметрических систем, а также визуального наблюдения
с удаленных на достаточное расстояние от опасных зон участков.
Управление работой оборудования из безопасного места позволяет убрать
персонал из труднодоступных зон и зон повышенной опасности. Чаще всего
системы дистанционного управления используют при работе с
радиоактивными, взрывоопасными, токсичными и легковоспламеняющимися
веществами и материалами.

В ряде случаев применяют специальные средства защиты, к которым
относятся двуручное включение машин1, различные системы вентиляции,
глушители шума, осветительные приборы, защитное заземление и ряд др.

1 Двуручное включение машин и оборудования осуществляется двумя
рукоятками посредством двух пусковых органов, что исключает случайный
запуск этих устройств.

В тех случаях, когда не предусмотрены коллективные средства защиты
работающих или они не дают требуемого эффекта, прибегают к
индивидуальным средствам защиты, которые рассмотрены в предыдущих
главах.

Контрольные вопросы

Что такое опасная зона?

Охарактеризуйте оградительные средства защиты.

Что такое предохранительные, блокирующие и сигнализирующие устройства?

Для чего используют системы дистанционного управления производственными
процессами?

Что такое двуручное включение машин и оборудования?

Глава 24. Обеспечение безопасности при работе с компьютером

В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех
областях деятельности человека. При работе с компьютером человек
подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных
факторов: электромагнитных полей (диапазон радиочастот: ВЧ, УВЧ и СВЧ),
инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического
электричества и др.

Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением
и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью
зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе
с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и
расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания
оптимальной рабочей позы1 человека-оператора.

1 Рабочая поза – положение тела человека в процессе труда. Наиболее
распространенными рабочими позами являются позы «стоя» и «сидя».

В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим
труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное
напряжение зрительного аппарата с проявлением жалоб на
неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение
сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области
шеи и руках.

Рассмотрим основные требования к помещениям, где установлены компьютеры.
В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и
пола помещения:

окна ориентированы на юг – стены зеленовато-голубого или светло-голубого
цвета; пол – зеленый;

окна ориентированы на север – стены светло-оранжевого или
оранжево-желтого цвета; пол – красновато-оранжевый;

окна ориентированы на восток – стены желто-зеленого цвета; пол зеленый
или красновато-оранжевый;

окна ориентированы на запад – стены желто-зеленого или
голубовато-зеленого цвета; пол – зеленый или красновато-оранжевый.

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие
величины коэффициента отражения, %:

Для потолка – 60 – 70

Для стен – 40 – 50

Для пола – 30

Для других поверхностей и рабочей мебели – 30 – 40

Освещение помещений вычислительных центров должно быть смешанным.

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший
размер объекта различения 0,3–0,5 мм) величина коэффициента
естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной
работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5–1,0
мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного
освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ,
которые попарно объединяются в светильники. Эти светильники должны
располагаться над рабочими поверхностями в равномерно-прямоугольном
порядке. Требования к освещенности в помещениях, где установлены
компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности
общая освещенность должна составлять 300 лк, а комбинированная – 750 лк;
аналогичные требования при выполнении работ средней точности – 200 и 300
лк соответственно.

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений,
что может привести к повышению температуры и снижению относительной
влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны
соблюдаться определенные параметры микроклимата (табл. 24.1).

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров,
не должен быть меньше 19,5 м3/человека с учетом максимального числа
одновременно работающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в
помещения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 24.2.

Для подачи в помещение воздуха используются системы механической
вентиляции и кондиционирования, а также естественная вентиляция.

Уровень шума на рабочем месте математиков-программистов и операторов
видеоматериалов не должен превышать 50 дБА, а в залах обработки
информации на вычислительных машинах – 65 дБА. Для снижения уровня шума
стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, должны быть
облицованы звукопоглощающими материалами (см. гл. 17). Уровень вибрации
в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки
оборудования на специальные фундаменты и виброизоляторы.

Установлено, что максимальная напряженность электрической составляющей
электромагнитного поля достигается на кожухе дисплея. Допустимые
значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от
монитора компьютера представлены в табл. 24.3.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора
компьютера обычно не превышает 10 мкбэр/ч, а интенсивность
ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в
пределах 10–100 мВт/м2.

Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное
воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для
здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих
данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на
работающих с компьютерами не существует и исследования в этом
направлении продолжаются.

Для снижения воздействия перечисленных видов излучения на операторов
компьютеров рекомендуется применять мониторы с пониженной излучательной
способностью, устанавливать защитные экраны, а также соблюдать
регламентированные режимы труда и отдыха.

Требования к организации рабочего места оператора:

высота стола с клавиатурой должна составлять 62–88 см над уровнем стола;
а высота экрана (над полом) – 90–128 см;

расстояние от экрана до края стола – 40–115 см;

наклон экрана – от –15 до +20° по отношению к нормальному его положению;

положение спинки кресла оператора должно обеспечивать наклон тела назад
от 97–121°.

Клавиатуру следует делать отдельной от экрана и подвижной. Усилие нажима
на клавиши должно лежать в пределах 0,25– 1,5 Н, а ход клавишей – 1–5
мм.

Существенное значение для производительной и качественной работы на
компьютере имеют размеры знаков, плотность их размещения, контраст и
соотношение яркостей символов и фона экрана. Если расстояние от глаз
оператора до экрана дисплея составляет 60–80 см, то высота знака должна
быть не менее 3 мм, оптимальное соотношение ширины и высоты знака
составляет 3 : 4, а расстояние между знаками – 15–20% их высоты.
Соотношение яркости фона экрана и символов – от 1 : 2– 1 : 5 до 1 : 10-1
: 15.

В табл. 24.4 представлены сведения о регламентированных перерывах,
которые необходимо делать при работе на компьютере, в зависимости от
продолжительности рабочей смены, видов и категорий трудовой деятельности
с ВДТ1 и ПЭВМ2 (в соответствии с СанПиН 2.2.2 542-96 «Гигиенические
требования к видеодисплейным терминалам, персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работ»).

1 ВДТ – видеодисплейный терминал.

2 ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина.

Примечание. Время перерывов дано при соблюдении указанных Санитарных
правил и норм. При несоответствии фактических условий труда требованиям
Санитарных правил и норм время регламентированных перерывов следует
увеличить на 30%.

В соответствии со СанПиН 2.2.2 546-96 все виды трудовой деятельности,
связанные с использованием компьютера, разделяются на три группы:

группа А – работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с
предварительным запросом;

группа Б – работа по вводу информации;

группа В – творческая работа в режиме диалога с ЭВМ. Эффективность
перерывов повышается при сочетании с производственной гимнастикой.

Контрольные вопросы

Перечислите основные опасные и вредные производственные факторы,
действующие на оператора компьютера.

Каковы требования к освещению в помещениях вычислительных центров?

Каковы параметры микроклимата в помещениях, где установлены компьютеры?

Как организуется рабочее место оператора компьютера?

Каковы требования к клавиатуре компьютера?

Каковы режимы труда и отдыха при работе с компьютером?

Раздел 5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Лучше быть в безопасности, чем сожалеть.

Американская пословица

Глава 25. Обеспечение безопасности жизнедеятельности в чрезвычайных
ситуациях

Глава 26. Правовые и организационные основы безопасности
жизнедеятельности

Глава 25. Обеспечение безопасности жизнедеятельности в чрезвычайных
ситуациях

25.1. Основные понятия

Существуют различные определения понятия «чрезвычайная ситуация».
Наиболее часто чрезвычайную ситуацию определяют как нарушение нормальной
жизни и деятельности людей на объекте или определенной территории
(акватории1), вызванное аварией, катастрофой, стихийным или
экологическим бедствием, эпидемией2, эпизоотией3, эпифитотией4, а также
военными действиями и приведшее или могущее привести к людским и
материальным потерям. Чрезвычайная ситуация может быть также определена
как внешне неожиданная, внезапно возникающая обстановка,
характеризующаяся неопределенностью, стрессовым5 состоянием населения,
значительным социально-экологическим и экономическим ущербом, прежде
всего человеческими жертвами, и вследствие этого необходимостью быстрого
реагирования (принятия решений), крупными людскими, материальными и
временными затратами на проведение эвакуационно-спасательных работ,
сокращение масштабов и ликвидацию многообразных негативных последствий
(разрушений, пожаров и т.д.). Американские исследователи определяют
чрезвычайную ситуацию как неожиданную, непредвиденную обстановку,
требующую немедленных действий.

1 Акватория – водное пространство, ограниченное естественными,
искусственными или условными границами.

2 Эпидемия – массовое прогрессирующее во времени и пространстве
инфекционное заболевание людей (в пределах одного региона), уровень
которого значительно превышает обычно регистрируемый на данной
территории уровень заболеваемости.

3 Эпизоотия – одновременное распространение инфекционного заболевания
среди большого числа одного из многих видов животных, уровень которого
значительно превышает обычный уровень заболевания, характерный для
данной местности.

4 Эпифитотия – широкое распространение инфекционной болезни растений, в
первую очередь сельскохозяйственных структур, на обширной территории в
течение определенного времени.

5 Стресс – состояние психической напряженности, вызванное трудностями,
опасностями, возникающее у человека при решении важной для него задачи.

Понятие чрезвычайной ситуации связано с такими понятиями, как
«опасность»1 и «риск»2.

1 Опасностью называют различные явления, процессы, объекты, способные в
определенных условиях наносить ущерб здоровью человека или иным его
ценностям, а также представляющие угрозу для жизни человека.

2 Риск – количественная оценка опасности.

Для того чтобы определить, относится ли данная ситуация к чрезвычайной,
разработан ряд критериев (табл. 25.1). В таблице представлены 18
параметров, дающих качественные описания рассматриваемых критериев.

Представленные в таблице критерии обладают свойством системности, т. е.
только наличие одновременно всей их совокупности позволяет
квалифицировать ситуацию как чрезвычайную. Отсутствие хотя бы одного
критерия уже не позволяет этого сделать.

Приведем примеры использования данных критериев. Предположим, что
произошла катастрофа на пассажирском транспорте (авиационном,
железнодорожном, автомобильном и др.), повлекшая за собой человеческие
жертвы. Однако эта катастрофа не может быть признана чрезвычайной
ситуацией, в частности, потому, что не отвечает ей с точки зрения
социально-психологического критерия. Стрессовое состояние испытывают,
как правило, оставшиеся в живых участники, их родственники и
родственники погибших. Остальное население продолжает достаточно
спокойно пользоваться транспортными средствами. Кроме того, такая
катастрофа зачастую не влечет за собой цепи тяжелых вторичных, третичных
и других последствий. Это означает, что она не отвечает и специфическому
(седьмому) критерию чрезвычайных ситуаций. Резюмируя вышеизложенное,
следует сказать, что рассмотренная катастрофа касается ограниченного
круга лиц, «рискнувших» использовать именно это транспортное средство, и
не может характеризоваться как чрезвычайная ситуация.

1 Мутагенез – возникновение мутации, т.е. резких наследственных
изменений организма. Происходит под действием мутагенов – факторов,
вызывающих мутацию (например, радиоактивных веществ).

2 Тератогенез – возникновение аномалий в развитии живых организмов в
результате воздействия особых веществ – тератогенов.

3 Фобия – боязнь, ненависть.

Рассмотрим теперь транспортную катастрофу, произошедшую с
железнодорожным составом, перевозившим опасные грузы (взрывчатые,
агрессивные или ядовитые химические вещества). Предположим, что в
результате катастрофы произошел взрыв. В этом случае под действие такого
поражающего фактора, как ударная волна, попал и достаточно широкий круг
лиц, «не связанных» с источником риска (железнодорожный транспорт), а
также и значительное число сооружений, прежде всего жилых домов. Таким
образом, возникшая в результате катастрофы ситуация соответствует всем
критериям, представленным в табл. 25.1, и может быть определена как
чрезвычайная.

Американские исследователи указывают, что промышленные аварии
превращаются в чрезвычайные ситуации в том случае, если вызванные ими
последующие негативные события угрожают существованию социальной
структуры общества. В связи с этим особый интерес представляет
рассмотрение «специфического», или мультипликативного, критерия. Этот
критерий выделяет одну из главных характерных черт чрезвычайных
ситуаций: многопорядковость и разнообразие последствий – социальных,
политических, экологических, экономических, психологических.

Возьмем в качестве примера аварию на Чернобыльской АЭС. В результате
аварии погибли десятки и были госпитализированы сотни людей. Пришлось
эвакуировать сотни тысяч граждан и затратить на ликвидацию последствий
аварии значительные средства (в первые четыре года поле аварии было
затрачено 10,5 млрд. руб.1). Некоторые из соответствующих
научно-технических программ, связанных с развитием ядерной энергетики,
были заторможены или вообще отменены (в отношении реакторов РБМК-1000).
Были разработаны новые подходы к размещению АЭС, а также к подготовке
кадров для их обслуживания. Перечисленные мероприятия потребовали от
государства значительно увеличить расход финансовых и материальных
ресурсов на эти цели.

1 В ценах тех лет.

Наличие всей совокупности параметров (всех 18), качественно описывающих
критерии, не является необходимым для определения ситуации как
экстремальной. В той или иной конкретной обстановке некоторые из них
могут отсутствовать. Например, в случае катастрофического загрязнения
окружающей среды токсичными веществами (пестицидами, тяжелыми металлами
и др.), параметр 7 (дестабилизация психофизиологической устойчивости в
посткризисный период) может отсутствовать.

Рассмотрим основные последствия чрезвычайных ситуаций. За последние 20
лет от них на Земле пострадало более 1 млрд человек, в том числе свыше 5
млн погибло или было ранено, а нанесенный материальный ущерб исчисляется
триллионами долларов. За указанный период по экологическим причинам
покинули родные места и стали беженцами миллионы людей. В настоящее
время в мире число таких беженцев превышает 10 млн человек, тогда как
число традиционных беженцев (жертв вооруженных конфликтов и региональных
войн) – более 13 млн человек.

Весьма тяжелы последствия стихийных бедствий, которыми называют опасные
природные явления или процессы, носящие чрезвычайный характер и
приводящие к нарушению повседневного уклада жизни значительных групп
населения, человеческим жертвам, а также уничтожению материальных
ценностей. К стихийным бедствиям относятся наводнения, землетрясения,
засухи, вулканическая деятельность, массовые лесные пожары, сильные
устойчивые морозы и др. Наибольший вред приносят наводнения (40% общего
урона), ураганы (20%), землетрясения и засухи (по 15%). Остальные 10%
общего урона приходятся на остальные виды стихийных бедствий.

В качестве примера рассмотрим последствия землетрясения, произошедшего в
Армении в конце 1988 г. В результате землетрясения пострадало 550 тыс.
человек, из них погибло 25 тыс. человек. Было потеряно 8 млн м2 жилья,
без крова осталось 514 тыс. человек. Нарушилась связь с 121 отделением
связи, было выведено из строя 50 автоматических телефонных станций (АТС)
и система оповещения. Перестали функционировать 170 промышленных
предприятий, вышло из строя 102 км канализационных сетей, было нарушено
водоснабжение в 11 населенных пунктах. Из 965 населенных пунктов на
территории республики пострадало 173, а 58 населенных пунктов было
разрушено полностью.

За последние 20 лет от стихийных бедствий в мире пострадало в общей
сложности более 800 млн человек (свыше 40 млн человек в год), погибло
порядка 140 тыс. человек, а ежегодный материальный ущерб от стихийных
бедствий за этот период составил не менее 100 млрд долл.

Большую опасность представляют техногенные (технологические)
катастрофы1, которые возникают вследствие нарушения технологического
процесса или внезапного выхода из строя машин, механизмов и технических
устройств во время их эксплуатации. К техногенным катастрофам относятся
различные аварии2 на промышленных и энергетических объектах, а также на
транспорте, растекание по поверхности почвы и воды токсичных жидкостей и
нефтепродуктов и др.

Среди наиболее опасных техногенных (технологических) катастроф следует
указать аварии на энергетических объектах, прежде всего на АЭС; далее
следуют химические предприятия, выпускающие пестициды3, гербициды4,
минеральные удобрения, пластмассы; транспортные аварии (при перевозке
опасных грузов); нефтяные разливы при прорыве трубопроводов и др. Особое
место в этом ряду занимает разрушение плотин. По своим последствиям они
могут быть более опасными, чем аварии на АЭС. Следует, однако,
подчеркнуть, что радиационные и химические поражающие факторы,
возникающие при авариях на АЭС и химических предприятиях, обладают
долгосрочным и, что особенно опасно, скрытым (латентным) воздействием на
организм человека, а также оказывают негативное воздействие на здоровье
будущих поколений.

1 Катастрофа – крупная авария, повлекшая за собой человеческие жертвы,
ущерб здоровью людей и разрушение или уничтожение объектов и других
материальных ценностей в значительных размерах, а также приведшая к
серьезному загрязнению окружающей среды.

2 Авария – опасное происшествие в технической системе на промышленном,
энергетическом или транспортном объекте, создающее угрозу жизни или
здоровью людей и приводящее к нарушению технологических процессов,
разрушению указанных объектов, а также наносящее вред окружающей среде.

3 Пестициды – собирательный термин, охватывающий все химические
вещества, используемые для борьбы с различными видами вредных
организмов.

4 Гербициды – химические вещества (или их композиции), используемые для
борьбы с нежелательной растительностью.

25.2. Классификация чрезвычайных ситуаций

Существуют различные классификации чрезвычайных ситуаций. Наиболее часто
за основание классификации выбирают характер возникновения (генезис)
чрезвычайной ситуации. Очень часто чрезвычайные ситуации характеризуются
в отношении их преднамеренности. При таком подходе вся совокупность
рассматриваемых ситуаций распадается на два больших типа: преднамеренные
и непреднамеренные чрезвычайные ситуации. Происхождение чрезвычайной
ситуации может также рассматриваться в отношении ее естественности. При
этом подходе все чрезвычайные ситуации подразделяются на три типа:
искусственного происхождения, или антропогенные (включая техногенные),
естественного (природные) и смешанного происхождения, или
природно-антропогенные. В табл. 25.2 представлены типы чрезвычайных
ситуаций. В основание их классификации положены такие признаки, как
преднамеренность и естественность.

При классификации по признаку «преднамеренность» вся совокупность
рассматриваемых ситуаций распадается на два больших типа: преднамеренные
и непреднамеренные чрезвычайные ситуации. В первый из названных типов
входят социально-политические конфликты, а в последний – три класса
чрезвычайных ситуаций (стихийные бедствия, техногенные (технологические)
катастрофы и «комбинированные» чрезвычайные ситуации).

Если за основу классификации берется признак «естественность», то
антропогенные чрезвычайные ситуации включают в себя
социально-политические конфликты и техногенные катастрофы, второй тип
(природные чрезвычайные ситуации) включает стихийные бедствия и,
наконец, последний – класс чрезвычайных ситуаций «комбинированного»
возникновения.

Важная характеристика чрезвычайных ситуаций – темпы их формирования
(развития). По продолжительности (от непосредственной причины
возникновения чрезвычайной ситуации до ее кульминационной точки) все
ситуации можно разделить на «взрывные» и «плавные». Продолжительность
развития чрезвычайных ситуаций первого типа составляет от нескольких
секунд до нескольких часов. Примером таких экстремальных ситуаций могут
служить стихийные бедствия и некоторые виды техногенных катастроф
(аварии на крупных АЭС, ТЭС, газо- и нефтепроводах, а также на
химических предприятиях).

Продолжительность развития чрезвычайных ситуаций второго типа может
исчисляться несколькими десятилетиями. Такая ситуация возникла в 1978 г.
в районе канала Лав (г. Ниагара-Фоле, США). С 1942 по 1953 гг. филиал
известной нефтехимической корпорации «Оксидентал Петролеум» производил
захоронение опасных отходов, содержащих диоксин и еще примерно 200
ядовитых веществ. Спустя четверть века они просочились на поверхность,
попали в водопроводную сеть и создали серьезную угрозу здоровью и жизни
населения. 1 августа 1978 г. президент США Д. Картер объявил
«национальную чрезвычайную ситуацию» – население города было
эвакуировано.

По масштабу распространения чрезвычайные ситуации классифицируют на:
локальные (объектные), местные, региональные, национальные и глобальные.
В понятие масштаба распространения входят не только размеры территории,
на которой возникла чрезвычайная ситуация, но и ее косвенные последствия
(нарушение связи, систем водоснабжения и водоотведения, необходимость
ремонта или разборки поврежденных зданий и сооружений и др.), а также
тяжесть этих последствий, которую оценивают по затрате сил и ресурсов,
привлеченных для ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Локальные чрезвычайные ситуации возникают на отдельных объектах
народного хозяйства (предприятиях, промышленных очистных сооружениях,
складах и хранилищах и др.). Последствия чрезвычайных ситуаций на этих
объектах устраняются собственными силами и за счет своих ресурсов.

К местным чрезвычайным ситуациям относят такие, которые возникли в
населенном пункте, городе, в одном или нескольких районах, а также в
пределах области. Устранение их последствий производится с привлечением
ресурсов области.

Региональные чрезвычайные ситуации занимают территорию нескольких
областей или экономического района; национальные – охватывают территорию
нескольких экономических районов, но не выходят за пределы государства;
глобальные чрезвычайные ситуации распространяются и на другие
государства. Соответственно устранение перечисленных последствий
осуществляется за счет субъектов Российской Федерации, государства в
целом или международного сообщества (при глобальных чрезвычайных
ситуациях).

Локальная чрезвычайная ситуация при известных условиях вполне может
перерасти в региональную, национальную или глобальную. При этом важно
установить конкретный тип критерия или параметр, согласно которому
возникшая обстановка относится к тому или иному типу чрезвычайной
ситуации.

В качестве примеров рассмотрим две самые крупные техногенные катастрофы
за всю мировую историю развития энергетики и промышленности.

Крупнейшая ядерная авария произошла 26 апреля 1986 г. в Чернобыле на
Украине. В результате последовательных ошибок, допущенных операторами
ядерного реактора, в нем начал накапливаться водяной пар. Он реагировал
с находящимся в реакторе горячим цирконием и образовывался водород.
Давление водорода в активной зоне реактора нарастало, что привело в
конечном итоге к разрушению верхней части реактора. При соприкосновении
с воздухом газообразная смесь взорвалась и от возникшего пламени
загорелся графитовый замедлитель. Этот замедлитель продолжал гореть
несколько дней. Радиоактивные вещества, находящиеся в реакторе, попали в
атмосферу и образовали радиоактивное облако. Размеры этого облака
составляли 30 км в ширину и приблизительно 100 км в длину.
Распространившись затем на большое расстояние, это облако вызвало
радиоактивное заражение местности. Зона существенного загрязнения
местности (с уровнем загрязнения более 5 мр/ч) составила около 3000 км2.
Несколько десятков человек погибло в результате аварии. Отмечены также
многочисленные случаи заболевания лучевой болезнью. Свыше 100 000
человек, проживавшие в радиусе 30 км от реактора, пришлось эвакуировать
вскоре после аварии.

Крупнейшая химическая авария произошла на заводе по изготовлению
пестицидов в г. Бхопале (Индия) 2 декабря 1984 г. Этот завод – дочернее
предприятие американской фирмы «Юнион Карбайд» – производил пестицид
севин (С10Н7ООСNНСН3). При его производстве использовалось промежуточное
ядовитое соединение (полупродукт) – метилизоцианат.

В результате технической неисправности (поломки предохранительного
клапана) одного из резервуаров, в котором хранился метилизоцианат, его
ядовитые пары попали в атмосферу. По оценкам, в воздух попало
приблизительно 3 т газа, от воздействия которого более 2500 человек
погибли, а общее число пораженных отравляющим веществом, которым была
оказана медицинская помощь, достигло 90000.

Эти техногенные катастрофы в Бхопале и Чернобыле по
технико-экономическому критерию можно отнести к локальной чрезвычайной
ситуации, по экономическому – к национальной, а по
социально-политическому, имея в виду международный резонанс, а также по
социально-экологическому (крупнейшие катастрофы за всю мировую историю
индустрии и энергетики) – к глобальной чрезвычайной ситуации.

Представленные в табл. 25.2 «прочие техногенные катастрофы» в
отечественной литературе часто называют экологическими.

В Законе РФ об окружающей среде используется термин катастрофической
экологической обстановки в регионе, под которым понимают высшую степень
экологического неблагополучия в каком-либо регионе страны. Регион, в
котором сложилась катастрофическая экологическая ситуация, в
соответствии с указанным Законом носит название зоны экологического
бедствия. Зоны экологического бедствия – это участки территории
Российской Федерации, где в результате хозяйственной или иной
деятельности происходят устойчивые отрицательные изменения в окружающей
природной среде, угрожающие здоровью населения, состоянию естественных
экологических систем, генетических фондов растений и животных. В зоне
экологического бедствия окружающая природная среда претерпевает глубокие
необратимые изменения, наблюдается существенное ухудшение здоровья
населения, увеличивается общая и детская смертность.

25.3. Причины и стадии техногенных катастроф

Возникновение любой чрезвычайной ситуации, в том числе и техногенной
катастрофы, вызывается сочетанием действий объективных и субъективных
факторов, создающих причинный ряд событий. Непосредственными причинами
техногенных катастроф могут быть внешние по отношению к инженерной
системе воздействия (стихийные бедствия, военно-диверсионные акции и
т.д.), условия и обстоятельства, связанные непосредственно с данной
системой, в том числе технические неисправности, а также человеческие
ошибки. Последним, согласно статистике и мнению специалистов,
принадлежит главная роль в возникновении техногенных катастроф. По
оценке экспертов, человеческие ошибки обусловливают 45% экстремальных
ситуаций на АЭС, 60% авиакатастроф и 80% катастроф на море.

Процесс развития чрезвычайных ситуаций (в том числе и техногенных
катастроф) целесообразно разделить на три стадии: зарождения,
кульминационную и затухания. Принято считать, что во всех типах
экстремальной ситуации рассмотренные стадии присутствуют всегда. В ином
случае в соответствии с принятым определением и критериями ситуацию
нельзя квалифицировать как чрезвычайную.

На первой стадии развития чрезвычайной ситуации складываются условия
предпосылки будущей техногенной катастрофы: накапливаются многочисленные
технические неисправности; наблюдаются сбои в работе оборудования;
персонал, обслуживающий его, допускает ошибки; происходят не выходящие
за пределы объекта некатастрофические (локальные) аварии, т.е. нарастает
технический риск. Продолжительность этой стадии оценить трудно. Для
«взрывных» чрезвычайных ситуаций (катастрофы в Бхопале и Чернобыле) эти
стадии могут измеряться сутками или даже месяцами. У «плавных»
техногенных катастроф (например, экстремальная ситуация в районе озера
Лав в США) продолжительность указанной стадии измеряется годами или
десятилетиями.

Рассмотрим в качестве примера стадию зарождения катастрофы, произошедшей
в ночь с 3-го на 4 июля 1989 г. в Республике Башкортостан. В эту ночь на
участке 1431 км продуктопровода Западная Сибирь – Урал – Поволжье по
перекачке легких углеводородов произошел разрыв трубы диаметром 720 мм с
истечением сжиженного продукта, которое продолжалось примерно 2,5 часа
(вытекло порядка 11 000 т продукта). От места разрыва до
железнодорожного полотна расстояние составляло 300– 500 м. При
прохождении по железнодорожной линии двух поездов, следовавших навстречу
друг другу, от случайной искры произошел взрыв смеси паров продукта с
воздухом, вызвавший крушение поездов. В результате этой техногенной
катастрофы 573 человека погибли, 693 были ранены.

Предпосылки зарождения этой катастрофы наблюдались в период с 1985 по
1989 гг. За это время произошло 9 аварийных отказов по различным
причинам. Около двух лет не было электрохимической защиты
продуктопровода, в результате чего на отдельных его участках произошла
поверхностная коррозия на глубину 3–4 мм, а в отдельных случаях и
сквозная. Колесный и гусеничный транспорт при переезде через трубопровод
наносил ему многократные повреждения. Существовали и другие причины,
приведшие к возникновению данной техногенной катастрофы.

Кульминационная стадия техногенной катастрофы начинается с выброса
вещества или энергии в окружающую среду (возникновение пожара, взрыва,
выброс в атмосферу ядовитых веществ, разрушение плотины) и заканчивается
перекрытием (ограничением) источника опасности. В случае Чернобыльской
аварии продолжительность кульминационной стадии составляла 15 дней (с 26
апреля по 10 мая 1986 г.).

Стадия затухания технологической катастрофы хронологически охватывает
период от перекрытия (ограничения) источника опасности –,локализации
чрезвычайной ситуации до полной ликвидации ее прямых и косвенных
последствий. Продолжительность этой стадии измеряется годами и многими
десятилетиями.

Особенно тяжелы и продолжительны медицинские последствия аварии на
Чернобыльской АЭС. Первым медицинским событием после этой аварии была
острая лучевая болезнь. Из 134 заболевших в первые 3 месяца после аварии
умерли 28 человек, тогда как за 40 лет до аварии в бывшем СССР было
зарегистрировано около 500 случаев острой лучевой болезни с летальным
исходом всего в 43 случаях.

Вторым драматическим последствием аварии явилось резкое увеличение рака
щитовидной железы у детей, зарегистрированное в некоторых областях
Белоруссии и Украины, а также в Брянской области России. Максимальное
количество больных выявлено в районах наибольшего загрязнения
радионуклидами.

В дни аварии в окружающую среду были выброшены радионуклиды с общей
активностью около 50 млн кюри. В почву попали в основном цезий-137 с
периодом полураспада 30 лет, стронций-90 – 28 лет, плутоний-239 – 24 065
лет и плутоний-241 – 14 лет. Изотоп плутоний-241 по активности превышает
плутоний-239. Плутоний-241 в результате радиоактивных превращений
преобразуется в амерции-241 (альфа-излучатель), период полураспада
которого составляет 485 лет. Последний изотоп преобразуется в
нептуний-239, являющийся альфа-излучателем с периодом полураспада 2 140
000 лет (практически вечный альфа-излучатель). Вследствие этого через 20
лет после Чернобыльской катастрофы (к 2006 г.) количество
альфа-излучателей в почве увеличится вдвое. После этого уровень радиации
будет повышаться еще в течение 40 лет, оставаясь затем уже постоянным на
тысячелетия. При попадании в организм человека или животных указанных
выше радиоактивных изотопов происходит внутреннее облучение тканей, что
повышает риск появления и развития злокачественных опухолей. По
современным оценкам, за 50 лет Чернобыль добавит до 15 тыс. смертей от
онкологических заболеваний.

Весьма длительна стадия затухания при катастрофах на химических
предприятиях, что доказывает пример Бхопала, где люди продолжают умирать
до сих пор; а также при загрязнении окружающей среды токсичными
веществами.

25.4. Устойчивость работы объектов народного хозяйства в чрезвычайных
ситуациях

Устойчивость работы объектов народного хозяйства в чрезвычайных
ситуациях определяется их способностью выполнять свои функции в этих
условиях, а также приспособленностью к восстановлению в случае
повреждения. В условиях чрезвычайных ситуаций промышленные предприятия
должны сохранять способность выпускать продукцию, а транспорт, средства
связи, линии электропередач и прочие аналогичные объекты, не
производящие материальные ценности, – обеспечивать нормальное выполнение
своих задач.

Для того чтобы объект сохранил устойчивость в условиях чрезвычайных
ситуаций, проводят комплекс инженерно-технических, организационных и
других мероприятий, направленных на защиту персонала от воздействия
опасных и вредных факторов, возникающих при развитии чрезвычайной
ситуации, а также населения, проживающего вблизи объекта. Необходимо
учесть возможность вторичного образования токсичных, пожароопасных,
взрывоопасных систем и др.

Кроме того, проводится анализ уязвимости объекта и его элементов в
условиях чрезвычайных ситуаций. Разрабатываются мероприятия по повышению
устойчивости объекта и его подготовке в случае повреждения к
восстановлению.

С целью защиты работающих на тех предприятиях, где в процессе
производства используют взрывоопасные, токсичные и радиоактивные
вещества, строят убежища, а также разрабатывают специальный график
работы персонала в условиях заражения вредными веществами. Должна быть
подготовлена система оповещения персонала и населения, проживающего
вблизи объекта, о возникшей на нем чрезвычайной ситуации. Персонал
объекта должен быть обучен выполнению конкретных работ по ликвидации
последствий чрезвычайных ситуаций в очаге поражения.

На устойчивость работы объекта в условиях чрезвычайных ситуаций
оказывают влияние следующие факторы: район расположения объекта;
внутренняя планировка и застройка территории объекта; характеристика
технологического процесса (используемые вещества, энергетические
характеристики оборудования, его пожаро- и взрывоопасность и др.);
надежность системы управления производством и ряд др.

Район расположения объекта определяет величину, а также вероятность
воздействия поражающих факторов природного происхождения (землетрясения,
наводнения, ураганы, оползни и проч.). Важное значение имеет
дублирование транспортных путей и систем энергоснабжения. Так, если
предприятие расположено вблизи судоходной реки, в случае разрушения
железнодорожных или трубопроводных магистралей подвоз сырья или вывоз
готовой продукции может осуществляться водным транспортом. Существенное
влияние на последствия чрезвычайных ситуаций могут оказывать
метеорологические условия района (количество выпадающих осадков,
направление господствующих ветров, минимальные и максимальные
температуры воздуха, рельеф местности).

Внутренняя планировка и плотность застройки территории объекта оказывают
значительное влияние на вероятность распространения пожара, на
разрушения, которые может вызвать ударная волна, образующаяся при
взрыве, на размеры очага поражения при выбросе в окружающую среду
токсичных веществ и др. В качестве примера в табл. 25.3 показана
вероятность распространения пожара в зависимости от расстояния между
зданиями.

Необходимо учитывать и характер застройки, окружающей объект. Так,
наличие вблизи данного объекта опасных предприятий, в частности
химических, может в значительной степени усугубить последствия возникшей
на объекте чрезвычайной ситуации.

Следует подробно изучить специфику технологического процесса, оценить
возможность взрыва оборудования (например, сосудов, работающих под
давлением), основные причины возникновения пожаров, количество
используемых в процессе сильнодействующих, ядовитых и радиоактивных
веществ. Для повышения устойчивости объекта в чрезвычайной ситуации
необходимо рассмотреть возможность изменения технологии, снижения
мощности производства, а также его переключения на производство другой
продукции. Необходимо разработать также способ быстрой и безаварийной
остановки производства в чрезвычайных ситуациях.

Рассмотрим теперь пути повышения устойчивости функционирования наиболее
важных видов технических систем и объектов.

Системы водоснабжения представляют собой крупный комплекс зданий и
сооружений, удаленных друг от друга на значительные расстояния. При
чрезвычайных ситуациях, как правило, все элементы этой системы не могут
быть выведены из строя одновременно. При проектировании системы
водоснабжения необходимо предусмотреть меры их защиты в чрезвычайных
ситуациях. Ответственные элементы системы водоснабжения целесообразно
размещать ниже поверхности земли, что повышает их устойчивость. Для
города надо иметь два-три источника водоснабжения, а для промышленных
магистралей (промышленного водоснабжения) – не менее двух-трех вводов от
городских магистралей. Следует предусмотреть возможность ремонта данных
систем без их остановки и отключения водоснабжения других потребителей.

Весьма важной является система водоотведения загрязненных (сточных) вод
(система канализации). В результате ее разрушения создаются условия для
развития болезней и эпидемий. Скопление сточных вод на территории
объекта затрудняет проведение аварийно-спасательных и восстановительных
работ. Повышение устойчивости системы канализации достигается созданием
резервной сети труб, по которым может отводиться загрязненная вода при
аварии основной сети. Должна быть разработана схема аварийного выпуска
сточных вод непосредственно в водоемы. Насосы, используемые для
перекачки загрязненной воды, комплектуются надежными источниками
электропитания.

В разных чрезвычайных ситуациях электрические сооружения и сети могут
получить различные разрушения и повреждения. Их наиболее уязвимыми
частями являются наземные сооружения (электростанции, подстанции,
трансформаторные станции), а также воздушные линии электропередач. В
современных крупных энергосистемах применяются различные автоматические
устройства, способные практически мгновенно отключить поврежденные
электроисточники, сохраняя работоспособность системы в целом.

Для повышения устойчивости системы электроснабжения в первую очередь
целесообразно заменить воздушные линии электропередач на кабельные
(подземные) сети, использовать резервные сети для запитки потребителей,
предусмотреть автономные резервные источники электропитания объекта
(передвижные электрогенераторы).

Весьма важно обеспечить устойчивость системы газоснабжения, так как при
ее разрушении или повреждении возможны возникновение пожаров и взрывов,
а также выход газа в окружающую среду, что значительно затрудняет
проведение аварийно-спасательных и восстановительных работ.

Основные мероприятия по увеличению устойчивости систем газоснабжения
следующие: сооружение подземных обводных газопроводов (бассейнов),
обеспечивающих подачу газа в аварийных условиях; использование
устройств, обеспечивающих возможность работы оборудования при пониженном
давлении в газопроводах; создание на предприятиях аварийного запаса
альтернативного вида топлива (угля, мазута); осуществление газоснабжения
объекта от нескольких источников (газопроводов); создание подземных
хранилищ газа высокого давления; использование на закольцованных
системах газоснабжения отключающих устройств, установленных на
распределительной сети.

В результате чрезвычайной ситуации может быть серьезно повреждена
система теплоснабжения населенного пункта или предприятия, что создает
серьезные трудности для их функционирования, особенно в холодный период
года. Так, разрушение трубопроводов с горячей водой или паром может
повлечь их затопление и затруднить локализацию и ликвидацию аварии.
Наиболее уязвимые элементы систем теплоснабжения – теплоэлектроцентрали
и районные котельные.

Основным способом повышения устойчивости внутреннего оборудования
тепловых сетей является их дублирование. Необходимо также обеспечить
возможность отключения поврежденных участков теплосетей без нарушения
ритма теплоснабжения потребителей, а также создать системы резервного
теплоснабжения.

В результате воздействия ударной волны, возникающей при взрывах
различного происхождения (при аварии газопроводов, при военных
действиях), могут серьезно пострадать подземные коммуникации, включая
подземные переходы и транспортные сооружения (эстакады, путепроводы,
мосты и др.). Наибольшее разрушение различных мостовых сооружений
вызывает боковая ударная волна, направленная перпендикулярно пролетному
строению моста. Весьма опасным для этих сооружений является воздействие
ударных волн, отраженных от поверхности воды (реки, водоема).
Воздействие ударной волны на подземные сооружения (коллекторы) может
вызвать их повреждение. Особенно опасно в этом случае разрушение
трубопроводов с горячей водой или паром, а также газопроводов.

Основным средством повышения устойчивости рассмотренных сооружений от
воздействия ударной волны является повышение прочности и жесткости
конструкций.

Особое внимание следует уделять устойчивости складов и хранилищ
ядовитых, пожаро- и взрывоопасных веществ в условиях чрезвычайных
ситуаций. Это достигается проведением следующих мероприятий: переводом
указанных материалов на хранение из наземных складов в подземные,
хранением минимального количества ядовитых, пожаро- и взрывоопасных
веществ, а также безостановочным использованием этих веществ при
поступлении на объект минуя склад («работа с колес»).

Для повышения устойчивости работы объектов в чрезвычайных ситуациях
необходимо уделять значительное внимание защите рабочих и служащих. Для
этого на объектах строятся убежища и укрытия, предназначенные для защиты
персонала, создается и поддерживается в постоянной готовности система
оповещения рабочих и служащих объекта, а также проживающего вблизи
объекта населения о возникновении чрезвычайной ситуации. Персонал,
обслуживающий объект, должен знать о режиме его работы в случае
возникновения чрезвычайной ситуации, а также быть обученным выполнению
конкретных работ по ликвидации очагов поражения.

25.5. Основные принципы и способы обеспечения безопасности населения в
чрезвычайных ситуациях

К основным мероприятиям по обеспечению безопасности населения в
чрезвычайных ситуациях относятся следующие: прогнозирование и оценка
возможности последствий чрезвычайных ситуаций; разработка мероприятий,
направленных на предотвращение или снижение вероятности возникновения
таких ситуаций, а также на уменьшение их последствий. Кроме того, очень
важным является обучение населения действиям в чрезвычайных ситуациях и
разработка эффективных способов его защиты.

Прогнозирование чрезвычайных ситуаций – это метод ориентировочного
выявления и оценки обстановки, складывающейся в результате стихийных
бедствий, аварий и катастроф. Различают долгосрочные и краткосрочные
прогнозы. Долгосрочные прогнозы направлены на изучение и определение
сейсмических районов1, территорий, где возможны селевые потоки или
оползни, границ зон вероятного затопления при авариях плотин или
природных наводнениях, а также границ очагов поражения при техногенных
авариях. Краткосрочные прогнозы используются для ориентировочного
определения времени возникновения чрезвычайной ситуации.

1 Сейсмическое районирование территорий проводят по ожидаемой
интенсивности и повторяемости землетрясений (раз в год, 100, 1000 и 10
000 лет).

Для составления прогнозов используются различные статистические данные,
а также сведения о некоторых физических и химических характеристиках
окружающих природных сред. Так, для прогнозирования землетрясений в
сейсмоопасных районах изучают изменение химического состава природных
вод, проводят наблюдение за изменением уровня воды в колодцах,
определяют механические и физические (электрические и магнитные)
свойства грунта. Значительную информацию для прогноза землетрясений
может дать наблюдение за поведением некоторых животных.

Разработаны методы прогнозирования пожаров – лесных, торфяных и др. Для
прогнозирования влияния скрытых очагов пожара (подземных или торфяных)
на возможность возникновения лесных пожаров используется фотосъемка в
инфракрасной части спектра, осуществляемая с самолетов или космических
аппаратов.

Для прогнозирования обстановки, возникающей при развитии различных
чрезвычайных ситуаций, применяют математические методы (математическое
моделирование).

При прогнозировании чрезвычайной ситуации планируют постоянно
проводимые, фоновые и защитные мероприятия.

К постоянно проводимым мероприятиям относятся постоянный контроль за
качеством строительно-монтажных работ при возведении зданий и
сооружений, создание надежной системы оповещения о возникновении
чрезвычайной ситуации, строительство защитных укрытий и убежищ,
снабжение населения средствами индивидуальной защиты (например,
противогазами), обязательное обучение населения правилам поведения в
чрезвычайных ситуациях, разработка планов ликвидации последствий
чрезвычайных ситуаций и их финансовое и материальное обеспечение и др.

При предсказании момента чрезвычайной ситуации проверяются и приводятся
в готовность система оповещения населения, а также аварийно-спасательные
службы, развертывается система наблюдения и разведки, нейтрализуются
особоопасные производства и объекты (химические предприятия, атомные
электростанции и др.), проводится частичная эвакуация населения.

Способы защиты населения в чрезвычайных ситуациях следующие: эвакуация,
укрытие в защитных сооружениях (убежищах), использование средств
индивидуальной защиты. Под эвакуацией понимают вывоз населения или его
части из очага поражения при чрезвычайной ситуации. Защитные сооружения
– это специально разработанные инженерные сооружения, предназначаемые
для защиты от воздействия различных физических, химических и
биологических опасных и вредных факторов, вызванных чрезвычайной
ситуацией. Защитные сооружения могут быть использованы для защиты
населения как при боевых действиях, так и при техногенных авариях,
сопровождающихся выбросами в окружающую среду радиоактивных и токсичных
химических веществ, а также бактериологических агентов (вирусов,
микроорганизмов и др.).

Средства индивидуальной защиты населения предназначены для исключения
попадания внутрь организма, на кожу и на одежду перечисленных выше
веществ, а также бактериологических агентов. Это средства защиты органов
дыхания (респираторы, противогазы), специальные защитные одежда и обувь.
Медицинские средства индивидуальной защиты предназначены для
профилактики и оказания первой помощи населению в чрезвычайных
ситуациях. Они включают вещества, ослабляющие или предотвращающие
воздействие на организм человека токсичных веществ (антидоты) или
ионизирующих излучений (радиопротекторы), противобактериальные средства
(антибиотики, вакцины и др.), а также средства частичной санитарной
обработки (индивидуальные перевязочные и противохимические пакеты).

25.6. Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций

Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций должна выполняться в
максимально короткие сроки. В этой деятельности различают три основных
этапа.

На первом этапе реализуются мероприятия по экстренной защите населения.
Через систему оповещения население информируют о возникновении
чрезвычайных ситуаций и о необходимости использования средств
индивидуальной защиты. Проводятся эвакуация людей из опасных зон и
оказание им первой медицинской помощи. Принимаются неотложные меры для
локализации аварий, а в случае необходимости вводится в действие
комплекс противопожарных мероприятий. Возможны также временная остановка
технологических процессов на предприятиях или их изменение.

На этом этапе проводится подготовка к выполнению спасательных и других
неотложных работ. Для этого заблаговременно создаются специально
обученные спасательные формирования. На промышленных объектах
спасательные подразделения формируются из числа работников этого объекта
(подразделения гражданской обороны объекта).

Для получения сведений о сложившейся в результате чрезвычайной ситуации
обстановке проводят разведку очага поражения – территории, на которой
возникли негативные последствия в результате действия опасных и вредных
факторов, вызванных чрезвычайной ситуацией. Форма очага поражения
зависит от вида чрезвычайной ситуации: при взрывах и землетрясениях –
форма круглая, при ураганах, затоплениях и смерчах – имеет вид полосы,
при пожарах и оползнях образуется очаг поражения неправильной формы и
т.д. Различают простые и сложные (комбинированные) очаги поражения.
Простые очаги поражения возникают под действием одного опасного или
вредного фактора чрезвычайной ситуации, а комбинированные – от
воздействия нескольких факторов.

На втором этапе проводятся спасательные и другие неотложные работы, а
также продолжается выполнение задач по защите населения и уменьшению
последствий чрезвычайных ситуаций, начатых на первом этапе. Продолжаются
локализация и тушение пожаров, а также спасение людей из горящих зданий
и сооружений. Если в результате чрезвычайной ситуации разрушены или
завалены защитные укрытия и убежища, в которых находились люди,
проводится их розыск и извлечение из завалов. Пострадавших и получивших
ранения доставляют в медицинские учреждения. Продолжается также
эвакуация населения из опасных зон.

В случае необходимости (выброса в окружающую среду радиоактивных или
токсичных химических веществ, а также бактериологических агентов)
проводят специальную обработку, которая представляет собой комплекс
мероприятий, проводимых с целью восстановления готовности людей,
входящих в состав специальных формирований, и используемой техники к
продолжению аварийно-восстановительных работ в очагах поражения, а также
подготовки объектов к возобновлению производственной деятельности.

Специальная обработка состоит из обеззараживания и санитарной обработки.
Обеззараживание включает в себя следующие операции: дезактивацию,
дегазацию, дезинфекцию и дератизацию. Дезактивация – это удаление
радиоактивных веществ с поверхностей различных предметов, а также
очистка от них воды. Различают механический и физико-химический
(химический) способы удаления радиоактивных веществ (радиоактивной пыли)
с очищаемых поверхностей. Механическое удаление радиоактивной пыли
сводится к смыванию ее водой под давлением с поверхности загрязненных
предметов. При использовании химического способа радиоактивную пыль
связывают специальными растворами, препятствуя тем самым ее
распространению в окружающей среде. Для этого используют
поверхностно-активные (порошок Ф-2, препарат ОП-7 и ОП-10) и
комплексообразующие вещества, кислоты и щелочи (фосфаты натрия, трилон
Б, щавелевую и лимонную кислоты, соли этих кислот).

Если загрязненная территория имеет твердое покрытие, то ее дезактивируют
механическим способом. Территории без твердого покрытия обрабатывают
пленкообразующими и закрепляющими растворами (латекс, спиртосульфатная
барда, нефтяные шламы и др.) или просто водой, после чего связанную
таким образом радиоактивную пыль удаляют с поверхности зараженной
территории, срезая бульдозерами или грейдерами загрязненный слой грунта
толщиной 5–10 см. Этот грунт помещают в металлические контейнеры и
захоранивают на специальных полигонах. Обработанную территорию засыпают
слоем незагрязненного грунта толщиной 9–10 см. Дезактивацию поверхностей
зданий проводят путем связывания радиоактивной пыли пленкообразующими
составами с последующим ее удалением мощными пылесосами. Возможна также
обработка поверхностей малоэтажных зданий и растительности водой или
дезактивирующими растворами с привлечением специальной техники (пожарных
машин, мотопомп).

Существуют различные методы дезактивации воды: фильтрование,
отстаивание, перегонка, очистка с использованием ионообменных смол.
Зараженные открытые водоемы дезактивируют, обрабатывая абсорбирующими и
комплексообразующими глинами. Очистку рек, ручьев и иных стоков
проводят, пропуская воду через плотины фильтрующего типа. В качестве
фильтрующего элемента в них используют адсорбирующий наполнитель.
Дезактивацию колодцев проводят многократным откачиванием из них воды и
удалением зараженного грунта со дна. Для дезактивации упакованных
продуктов питания заменяют загрязненную тару. Если продукты не были
упакованы, то с их поверхности снимают зараженный слой.

Следующая операция обезвреживания – дегазация. Ее используют для
разложения отравляющих и сильнодействующих ядовитых веществ до
нетоксичных продуктов. В качестве дегазирующих веществ используются
также химические соединения, которые вступают в реакцию с отравляющими и
сильнодействующими ядовитыми веществами.

Для удаления отравляющих и сильнодействующих химических веществ с
зараженных поверхностей используют моющие растворы, приготовленные на
основе порошка СФ-24 или бытовых синтетических моющих веществ. Эти
растворы, не обезвреживают отравляющие вещества, а лишь позволяют быстро
смыть их с зараженной поверхности.

Дегазацию проводят с применением воды, моющих растворов, растворов
дегазирующих и органических веществ, используя моечные машины. Если
имеет место комбинированное загрязнение радиоактивными и отравляющими
веществами, то сначала проводят дегазацию, а уж затем дезактивацию.

Для уничтожения возбудителей инфекционных заболеваний человека и
животных в окружающей среде проводят дезинфекцию. Ее осуществляют
физическими, химическими и механическими методами.

Физические методы применяют в основном при кишечных инфекциях. К ним
относятся: кипячение белья, посуды, предметов ухода за больными,
сжигание ненужных и непригодных для дальнейшего использования вещей.
Химический метод дезактивации заключается в уничтожении болезнетворных
микробов и разрушении токсинов дезинфицирующими веществами, в качестве
которых используются этанол, пропанол, фенол (карболовая кислота) и его
производные (например, трихлорофенол), а также ряд других веществ.
Зараженную бактериологическими агентами территорию обрабатывают
(поливают) дезинфицирующими веществами. Этот способ дезактивации
является основным. Механический метод дезинфекции заключается в удалении
зараженного слоя грунта или устройстве настилов.

С целью предотвращения распространения инфекционных заболеваний
используют методы дератизации, заключающиеся в уничтожении переносчиков
этих заболеваний (мышей, крыс, других грызунов). Как и дезинфекция,
дератизация может осуществляться химическим, механическим и
биологическим методами. Например, крыс уничтожают, используя в качестве
ядохимиката карбонат бария.

Как уже сказано выше, специальная обработка включает в себя и санитарную
обработку, под которой понимают комплекс мероприятий по ликвидации
заражения личного состава спасательных формирований и населения
радиоактивными и отравляющими веществами, а также бактериологическими
средствами. При санитарной обработке обеззараживают как поверхность тела
человека, так и наружные слизистые оболочки. Обрабатывают также одежду,
обувь и индивидуальные средства защиты.

Различают полную и частичную санитарную обработку. Первой из них
подвергается личный состав спасательных формирований, а также
эвакуированное население после выхода из загрязненных зон. При полной
санитарной обработке обеспечивается полное обеззараживание от
радиоактивных, отравляющих и бактериальных средств. Она проводится на
пунктах специальной обработки людей. Одежда и другие предметы и вещи
обеззараживают камерным или газовым методом, а также замачиванием в
растворах дезинфектов и последующей стиркой, кипячением и др.

Частичная санитарная обработка осуществляется непосредственно в очаге
поражения для исключения вторичного инфицирования людей. При этом
проводят механическую очистку и обработку открытых участков кожи,
поверхностей одежды, обуви и индивидуальных средств защиты.

На заключительном (третьем) этапе начинаются работы по восстановлению
функционирования объектов народного хозяйства, которые выполняются
строительными, монтажными и другими специальными организациями. Кроме
этого, осуществляется ремонт жилья или возведение временных жилых
построек. Восстанавливаются также энерго- и водоснабжение, объекты
коммунального обслуживания и линии связи. После окончания этих и ряда
других работ производится возвращение (реэвакуация) населения к месту
постоянного жительства.

Контрольные вопросы

Дайте определение понятия «чрезвычайная ситуация» (ЧС).

Какова взаимосвязь понятий «опасность», «риск» и «чрезвычайная
ситуация»?

Каковы критерии ЧС?

Как классифицируются ЧС?

Каков ущерб от ЧС?

Назовите стадии ЧС.

Какова продолжительность развития ЧС?

Каковы масштабы ЧС?

Что такое «экологические катастрофы»’?

Перечислите причины и стадии техногенных катастроф.

Каковы медицинские последствия аварии на Чернобыльской АЭС?

Как обеспечивается устойчивость работы объектов народного хозяйства в
чрезвычайных ситуациях?

Что надо сделать для повышения устойчивости функционирования наиболее
важных видов технических систем и объектов народного хозяйства в
чрезвычайных ситуациях?

Перечислите основные этапы ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

Поясните понятия «дезактивация», «дегазация», «дезинфекция»,
«дератизация».

Как осуществляют санитарную обработку населения?

Глава 26. Правовые и организационные основы безопасности
жизнедеятельности

26.1. Основные законодательные документы

Правовые вопросы безопасности труда обеспечивает Конституция страны,
которая гарантирует права граждан на труд, отдых, охрану здоровья,
материальное обеспечение в старости, в случае болезни, при полной или
частичной нетрудоспособности. В 1970 г. были приняты «Основы
законодательства Российской Федерации о труде», которые пересматривались
в 1990 г. Во многих статьях этого документа отражены вопросы создания
безопасных условий труда: режимы труда и отдыха при проведении различных
работ, гарантии и компенсации для трудящихся во вредных условиях,
особенности использования труда женщин и молодежи, компенсации в связи с
несчастными случаями, контроль и надзор за соблюдением законодательства
о труде и ряд других.

В действующий в настоящее время «Кодекс законов о труде РФ» (КЗоТ РФ)
включены основные требования, направленные на создание здоровых и
безопасных условий труда.

В 1993 г. в нашей стране введены «Основы законодательства Российской
Федерации об охране труда», которые устанавливают гарантии осуществления
права трудящихся на охрану труда и обеспечивают единый порядок
регулирования отношений в области охраны труда между работодателями и
работниками на предприятиях, учреждениях и организациях всех форм
собственности. Этот документ направлен на создание условий труда,
отвечающих требованиям сохранения жизни и здоровья работников в процессе
трудовой деятельности и в связи с ней.

В ст. 1 рассматриваемого документа приводится определение термина
«охрана труда». Охрана труда – система обеспечения безопасности жизни и
здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая
правовые, социально-экономические, организационно-технические,
санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические и иные мероприятия.

В ст. 3 «Основ законодательства…» также указывается, что главной
задачей государственной политики в области охраны труда является
признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья работников по
отношению к результатам производственной деятельности предприятия.
Указывается также, что каждый работник имеет право на охрану труда,
которую гарантирует государство в лице органов законодательной,
исполнительной и судебной власти. Государственное управление охраной
труда заключается в реализации основных направлений государственной
политики в области охраны труда, разработке законодательных и иных
нормативных актов в этой области, а также требований к средствам
производства, технологиям и организации труда, гарантирующим работникам
здоровье и безопасные условия труда (ст. 7). В «Основах законодательства
РФ об охране труда» также перечислены права и обязанности работников и
работодателей по обеспечению охраны труда на предприятиях, рассмотрены
вопросы обучения и инструктирования работников в области охраны труда,
приведены сведения о финансировании указанных мероприятий и фондах
охраны труда. Кроме того, в ряде статей этого документа представлены
сведения об ответственности предприятий и работодателей за невыполнение
требований по созданию здоровых и безопасных условий труда, указано, как
должны осуществляться надзор и контроль за соблюдением законодательства
об охране труда, а также рассмотрен ряд других моментов.

Правовые вопросы природопользования регламентируются как Конституцией РФ
(ст. 9, 36, 42, 58, 72), так и рядом федеральных законов, среди которых
прежде всего следует указать Гражданский, Земельный и Водный кодексы РФ,
законы: «О животном мире», «Об охране окружающей природной среды» и др.,
соответствующие нормативные акты Президента и Правительства РФ,
субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления.

В качестве примеров рассмотрим правовые основы охраны атмосферного
воздуха, правовые режимы водо- и недропользования, а также правовую
основу охраны земель.

Атмосферный воздух – один из основных жизненно важных компонентов
окружающей среды. Состояние воздушной среды напрямую связано с
жизненными интересами людей. Качество воздуха непосредственно влияет на
здоровье человека, продолжительность его жизни, а также на состояние
других элементов окружающей среды, в особенности растительного и
животного мира.

Основной законодательный акт, наиболее полно регулирующий общественные
отношения в этой области, – Закон «Об охране атмосферного воздуха». В
нем изложены основные положения по охране воздушного бассейна от
загрязнения и шумов, от электромагнитного, радиационного и иного
воздействий по предотвращению истощения кислородных запасов,
рациональному использованию воздуха в хозяйственных целях и др.

В этом законодательном акте подробно изложены вопросы нормирования ПДК
загрязняющих веществ в атмосфере, предусмотрен разрешительный порядок
выбросов загрязняющих веществ и других негативных воздействий на
воздушную среду, включая воздействие на погоду и климат. Ряд разделов
Закона посвящен государственному контролю в области охраны атмосферного
воздуха и ответственности должностных лиц и граждан страны за нарушения
воздухоохранного законодательства.

Государственный контроль за охраной атмосферного воздуха, в том числе и
за соблюдением воздухоохранного законодательства, осуществляется
органами местного самоуправления и специально уполномоченными на то
государственными межведомственными органами. Его основная задача –
обеспечение строгого выполнения всеми министерствами, комитетами,
предприятиями и другими органами, а также должностными лицами и
гражданами требований воздухоохранного законодательства.

Основополагающим правовым актом водного законодательства является Водный
кодекс РФ. Он регулирует водные отношения путем установления правовых
основ использования и охраны водных объектов. Кроме того,
водопользование осуществляется в соответствии с законодательством о
природных лечебных ресурсах, лечебнооздоровительных местах и курортах.
Общие экологические требования к водопользованию отражены в Федеральном
законе «Об охране окружающей природной среды». Значительное число
подзаконных правовых актов о водопользовании принято Правительством РФ.

Водное законодательство предусматривает систему мер по охране водных
объектов от загрязнения, засорения, истощения водных источников, а также
предотвращению вредного воздействия вод вследствие наводнения, водной
эрозии, развития оползней1 и др. Этим вопросам посвящена гл. 11 Водного
кодекса РФ, в которой изложены общие требования к охране водных
объектов, сведения о нормативах предельно допустимых воздействий на
водные объекты и водоохранные зоны. Подчеркивается, что при
использовании водных объектов граждане и юридические лица обязаны
осуществлять производственно-технологические, мелиоративные,
агротехнические, гидротехнические, санитарные и другие мероприятия,
обеспечивающие охрану водных объектов. При проведении хозяйственной
деятельности человека, в том числе и при внедрении в производство новых
технологических процессов, необходимо учитывать их влияние на состояние
водных объектов и окружающей природной среды в целом.

1 Оползень – смещение вниз по склону массы рыхлой горной породы под
влиянием силы тяжести, особенно при насыщении рыхлого материала водой.
Одна из форм стихийного бедствия.

Для поддержания водных объектов в состоянии, соответствующем
экологическим требованиям, создаются водоохранные зоны. Это территории,
примыкающие к акватории водного объекта, на которых устанавливается
специальный режим использования и охраны водных ресурсов, а также
осуществления иной хозяйственной деятельности.

В пределах водоохранных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы,
где запрещается раскопка земель, рубка и корчевка леса, размещение
животноводческих ферм и лагерей, а также другая деятельность. Порядок
установления размеров и границ водоохранных зон, их прибрежных защитных
полос, а также режим их использования устанавливаются Правительством РФ.
В целях охраны водных объектов предусмотрено установление и иных зон:
санитарной охраны, чрезвычайной экологической ситуации и экологического
бедствия на водных объектах. К последним относятся такие, где в
результате хозяйственной деятельности или природных процессов происходят
изменения, угрожающие здоровью людей, животному и растительному миру,
состоянию окружающей природной среды.

Правовая охрана почв и земельных ресурсов РФ осуществляется в первую
очередь в соответствии с требованиями Конституции страны (ст. 9, 36,
58). Так, в ст. 9 указывается, что земля и другие природные ресурсы
используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и
деятельности народов, проживающих на соответствующей территории.

В развитие основополагающих конституционных положений в земельном
законодательстве страны предусмотрена система правовых, организационных,
экономических и других мероприятий, направленных на рациональное
использование земель, предотвращение необоснованного изъятия земель из
сельскохозяйственного оборота, защиту от вредных воздействий, а также на
восстановление продуктивности земель (в том числе земель лесного фонда),
воспроизводство и повышение плодородия почв.

Правовые основы землепользования в нашей стране раскрываются также в
Земельном кодексе и Законе «О крестьянском (фермерском) хозяйстве», в
ряде Указов Президента РФ.

В перечисленных документах, в частности, указывается, что собственники
земли, землевладельцы, землепользователи и арендаторы осуществляют
рациональную организацию используемой территории, восстановление и
повышение плодородия почв, защиту земель от различных процессов
разрушения и др. Для обеспечения соблюдения всеми физическими,
должностными и юридическими лицами требований земельного
законодательства в целях эффективного использования и охраны земель в РФ
создана единая система государственного контроля, в которой наряду с
головным земельным контролем сочетаются и другие виды контроля:
экологический, санитарно-эпидемиологический, архитектурно-строительный.

Правовой режим недропользования1 основан на Конституции РФ, законах РФ
«О недрах» и «Об охране окружающей природной среды», а также на ряде
Указов и распоряжений Президента РФ. Основные требования по
рациональному использованию и охране недр изложены в разд. III Закона РФ
«О недрах». С экологической точки зрения наиболее важные из них:
предотвращение загрязнения недр при проведении работ, связанных с их
использованием; предотвращение накопления промышленных и бытовых отходов
на площадях водосбора и в местах залегания подземных вод; охрана
месторождений полезных ископаемых от затоплений, пожаров и других
факторов, снижающих их качество.

1 Недра – это часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя, а
при его отсутствии – ниже земной поверхности и дна водоемов и
водостоков. Простирающаяся до глубин, доступных для геологического
изучения и освоения.

В отличие от других природных объектов недра практически невозобновимы
как в настоящее время, так и в отдаленной перспективе. В связи с этим
возникает необходимость в установлении особых требований, способствующих
их рациональному использованию и надлежащей охране. При пользовании
недрами необходимо обеспечить оптимальное сочетание экономических и
экологических интересов общества, а также интересов природы и общества,
полностью исключить возможность нанесения вреда человеку и окружающей
среде, ее составным элементам. Все эти требования отражены в
рассмотренных правовых нормах.

Кроме перечисленных выше законодательными документами в области
безопасности жизнедеятельности являются государственные, отраслевые
стандарты и стандарты предприятий, правила и нормы, в которых содержатся
различные требования к безопасности труда, экологической безопасности и
др.

Государственные стандарты охватывают обширные вопросы деятельности
человека и являются основными нормативными документами в указанных
областях. Государственные стандарты разбиты по классам систем и имеют
свои коды. Стандарты безопасности труда начинаются с шифра-кода 12
(например, 12.0.003-74, 12.1.018-85 и др.), стандарты по охране
окружающей среды с шифра-кода 17 (например, 17.0.0.01-76, 17.2.6.02-85 и
др.).

Едиными правилами, которые содержат требования к обеспечению
безопасности труда при проектировании, строительстве и эксплуатации
промышленных объектов, являются «Строительные нормы и правила» (СНиП), а
также различные санитарные нормы и правила (СН, СанПиН).

На основе государственных стандартов разрабатываются отраслевые
стандарты и стандарты предприятий, учитывающие отраслевые и местные
условия, а также конкретные условия и технологии производства.

Еще одну группу нормативно-технической документации составляют различные
Правила, Положения и Инструкции. Разрабатывают и утверждают эти
документы министерства, ведомства, органы Госнадзора.

Срок действия нормативных документов обычно составляет 5 лет, местных –
3 года. После чего эти документы пересматривают и срок действия
продлевают на 5 лет или они утрачивают силу вообще.

26.2. Правовые и организационные аспекты обеспечения безопасности в
чрезвычайных ситуациях

Современные социально-экологические условия характеризуются наличием
определенных и устойчивых объективных тенденций углубления экологических
последствий чрезвычайных ситуаций. Основным источником экологического
неблагополучия являются аварии и катастрофы, сопровождающиеся выбросами
и сбросами загрязняющих химических, радиоактивных, биологических веществ
и материалов в окружающую среду, а также различные природные процессы и
явления – наводнения, ураганы, бури, тайфуны, смерчи, сильные, особо
длительные, дожди, землетрясения, оползни, обвалы и др.

В настоящее время в РФ приняты следующие федеральные законы: «О защите
населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и
техногенного характера», «О пожарной безопасности», «О радиационной
безопасности населения», «Об использовании атомной энергии». Порядок
действия в чрезвычайных ситуациях отражен также и в ст. 56 и 88
Конституции РФ.

Разрабатывается ряд федеральных целевых программ, направленных на
предупреждение и подготовку к ликвидации последствий чрезвычайных
ситуаций. Принципиальная особенность создаваемой защиты населения
состоит в сосредоточении усилий на предупреждении их возникновения и
развития, снижении размеров ущерба и потерь, ликвидации последствий.

Далее рассмотрим последовательность действий органов управления РФ в
чрезвычайной ситуации (организационные основы).

Президент РФ вводит при возникновении чрезвычайной ситуации (ЧС) в
соответствии со ст. 56 и 88 Конституции России на территории страны или
в отдельных ее местностях чрезвычайное положение, принимает решение о
привлечении при необходимости ликвидации ЧС Вооруженных сил РФ, других
войск и воинских формирований.

Федеральное Собрание РФ утверждает бюджетные ассигнования на
финансирование деятельности и мероприятий в указанной области.

Правительство РФ издает постановления и распоряжения в области защиты
населения и территорий, определяет задачи, функции, порядок
деятельности, права и обязанности федеральных органов исполнительной
власти в области защиты населения и территорий, осуществляет руководство
Единой государственной системой предупреждения и ликвидации чрезвычайных
ситуаций, принимает решения о непосредственном руководстве ликвидацией
последствий чрезвычайных ситуаций и об оказании помощи в случае их
возникновения, определяет порядок привлечения войск Гражданской обороны
РФ к ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, а также выполняет ряд
других функций.

Органы государственной власти субъектов Федерации осуществляют
подготовку и готовность необходимых сил и средств для защиты населения и
территорий, обучают население способам защиты и действиям в указанных
ситуациях, принимают решения о проведении эвакуационных мероприятий,
обеспечивают их проведение, организуют и проводят аварийно-спасательные
и другие неотложные работы, а также поддерживают общественный порядок в
ходе их проведения и др.

Органы местного самоуправления самостоятельно осуществляют подготовку и
готовность необходимых сил и средств для защиты населения и территорий,
обучают население способам защиты и действиям в чрезвычайных ситуациях,
создают резервы финансовых и материальных ресурсов и т.д.

Для осуществления государственного управления и координации деятельности
федеральных органов исполнительной власти в области защиты населения и
территорий создается специально уполномоченный федеральный орган
исполнительной власти, который создает подведомственные ему
территориальные органы.

Ликвидация чрезвычайных ситуаций возложена на:

службы экстренной помощи и службы ликвидационной помощи Минздрава РФ;

службы экстренной ветеринарной помощи и службы защиты растений
Минсельхозпрода;

всероссийские службы медицинских катастроф;

оперативную группу постоянной готовности и противолавинную службу
Росгидромета;

службы противопожарных и аварийно-спасательных работ МВД;

формирования гражданской обороны;

подразделения поисково-спасательных служб Министерства по делам
гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий
стихийных бедствий РФ (МЧС РФ);

соединения и воинские части химических и инженерных войск Вооруженных
Сил;

службы поискового и аварийно-спасательного обеспечения полетов
Гражданской авиации Минтранса России;

восстановительные и пожарные поезда;

аварийно-спасательные службы министерств и ведомств.

26.3. Организационные вопросы безопасности труда

За состоянием безопасности труда установлены строгие государственный,
ведомственный и общественный надзор и контроль. Государственный надзор
осуществляют специальные государственные органы и инспекции, которые в
своей деятельности не зависят от администрации контролирующих
предприятий. Это Прокуратура РФ, Федеральный горный и промышленный
надзор России, Федеральный надзор России по ядерной и радиационной
безопасности, Государственный энергетический надзор РФ, Государственный
комитет санитарно-эпидемиологического надзора РФ (Госкомсанэпиднадзор
России), Федеральная инспекция труда при Министерстве труда РФ
(Рострудинспекция); Министерство РФ по атомной энергии.

Общий надзор за выполнением рассматриваемых законов возложен на
Генерального прокурора РФ и местные органы прокуратуры. Надзор за
соблюдением законодательства по безопасности труда возложен также на
профсоюзы РФ, которые осуществляют контроль за обеспечением безопасности
на производстве через техническую инспекцию труда.

Контроль за состоянием условий труда на предприятиях осуществляют
специально созданные службы охраны труда совместно с комитетом
профсоюзов. Контроль за состоянием условий труда заключается в проверке
состояния производственных условий для работающих, выявлении отклонений
от требований безопасности, законодательства о труде, стандартов, правил
и норм охраны труда, постановлений, директивных документов, а также
проверке выполнения службами, подразделениями и отдельными группами
своих обязанностей в области охраны труда. Этот контроль осуществляют
должностные лица и специалисты, утвержденные приказом по
административному подразделению. Ответственность за безопасность труда в
целом по предприятию несут директор и главный инженер.

Ведомственные службы охраны труда совместно с комитетами профсоюзов
разрабатывают инструкции по безопасности труда для различных профессий с
учетом специфики работы, а также проводят инструктажи и обучение всех
работающих правилам безопасной работы. Различают следующие виды
инструктажа: вводный, первичный на рабочем месте, повторный внеплановый
и текущий.

Вводный инструктаж проводят со всеми рабочими и служащими независимо от
профессии до приема на работу, а также с командированными и учащимися,
прибывшими на практику. Основные вопросы, затрагиваемые во вводном
инструктаже, и примерные затраты времени на их изложение (мин)
представлены ниже:

Основные положения законодательства по охране труда – 10

Правила внутреннего распорядка и режима работы – 10

Порядок продвижения в зоне производства работ

и особые условия труда на отдельных участках – 10

Общие требования охраны труда на производстве – 20

Правила электробезопасности – 10

Требования по пожарной безопасности – 10

Порядок получения инструмента, спецодежды, спецобуви,

предохранительных приспособлений – 5

Правила производственной санитарии и личной гигиены – 5

Способы оказания первой доврачебной помощи – 10

Порядок оформления документов при несчастных случаях на производстве –
10

Первичный инструктаж на рабочем месте проводит непосредственный
руководитель работ перед допуском к работе. Этот вид инструктажа должен
сопровождаться показом безопасных приемов работ.

Повторный инструктаж на рабочем месте проводят с работниками независимо
от их квалификации, стажа и оплаты работы не реже чем раз в шесть
месяцев. Цель этого инструктажа – восстановить в памяти рабочего
инструкции по охране труда, а также разобрать конкретные нарушения из
практики предприятия.

Внеплановый инструктаж на рабочем месте проводят в случае изменения
правил по охране труда, технологического процесса, нарушения работниками
правил техники безопасности, при несчастном случае, при перерывах в
работе – для работ, к которым предъявляются дополнительные требования
безопасности труда, – более чем на 30 календарных дней, для остальных
работ – 60 дней.

Текущий инструктаж проводят для работников, которым оформляют
наряд-допуск на определенные виды работ.

Результаты всех видов инструктажа заносят в специальные журналы. За
нарушение всех видов законодательства по безопасности жизнедеятельности
предусматривается следующая ответственность:

дисциплинарная, которую накладывает на нарушителя вышестоящее
административное лицо (замечание, выговор, перевод на нижеоплачиваемую
должность на определенный срок или понижение в должности, увольнение);

административная (подвергаются работники административно-управленческого
аппарата; выражается в виде предупреждения, общественного порицания или
штрафа);

уголовная (за нарушения, повлекшие за собой несчастные случаи или другие
тяжелые последствия);

материальная, которую в соответствии с действующим законодательством
несет предприятие в целом (штрафы, выплаты потерпевшим в результате
несчастных случаев и др.) или виновные должностные лица этого
предприятия.

Контрольные вопросы

В каких документах отражены правовые основы природопользования в РФ?

Что является главной задачей государственной политики в области охраны
труда?

В каких документах излагаются правовые основы действий в чрезвычайных
ситуациях?

Какие нормативные документы регламентируют требования по безопасности
труда и экологической безопасности?

Как осуществляется контроль за состоянием условий труда на предприятии?

Кто несет ответственность за безопасность труда на предприятии?

Какие инструктажи по безопасности труда проводят на предприятиях?

Библиографический список к разделам 4–5

Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и
производств (Охрана труда). Учебн. пособие для вузов /Кукин П.П., Лапин
В.Л., Подгорных Е.А. и др. – М.: Высшая школа, 1999. – 318 с.

Безопасность жизнедеятельности. Краткий конспект лекций /Под ред. О.Н.
Русака. – Л., ВАСОТ, 1991. – 146 с.

Безопасность жизнедеятельности: Учебн. /Под ред. С. В. Белова. – М.:
Высшая школа, 1999. – 448 с.

4. Безопасность производственных процессов: Справочник /Белов С.В.,
Бринза В.Н., Векшин Б.С. и др.; Под ред. С.В. Белова. – М.:
Машиностроение, 1985. – 448 с.

Ванюков К. И. и др. Система предупреждения и действий в чрезвычайных
ситуациях: Понятийно-терминологический словарь. – Минск: Полымя, 1992. –
53 с.

Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным
требованиям к видеодисплейным терминалам, персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы: Сан Пин 2.2.2
542-96. – М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

Гофман Дж. Рак, вызываемый облучением в малых дозах: Независимый анализ
проблемы: Пер. с англ./Под ред. Е.Б. Бурлаковой и В.Н. Лысцова. – М.:
Социал.-экол. союз, 1994, кн. 1, 2.

Долин П.А. Справочник по технике безопасности. 6-е изд. – М.:
Энергоатомиздат, 1984. – 823 с.

Зубарев Ю.В., Пискунов В.А. Охрана труда в цветной металлургии. – М.:
Металлургия, 1990. – 133 с.

Ковалевский Ю.Н. Стихийные бедствия и катастрофы. – Рига: Авотс, 1986. –
212 с.

Лушников Е.Ф. Десятилетие после Чернобыля: последствия аварии и
актуальные проблемы радиационной патологии//Архив патологии. – 1997. – №
4. – С. 42-44.

Метрологическое обеспечение безопасности труда: В 2 т./Под ред. И.Х.
Сологяна. – М.: Изд-во стандартов, 1989. Т. 1: Измеряемые параметры
физических опасных и вредных производственных факторов, 1988; Т. 2:
Измеряемые параметры химических, биологических и психофизиологических
опасных и вредных производственных факторов, 1989. – 256 с.

Носов В.Б. Безопасность труда/Под ред. В.В. Амбарцумяна. – М.:
Машиностроение, 1994. – 144с.

Охрана труда в машиностроении: Учебн./Юдин Е.Я., Белов С.В., Баланцев
С.К. и др.; Под ред. Е.Я. Юдина и С.В. Белова. – 2-е изд. – М.:
Машиностроение, 1983, 432 с.

Перфильев Б.Н. Управление в чрезвычайных ситуациях: проблемы теории и
практики. – М.: ВИНИТИ, 1991. – 202 с. (Итоги науки и техники. Сер.
Проблемы безопасности: чрезвычайные ситуации)

Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование:
Справочник/Белов С.В., Козьяков А.Ф., Партолин О.Ф. и др: /Под ред. С.В.
Белова. – М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.

Учебное пособие

Кривошеий Дмитрий Александрович,

Муравей Леонид Андреевич,

Роева Наталья Николаевна и др.

ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Редактор Л.Н. Вылегжанина

Корректор В.Г. Коржилова

Оригинал-макет А.В. Егоровой

Художник А.В. Лебедев

Лицензия № 071252 от 04.01.96

Подписано в печать 07.12.99. Формат 60х88 1/16

Усл. печ. л. 28,0. Уч.-изд. л. 20,0

Тираж 20 000 экз. (1-й завод – 6 000). Заказ 2385

ООО «ИЗДАТЕЛЬСТВО ЮНИТИ-ДАНА»

Генеральный директор В.Н. Закаидзе

123298, Москва, Тепличный пер., 6

Тел. (095) 194-00-15. Тел./факс (095) 194-00-14

E-mail: [email protected]

Отпечатано в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати»

432601, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14

СОДЕРЖАНИЕ

TOC \o “1-3” \h \z HYPERLINK \l “_Toc6912600” Предисловие
PAGEREF _Toc6912600 \h 2

HYPERLINK \l “_Toc6912601” Раздел 1. Основы экологии PAGEREF
_Toc6912601 \h 3

HYPERLINK \l “_Toc6912602” 1. Основные понятия, законы и концепции
PAGEREF _Toc6912602 \h 3

HYPERLINK \l “_Toc6912603” 1.1. Концепция экосистемы PAGEREF
_Toc6912603 \h 3

HYPERLINK \l “_Toc6912604” 1.2. Популяция как элемент экосистемы
PAGEREF _Toc6912604 \h 12

HYPERLINK \l “_Toc6912605” 1.3. Человек и биосфера PAGEREF
_Toc6912605 \h 16

HYPERLINK \l “_Toc6912606” Глава 2. Мониторинг окружающей среды
PAGEREF _Toc6912606 \h 18

HYPERLINK \l “_Toc6912607” 2.1. Понятие экологического мониторинга и
его задачи PAGEREF _Toc6912607 \h 18

HYPERLINK \l “_Toc6912608” 2.2. Классификация мониторинга PAGEREF
_Toc6912608 \h 19

HYPERLINK \l “_Toc6912609” 2.3. Критерии оценки качества окружающей
среды PAGEREF _Toc6912609 \h 22

HYPERLINK \l “_Toc6912610” Глава 3. Экотоксикология PAGEREF
_Toc6912610 \h 24

HYPERLINK \l “_Toc6912611” 3.1. Загрязнение окружающей среды
токсикантами и количественные критерии оценки его фактического уровня
PAGEREF _Toc6912611 \h 24

HYPERLINK \l “_Toc6912612” 3.2. Токсиканты и их специфические
биогеохимические особенности PAGEREF _Toc6912612 \h 30

HYPERLINK \l “_Toc6912613” 3.3. Понятие токсичности и канцерогенности
элементов и соединений PAGEREF _Toc6912613 \h 32

HYPERLINK \l “_Toc6912614” Раздел 2 Охрана окружающей среды PAGEREF
_Toc6912614 \h 36

HYPERLINK \l “_Toc6912615” Глава 4. Защита биосферы от загрязнений
PAGEREF _Toc6912615 \h 36

HYPERLINK \l “_Toc6912616” 4.1. Основные виды загрязнений природной
среды PAGEREF _Toc6912616 \h 36

HYPERLINK \l “_Toc6912617” 4.2. Защита атмосферы PAGEREF
_Toc6912617 \h 37

HYPERLINK \l “_Toc6912618” 4.3. Защита гидросферы PAGEREF
_Toc6912618 \h 45

HYPERLINK \l “_Toc6912619” 4.4. Охрана литосферы PAGEREF
_Toc6912619 \h 54

HYPERLINK \l “_Toc6912620” Глава 5. Основы рационального
природопользования PAGEREF _Toc6912620 \h 58

HYPERLINK \l “_Toc6912621” 5.1. Основные понятия PAGEREF
_Toc6912621 \h 58

HYPERLINK \l “_Toc6912622” 5.2. Безотходные и малоотходные
производства PAGEREF _Toc6912622 \h 58

HYPERLINK \l “_Toc6912623” 5.3. Основные принципы создания
безотходных производств PAGEREF _Toc6912623 \h 60

HYPERLINK \l “_Toc6912624” 5.4. Безотходное потребление PAGEREF
_Toc6912624 \h 61

HYPERLINK \l “_Toc6912625” Глава 6. Экологический менеджмент
PAGEREF _Toc6912625 \h 62

HYPERLINK \l “_Toc6912626” 6.1. Понятие, предмет и функции
экологического менеджмента PAGEREF _Toc6912626 \h 62

HYPERLINK \l “_Toc6912627” 6.2. Социоприродная экосистема как объект
экологического контроля PAGEREF _Toc6912627 \h 63

HYPERLINK \l “_Toc6912628” 6.3. Экологическая безопасность PAGEREF
_Toc6912628 \h 64

HYPERLINK \l “_Toc6912629” 6.4. Формирование механизмов
природопользования в рыночной экономике PAGEREF _Toc6912629 \h 65

HYPERLINK \l “_Toc6912630” 6.5. Новый подход к оценке стоимости
биотических компонентов экосистем PAGEREF _Toc6912630 \h 68

HYPERLINK \l “_Toc6912631” 6.6. Управление естественными и
социоприродными экосистемами PAGEREF _Toc6912631 \h 70

HYPERLINK \l “_Toc6912632” 6.7. Экологическое сопровождение
хозяйственной деятельности PAGEREF _Toc6912632 \h 72

HYPERLINK \l “_Toc6912633” 6.8. Экологический менеджмент на
предприятии PAGEREF _Toc6912633 \h 73

HYPERLINK \l “_Toc6912634” 6.9. Структурная перестройка и
экологизация экономики PAGEREF _Toc6912634 \h 73

HYPERLINK \l “_Toc6912635” 6.10. Источники финансирования
природоохранной деятельности PAGEREF _Toc6912635 \h 75

HYPERLINK \l “_Toc6912636” Глава 7. Экологический маркетинг PAGEREF
_Toc6912636 \h 76

HYPERLINK \l “_Toc6912637” 7.1. Маркетинговый механизм управления
охраной окружающей среды PAGEREF _Toc6912637 \h 76

HYPERLINK \l “_Toc6912638” 7.2. Основные маркетинговые подходы в
области экологии PAGEREF _Toc6912638 \h 77

HYPERLINK \l “_Toc6912639” 7.3. Экологический аудит в системе
маркетинга PAGEREF _Toc6912639 \h 80

HYPERLINK \l “_Toc6912640” Глава 8. Экологическое право PAGEREF
_Toc6912640 \h 82

HYPERLINK \l “_Toc6912641” 8.1. Понятие, предмет и источник
экологического права PAGEREF _Toc6912641 \h 82

HYPERLINK \l “_Toc6912642” 8.2. Экологические правонарушения
PAGEREF _Toc6912642 \h 82

HYPERLINK \l “_Toc6912643” 8.3. Правовой режим природопользования и
охраны окружающей среды PAGEREF _Toc6912643 \h 83

HYPERLINK \l “_Toc6912644” 8.4. Виды ответственности за экологические
правонарушения PAGEREF _Toc6912644 \h 87

HYPERLINK \l “_Toc6912645” Раздел 3. Моделирование в экологии
PAGEREF _Toc6912645 \h 90

HYPERLINK \l “_Toc6912646” Глава 9. Динамические модели PAGEREF
_Toc6912646 \h 90

HYPERLINK \l “_Toc6912647” 9.1. Понятие моделирования PAGEREF
_Toc6912647 \h 90

HYPERLINK \l “_Toc6912648” 9.2. Динамика популяций PAGEREF
_Toc6912648 \h 91

HYPERLINK \l “_Toc6912649” 9.3. Простейшая модель эпидемии PAGEREF
_Toc6912649 \h 95

HYPERLINK \l “_Toc6912650” 9.4. Матричные модели PAGEREF
_Toc6912650 \h 96

HYPERLINK \l “_Toc6912651” Глава 10. Стохастические модели PAGEREF
_Toc6912651 \h 99

HYPERLINK \l “_Toc6912652” 10.1. Случайные процессы при описании
популяций PAGEREF _Toc6912652 \h 99

HYPERLINK \l “_Toc6912653” 10.2. Случайные изменения среды PAGEREF
_Toc6912653 \h 100

HYPERLINK \l “_Toc6912654” Глава 11. Оптимизационные и игровые модели
PAGEREF _Toc6912654 \h 103

HYPERLINK \l “_Toc6912655” 11.1. Задача об оптимальном рационе
питания PAGEREF _Toc6912655 \h 103

HYPERLINK \l “_Toc6912656” 11.2. Задача поиска PAGEREF _Toc6912656
\h 106

HYPERLINK \l “_Toc6912657” 11.3. Игровые модели PAGEREF _Toc6912657
\h 108

HYPERLINK \l “_Toc6912658” Глава 12. Системный анализ и управление в
экологии PAGEREF _Toc6912658 \h 114

HYPERLINK \l “_Toc6912659” 12.1. Общее представление о системном
анализе PAGEREF _Toc6912659 \h 114

HYPERLINK \l “_Toc6912660” 12.2. Основные этапы системного анализа
PAGEREF _Toc6912660 \h 114

HYPERLINK \l “_Toc6912661” 12.3. Комплексная схема системного анализа
PAGEREF _Toc6912661 \h 116

HYPERLINK \l “_Toc6912662” 12.4. Задача управления водохранилищем
PAGEREF _Toc6912662 \h 117

HYPERLINK \l “_Toc6912663” 12.5. Управление водной системой PAGEREF
_Toc6912663 \h 119

HYPERLINK \l “_Toc6912664” Библиографический список к разделам 1–3
PAGEREF _Toc6912664 \h 121

HYPERLINK \l “_Toc6912665” Раздел 4. Безопасность труда PAGEREF
_Toc6912665 \h 123

HYPERLINK \l “_Toc6912666” Глава 13. Опасные и вредные
производственные факторы. Общие понятия PAGEREF _Toc6912666 \h 123

HYPERLINK \l “_Toc6912667” Глава 14. Влияние на организм человека
метеорологических условий PAGEREF _Toc6912667 \h 126

HYPERLINK \l “_Toc6912668” 14.1. Основные параметры микроклимата в
производственных помещениях PAGEREF _Toc6912668 \h 126

HYPERLINK \l “_Toc6912669” 14.2. Создание требуемых параметров
микроклимата в производственных помещениях PAGEREF _Toc6912669 \h 129

HYPERLINK \l “_Toc6912670” Глава 15. Воздействие на организм человека
вредных веществ, содержащихся в воздухе рабочей зоны PAGEREF
_Toc6912670 \h 133

HYPERLINK \l “_Toc6912671” 15.1. Виды вредных веществ PAGEREF
_Toc6912671 \h 134

HYPERLINK \l “_Toc6912672” 15.2. Оздоровление воздушной среды
PAGEREF _Toc6912672 \h 135

HYPERLINK \l “_Toc6912673” Глава 16. Производственное освещение
PAGEREF _Toc6912673 \h 138

HYPERLINK \l “_Toc6912674” 16.1. Основные характеристики
производственного освещения PAGEREF _Toc6912674 \h 138

HYPERLINK \l “_Toc6912675” 16.2. Создание требуемых условий освещения
на рабочем месте PAGEREF _Toc6912675 \h 140

HYPERLINK \l “_Toc6912676” Глава 17. Защита от шума, ультра- и
инфразвука, вибрации PAGEREF _Toc6912676 \h 145

HYPERLINK \l “_Toc6912677” 17.1. Действие шума, ультра- и инфразвука,
а также вибрации на организм человека PAGEREF _Toc6912677 \h 145

HYPERLINK \l “_Toc6912678” 17.2. Основные методы борьбы с шумом,
инфра- и ультразвуком и вибрацией PAGEREF _Toc6912678 \h 153

HYPERLINK \l “_Toc6912679” Глава 18. Защита от электромагнитных полей
и лазерного излучения PAGEREF _Toc6912679 \h 158

HYPERLINK \l “_Toc6912680” Глава 19. Защита от ионизирующих излучений
PAGEREF _Toc6912680 \h 164

HYPERLINK \l “_Toc6912681” 19.1. Основные характеристики ионизирующих
излучений PAGEREF _Toc6912681 \h 164

HYPERLINK \l “_Toc6912682” 19.2. Защита от действия ионизирующих
излучений PAGEREF _Toc6912682 \h 169

HYPERLINK \l “_Toc6912683” Глава 20. Электробезопасность и
молниезащита зданий и сооружений PAGEREF _Toc6912683 \h 172

HYPERLINK \l “_Toc6912684” 20.1. Основные понятия PAGEREF
_Toc6912684 \h 172

HYPERLINK \l “_Toc6912685” 20.2. Защита человека от поражения
электрическим током PAGEREF _Toc6912685 \h 178

HYPERLINK \l “_Toc6912686” 20.3. Молниезащита PAGEREF _Toc6912686
\h 186

HYPERLINK \l “_Toc6912687” 20.4. Оказание первой помощи пораженному
электрическим током PAGEREF _Toc6912687 \h 187

HYPERLINK \l “_Toc6912688” Глава 21. Безопасность работы оборудования
под давлением выше атмосферного PAGEREF _Toc6912688 \h 188

HYPERLINK \l “_Toc6912689” Глава 22. Пожарная и взрывная безопасность
PAGEREF _Toc6912689 \h 192

HYPERLINK \l “_Toc6912690” 22.1. Основные понятия PAGEREF
_Toc6912690 \h 192

HYPERLINK \l “_Toc6912691” 22.2. Основные способы тушения пожаров
PAGEREF _Toc6912691 \h 195

HYPERLINK \l “_Toc6912692” Глава 23. Основные требования безопасности
к промышленному оборудованию PAGEREF _Toc6912692 \h 199

HYPERLINK \l “_Toc6912693” Глава 24. Обеспечение безопасности при
работе с компьютером PAGEREF _Toc6912693 \h 201

HYPERLINK \l “_Toc6912694” Раздел 5. Безопасность в чрезвычайных
ситуациях PAGEREF _Toc6912694 \h 204

HYPERLINK \l “_Toc6912695” Глава 25. Обеспечение безопасности
жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях PAGEREF _Toc6912695 \h 204

HYPERLINK \l “_Toc6912696” 23.1. Основные понятия PAGEREF
_Toc6912696 \h 204

HYPERLINK \l “_Toc6912697” 25.2. Классификация чрезвычайных ситуаций
PAGEREF _Toc6912697 \h 207

HYPERLINK \l “_Toc6912698” 25.3. Причины и стадии техногенных
катастроф PAGEREF _Toc6912698 \h 210

HYPERLINK \l “_Toc6912699” 25.4. Устойчивость работы объектов
народного хозяйства в чрезвычайных ситуациях PAGEREF _Toc6912699 \h
211

HYPERLINK \l “_Toc6912700” 25.5. Основные принципы и способы
обеспечения безопасности населения в чрезвычайных ситуациях PAGEREF
_Toc6912700 \h 213

HYPERLINK \l “_Toc6912701” 25.6. Ликвидация последствий чрезвычайных
ситуаций PAGEREF _Toc6912701 \h 215

HYPERLINK \l “_Toc6912702” Глава 26. Правовые и организационные
основы безопасности жизнедеятельности PAGEREF _Toc6912702 \h 217

HYPERLINK \l “_Toc6912703” 26.1. Основные законодательные документы
PAGEREF _Toc6912703 \h 217

HYPERLINK \l “_Toc6912704” 26.2. Правовые и организационные аспекты
обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях PAGEREF _Toc6912704
\h 220

HYPERLINK \l “_Toc6912705” 26.3. Организационные вопросы безопасности
труда PAGEREF _Toc6912705 \h 221

HYPERLINK \l “_Toc6912706” Библиографический список к разделам 4–5
PAGEREF _Toc6912706 \h 223

HYPERLINK \l “_Toc6912707” СОДЕРЖАНИЕ PAGEREF _Toc6912707 \h 224

PAGE

PAGE 1

(9.25)

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter