УДК 504.064.2

 

Б.С.ДОБРОБОРСКИЙ

 

СПОСОБ  ОБЪЕКТИВНОЙ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ

 

       Состояние вопроса

       Одной из наиболее актуальных задач современной экологии является решение проблемы количественной оценки общей экологической обстановки.  Традиционно экологическая обстановка определяется степенью  соответствия  входящих  в нее физико-химических  параметров предельно-допустимым нормам и концентрациям по каждому  параметру отдельно.

       В качестве примера в таблице 1 приведена выдержка из данных по предельно-допустимым концентрациям химических веществ в питьевой воде по различным стандартам.

                                                                                                                                       Таблица 1

Некоторые предельно-допустимые концентрации химических веществ в питьевой воде

                                                                                               

       Как видно из таблицы 1, в действующих нормативных документах, как российских, так и международных,  не учитываются  взаимные влияния  одновременного присутствия различных химических элементов. Это очень важный момент, так как в этих случаях  часто наблюдается их потенцирующее вредное влияние на живые организмы. Однако данные о взаимных влияниях различных химических веществ нормативными документами не регламентируется, так как  считается абсолютно невозможным учесть все огромное число сочетаний параметров экологической обстановки, встречающейся в природе.

       Аналогичный подход к нормированию  реализован и применительно к другим факторам экологической обстановки.

       Кроме того, сложность решения проблемы количественной оценки общей экологической обстановки  усугубляется еще и тем, что различные параметры экологической обстановки имеют разные единицы измерения и потому несоизмеримы  между собой.

       Для ее решения  применяют различные системы баллов, как правило, не обоснованные метрологически, как, например,  это видно из таблицы 1, в которой  предусмотрены показатели вредности и класс опасности.

       Целью настоящей работы является разработка способа объективной  количественной оценки региональной  экологической обстановки.

       Указанная цель достигается  использованием для решения поставленной задачи способа оценки воздействия на живые организмы различных нагрузок, основанном на измерении времени восстановления функциональных сдвигов, вызванных этими нагрузками, по параметру, получившему наименование «Эргоемкость» [1,c.12-15; 3].         

       Для достижения указанной цели в настоящей работе были проведены следующие исследования:

1.      Анализ динамических характеристик показателей региональной  экологической обстановки.

2.      Определение критериев для объективной интегральной количественной оценки экологической обстановки.

3.      Анализ основных закономерностей  изменений составляющих  экологической обстановки и вызванных ими функциональных сдвигов.

4.      Анализ методики определения  эргономического показателя эргоемкость

5.      Исследование возможности  количественной оценки региональной экологической обстановки с использованием показателя эргоемкость.

6.      Разработка методики определение экологической обстановки по параметру эргоемкость.

7.      Анализ определения интегральной количественной оценки региональной экологической обстановки.

       

1.      Анализ динамических характеристик показателей региональной  экологической обстановки

       Региональная экологическая обстановка, как правило, характеризуется  определенным набором разнообразных экологических показателей, средние значения параметров и свойств которых не меняются или меняются медленно на протяжении длительного времени. При этом в регионе создается  и сохраняется соответствующая среда обитания.   Однако мгновенные экологические показатели экологической обстановки непрерывно меняются.

       Закономерность этих изменений имеет периодические и случайные составляющие, зависящие, например, от  положения Земли относительно Солнца,  метеоусловий и др..    

       По своему характеру закономерности изменений значений экологических показателей  могут быть разделены на следующие группы:

1.   Периодические естественные суточные колебания;

2.   Периодические естественные годовые колебания;

3.   Периодические техногенные суточные колебания;

4.   Периодические техногенные недельные колебания;

5.   Периодические техногенные годовые колебания;

6.   Случайные естественные суточные процессы;

7.   Случайные естественные годовые  процессы;

8.   Случайные техногенные суточные процессы;

9.   Случайные техногенные недельные процессы;

     10.   Случайные техногенные годовые процессы.  

 

       Для количественной оценки закономерностей  изменений значений экологической обстановки необходимо провести соответствующий  анализ источников экологических показателей для определения перечня параметров, характеризующих экологическую обстановку, значение этих параметров и время их действия.

       Эти  данные необходимы в первую очередь для рационального планирования исследований, в частности выбора времени проведения исследований, выбора основных методик и аппаратуры и др., а также для определения вероятности  и продолжительности экстремальных экологических ситуаций и определения степени их опасности.   

         

2.      Определение критериев для объективной интегральной количественной оценки экологической обстановки.        

       Как уже указывалось выше, для количественной оценки региональной экологической обстановки   используются различные безразмерные критерии: баллы, показатели опасности и т.д.  Такие способы количественной  оценки экологической обстановки являются весьма условными, субъективными, не обеспеченными метрологически.

       Поэтому для объективной количественной характеристики региональной экологической обстановки по ее воздействию на живые организмы рассмотрим возможность применения показателя «Эргоемкость», обеспечивающего объективную количественную оценку воздействия на организм человека различных нагрузок при эргономических и гигиенических исследованиях.   

       Этот параметр, а также параметр «Удельная эргоемкость» были впервые предложены в 1997 году для количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок  со следующими определениями [ 1,с.12-15; 3 ]:

 

        

 

       Удельная эpгоемкость определяется из следующего выpажения:

 

       Особенностью  эргономического показателя эргоемкость является то, что он обеспечивает соизмеримость различных по природе и  единицам измерения  физических, химических  и прочих факторов по их воздействию на живой организм, а также соизмеримость различных функциональных  сдвигов живых организмов, так как оценка всех этих факторов производится по критерию времени.

       Для определения эргоемкости проводится сравнительный анализ и анализ закономерностей изменения функциональных сдвигов организмов до и после воздействия нагрузок любого характера.

       В связи с большой сложностью математических вычислений при определении показателя эргоемкость для этого была разработана специализированная компьютерная программа «Loqus 97», впоследствии    усовершенствованная   и   используемая  в  настоящее время  в версии «Loqus 2003.1».

       В связи с этим все дальнейшие рассуждения будут происходить исключительно с использованием показателя эргоемкость, не требующего учета характера и особенностей  воздействия параметров экологической обстановки на живые организмы.

 

3.      Анализ основных закономерностей  изменений составляющих  экологической обстановки и вызванных ими функциональных сдвигов

3.1. Анализ периодических составляющих экологической обстановки.

       Периодические естественные суточные и годовые колебания параметров экологической обстановки в основном связаны с вращением Земли вокруг оси и Солнца.

       Периодические техногенные колебания параметров экологической обстановки связаны с режимом работы источников техногенных колебаний экологической обстановки, в основном имеющих суточный и недельный характер, например  промышленных предприятий.

       Таким образом, периодические колебания экологической обстановки  в основном имеют три основных периода: сутки, неделя и год.

       Эти периодические колебания, в свою очередь, вызывают в живых организмах соответствующие периодические функциональные сдвиги с теми же периодами.

       На рисунке 1 показаны типовые периодические функциональные сдвиги у водителей общественного транспорта [ 2.с.132; 4.с.61-63 ].              

 

 

       Эти периодические процессы функциональных сдвигов могут быть достаточно точно описаны с помощью рядов Фурье:

 

       Поскольку один год содержит 365 суток,  а одна неделя содержит семь суток, уравнение (2) перепишем в виде:

 

 

                                                                                                            

       На рисунке 2 приведен пример результатов спектрального анализа периодических колебаний функциональных сдвигов у водителей общественного транспорта, приведенных выше на рисунке 1.      

 

       Как видно из рисунка 2, в спектре  доминируют  члены ряда, кратные одним суткам и одной неделе.

 

3.2.  Анализ случайных  составляющих  экологической обстановки

       При случайных ( непериодических ) изменениях  экологической   обстановки функциональные сдвиги также имеют непериодический характер.  Общая закономерность функциональных сдвигов при воздействии непериодической (одиночной) нагрузки и их восстановлении имеет  вид, показанный на рисунке 3 [ 5 ].      

 

 

       В общем  случае  закономерность   восстановления  функционального сдвига может быть

описана формулой:

 

 

       Вероятность случайных процессов, вызванных  естественными источниками, обычно исследуется путем длительных наблюдений, в то время как случайные процессы, вызванные техногенными источниками, могут быть с достаточной точностью рассчитаны.

       Таким образом,  характер закономерности изменений функциональных сдвигов живых организмов в общих чертах определяется  закономерностью изменений параметров экологической обстановки и также содержит периодические и случайные составляющие, которые могут быть проанализированы с помощью соответствующих математических аппаратов. 

 

4.      Методика определения значения эргономического показателя эргоемкость

       Как было указано выше, эргономический показатель эргоемкость предназначен для  объективной количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок.

       Для определения значения показателя эргоемкость при исследованиях воздействия различных нагрузок на организм человека используется следующая методика [3]:

       В зависимости от характера нагрузок предварительно определяют функциональные  сдвиги    организма     человека,    вызываемые   этими    нагрузками,   и    из   них   выбирают

функциональные сдвиги, восстанавливающиеся после снятия нагрузок наиболее медленно.

       Затем, в процессе эксперимента, измеряют исходные (до воздействия нагрузок) значения физиологических и психологических показателей.

       После выполнения определенного объема работ в условиях отдыха вновь измеряют значения физиологических и психологических показателей, изменившихся в результате испытанных организмом человека нагрузок, и затем с заданным периодом в течение некоторого времени контролируют процесс восстановления функциональных сдвигов.

       По полученным результатам скорости восстановления функциональных сдвигов вычисляют время их  восстановления – определяют значения эргоемкости и удельной эргоемкости.

       Однако при вычислении значений эргоемкости и удельной эргоемкости имеется ряд проблем, связанных с тем, что закономерность восстановления функциональных сдвигов имеет экспоненциальный  характер, в результате чего определить точное время восстановления функциональных сдвигов представляется достаточно сложной задачей.        

       Эту задачу удалось решить лишь путем использования специфических физиологических свойств живых организмов, включая и организм человека, в частности  биохимических реакций.

       В результате для оперативных вычислений значений эргоемкости и удельной эргоемкости были разработаны упомянутые выше специализированные компьютерные программы «Loqus 97» и ее улучшенная версия «Loqus 2003.1».                   

       Компьютерная программа «Loqus 2003.1» производит математический анализ закономерности изменений функциональных сдвигов, вызванных различными нагрузками, как физическими, так и психологическими, в процессе работы человека, по полученным результатам экспериментов на добровольцах.

       В ней предусмотрен анализ шести выбираемых произвольно наиболее выраженных физиологических функциональных сдвигов, связанных со спецификой нагрузки, определяемыми исследователем, и двух психологических тестов по показателям «Внимание»  и «Устойчивость».

       Компьютерная программа выполняет следующие расчеты:

1.      Определение эргоемкости каждого из восьми функциональных сдвигов;

2.      Определение процентного распределения эргоемкостей функциональных сдвигов;

3.      Определение общей эргоемкости;

4.      Определение удельной эргоемкости.   

       Как видно из изложенного, кроме определения общей и удельной эргоемкости, количественно характеризующих величину нагрузок, воздействующих на организм человека, благодаря решению проблемы соизмеримости различных нагрузок и различных функциональных сдвигов, определение процентного распределения эргоемкостей функциональных сдвигов  позволяет выявить наиболее нагруженные органы и системы человека, а отсюда и  источники этих нагрузок.

       Это, в свою очередь, позволяет найти наиболее эффективные пути улучшения условий труда и экологической обстановки.

       Принципы, заложенные в компьютерную программу «Loqus 2003.1» и методика расчетов эргоемкости и удельной эргоемкости могут быть использованы  и при оценке региональной экологической обстановки путем  определения эргоемкостей различных  видов живых организмов, так как физиология изменений функциональных сдвигов у человека и других живых организмов и методы их измерений не имеют принципиальных отличий. Для этого потребуется ввести в компьютерную программу лишь некоторые изменения, предусматривающие расширение ее возможностей.

 

       5. Особенности количественной оценки региональной экологической обстановки

           с использованием  показателя эргоемкость

       Как было показано выше, при определении значения эргоемкости для оценки воздействия на организм человека различных нагрузок при эргономических или гигиенических исследованиях в качестве критерия используется время восстановления  функциональных сдвигов, вызванных этими нагрузками,  в процессе отдыха. Причем для осуществления отдыха необходимо создать определенные стандартные условия.

       При  количественной оценке воздействия на виды живых организмов параметров экологической обстановки  по показателю эргоемкость в качестве критерия также используется время восстановления функциональных сдвигов и в качестве условий для отдыха должны создаваться условия, также соответствующие некоторой стандартной экологической обстановке.

       В данном случае определение стандартных условий экологической обстановки имеет принципиальное значение, так как от этого зависят  все последующие результаты исследований. 

       Учитывая, что средние значения основных параметров экологической обстановки в основном постоянны или меняются с незначительной скоростью, примем, что  стандартная экологическая обстановка – это обстановка, содержащая  наиболее вероятную среднестатистическую совокупность условий внешней среды региона, к которой адаптированы живущие  в нем виды и  при которых обеспечивается   их устойчивое биологическое равновесие.

 

       6. Методика определения   экологической обстановки по параметру эргоемкость

       Как известно, каждый вид живых организмов, постоянно живущих в  определенной экологической зоне, в силу своих биологических различий требует разных значений экологической обстановки. Кроме того, практически каждая особь внутри вида также имеет свои биологические различия и свои требования к  экологической обстановке.

       Разброс требований особей каждого вида к экологической обстановке по показателю эргоемкость в общем случае подчиняется закону нормального распределения плотности вероятности, показанный на  рисунке 4, то есть он является достаточно конкретным и может быть достаточно хорошо описан математически.

 

 

       Поэтому  определение биологического состояния организмов каждого вида при стандартных условиях экологической обстановки должно производиться отдельно  путем персональных исследований, так как каждый из видов имеет свои статистические распределения физиологических особенностей применительно к тем или иным условиям экологической обстановки  и относительно них у каждого вида будут свои статистические особенности функциональных сдвигов и свое статистическое распределение  эргоемкости.  При этом необходимо учитывать  свойства адаптации и другие свойства живых организмов.

       Методика такой оценки в общих чертах заключается в следующем:

       Проводят измерения закономерностей изменений функциональных сдвигов исследуемого вида в исследуемой экологической обстановке и устанавливают основные функциональные сдвиги, вызванные этой обстановкой.  

       Затем исследуемый вид помещают  в условия стандартной экологической обстановки и анализируют процесс восстановления этих функциональных сдвигов.

       Полученные данные обрабатывают с помощью компьютерной программы «Loqus 2003.1», в результате чего определяют количественную оценку исследуемой экологической обстановки для исследуемого вида, выраженную в эргоемкости.

       Аналогичным образом получают данные об эргоемкости для каждого вида, живущего в исследуемом экологическом регионе, которые помещают в базу данных.

       Таким образом, полученные результаты исследований воздействия региональной экологической обстановки на виды представляют собой набор значений эргоемкостей видов, живущих в исследуемом регионе. На рисунке 5 в качестве иллюстрации показан пример гистограммы, отражающей результаты оценки региональной экологической обстановки для некоторых видов домашних животных.

 

 

       Как видно из гистограммы, при данной экологической обстановки в исследуемом регионе в наилучшем положении находятся свиньи, а в наихудшем – овцы, причем экологическая обстановка для свиней на 92% лучше, чем для овец.  При значительном числе поголовья овец в данном случае целесообразно выяснить причины испытываемого ими дискомфорта и в случае экономической целесообразности принять необходимые меры для улучшения экологической обстановки.

 

       7. Анализ определения интегральной количественной оценки региональной     

           экологической обстановки

       Как было показано выше, оценка региональной объективной экологической обстановки  с использованием показателя эргоемкость представляет собой набор значений эргоемкости для каждого вида, живущего в исследуемом регионе.

       Однако определенный интерес представляет собой интегральная количественная оценка экологической обстановки, которая могла бы быть оценена одним числом.

       Эта проблема достаточно легко решается с  использованием значений эргоемкости для каждого вида  в зависимости от конкретно поставленной задачи благодаря тому, что при использовании параметра эргоемкости, как уже было указано выше, снимается проблема соизмеримости параметров экологической обстановки и показателей функциональных сдвигов. В частности, экологическая обстановка может быть оценена по критериям наибольшей средней или минимальной эргоемкости, различным значениям эргоемкости по отношению к биомассам и др. 

 

       Выводы

                   

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК