Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния теории и практики оценки экологической безопасности объектов строительства 8
1.1. Воздействие строительных объектов на окружающую среду и необходимость его оценки 8
1.1.1. Воздействие строительных объектов на окружающую среду 8
1.1.2. Природоохранное строительство в Российской Федерации 11
1.1.3. Необходимость объективной оценки воздействия строительных объектов на окружающую среду 15
1.2. Методы оценки экологической безопасности объектов строительства 15
1.2.1. Анализ научных исследований в области оценки экологической безопасности объектов строительства 15
1.2.2. Опыт применения оценки воздействия на окружающую среду в России и за рубежом 19
1.2.3. Опыт применения методологии анализа жизненного цикла (АЖЦ) в зарубежных странах 23
1.2.4. Обзор информационных технологий оценки экологической безопасности строительных объектов, основанных на методологии АЖЦ 25
1.3. Постановка задачи и методология исследования 29
1.3.1. Постановка задачи исследования 29
1.3.2. Методология исследования 30
Выводы к главе 1 32
Глава 2. Теоретические и методические основы анализа жизненного цикла и оценки экологической безопасности объектов строительства 34
2.1. Принципы интегральной оценки экологической безопасности объектов строительства 34
2.1.1. Классификация эффектов воздействия на окружающую среду при оценке экологической безопасности объектов строительства 34
2.1.2. Общая методология анализа жизненного цикла 38
2.1.3. Оценка воздействий в методологии АЖЦ 41
2.1.4. Принципы интегральной критериально- экспертной оценки экологической безопасности жизненного цикла объекта строительства 42
2.2. Определение результатов воздействий на окружающую среду 43
2.2.1. Моделирование зависимости «воздействие- последствие» 43
2.2.2. Корреляция «вред- эффект» для множественных эффектов 48
2.2.3. Выбор субъективного коэффициента взвешивания вреда 50
2.3. Методика оценки экологической безопасности жизненного цикла объекта строительства 50
2.3.1. Критерии оценки экологической безопасности 50
2.3.2. Калькуляция потенциальных воздействий 52
2.3.3. Нормализация воздействий 54
2.3.4. Взвешивание нормализованы воздействий 59
Выводы к главе 2 64
Глава 3. Информационная технология оценки экологической безопасности объектов строительства 66
3.1. Системотехническое обеспечение оценки экологической безопасности 66
3.1.1. Особенности системотехнического обеспечения оценки экологической безопасности 66
3.1.2. Предпосылки программного обеспечения информационной технологии 67
3.2. Особенности разработки информационной технологии оценки экологической безопасности 69
3.2.1. Проектирование структуры базы данных информационной технологии 69
3.2.2. Алгоритм нахождения интегральной оценки экологической безопасности 73
3.2.3. Учет условий неопределенности данных 74
3.2.4. Алгоритм расчета локальных выбросов в атмосферу 76
3.3. Реализация информационной технологии оценки экологической безопасности 81
Выводы к главе 3 84
Глава 4. Разработка информационного обеспечения оценки экологической безопасности объектов строительства 85
4.1. Общая характеристика информационного обеспечения 85
4.1.1. Структура базы данных 85
4.1.2. Определение удельных значений воздействий 87
4.2. Оценка потенциальных воздействий на окружающую среду 88
4.2.1. Парниковый эффект 89
4.2.2. Разрушение озонового экрана 91
4.2.3. Образование фотохимических окислителей 92
4.2.4. Кислотные осадки 93
4.2.5. Переудобрение 94
4.3. Оценка токсичности выбросов 96
4.3.1. Оценка токсичности для экосистем 96
4.3.2. Токсичность для человека 100
4.4. Оценка потенциального потребления первичных ресурсов 104
4.5. Оценка потенциального воздействия на производственную среду 104
Выводы к главе 4 107
Глава 5. Применение информационной технологии для анализа жизненного цикла и оценки экологической безопасности очистного сооружения 108
5.1. Исходные характеристики объекта 108
5.1.1. Назначение объекта 108
5.1.2. Технические характеристики сооружения 110
5.1.3. Технологические схемы объекта 113
5.2. Анализ жизненного цикла объекта 115
5.2.1. Определение границ рассмотрения жизненного цикла сооружения 115
5.2.2. Процедура инвентаризационного анализа жизненного цикла очистного сооружения 116
5.2.3. Оценка экологической безопасности жизненного цикла КОС 117
5.3. Интерпретация результатов анализа жизненного цикла КОС 119
5.4.Внедрение результатов исследования в учебный процесс и производство 124
Основные выводы и предложения 125
Список использованной литературы 127
- Обзор информационных технологий оценки экологической безопасности строительных объектов, основанных на методологии АЖЦ
- Проектирование структуры базы данных информационной технологии
- Оценка токсичности для экосистем
- Интерпретация результатов анализа жизненного цикла КОС
Обзор информационных технологий оценки экологической безопасности строительных объектов, основанных на методологии АЖЦ
В настоящее время трудно себе представить проектирование строительных объектов без применения средств компьютеризации. Благодаря успехам в развитии компьютерной базы и прикладного программного обеспечения информационные технологии стали широко доступны большинству потенциальных потребителей. Применение современных методов оценки воздействий на окружающую среду и анализа жизненного цикла строительных объектов также невозможно без использования информационных технологий на базе современного системотехнического (аппаратного, системного, программного, информационного) обеспечения.
Обзор рынка информационный технологий, основанных на методологии АЖЦ достаточно полно представлен в работах [73, 85, 89, 100, 102]. Следует отметить практически полное отсутствие законченных промышленных версий программных продуктов. В то же время рьюок насыщен различного рода информационными технологиями, часть из которых в той или иной мере способна решать отдельные задачи оценки жизненного цикла объектов строительства. Вообще говоря, ситуация на рынке информационных технологий анализа жизненного цикла довольно прозрачна. Самой распространенными на сегодняшний день являются инструменты для оценки жизненного цикла строительных, упаковочных и других материалов, например, программный пакет SimaPro, разработанный в Нидерландах [100]. Данная программа широко используется также в промышленном проектировании Германии, Англии и других европейских стран. Специализированные информационные технологии, предназначенные для комплексной оценки полного жизненного цикла объектов строительства пока находятся только в стенах исследовательских лабораторий или же используются для отдельных исследований реальных объектов. Ниже приведен выборочный обзор специализированных информационных технологий оценки и их краткое описание.
ATHENA (Канада) (1998). "Главная цель заключается в компьютеризации выбора строительных материалов и других альтернатив проекта с целью минимизации потенциального воздействия жизненного цикла объектов строительства на окружающую среду." [102]. Информационная технология рассчитана на проектировщиков, которые не знакомы с основами экологического проектирования и выполняющих АЖЦ для объектов строительства. Информационная технология имеет развитые базы данных для проведения инвентаризационного анализа АЖЦ для различных типов объектов. Инструмент рассчитан для проведения АЖЦ только на этапе строительства. Модуль методов оценки в настоящее время находится на этапе разработки.
ECO-QUANTUM (Нидерланды) (1998). "Информационная технология может использоваться различными участниками проекта одновременно, для обеспечения интерактивной связи между различными партнерами, разработчиками, проектировщиками и местным органам власти" [87]. Программный комплекс подобен Athena, однако базы данных охватывают полный жизненный цикл объектов. Данная технология разработана на основе программы SimaPro [100] и использует метод нормализации в качестве конечного этапа оценки экологической безопасности объектов строительства. Программный комплекс оценивает глобальные воздействия на окружающую среду и поддерживает различные модели развития глобального воздействия на окружающую среду от объектов строительства. Результаты представляются по 12 различным категориям воздействия. Технология разработана при финансовой поддержке правительства и строительной промышленности Нидерландов.
СВЕ-МЕТОД (Швеция) (1998). " Данная технология предназначена для оценки воздействия на окружающую среду по показателям: использование энергии, использование материалов, внутренняя окружающая среда, наружная окружающая среда и стоимость жизненного цикла объектов строительства." [71]. Воздействие на окружающую среду рассчитывается на основе методологии АЖЦ, и результаты оценки вычисляются на основе критериально-экспертного анализа принятия решений.
Оценка использования энергии производится только для этапа эксплуатации. Основой для расчета затрат энергии служит рассчитанный на основе проекта ежегодный баланс энергии объекта строительства. Материальные потоки вычисляются на основе средних статистических данных по различным типам объектов. Данная информационная технология оценивает потенциальное воздействия от объектов строительства, используя средние и типовые данные строительных проектов.
BEES (США) (1998). "Цель АЖЦ BEES состоит в том, чтобы произвести относительную оценку множественного воздействия на окружающую среду от альтернативных вариантов объектов строительства, основываясь на средних американских данных." [89]. Разработка BEES началась в 1994 году. Примененный подход охватывает шесть видов воздействий на окружающую среду (эффект кислотных осадков, парниковый эффект, твердые отходы, переудобрение, истощение природных ресурсов и качество воздуха внутри помещения), а также экономическую оценку жизненного цикла объектов строительства. Оценка воздействия основана на критериально-экспертном анализе принятия решений и результатом исследования является эколого-экономический профиль объекта для стандартной продолжительности жизненного цикла 50 лет.
GBTool (Канада) [88] (1998). Разработчиками данной информационной технологии была поставлена самая честолюбивая цель среди прочих. Это возможность проведения АЖЦ с учетом изменения географического месторасположения объекта. Разработка методологии оценки завершена в 1998 и включает 9 категорий: месторасположение объекта, потребление материалов, выбор материалов, строительство и эксплуатацию, потребление энергии, контроль строительства, акустическое воздействие, долговечность и моделирование входных потоков.
Программа рассчитана на проведение АЖЦ для офисов, мест автопарковок и школ.
BREEM (Англия) [69] (1996). Используя классификацию BREEM, проектировщик может значительно улучшить конкурентоспособность разрабатываемого проекта с учетом экологической устойчивости будущего здания. Инструмент оценивает глобальные и местные воздействия на окружающую среду, а также качество внутреннего климата в офисах. Оценка экологической безопасности объекта производится на 5 этапах.
Информационная технология позволяет оценивать как глобальные эффекты воздействия на окружающую среду, так и местные воздействия от объекта, в зависимости от используемого метода оценки и когда проводится данный АЖЦ - на этапе ТЭО проекта или для развития БД информационной технологии.
Инструмент позволяет получить сравнительную оценку экологической нагрузки от рассматриваемого проекта по средним данным для данного типа объекта.
ECO-PROFILE (Норвегия) (1997). "Инструмент поможет принять решение при оценке конкурентоспособности объекта строительства заказчикам, арендаторам и прочим участникам строительства. Также информационная технология позволит спроектировать экологически устойчивое сооружение на этапе ТЭО проекта." [70].
Разработка была начата в 1994 г. с целью классификации существующих типов объектов строительства. Оценка экологической безопасности включает 142 параметра, подразделенных на четыре главные категории: энергия (41), качество воздуха внутри помещения (55), загрязнение окружающей среды (55) и потребление ресурсов из окружающей среды (21). Результат оценки представляется по 6-ти бальной шкале. Показатель 6 соответствует варианту наиболее экологически устойчивого сооружения. Подход аналогичен используемому в Программе BREEAM.
Environmental status of buildings (Экологический статус объекта строительства) (Швеция) [68] (1998). Программное обеспечение предназначено для экологического аудита и оценки существующих зданий. Информационная технология рассматривает 89 параметров как для внутренней, так и для окружающей среды, а также потребление энергии и материалов. Каждый параметр оценивается по относительной 5-ти бальной шкале. Оценка сооружения может быть как "соответствующее средним требованиям" или "хорошие экологические показатели" или "экологически устойчивое". Относительная оценка 3 соответствует характеристике "соответствующее средним требованиям", в то время как 5 соответствует характеристике объекта как "экологически устойчивое". До настоящего время по данной технологии были оценены приблизительно 120 зданий. Подход построен на экспертных оценках экологической устойчивости объектов 20 главными участниками строительства (подрядчиками, проектировщиками, менеджерами и прочими) для шведских условий. Сам алгоритм оценки очень близок к информационной технологии BREEAM.
Проектирование структуры базы данных информационной технологии
Информационные технологии рассматриваемого типа принадлежат к классу технологий со сравнительно простым расчетным алгоритмом (т.е. без итерационных циклов, решения систем уравнений, трехмерного моделирования и т.д.), но с развитой системой управления базами данных и высокой интенсивностью обмена данными. В связи с этим вопросам проектирования базы данных уделялось первостепенное значение.
Разработка структуры базы данных для информационной технологии анализа жизненного цикла и оценки экологической безопасности объектов строительства преследовала цель создания компьютеризированной модели для оценки рамок воздействия на окружающую среду от объекта строительства, которая могла бы использоваться как инструмент для минимизации воздействия на окружающую среду при строительном проектировании.
Структурирование данных, согласно методологии АЖЦ, относится к этапу инвентаризации АЖЦ. Этот этап обычно проводится для трех стадий жизненного цикла объекта строительства: строительного производства, эксплуатации и утилизации и обработки отходов.
При рассмотрении возможностей для достижения устойчивой структуры базы данных для полного АЖЦ объекта строительства имеются, по крайней мере, две концептуальных модели [69]. Во-первых, это модель производственного процесса возведения объекта, и, во-вторых, соответствующий инструмент анализа, то есть формализованная и интерпретируемая модель процесса глобального воздействия на окружающую среду (рис. 3.1).
Производственный процесс создания объекта можно представить в виде сложной иерархической структуры, когда из материалов производятся изделия, которые затем соединяются с другими изделиями для достижения более сложного изделия или функции. В этой структуре функционируют материальные потоки, необходимые для выполнения строительного производства как составной части функциональной единицы объекта строительства. Так как АЖЦ является методом анализа материальных и энергетических потоков промышленного производства, поэтому не существует какого-либо концептуального различия между системой строительного производства объекта строительства и инструментом, с помощью которого система строительного производства должна быть проанализирована. Это подразумевает, что основные элементы АЖЦ (процессы и материальные и энергетические потоки) представляют собой основание для анализа воздействия на окружающую среду процессов производства, вовлеченных в этап строительного производства, эксплуатации объекта строительства и обработки отходов.
Структура базы данных (рис.3.2) разработана для выполнения трех различных функций. Первая функция состоит в организации записей данных для АЖЦ в общепринятом формате, удобном для быстрого нахождения необходимой информации. Вторая функция заключается в том, чтобы сделать структуру базы данных общей для всех данных и способной к расширению в будущем.
И, наконец, третья задача касается организации базы данных информационной технологии для строительного производства, энергии и транспортных процессов таким образом, чтобы она была непротиворечивой, последовательной, доступной для расширения пользователям, удобной для быстрого нахождения необходимого процесса инвентаризационного потока, независимой от рассматриваемого типа объекта строительства.
Развернутая схема базы данных для информационной технологии анализа жизненного цикла и оценки экологической безопасности объекта строительства представлена на рис. 3.3.
Непротиворечивость и последовательность записей в базе данных - аспекты одной и той же проблемы инвентаризационной стадии АЖЦ для конкретного процесса производства, данные которого могут неоднократно использоваться как входные данные в инвентаризации более сложных построений. Данные этапа инвентаризации АЖЦ, например, для бетона, могут использоваться как входные данные для инвентаризации комплексных железобетонных изделий. Если набор данных для бетона скопирован и объединен с данными для сложных конструкций на более поздней фазе инвентаризационного анализа, то набор данных для бетона может оказаться учтенным дважды. Эта ситуация приведет к перенасыщению данными, исходя из которого может быть получена противоречивая оценка воздействия на окружающую среду от рассматриваемых производственных процессов. Сохранив набор данных однажды и задав его связи с набором данных более сложных изделий, можно ликвидировать перенасыщение базы данных и добиться последовательности полной структуры базы данных.
Сохранив данные однократно и связав набор данных, процедура изменения набора данных становится значительно более простой задачей. Другое достоинство однократного сохранения данных - это то, что набор данных становится относительно независимым от рассматриваемого типа объекта строительства. Причина этого в том, что набор данных не объединен с инвентаризационной информацией для другого продукта.
В результате проведенных исследований разработана структура реляционной базы данных, состоящей из взаимосвязанных нормализованных таблиц. Более подробно структура базы данных описана в гл. 4.
Оценка токсичности для экосистем
Эмиссии химических веществ, выпущенные вследствие промышленной деятельности человека, являются причиной эффекта токсичности для экосистем, т.е. они влияют на функции и структуры экосистем оказывая токсичные эффекты на организмы, живущие в этих экосистемах. Если концентрация эмиссии достаточно высока, токсичные эффекты могут проявиться сразу после эмиссии вещества (острая токсичность), в других случаях -спустя некоторое время (хроническая токсичность). Токсичность для экосистем является местным воздействием на окружающую среду, поэтому на уровнях нормализации и взвешивания были использованы статистические данные для Московской области [9,14].
Классификация. Потенциальная токсичность для экосистем для среды с EPet(c) от эмиссии Qj вещества (і) определена как:
EP c EF xQj, (4.14)
где EFet(c)i- коэффициент эквивалентности для токсичности для экосистем от вещества (і) в среду (с).
Для каждого вещества рассчитывается четыре потенциальные токсичности для экосистем для различных сред окружающей среду:
EPet(wa) = Q х EFet(wa) для острой токсичности для водных экосистем;
EPet(wc) = Q х EFet(wc) для хронической токсичности для водных экосистем;
EPet(sc) = Q х EFet(sc) для хронической токсичности для наземных экосистем;
EPet(p); = Qp х EFet(p) для токсичности для экосистем от микроорганизмов, содержащихся в сточных водах канализационных очистных сооружениях (КОС),
где EPet - потенциальная токсичность для экосистем для одной из сред окружающей среды (воды, почвы или КОС), определенная умножением количества эмиссии вещества на коэффициент эквивалентности EF для эмиссии в соответствующую среду. Потенциальная токсичность для экосистем измеряется в кубических метрах (м ) среды и соответствует объему среды, которая разбавляет эмиссию, для получения концентрации вещества настолько низкой, чтобы эффект токсичности, ожидаемый от эмиссии, не проявился.
Коэффициент эквивалентности определен произведением трех коэффициентов, которые представляют дисперсию вещества в окружающей среде, его экотоксикологи-ческие характеристики и его биодеградационное воздействие на окружающую среду. Для расчета коэффициента эквивалентности, прежде всего, необходимо:
Определить часть (f) эмиссии, которая достигает различные среды окружающей среды после дисперсии;
Рассчитать коэффициент токсичности для экосистем (ETF), представляющий потенциальную токсичность вещества для экосистем для трех сред;
Определить коэффициент биодеградации (ВЮ) для рассматриваемого вещества.
Коэффициенты эквивалентности токсичности для экосистем зависят исключительно от характеристик вещества (рис.4.2). Они совершенно не зависят от условий, при которых производится эмиссия. Поэтому коэффициенты были взяты из работ [73,106].
Таблица П.2.1 представляет коэффициенты эквивалентности EF примерно для 70 соединений, выпускаемых в воздух, воду или почву [73,106].
Для полного жизненного цикла объекта строительства потенциальная токсичность для экосистем для среды с EPet(c) равна сумме потенциальных токсичностей эмиссий веществ, выброшенных в результате всех производственных процессов жизненного цикла
Нормализация. Текущие эмиссии для характерного 1990 года использованы для расчета нормализованных потенциальных воздействий в эффекте токсичности для экосистем. Потенциальное воздействие текущих эмиссий выражено в человеко-эквиваленте, т.е. в среднем воздействии жителя Московской области, т.к. эффект токсичности для экосистем является местным эффектом.
В нормализационных характеристиках рассматриваются следующие текущие эмиссии:
Токсичность для водных экосистем:
Токсичные эмиссии от различных типов производств;
Загрязнение металлами и синтетическими моющими средствами от КОС;
Осадок металлов из воздуха, выпущенных при производстве электроэнергии;
Осадок диоксидов из воздуха, выпущенных при сжигании отходов;
Другие водные эмиссии свинца, кадмия и ртути.
Токсичность для наземных экосистем:
Использование пестицидов в сельском хозяйстве;
Распространение металлов и синтетических моющих средств от КОС;
Осадок металлов из воздуха, вьшущенных при производстве электроэнергии;
Осадок диоксидов из воздуха, выпущенных при сжигании отходов;
Другие эмиссии свинца, кадмия и ртути в почву.
Обработка сточных вод КОС:
Металлы в сточных водах КОС;
Синтетические моющие вещества в сточных водах КОС.
Потенциальное воздействие целевых эмиссий выражено как экологическое воздействие, которое может причинить в среднем каждый человек, если будет достигнута цель непревышения текущей емкости (или цель устойчивого воздействия на окружающую среду).
Рассчитаны четыре потенциальные токсичности для экосистем: для острой и для хронической токсичности для водных экосистем, для хронической токсичности для наземных экосистем и для токсичности для экосистем от твердого осадка КОС. Эти четыре потенциальных воздействия не могут быть суммированы между собой для получения единого потенциального воздействия, потому что они выражены как объемы различных сред. Поэтому, необходимо рассчитать четыре нормализационные характеристики, соответствующие четырем потенциальным токсичностям для экосистем.
Все потенциальные токсичности для экосистем выражены на этапе нормализации как человеко-эквиваленты и представлены в таблицах П.2.2- П.2.4.
Результирующие нормализационные и взвешенные характеристики для экотоксичности, а также целевые сокращения представлены в таблицах 4.1, П.2.5 - П.2.7.
Интерпретация результатов анализа жизненного цикла КОС
Проанализируем указанные воздействия более подробно по всем 4 схемам (рис. 5.7-5.10, табл. 5.10-5.14).
Как видно из нормализованного экологического профиля (рис. 5.7), технологическая схема 3 очистного сооружения имеет самые высокие эко-индикаторные оценки по эффектам: NP (переудобрение), ЕСА (токсичность для водных экосистем) и FW (образование конечных отходов) и наибольшее воздействие на окружающую среду оказывает процесс насыщения кислородом сточных вод (нитрофикация).
На основании анализа профиля экологической безопасности сделан вывод об актуальности реализации данного проекта КОС, т.к. воздействие на окружающую среду "нулевого" варианта (отказа от строительства) значительно превышает воздействия, которые будут иметь место при реализации любой из проектной альтернатив объекта. Профиль экологической безопасности позволил выявить эффекты воздействия на окружающую среду (переудобрение, образование твердых отходов и токсичность для водных экосистем), которые представляют наибольшую экологическую опасность на протяжении всего жизненного цикла объекта. Выявлен явно преобладающий экологический риск от реализации варианта 1. Наиболее экологически безопасными являются схемы 3 и 4.
На основе вышерассмотренной оценки экологической безопасности канализационного очистного сооружения сделан вывод о принятии к реализации альтернативы 3, как имеющей наименьшие экологические индексы по большинству рассмотренных эффектов воздействия на окружающую среду и являющейся наиболее экологически устойчивой на протяжении всего своего жизненного цикла. В данном примере проведение IV уровня оценки не обязательно, так как очевидность лучших экологических показателей схемы 3 выявлена на III уровне оценки (по экологическому профилю).
Информационная технология анализа жизненного цикла и оценки экологической безопасности строительных объектов позволила выявить конкретные технологические процессы и этапы жизненного цикла строительного объекта, которые оказывают наибольший вклад в эффекты переудобрения, образования твердых отходов и токсичности для водных экосистем (рис.5.9- 5.10).