БЖД - Учебники на русском языке - Скачать бесплатно

• ЭСХД в приватизации. В Государственной программе приватизации государственных и муниципальных предприятий в РФ указывается порядок учета экологического фактора, условий безопасного ведения работ на химически опасных, взрыво-, пожаро- и токсикоопасных объектах. Предусматриваются экологический аудит, планы приватизации, требования по экологической санации предприятий;
• ЭСХД в инвестиционной деятельности. При оценке целесообразности инвестирования в тот или иной проект финансовые организации обязательно рассматривают экологическую составляющую данного проекта. С 1984 г. Всемирный банк требует проведения экологической оценки финансируемых им проектов. Европейский банк реконструкции и развития также имеет аналогичные процедуры. В процедуре обоих банков проведение экологической оценки инвестиционного проекта и подготовка соответствующей документации есть обязанность тех, кто предлагает данный проект для инвестирования.
Экологический менеджмент предполагает, что предприятие и его продукция определяют структурную связь между ними и ОС. Если предприятия не станут экологически безопасными, то проблема экологической безопасности не сможет быть решена.
Совокупность управленческих, технологических, финансово-экономических мероприятий, направленных на снижение давления предприятий на ОС (в рамках восстановления ее качеств) при сохранении целей производства, составляет экологизацию экономики.

6.8. Экологический менеджмент на предприятии

Экологический менеджмент на предприятии – это система управленческих рычагов, обеспечивающая эффект в области допустимых темпов экономического развития в рамках допустимого давления на ОС [13].
Выделим следующие три стадии экологического менеджмента.
• Выбор. На этой стадии при решении о строительстве нового предприятия, реконструкции или модернизации старого необходимо соблюдение принципа экологизации экономики производства. Здесь предусматривается разработка схемы безопасности продукции всего жизненного цикла.
• Моментальный анализ подразумевает моментальное тестирование выбираемой модели производства из многочисленных вариантов уже имеющихся проектов. Моментальный анализ – это таблица или матрица с набором соответствующих параметров, анализ которых (в баллах) позволит сделать предварительный выбор направления дальнейшей деятельности по созданию, реконструкции или модернизации.
• На предпроектной стадии данные моментального анализа преобразуются в программу действий по формированию экологического бизнес-плана. Бизнес-план исследует сильные и слабые стороны предприятия, а также открывающиеся возможности и опасности.
Важнейшая задача экологического менеджмента состоит в предотвращении угрозы для ОС, в возможности роста предприятия. Принцип менеджера-эколога заключен в девизе: затраты на ОС должны окупаться!
Выгодность рационального и сбалансированного природопользования для предприятия реализуется через экономические выгоды: а) снижение издержек в результате экономии природных ресурсов, рециркуляции, переработки отходов, снижение платежей за штрафы; б) рост доходов за счет «зеленых» товаров, конкуренции, новых рынков сбыта; стратегические выгоды: имидж предприятия, рост производительности труда, выполнение экологических требований без излишнего напряжения.

6.9. Структурная перестройка и экологизация экономики

В условиях перехода России к рыночным отношениям менеджер-консультант по экологическим вопросам должен знать, что устаревшие технологии, являющиеся основным источником загрязнения ОС, обычно наиболее энергоемки, требуют использования дефицитных невозобновляемых ресурсов, характеризуются опасными отходами, поэтому их применение должно сдерживаться будущими расходами на охрану ОС [13].
В условиях рыночной экономики новые технологии, обеспечивающие значительно меньшее давление на ОС, более предпочтительны, конкурентоспособны, не вступают в конфликт с властями и быстро захватывают рынки.
Структурная перестройка экономики должна проводиться в условиях изменения законодательства в области экологизации экономики, т.е. ужесточения госстандартов технологических процессов, во взаимодействии не только с ОС, но и с определением целей производства, обеспечивающих восстановление качества среды обитания, получение продукции, которая бы не наносила ущерба природным объектам в течение всего жизненного цикла.
Экологически ориентированное управление производством представляет собой систему планирования и контроля на разных этапах: 1) составление производственной программы. Если это новое предприятие, то программа предусматривает последовательность соблюдения стадий проектирования, экспертизы, получения разрешительной документации и т.д. Если модернизируется старое предприятие, речь идет о снятии с производства экологически вредной продукции, замене устаревшего оборудования и старой технологии на новую; 2) календарное планирование подготовки и проверки состояния работы оборудования; 3) производственный контроль; 4) Планирование и контроль качества.
При реализации менеджмента на уровне проектирования проектанты невысокой квалификации, идущие на поводу у недальновидного руководства, стремятся скрыть возможные последствия воздействия предприятия на ОС. Такие проекты обычно выглядят громоздкими, мероприятия по выполнению экологических требований, как правило, заимствуются из старых проектов. Это просматривается уже в отсутствии анализа действующих моделей производства. Проектанты высокой квалификации обычно создают гармоничный документ, в котором проблемы охраны ОС выглядят обоснованно и реалистично. Решение этих проблем обосновывается неоднократным проигрыванием возможных сценариев обострения возникающих ситуаций с подбором для каждой оргтехмероприятий, подкрепленных финансово-экономическими расчетами.
На стадии проектирования важно не обещать и не принимать на себя обязательств, которые не могут быть выполнены; не строить благополучия за счет здоровья окружающих. При строительстве Ростовской АЭС не был учтен международный подход к строительству подобных объектов. Население недостаточно информировалось на стадиях принятия решения, предпроектных испытаний, проектирования и строительства АЭС. Оно было мало осведомлено о возможных вариантах улучшения социально-экономической ситуации в случае строительства этого объекта. Чернобыльский синдром заслонил перед обывателем все, оставив его наедине с последствиями, о которых он хорошо осведомлен из СМИ. В то же время проектирование и строительство Северной ТЭЦ в Москве проходило в условиях широкой гласности, и успешная реализация проекта позволила существенно улучшить энергоснабжение огромной территории города.
Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) проводится при возникновении угрозы значительного экологического ущерба и используется для прогноза таких последствий, а также нахождения способов снижения отрицательных воздействий предприятия на ОС.
Содержание экологического менеджмента на предприятии включает также экологическую экспертизу, сущность которой рассмотрена выше.
Экологические проблемы регионов не могут быть решены из центра. Но центр может финансово-экономической политикой стимулировать или давление на ОС, или бережное отношение к природе и ресурсам. Однако экологическая безопасность регионов осуществляется на предприятии, поэтому чрезвычайно важна оценка действующего проекта – экологический аудит (см. гл. 7).
Важнейшей мерой экологического контроля на предприятии является экологическая ревизия. Она предусматривает систематическую документально подтверждаемую оценку руководства предприятия с экологических позиций. Достигается это созданием системы экологического контроля на предприятии.
Крупные предприятия могут создать у себя экологическую службу высокого уровня, что требует больших расходов, которые чаще всего окупаются и приносят экономический эффект. Средние предприятия могут содержать специалиста в ранге менеджера-консультанта по экологическим вопросам. Крупные вопросы экологического аудирования решаются обращением к аудиторским, консультативным, инжиниринговым фирмам.
Мелкие предприятия вынуждены прибегать к услугам соответствующих фирм или решать экологические проблемы на свой страх и риск.
Главная задача аудита – не наказание, а поиск возможностей избежать последствий загрязнения ОС, которые могут привести предприятие не только к потере части прибыли, но и к закрытию производства.
Аудиторская деятельность оплачивается предприятием, которое подвергается проверке.
Менеджер-консультант по экологическим вопросам должен действовать исходя из целей:
1) защитить и сохранить ОС;
2) обеспечить здоровье людей в рамках производства и ближайшего окружения;
3) экономно и сбалансирование расходовать природные ресурсы.
Менеджер-консультант, полностью отвечающий за экологическую безопасность на предприятии, подчинен непосредственно директору и не может быть включен в штат службы главного инженера в качестве инженера по технике безопасности.

6.10. Источники финансирования природоохранной деятельности

В условиях реструктуризации экономики изменяется и структура финансирования предприятий в части природоохранной деятельности – увеличивается использование средств самого предприятия на решение собственных экологических проблем при сокращении бюджетных ассигнований.
Естественно, в финансировании природоохранной деятельности большую роль играют бюджеты всех уровней. Главное в использовании средств бюджета – участие предприятий в реализации крупных экологических программ федерального, республиканского или муниципального уровней.
Внебюджетное финансирование производится из внебюджетных государственных экологических фондов, система которых создана в 1992 г. Фонды формируются из средств, поступающих от предприятий, учреждений, граждан в качестве платы за загрязнения ОС, штрафов по искам о возмещении вреда и т.д.
Средства экологического фонда распределяются следующим образом: 60% – на реализацию природоохранных мероприятий местного значения; 30% – областного и 10% – федерального. Формирование фондов напрямую зависит от уровня поступления средств за нарушение природоохранной деятельности.
Средства предприятия, используемые на охрану ОС, могут быть получены путем:
• применения более дешевых ресурсов;
• снижения энергетических затрат на единицу продукции;
• внедрения современных ресурсосберегающих технологий;
• экологизации производства, результатом которой является получение экологически чистой продукции, повышающей конкурентоспособность предприятия;
• переработки отходов и т.п.
Важным условием достижения цели экологического менеджмента служит финансовый анализ деятельности предприятия – анализ финансовой рентабельности, потребностей в финансировании и возмещения затрат.
Важнейшим источником средств при экологизации производства является полный учет интересов охраны ОС при разработке проектно-сметной документации.
Главный вопрос – где взять деньги для новейших технологий и выпуска высококачественной продукции? Международный и российский опыт переходной экономики дает шанс получить средства путем:
• приватизации;
• продажи части природных ресурсов;
• сдачи во временную аренду помещений, которые не могут на ближайшую перспективу участвовать в модернизации производства;
• принятия решений лучшими конструкторско-технологическими силами для модернизации предприятия.
Экологизация производства заставляет руководство предприятием искать все возможные варианты сокращения издержек, связанных с давлением на ОС.

Контрольные вопросы
1. Что такое экологический менеджмент?
2. Как вы понимаете термин «устойчивое развитие»?
3. Что такое экологическая безопасность?
4. Как формируются механизмы природопользования в рыночной экономике?
5. Дайте определение рыночных и нерыночных ценностей.
6. Что нового вы видите в оценке стоимости биотических компонентов, предложенной В.Н. Большаковым?
7. Сформулируйте цель экологической экспертизы.
8. Назовите принципы экологического сопровождения хозяйственной деятельности.
9. В чем суть экологического менеджмента на предприятии?
10. Как вы понимаете задачи экологизации экономики в период структурной перестройки?
11. Каковы источники финансирования природоохранной деятельности?

Глава 7. Экологический маркетинг

7.1. Маркетинговый механизм управления охраной окружающей среды

Аспекты экологически ориентированного маркетинга в мировом сообществе связаны с быстрым развитием технологий и процессов, снижающих воздействие на окружающую среду, а также с ускоренным формированием рынка экологических услуг, который, естественно, требует соответствующего развития маркетинговых средств управления. К основным маркетинговым направлениям в этой области следует отнести:
• формирование финансовых структур поддержки экологических действий;
• экологическую оценку (аудит) уровня воздействия на окружающую среду;
• экологическое страхование действий компаний;
• изменение форм отчетности деятельности производителей;
• новые формы рекламы;
• формирование новых принципов торговли (например, продажа экологически чистых продуктов).
Маркетинговый механизм управления охраной окружающей среды основан на типологии рыночных методов. В настоящее время известны следующие основные группы методов управления:
• административное регулирование – введение соответствующих нормативных стандартов и ограничений, которые должны соблюдать фирмы-производители, а также осуществление прямого контроля и лицензирования процессов природопользования;
• экономические стимулы, направленные на то, чтобы заинтересовать фирму-производителя в рациональном природопользовании;
• система платежей за загрязнение и экологических налогов;
• распределение прав на загрязнение и компенсационные платежи.
Данные методы необходимо использовать на различных стадиях маркетингового процесса, воздействующего на окружающую среду. Это воздействие зависит от состава первичных ресурсов, специфики производственного процесса и применяемых природоохранных технологий, формирующих выбросы в окружающую среду.
Особая роль здесь отводится платежам и налогам за загрязнение. Они представляют собой косвенные рычаги воздействия и выражаются в установлении платы за выбросы или сбросы, за использование первичных ресурсов, конечную продукцию или технологию. Плата должна соответствовать социально-экономическому ущербу от загрязнения или определяться по какому-либо другому показателю (например, экономической оценке ассимиляционного потенциала природной среды). Налоги на загрязнение и платежи предоставляют максимальную свободу загрязнителю в выборе стратегии сочетания степени очистки и платы за остаточный выброс. Если природоохранные издержки низки, то фирма значительно сократит выбросы, вместо того чтобы платить налог. Предполагается, что она может сократить их до оптимального уровня, когда прирастающие затраты на добавочную очистку становятся равными ставке платежа.
Пользователь какого-либо ресурса платит за него так же, как за приобретаемое сырье, электроэнергию и т.д.
Платежи пользователей на покрытие административных расходов могут включать плату за получение разрешения или лицензии, а также другие номинальные платежи, соответствующие величине выбросов и покрывающие издержки на раздачу разрешений и лицензий. Эти платежи в целом меньше платежей за загрязнение и имеют ограниченное воздействие на уровень выбросов фирмы. Скорее всего, их надо рассматривать как лицензионный сбор, который сопровождается выдачей лицензии.
Субсидии представляют собой специальные выплаты фирмам-загрязнителям за сокращение выбросов. Среди субсидий наиболее часто встречаются инвестиционные налоговые кредиты, займы с уменьшенной ставкой процента, гарантии займов, обеспечение ускоренной амортизации природоохранного оборудования, средства на регулирование цен первичных ресурсов и конечной продукции.
Если считать, что права собственности на окружающую среду принадлежат всему обществу в целом, то фирмы-загрязнители должны нести обязательную ответственность за причиненный ущерб. Если налог на загрязнение или плата за выбросы отражают предельный ущерб, определенный до акта выброса, то в системе обязательной ответственности за ущерб плата рассчитывается по факту выброса (после него) конкретно для каждого случая. Иначе говоря, нанесшая ущерб фирма обязана либо каким-то образом его компенсировать, либо провести очистку нарушенного природного объекта, либо выплатить компенсации пострадавшим, либо сделать еще что-то. С этой целью оформляются специальные документы, закрепляющие обязательства на осуществление природоохранной деятельности под соответствующий залог.
Данный подход особенно эффективен, если число загрязнителей и их жертв ограничено, а размер загрязнения и его состав легко отследить. Необходимо различать аварийные выбросы и восстановление экосистемы после осуществления определенной деятельности (рекультивация земель).
В первом случае фирма может лишь прогнозировать будущий ущерб и принимать все меры, чтобы его не допустить. Но если такой ущерб будет нанесен, виновник полностью компенсирует его. В качестве гарантий здесь могут выступать активы фирмы, в том числе страховой полис и т.п.
Во втором случае примерные масштабы будущего ущерба известны, если речь идет, например, о добыче полезных ископаемых. В качестве гарантий здесь выступает денежный депозит, вносимый фирмой. Если она сама проведет рекультивацию земель, то получит свой депозит обратно, если нет, то суммы депозита должно хватить, чтобы рекультивацию провел кто-нибудь другой. Свою ответственность по компенсации ущерба загрязнитель может переложить на посредника, внося плату за загрязнение по ставкам, соответствующим экономической оценке ассимиляционного потенциала. Он, как сказано выше, оплачивает в том числе и ущерб, т.е. должен рассчитаться с жертвой загрязнения.
Система целевого резервирования средств на утилизацию отходов (залогов) используется для создания стимула у потребителей на осуществление дополнительных издержек. В момент покупки товара, предопределяющей предстоящее загрязнение, осуществляется вклад, который возвращается с процентами после утилизации отходов (например, покупка батареек, напитков в жестяных банках и т.п.). Известны случаи применения данной системы для стимулирования восстановления и утилизации отработанных масел, рециклирования озоноразрушающих веществ.
Информационные системы, служащие для обеспечения полноты информации и свободы ознакомления с ней, играют роль, подобную экономическим стимулам. Если фирмы предоставляют всю информацию, то потребители или жители близлежащих территорий оповещаются о размерах загрязнения или вредных веществах в продукции. Информированность (антиреклама) ведет к изменению спроса на продукцию, обеспечивая сокращение загрязнения, использование соответствующих первичных ресурсов или типов технологии.

7.2. Основные маркетинговые подходы в области экологии

Комплексная система маркетинговых мер для решения экологических проблем включает в себя:
1) коммерческо-хозяйственный механизм;
2) общественно-правовой механизм;
3) маркетингово-управленческий механизм;
4) нормативно-технические условия при разработке товара на уровне НИОКР;
5) информационное обеспечение как составной элемент маркетинг-микса;
6) структурную перестройку маркетинговой цепочки, включающей производство, товародвижение и потребление;
7) экологическую экспертизу (государственную, научную, общественную, коммерческую).
Важно при этом использовать рыночные методы, которые в наибольшей мере способствуют эффективному решению экологических проблем. Эта плата за природные ресурсы (землю, недра, воду, лес и иную растительность, животный мир) и за загрязнение окружающей среды (выбросы, сбросы и т.п.), экологическое налогообложение, кредитный механизм в области природопользования, система внебюджетных экологических фондов и банков, экологическое страхование.
В рамках маркетинговой системы формирования спроса и стимулирования сбыта (ФОССТИС) имеются возможности по применению таких методов, как экономическое стимулирование охраны окружающей среды, а также лицензирование и организация системы договоров в области природопользования.
Ценообразование на продукцию природоэксплуатирующих и природохозяйственных отраслей, особенно экологически чистые продукцию и технологию, необходимо предусмотреть так же четко, как и экологическое предпринимательство. С этой экономической категорией тесно связана система экологической сертификации. Ее внедрение позволит поставить вопрос о формировании рынка экологических работ, товаров и услуг (маркетинг, инжиниринг, лизинг, биржи и др.).
Необходимость активного внедрения рыночных механизмов при организации природопользования подсказывает опыт США, Японии, ФРГ, где применяется так называемый «бабл-принцип» (принцип «пузыря»): в качестве источника загрязнения окружающей среды берутся не отдельные элементы, например дымовые трубы, а предприятие в целом. В пределах региона можно установить общие допустимые нормы сбросов и выбросов тех или иных загрязняющих веществ. Таким образом, предполагается, что предприятия находятся как бы в едином пространстве. При установлении стандарта качества среды конкретного региона (в рамках общих допустимых объемов сбросов и выбросов) предприятия будут сами определять величины сбросов и выбросов.
Рассмотрим далее маркетинговые подходы к управлению природоохранной деятельностью.
Первый маркетинговый подход позволяет отказаться от единых технических требований к источникам загрязнения и допускает возможность выбора фирмой различных способов достижения общих нормативов сбросов или выбросов. Он стимулирует внутрипроизводственное и межхозяйственное разделение труда с учетом необходимости снижения уровня загрязнения среды, благодаря чему создается возможность уменьшения совокупных издержек борьбы с загрязнением.
Предположим, что фирма решила использовать эффективные и недорогие методы борьбы с отходами и благодаря этому может поддерживать уровень сбросов и выбросов загрязняющих веществ ниже установленного регионального стандарта. Другие же фирмы, которым борьба с отходами обходится дороже, могут продолжать загрязнять среду, но в пределах общих региональных лимитов. В итоге, как показывают маркетинговые расчеты, совокупные затраты на достижение региональных стандартов в будущем окажутся меньше, чем если бы фирмы достигали их своими силами.
Второй маркетинговый подход к регулированию в региональном масштабе предполагает прямые сделки между фирмами. Он удобен для новых фирм или для тех действующих, что подвергаются модернизации. Прежде чем ввести их в строй в промышленно освоенных регионах, необходимо, чтобы предприниматели в качестве компенсации экологического ущерба снизили уровень загрязнения на одном из действующих предприятий в объеме, эквивалентном вводимому новому источнику загрязнения. Данный принцип разрешения на новое строительство необходим, когда покупаются права на загрязнение у фирм, которым удалось достигнуть снижения сбросов или выбросов сверх установленных государством норм.
Если фирма купила эти излишки сокращений загрязнений у какого-то предприятия, то она получит право на сверхнормативный сброс или выброс того или иного загрязняющего вещества. Маркетинговый подход дает возможность перенести рыночные отношения на сферу природопользования, что отвечает общеэкономической стратегии страны в целом и регионов.
Третий маркетинговый подход предполагает, что фирмы, которые уклоняются от установки собственного очистного оборудования, должны будут оплатить часть стоимости такого оборудования, уже имеющегося на других предприятиях и обеспечивающего уровень загрязнения среды данного региона в рамках общих нормативов. Расчеты показывают, что подобные сделки, охватывающие в основном предприятия одних и тех же объединений, компаний, позволяют применять внутрифирменную передачу (трансферт) прав на загрязнение среды, что значительно расширит маневренность крупных фирм в использовании инвестиционных средств.
Все это даст некоторым фирмам возможность накапливать излишки сокращений загрязнений, для того чтобы в их рамках сохранять и даже расширять некоторые грязные производства, не нарушая при этом региональных экологических требований, поскольку не все предприятия способны обеспечить снижение уровня загрязнения до нормативов.
Предлагаемые меры дадут импульс идее возникновения в некоторых регионах своеобразных экологических банков. Прием вкладов в них будет происходить в виде излишков сокращений выбросов и сбросов загрязняющих веществ. Вклады как своеобразный капитал могут использовать не только сами вкладчики (для расширения необходимых грязных производств), но и другие фирмы и предприятия. Последние будут платить банку, чтобы таким образом сэкономить ресурсы на очистном оборудовании. Таким образом, появятся как государственные, так и частные экологические банки вкладов излишков сокращений загрязнений. В результате, выполняя экологические требования, можно будет обеспечить экономическое и социальное развитие регионов, максимально используя имеющиеся ресурсы.
Маркетинговые подходы к экологическому регулированию в конечном итоге позволят предприятиям (фирмам) модернизировать собственные возможности природопользования. В этой сфере появятся передовые технологии, что невозможно при командно-контрольном методе, который основан на проверке соответствия государственным и местным нормативам каждого типа производственного оборудования. Маркетинговые методы также будут способствовать развитию новой эколого-экономической направленности обобществления регионального производства, позволят осуществить разделение труда и кооперацию внутри отдельных предприятий, фирм и между ними для достижения приемлемого уровня загрязнения среды конкретного региона, а также разделение труда и кооперацию при производстве основной продукции и в отношении сбросов и выбросов.
Зарубежный опыт показывает, что эффективность маркетинговых подходов к регулированию загрязнений тем выше, чем к большему эколого-экономическому обобществлению производства в регионе они ведут. В частности, оказалось, что 65%-ный уровень снижения загрязнения атмосферного воздуха при применении «бабл-принципа» (принципа «пузыря») был достигнут в два раза меньшими средствами, чем в случае применения традиционных мер контроля за каждым отдельным источником загрязнения. При маркетинговом подходе, т.е. торговле допусками на загрязнение между предприятиями, экономичность может возрасти более чем в шесть раз.
Маркетинговые подходы к регулированию неизбежно связаны с дифференцирующим воздействием на предприятия, т.е. природоохранные меры станут концентрироваться в основном на крупных предприятиях, где их себестоимость будет меньше, чем на мелких и средних.
Развитие российского рынка приведет к тому, что деятельность многих предприятий и фирм станет сильно зависеть от экологических и природно-ресурсных факторов регионов. Речь идет не только о системе налогов, платежей за природные ресурсы, за выбросы и сбросы загрязняющих веществ и размещение отходов, о различных экологических льготах и санкциях, но и о государственных и общественных экологических экспертизах, которым подвергаются предплановая документация, обоснования, технико-экономические расчеты, предложения по нормативам, проекты, сами производственные объекты, их антропогенные влияния на окружающую среду, технологии, оборудование, продукция, отходы.
Из зарубежного опыта хорошо известно, что экологические экспертизы вновь строящихся промышленных объектов могут вызывать в различных регионах страны последствия экономического, административного, правового и социально-политического характера, причем как стимулирующие размещение и развитие производительных сил, так и замедляющие их. Если в результате выявления экологической экспертизой недостатков корректируется проект строительства или реконструкции производства, оказавшегося вредным для окружающей среды, то время и ресурсы, затраченные на его переделку, затормозят развитие промышленности в данном регионе. Экспертиза должна отказывать экологически опасным проектам – технологиям и продукции.
Разработка и внедрение безотходных и малоотходных процессов, совершенствование существующих и создание новых очистных сооружений, перепрофилирование и существенное изменение инфраструктуры и части сложившихся хозяйственных связей предприятий и фирм – все это, естественно, кардинально повлияет на такой показатель, как себестоимость. Он в свою очередь воздействует на весь комплекс хозяйственных объектов, а также на экономическую и социальную обстановку в целом по региону. Результаты таких воздействий следует учитывать как государственным структурам и органам местного самоуправления, так и предпринимателям при размещении и развитии производительных сил в тех или иных регионах России.
Научно-экономическая разработка организационно-методических основ и конкретного вычислительного инструментария включает в себя:
• вычленение отдельных элементов из общей структуры;
• количественную оценку и прогнозирование величин и тенденций изменения спектра экологических и природно-ресурсных составляющих в сложных процессах колебаний курсов акций различных предприятий и фирм.
Более сложно обстоит дело с экологическим страхованием экологических рисков, которое может быть реально внедрено на практике. При этом следует постепенно совершенствовать информационную базу, рынок перестраховочных услуг в этой области, необходимую законодательную и нормативную документацию. Тем самым будут подготавливаться предпосылки к распространению обязательного экологического страхования на все фирмы, компании и корпорации.
Для введения государственного обязательного экологического страхования (в отличие от добровольного) потребуется специальный закон Российской Федерации, который должен определить организации, специализирующиеся на осуществлении всех видов государственного экологического страхования. Эти же организации могут устанавливать порядок образования и функционирования государственного экологического страхового фонда.
Государственное обязательное экологическое страхование может функционировать на основе следующих положений:
• определение отраслей, подотраслей и предприятий, подлежащих страхованию в обязательном порядке;
• разработка отраслевых методик по экологическому страхованию;
• формирование банка статистических данных в тех отраслях, которые из-за нарушения экологической обстановки, бедствий, аварий и катастроф наносят наибольший ущерб окружающей среде;
• установление ставок страховых платежей с дифференциацией их по отраслям деятельности и объектам страхования, включая крупные концерны и корпорации;
• утверждение нормативных документов, определяющих перечень страховых случаев;
• определение законодательно установленной для юридических и физических лиц степени возмещения ущерба, вызванного повреждением или гибелью имущества, порчей земли, леса и т.п., расходов по очистке загрязненных территорий.
На первом этапе лучше всего установить добровольную форму проведения экологического страхования. Нецелесообразно предписывать всем фирмам, корпорациям, предприятиям, учреждениям, организациям обязанность вступать в страховые отношения, чтобы получить лицензию на производственную деятельность и природопользование. В этом случае они должны были бы представить финансовую гарантию того, что возможный ущерб третьим лицам будет возмещен.
Второй этап должен быть посвящен укреплению финансово-кредитной системы, апробации механизма добровольного экологического страхования. Поскольку любой акт добровольного страхования определяется соответствующими договорами, правилами и нормами гражданского законодательства, необходима разработка нормативно-правовой и методической документации. Затем должны быть разработаны основы методической документации по обязательному экологическому страхованию, чтобы оно стало обычным явлением экономики.
Главная цель маркетинговых подходов к управлению природоохранной деятельностью направлена на обеспечение рационального использования ассимиляционного потенциала природной среды. Схема ее реализации в масштабе страны такова. Правительство определяет допустимые масштабы воздействия на природу, распределяет лицензии (разрешения) между заинтересованными сторонами, а затем (в отличие от административной и экономической систем регулирования) предпринимателям дается полная свобода перераспределять или перепродавать эти лицензии. Функция органов управления состоит в контроле за соблюдением эквивалентности сделок, чтобы суммирующее воздействие на природу не увеличилось. Все это способствует формированию рыночной инфраструктуры, т.е. закреплению прав собственности за фирмой, обеспечивающей реализацию этих прав (в том числе выдачу лицензии или сертификатов собственности), а также возможности контроля за деятельностью экологических банков и бирж.

7.3. Экологический аудит в системе маркетинга

Экологический аудит – это проведение ревизии экологической деятельности (экологичности) компаний. Концепция экологического аудита, разработанная в конце 70-х годов в США, впервые использовалась на практике для проверки соблюдения компаниями экологических требований законов, законодательных актов и нормативов. Экологический аудит включает проверку следующих видов деятельности:
• выполнение экологических нормативов в соответствии с законодательством и внутрифирменными требованиями;
• определение уровня экологичности компании (проводится в случае, если данная компания не имеет официально принятых планов или программ в области окружающей среды);
• функционирование системы экоуправления;
• получение экологического сертификата;
• выполнение финансовых обязательств и выплата долгов, правильность определения уровня рисков при слиянии и приобретении компаний;
• составление экологической декларации и отчетов компании об экологической деятельности.
Экологический аудит представляет собой комплексный, документированный верификационный процесс объективного выявления и оценки сведений для определения соответствия критериям проверки конкретных экологических мероприятий, видов деятельности, условий, управленческих систем или информации о них и информирования потребителя о полученных в ходе указанного процесса результатах. Международные стандарты ИСО по экологическому аудиту включают методические материалы по принципам экологического аудита (ISO 14010), процедуре аудита систем экологического управления (ISO 14011.1) и квалификационные требования к специалистам по экологическому аудиту.
Для создания маркетинговой системы важно, чтобы экологический аудит рассматривался в качестве особого управленческого инструмента и составной части систем экоуправления. Проводится он обычно экспертами-консультантами по заданию властных структур (проверка выполнения экологических положений законов и эконорм), банков или страховых компаний (при принятии ими решений о предоставлении кредитов, ссуд или страхового полиса) и, наконец, частных компаний (при слияниях или приобретениях компаний). Итоги проверки могут быть весьма неожиданными: высокие штрафы или временное принудительное закрытие. Результаты экологического аудита могут служить источником маркетинговой информации об экологических аспектах деятельности компании, причем эта информация исключительно важна для принятия последующих управленческих решений.
Эффективность внедрения в компании экологических мероприятий и систем экологического управления выражается в прямых выгодах, которые связаны с возможностью расширить рынок сбыта продукции, избежать ненужных расходов, снизить издержки, сберечь основные фонды, получить нужные инвестиции, и в косвенных, включающих улучшение мотивации сотрудников компании, отношений с местным населением, репутации компании.
Некоторые иностранные партнеры по совместным предприятиям, стремясь приспособиться к характеру деловых отношений в нашей стране, в том числе к бытующей практике нарушения природоохранных норм, не соблюдают законодательные положения в области охраны окружающей среды. Это касается, например, нефтяной, нефтехимической, металлургической и горнодобывающей промышленности. В этой связи вырастает роль экологического аудита и экологической отчетности.
В России значительные возможности для становления отрасли экологических услуг (аудит и страхование) возникли с развитием частного сектора. В стране преобладают малые предприятия, причем 20% из них – компании промышленного и строительного профиля, которые могут оказывать существенное влияние на окружающую среду. Иными словами, примерно 250 тыс. компаний нуждаются в проведении экоаудита.
Сотрудничество в области развития экологически приемлемого предпринимательства предполагает:
• изучение опыта западных компаний, западного и международного законодательства;
• подготовку кадров экологически ориентированных предпринимателей;
• формирование кадров, т.е. специалистов по созданию систем управления экологической деятельностью компаний;
• проведение экоаудита.

Контрольные вопросы
1. Перечислите основные маркетинговые направления в области формирования рынка экологических услуг.
2. Почему в России в переходный к рынку период ухудшилось состояние окружающей природной среды?
3. Дайте характеристику основных групп методов, составляющих сущность маркетингового механизма управления окружающей природной средой.
4. Какова структура комплексной системы маркетинговых мер, необходимых для решения экологических проблем?
5. Раскройте сущность маркетинговых подходов к регулированию природопользования.
6. Каковы перспективы развития системы экологического страхования?
7. Каковы задачи экологического аудита?

Глава 8. Экологическое право

8.1. Понятие, предмет и источник экологического права

Экологическое право – это отрасль российского права, представляющая собой систему норм права, регулирующих общественные отношения в сфере взаимодействия общества и природы с целью сохранения, оздоровления и улучшения окружающей среды в интересах настоящего и будущих поколений людей. Данное определение экологического права базируется в основном на ст. 1 Закона РСФСР от 1991 г. «Об охране окружающей природной среды».
Предметом экологического права являются общественные отношения в сфере охраны, оздоровления и улучшения окружающей природной среды, предупреждения и устранения вредных последствий воздействия на нее хозяйственной и иной деятельности.
В любом правовом государстве основным источником экологического права должен быть закон, адекватно регулирующий экологические права человека и гражданина, обеспечивающий механизм их защиты, а также формирующий общественные отношения собственности на природные ресурсы, содержащий правовые нормы по природопользованию и охране окружающей природной среды, по пресечению и профилактике правонарушений в этой области.
Систему источников экологического права в России образуют Конституция Российской Федерации, федеративные договоры, международные договоры РФ, общепризнанные нормы международного права, федеральные законы, нормативные указы и распоряжения Президента РФ, нормативные постановления Правительства РФ, Конституции, законы и иные нормативные правовые акты субъектов Федерации, нормативные правовые акты министерств и ведомств, органов местного самоуправления и т.д.
Регулирование отношений в области использования природных ресурсов предусматривается Земельным кодексом РСФСР, Водным кодексом РФ, Лесным кодексом РФ, Федеральным законом «О животном мире». Источники экологического права процессуального характера – это Гражданский процессуальный кодекс РСФСР, Уголовно-процессуальный кодекс РСФСР, различные правовые акты и постановления Правительства РФ.
Охрану и защиту прав собственности на природные ресурсы, экологических прав и законных интересов человека и гражданина, выполнение правовых требований природопользования и охраны окружающей среды обеспечивают в нашей стране правоохранительные органы (милиция, прокуратура, Конституционный Суд РФ, общие и арбитражные суды). В своей деятельности они основываются на федеральных законах, Арбитражном процессуальном кодексе РФ, Кодексе РСФСР об административных правонарушениях, Уголовном кодексе РФ, Гражданском кодексе РФ и других соответствующих правовых документах.

8.2. Экологические правонарушения

Понятие и состав экологических правонарушений. Правонарушение представляет собой юридический факт, порождающий охранительное правоотношение.
Специфика правонарушения, совершенного в области природопользования и охраны окружающей среды, определяет его как экологическое правонарушение и заключается в том, что:
• объектом экологического правонарушения выступают общественные отношения в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды;
• экологическое правонарушение представляет собой противоправное деяние, совершенное путем действия (например, незаконная порубка и повреждение деревьев и кустарников) или бездействия (невыполнение правил охраны недр);
• вина является третьим признаком состава правонарушения в формах умысла и неосторожности. Например, незаконная охота (ст. 258 УК) может быть совершена только с прямым умыслом, уничтожение лесных массивов в результате неосторожного обращения с огнем – только по неосторожности (ст. 261 УК РФ);
• субъектом экологического правонарушения могут быть граждане и юридические лица.
В ст. 81 Закона РСФСР «Об охране окружающей природной среды» экологическое правонарушение определяется как виновное, противоправное деяние, нарушающее природоохранительное законодательство и причиняющее вред окружающей природной среде и здоровью человека. С учетом степени общественной опасности экологические правонарушения подразделяются на проступки и преступления.
В ст. 42 Конституции РФ записано, что «каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением». Право на благоприятную окружающую среду представляет собой: во-первых, нравственный принцип, выраженный в правовой норме Конституции; во-вторых, принцип для построения системы объективного экологического законодательства, а также его важнейшую норму; в-третьих, это субъективное право гражданина, которому корреспондируют обязанности государства по поддержанию окружающей среды в благоприятном состоянии, а также проведению различных мероприятий по устранению отрицательных воздействий неблагоприятной среды на человека.
Виды вреда, причиняемого окружающей природной среде. В соответствии со ст. 86 Закона от 9 декабря 1991 г. вред окружающей природной среде может быть причинен юридическими лицами и гражданами загрязнением окружающей среды, порчей, уничтожением, повреждением, нерациональным использованием природных ресурсов, разрушением естественных экосистем и Другими экологическими правонарушениями. Под вредом понимается реальный ущерб и упущенная выгода. Реальный ущерб в экологической сфере может выражаться в уменьшении лесных массивов, снижении плодородия почвы и т.д., а также в расходах на их восстановление. Упущенная выгода в экологической сфере может выражаться в неполученных доходах, например, от хозяйственного использования той почвы, плодородие которой снизилось.
Вред окружающей среде (с точки зрения последствий) может быть как экономический (гибель лесного массива, предназначенного к вырубке и продаже), так и экологический (нарушение экологических интересов общества в части благоприятной среды). Между собой эти виды вреда органически связаны как источником, так и способом причинения и рассматриваются в денежном выражении. Но в отличие от экономического вред экологический более длителен в своем проявлении и последствия его могут быть растянуты во времени и в пространстве. Этот вред не всегда может быть возмещен в натуре, не всегда оценим в денежном выражении. Поэтому огромное значение имеет превентивная работа по предупреждению наступления вреда.
Вред окружающей среде может быть причинен как правомерными действиями (разрешенными государством), так и вследствие нарушения экологического законодательства. Соответственно правомерный вред (объективно вынужденный) должен быть возмещен только в случаях, прямо предусмотренных законодательством. Эколого-правовая ответственность за неправомерный вред наступает только в случае, когда он является прямым следствием нарушения экологического законодательства.

8.3. Правовой режим природопользования и охраны окружающей среды

Загрязнение вод. Правонарушениями считаются загрязнение, засорение, истощение поверхностных или подземных вод, источников питьевой воды либо изменение природных свойств, если они повлекли существенный вред животному или растительному миру, рыбным запасам, лесному или сельскому хозяйству.
Существенный вред, причиненный животному и растительному миру, заключается в возникновении заболеваний или гибели животных и растений, уничтожении рыбных запасов, мест нереста и нагула, заболевании или гибели лесных массивов, в снижении продуктивности земель, возникновении заболоченных или засоленных земель. Оценка причиненного вреда выполняется с учетом затрат на зарыбление водоемов, упущенной выгоды, реальной стоимости затрат на восстановительные работы и ликвидацию последствий.
Загрязнение биосферы. Наказывается нарушение правил выброса в атмосферу загрязняющих веществ или нарушение эксплуатации установок, сооружений и иных объектов, если это повлекло загрязнение или изменение природных свойств воздуха. Загрязнением являются: внесение в состав атмосферного воздуха, атмосферы или образование в них загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровни естественного содержания; повышение концентрации химических веществ, взвешенных частиц; изменение теплового режима, радиационных, электромагнитных и шумовых показателей.
Источниками загрязнения могут быть, в частности, транспортные средства, предприятия промышленности, воздушные линии электропередач, распределительные подстанции, энергетические установки, станции радиолокации, сотовая и космическая связь. Причинение вреда здоровью человека происходит в результате вдыхания загрязняющих веществ, поражения кожных покровов, слизистых и иных органов.
Загрязнение морской среды – привнесение веществ и материалов, ухудшающих качество морской среды, ограничивающих ее использование, приводящее к уничтожению, истощению, заболеванию или сокращению живых ресурсов моря. Наказывается загрязнение морской среды из находящихся на суше источников либо вследствие нарушения захоронения или сброса с транспортных средств (либо с возведенных в море искусственных сооружений) веществ и материалов, вредных для здоровья человека и живых ресурсов моря либо препятствующих правомерному использованию морской среды.
Морской средой являются внутренние морские воды, территориальные морские воды (12 морских миль), береговые линии внутренних морских вод, прибрежная полоса, живые морские ресурсы. Правила захоронения и сброса в морскую среду различных веществ и отходов регулируются постановлениями Правительства Российской Федерации, ведомственными нормативными актами.
Примеры нарушения правил: погружение веществ и материалов с судна без соответствующего разрешения; затопление неотработанного ядерного топлива с военных судов; непринятие мер в случае инцидента с судном или иным субъектом, повлекшего или могущего повлечь сброс нефти или иных загрязняющих веществ; слив в море химических веществ из отстойников. Эти нарушения происходят при возведении в море искусственных сооружений (островов, буровых установок, платформ), транспортировке нефтепродуктов, затоплении отработанного ядерного топлива, проведении военных испытаний, авариях на судах, сливе в море химических веществ предприятиями или из отстойников, расположенных на берегу.
Существенный вред может проявиться в массовой гибели морских биоресурсов (рыбы, животных, растений, организмов), уничтожении мест нереста, снижении промысловых запасов рыб, уничтожении кормовой базы рыб, загрязнении мест отдыха граждан.
Порча земли. Правонарушениями считаются отравление, загрязнение или иная порча земли вредными продуктами хозяйственной или иной деятельности вследствие нарушения правил обращения с удобрениями, стимуляторами роста растений, ядохимикатами и иными опасными химическими и биологическими веществами при их хранении, использовании и транспортировке, повлекшие причинение вреда здоровью человека или окружающей среды.
Вредное воздействие на землю проявляется в загрязнении, захламлении, засолении, заболачивании, подтоплении, опустынивании, иссушении, переуплотнении и эрозии почвы, порче и уничтожении плодородного слоя, заражении почвы возбудителями бактериальных, паразитарных и инфекционных заболеваний. Деградация земель может вести к угрозе жизни и здоровью человека, катастрофам, разрушению историко-культурного наследия и природного ландшафта, загрязнению сельскохозяйственной продукции и водных источников, гибели животных (диких и домашних) и водных биоресурсов. Причиненный вред оценивается по соответствующим методикам или по фактическим затратам на восстановление деградированных и загрязненных земель с учетом ухудшения качества земель и ограничений по их использованию.
Уничтожение или повреждение лесов (а также насаждений, не входящих в лесной фонд) в результате неосторожного обращения с огнем или иным источником повышенной опасности является правонарушением.
Загрязнение леса может происходить в ходе хозяйственной или иной деятельности путем выбросов, сбросов вредных веществ, а также размещения отходов и отбросов производства, коммунально-бытовых и иных отходов, устройства свалок.
Уничтожение критических местообитаний для организмов, занесенных в Красную книгу Российской Федерации, повлекшее гибель популяций этих организмов, сокращение численности, нарушение среды обитания, считается правонарушением. Красная книга России ведется Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов на основе систематического обновления данных о состоянии и распространении редких и находящихся под угрозой исчезновения видов диких животных и дикорастущих растений и грибов. В издание Книги 1995 г. занесено 65 видов млекопитающих, 109 – птиц, 15 – рептилий и амфибий, 9 – рыб, 15 – моллюсков и 34 – насекомых. Под средой обитания понимается природная среда, в которой объекты животного мира находятся в состоянии естественной свободы, обеспечивающей размножение, отдых, миграцию, выращивание молодняка.
Уничтожение критических мест обитании может произойти из-за хозяйственной деятельности человека, проведения взрывных работ, размещения отходов, строительства нефтепроводов, линий электропередач, каналов, плотин, введения в оборот целинных земель, проведения геологоразведочных работ, выпаса сельскохозяйственных животных, туристической деятельности, организации мест массового отдыха.
Незаконная охота. Охота – выслеживание с целью добычи, преследование и сама добыча диких животных. Нахождение в охотничьих угодьях с ружьем, охотничьими собаками, орудиями охоты приравнивается к охоте. Незаконной признается охота без соответствующего разрешения или осуществляемая вопреки запрету либо лицом, не имеющим права на охоту. Предметом незаконной охоты являются дикие животные в среде их естественного обитания. Незаконная добыча рыбы, морского зверя (моржи, тюлени, нерпы и др.) и иных водных животных или промысловых морских растений, если она повлекла крупный ущерб или произведена с использованием самоходного транспортного средства, электротока, химических или взрывчатых веществ или происходила на территории заповедника или в зоне экологического бедствия, в местах нереста или на путях миграции, наказывается.
Также признается правонарушением незаконная добыча котиков, морских бобров, северного и курильского калана, белобрюхих тюленей или иных морских млекопитающих в открытом море или в запретных зонах.
Объектами преступления являются водные биоресурсы, запасы рыбы, водных млекопитающих, водорослей во внутренних водах, территориальных морских водах, на континентальном шельфе. Под добычей понимается процесс улова, убоя, извлечения и иного изъятия из природной среды водных животных и растений, заканчивающийся завладением предметом добычи. Незаконной признается добыча при отсутствии специального разрешения (когда это необходимо), в запретное время, в недозволенных местах, недозволенными орудиями, приемами, способами.
Нарушение правил охраны окружающей среды при производстве работ. Правилами охраны окружающей среды являются нормы, определенные экологическим и природоохранным законодательством. Нарушение этих норм при проектировании промышленных, сельскохозяйственных, научных и других объектов лицами, ответственными за их соблюдение, если это повлекло за собой существенное изменение радиоактивного фона, причинение вреда здоровью человека, массовую гибель животных или иные тяжкие последствия, признается правонарушением.
Это означает, что при размещении, технико-экономическом обосновании проекта, проектировании, строительстве, реконструкции, вводе в эксплуатацию предприятия (сооружений) в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в энергетике, водном, коммунально-бытовом хозяйстве, при прокладке линий электропередач и связи, трубопроводов, каналов, иных объектов, оказывающих прямое либо косвенное влияние на состояние окружающей природной среды, должны выполняться требования экологической безопасности и охраны здоровья населения, предусматривающие мероприятия по охране природы, рациональному использованию и воспроизводству природных ресурсов, оздоровлению окружающей среды.
Все эти требования детализированы в соответствующих федеральных законах, в статьях Земельного, Лесного и Водного кодексов, в инструкциях и постановлениях строительных и проектных организаций и ведомств на государственном, федеральном и региональном уровнях. Их невыполнение или ненадлежащее выполнение и является нарушением правил охраны окружающей среды при производстве работ.
Нарушение правил обращения с экологически опасными веществами и отходами. Производство запрещенных видов опасных отходов, транспортировка и хранение, захоронение, использование или иное обращение радиоактивных, бактериологических, химических веществ и отходов с нарушением установленных правил, если это создало угрозу причинения существенного вреда здоровью человека или окружающей среде, являются правонарушениями.
Запрещенные виды опасных отходов – это сильнодействующие отравляющие вещества, опасные отходы – непригодное для производства или утратившее потребительские свойства сырье, вещества и энергия, способные вызвать отравление. Нарушение правил обращения с отходами состоит в противоправном действии или бездействии (невыполнении должностных обязанностей) на любой стадии их обращения. В законодательстве выделяются следующие стадии: обезвреживание, утилизация, складирование, хранение, захоронение, транспортировка, удаление.
Незаконный оборот сильнодействующих или ядовитых веществ. Повышенная общественная опасность сильнодействующих и ядовитых веществ потребовала специального закона о запрете на их изготовление, переработку, приобретение, хранение, перевозку, пересылку, сбыт. Необходимо специальное разрешение в целях использования их для научных, медицинских или иных общественно полезных работ.
Выделяется более 100 видов сильнодействующих веществ, в том числе, например, аминазин, барбитал натрия, клофелин, пипрадол, тазепам, теофедрин, френолон, хлороформ, эфир. Существует более 60 видов ядовитых веществ: метиловый спирт, стрихнин, фенол, цианистый калий, яд змеиный, некоторые соединения ртути, синильная кислота и т.д.
Нарушение правил охраны и использования недр при проектировании, размещении, строительстве, вводе в эксплуатацию и эксплуатации горнодобывающих предприятий и подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых, а также самовольная застройка площадей залегания полезных ископаемых, если эти действия повлекли значительный ущерб, считаются правонарушением.
Недрами является часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя и дна водоемов. Правила их охраны регламентируются горным и геологическим законодательством страны. Нарушения состоят в затоплении, обводнении или пожаре, когда в результате снижается качество полезных ископаемых, в сбросе сточных вод, размещении отходов производства, загрязнении недр, накоплении промышленных отходов в местах источников питьевого или промышленного водоснабжения. Сюда же относятся неизвлечение попутных компонентов, несоблюдение условий лицензии на добычу полезных ископаемых, непроведение полного геологического изучения недр перед строительством. Застройка площадей разрешается только при отсутствии полезных ископаемых в недрах под участком застройки.
Ущерб от нарушения правил использования недр включает потери полезных ископаемых, ухудшение состояния земли, рост затрат на добычу полезных ископаемых и т.п.
Нарушение режима особо охраняемых природных территорий и природных объектов (заповедников, заказников, памятников природы), повлекшее значительный ущерб, – правонарушение.
Объектами охраны в данном случае являются участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, если они имеют особое природоохранное, научное, культурное или эстетическое значение и изъяты из хозяйственного использования. К таким участкам относятся государственные природные заповедники, природные и национальные парки, дендрологические парки, ботанические сады, лечебно-оздоровительные местности и курорты. На них запрещается любая деятельность, противоречащая задачам заповедников, разведка и разработка полезных ископаемых, размещение садовых участков, движение и стоянка механизированных транспортных средств, добыча животных.
Природным комплексом является природно-географический комплекс (ландшафт), представляющий ограниченный участок территории, в котором природные компоненты находятся в устойчивом взаимодействии. К объектам с особым статусом относятся заповедники, заказники, ботанические сады, национальные парки и т.п.
Сокрытие или искажение информации о событиях, фактах или явлениях, создающих опасность для жизни или здоровья людей либо для окружающей среды, совершенные лицом, признается правонарушением.
К событиям, фактам или явлениям, создающим опасность, относятся природные, техногенные или иные процессы, которые при неблагоприятном развитии или отсутствии мер контроля и регулирования могут вызвать опасность для человека и окружающей среды.
Информация, подпадающая под действие данных требований, включает экологически и медицински значимую информацию, сведения о катастрофах, авариях на объектах атомной энергетики, эпидемиях, военных действиях, промышленных процессах, могущих повлечь опасность для человека, окружающей среды, нации в целом, среды обитания.
Сокрытием является недоведение информации до лиц, имеющих право на ее получение или нуждающихся в ней, с целью воздействия на события, явления. Искажением информации считается сообщение неполных или неверных данных, прогнозов, оценок.
Незаконное обращение с радиоактивными материалами, т.е. разрушение радиоактивных материалов, является правонарушением.
К объектам атомной энергетики относятся ядерные установки (сооружения и комплексы с ядерными реакторами, в том числе атомные станции, космические и летательные аппараты, установки и устройства с ядерными зарядами), пункты хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ, хранилища радиоактивных отходов. Радиоактивные вещества и ядерные материалы могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.
Нарушение правил безопасности при обращении с микробиологическими либо другими биологическими агентами или токсинами, если это повлекло причинение вреда здоровью человека, распространение эпидемий или эпизоотии, признается  правонарушением.
Нарушение состоит в активных действиях и бездействии, в ненадлежащем контроле, выпуске в окружающую среду организмов, невключении вентиляционных установок, нарушении обязательной последовательности операций, неиспользовании средств защиты, нарушении условий хранения и транспортировки.
Данный закон распространяется на деятельность медицинских, фармацевтических, научно-исследовательских, военных организаций, в том числе занимающихся генной инженерией, получением и выращиванием микроорганизмов и их фрагментов. Опасными для человека являются вирусы, бактерии, токсины, любые генетически измененные микроорганизмы, которые способны вызвать инфекционные заболевания, расстройство здоровья, стойкую утрату трудоспособности, гибель. Для животных особо опасными вирусами оказываются возбудители ящура, оспы овец и т.п., для растений – бактерии микроскопических грибов и генетически измененные микроорганизмы. Наиболее опасной эпидемией является пандемия (эпидемия, охватившая подавляющую часть территории).
Ущерб от нарушения данного закона состоит в расходах по дезинфекции, в потерях сельскохозяйственной продукции, в затратах на уничтожение зараженного имущества, погашение очагов заболевания, охрану территории, лечение населения, животных, а также возмещении потерь другим регионам и государствам из-за трансграничного переноса.
Ветеринарные правила предусматривают ветеринарно-санитарные, лечебные и профилактические мероприятия, порядок ликвидации очагов заболеваний, правила карантина, перевозки и использования животных из неблагополучных территорий, использования неблагополучных кормов, забоя скота, переработки кожевенного и мехового сырья, продажи мяса и иных продуктов животноводства.
Нарушение правил, установленных для борьбы с болезнями и вредителями растений, может состоять в ввозе зараженных продуктов, посеве зараженных семян, применении некачественных химикатов, сокрытии информации о появлении болезней, непроведении необходимых агротехнических мероприятий по борьбе с вредителями, продаже зараженных растений.
Ущерб от нарушения правил борьбы с болезнями и вредителями растений состоит из затрат на уничтожение зараженных участков леса, продуктов и животных, ликвидацию последствий заражения, лечение людей и животных, восстановление растительности пораженных участков, а также на возмещение имущественного ущерба при гибели многолетних культурных насаждений, урожая и т.д.
Нарушение санитарно-эпидемиологических правил может состоять в использовании пищевых продуктов без предварительного контроля, употреблении грязной воды, использовании грязной воды при приготовлении пищи, нарушении правил захоронения отходов, нарушений в системе подачи питьевой воды.

8.4. Виды ответственности за экологические правонарушения

Эколого-правовая ответственность является разновидностью общеюридической ответственности, но в то же время отличается от иных видов юридической ответственности.
Эколого-правовая ответственность рассматривается в трех взаимосвязанных аспектах:
• как государственное принуждение к исполнению требований, предписанных законодательством;
• как правоотношение между государством (в лице его органов) и правонарушителями (которые подвергаются санкциям);
• как правовой институт, т.е. совокупность юридических норм, различных отраслей права (земельного, горного, водного, лесного, природоохранного и др.). Экологические правонарушения наказываются в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации. Конечная цель экологического законодательства и каждой отдельной его статьи заключается в охране от загрязнения, обеспечении правомерного использования окружающей среды и ее элементов, охраняемых законом. Сферой действия экологического законодательства являются окружающая среда и ее отдельные элементы. Предметом правонарушения признается элемент окружающей среды. Требования закона предполагают установление четкой причинной связи между допущенным нарушением и ухудшением окружающей среды.
Субъектом экологических правонарушений является лицо, достигшее 16-летнего возраста, на которое нормативно-правовыми актами возложены соответствующие должностные обязанности (соблюдение правил охраны окружающей среды, контроль за соблюдением правил), либо любое лицо, достигшее 16-летнего возраста, нарушившее требования экологического законодательства.
Для экологического правонарушения характерно наличие трех элементов:
• противоправность поведения;
• причинение экологического вреда (или реальная угроза) либо нарушение иных законных прав и интересов субъекта экологического права;
• причинная связь между противоправным поведением и нанесенным экологическим вредом или реальной угрозой причинения такого вреда либо нарушением иных законных прав и интересов субъектов экологического права.
Ответственность за экологические правонарушения служит одним из основных средств обеспечения выполнения требований законодательства по охране окружающей среды и использованию природных ресурсов. Эффективность действия данного средства во многом зависит, прежде всего, от государственных органов, уполномоченных применять меры юридической ответственности к нарушителям экологического законодательства. В соответствии с российским законодательством в области охраны окружающей среды должностные лица и граждане за экологические правонарушения несут дисциплинарную, административную, уголовную, гражданско-правовую, материальную ответственность, а предприятия – административную и гражданско-правовую.
Дисциплинарная ответственность наступает за невыполнение планов и мероприятий по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, за нарушение экологических нормативов и иных требований природоохранительного законодательства, вытекающих из трудовой функции или должностного положения. Дисциплинарную ответственность несут должностные лица и иные виновные работники предприятий и организаций в соответствии с положениями, уставами, правилами внутреннего распорядка и другими нормативными актами (ст. 82 Закона «Об охране окружающей природной среды»). К нарушителям в соответствии с Кодексом законов о труде (с изменениями и дополнениями от 25 сентября 1992 г.) могут быть применены следующие дисциплинарные взыскания: замечание, выговор, строгий выговор, увольнение с работы, другие наказания (ст. 135).
Материальная ответственность также регулируется Кодексом законов о труде РФ (ст. 118–126). Такую ответственность несут должностные лица и иные работники предприятия, по вине которых предприятие понесло расходы по возмещению вреда, причиненного экологическим правонарушением.
Применение административной ответственности регулируется как природоохранительным законодательством, так и Кодексом РСФСР об административных правонарушениях 1984 г. (с изменениями и дополнениями). Закон «Об охране окружающей природной среды» расширил перечень составов экологических правонарушений, при совершении которых виновные должностные, физические и юридические лица несут административную ответственность. Такая ответственность наступает за превышение предельно допустимых выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду, невыполнение обязанностей по проведению государственной экологической экспертизы и требований, содержащихся в заключении экологической экспертизы, предоставление заведомо неправильных и необоснованных заключений, несвоевременное предоставление информации и предоставление искаженной информации, отказ от предоставления своевременной, полной, достоверной информации о состоянии природной среды и радиационной обстановке и т.д.
Конкретный размер штрафа определяется органом, налагающим штраф, в зависимости от характера и вида правонарушения, степени вины правонарушителя и причиненного вреда. Административные штрафы налагаются уполномоченными на то государственными органами в области охраны окружающей среды, санитарно-эпидемиологического надзора РФ. При этом постановление о наложении штрафа может быть обжаловано в суд или арбитражный суд. Наложение штрафа не освобождает виновных от обязанности возмещения причиненного вреда (ст. 84 Закона «Об охране окружающей природной среды»).
В новом Уголовном кодексе РФ экологические преступления выделены в отдельную главу (гл. 26). В нем предусмотрена уголовная ответственность за нарушение правил экологической безопасности при производстве работ, нарушение правил хранения, утилизации экологически опасных веществ и отходов, нарушение правил безопасности при обращении с микробиологическими или другими биологическими агентами или токсинами, загрязнение вод, атмосферы и моря, нарушение законодательства о континентальном шельфе, порчу земли, незаконную добычу водных животных и растений, нарушение правил охраны рыбных запасов, незаконную охоту, незаконную порубку деревьев и кустарников, уничтожение или повреждение лесных массивов.
Применение мер дисциплинарной, административной или уголовной ответственности за экологические правонарушения не освобождает виновных лиц от обязанности возмещения вреда, причиненного экологическим правонарушением. Закон «Об охране окружающей природной среды» стоит на той позиции, что предприятия, организации и граждане, причиняющие вред окружающей среде, здоровью или имуществу граждан, народному хозяйству загрязнением окружающей среды, порчей, уничтожением, повреждением, нерациональным использованием природных ресурсов, разрушением естественных экологических систем и другими экологическими правонарушениями, обязаны возместить его в полном объеме в соответствии с действующим законодательством (ст. 86).
Гражданско-правовая ответственность в сфере взаимодействия общества и природы заключается главным образом в возложении на правонарушителя обязанности возместить потерпевшей стороне имущественный или моральный вред в результате нарушения правовых экологических требований.
Ответственность за экологические правонарушения выполняет ряд основных функций:
• стимулирующую к соблюдению норм права окружающей среды;
• компенсаторную, направленную на возмещение потерь в природной среде, возмещение вреда здоровью человека;
• превентивную, заключающуюся в наказании лица, виновного в совершении экологического правонарушения.
Экологическое законодательство предусматривает три уровня наказания: за нарушение; нарушение, повлекшее значительный ущерб; нарушение, повлекшее смерть человека (тяжкие последствия). Смерть человека вследствие экологического преступления оценивается законом как неосторожность (совершенное по небрежности или легкомыслию). Видами наказаний при экологических нарушениях могут быть штраф, лишение права занимать определенные должности, лишение права заниматься определенной деятельностью, исправительные работы, ограничение свободы, лишение свободы.
Одним из самых тяжких экологических преступлений является экоцид – массовое уничтожение растительного мира (растительных сообществ земли России или отдельных ее регионов) или животного мира (совокупность живых организмов всех видов диких животных, населяющих территорию России или определенный ее регион), отравление атмосферы и водных ресурсов (поверхностные и подземные воды, которые используются или могут быть использованы), а также совершение иных действий, способных вызвать экологическую катастрофу. Общественная опасность экоцида состоит в угрозе или нанесении огромного вреда окружающей природной среде, сохранению генофонда народа, животного и растительного мира.
Экологическая катастрофа проявляется в серьезном нарушении экологического равновесия в природе, разрушении устойчивого видового состава живых организмов, полном или существенном сокращении их численности, в нарушении циклов сезонных изменений биотического кругооборота веществ и биологических процессов. Мотивом экоцида может быть ложно понятые интересы военного или государственного характера, совершение действий с прямым или косвенным умыслом.
Успех в наведении экологического правопорядка достигается постепенным наращиванием общественного и государственного воздействия на злостных правонарушителей, оптимальным сочетанием воспитательных, экономических и правовых мер.

Контрольные вопросы
1. Что регулирует экологическое право?
2. Что представляет собой экологическое правонарушение?
3. Как Закон «Об охране окружающей природной среды» определяет экологическое правонарушение?
4. Какие виды ответственности за экологические правонарушения вы знаете?
5. Какие функции выполняет ответственность за экологические правонарушения?
6. Что такое экоцид?

РАЗДЕЛ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ

В каждой естественной науке заключено
столько истины, сколько в ней
есть математики.
И. Кант

Глава 9. Динамические модели
Глава 10. Стохастические модели
Глава 11. Оптимизационные и игровые модели
Глава 12. Системный анализ и управление в экологии

Глава 9. Динамические модели

9.1. Понятие моделирования

Прежде всего, следует дать определение модели. Однако это не так просто, поэтому сначала приведем несколько примеров, поясняющих, что такое модель, а затем, когда некоторое интуитивное представление о понятии «модель» сформируется, дадим определение, а также коротко опишем математические методы, с которыми связано рассмотрение тех или иных моделей.
Исходным пунктом исследования, его отправной точкой, служит некоторая задача из той или иной предметной области (в данном случае из экологии или безопасности жизнедеятельности). Процесс построения модели называется моделированием. Существует несколько приемов моделирования, которые можно условно разделить на две большие группы: материальное и идеальное моделирование.
К материальным относятся такие способы моделирования, при которых исследование ведется по модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики изучаемого объекта. Из разновидностей материального моделирования выделим физическое и аналоговое моделирование.
Физическим принято называть моделирование, при котором реальному объекту противопоставляется его уменьшенная (реже увеличенная) копия, допускающая лабораторное исследование и позволяющая переносить установленные свойства на реальный объект с помощью теории подобия. Типичный пример физического моделирования – исследование уменьшенной копии летательного аппарата в аэродинамической трубе.
Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемую формально (одними и теми же математическими уравнениями, логическими схемами и т.п.). Типичный пример – изучение механических колебаний с помощью электрической схемы. Другой пример – макет системы кровообращения, на котором стрелочками изображены направления движения крови.
По своей сути материальное (предметное) моделирование является экспериментальным.
От него принципиальным образом отличается идеальное моделирование, которое основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной (мыслимой). Идеальное моделирование носит теоретический характер. Важнейшим его видом является математическое моделирование, при котором исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики и с использованием тех или иных математических методов. Классический пример математического моделирования – описание и исследование основных законов механики И. Ньютоном средствами математики.
Использование различных моделей и методологии моделирования необходимо для того, чтобы:
• понять, как устроен конкретный объект, каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;
• научиться управлять объектом (процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях;
• прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации разных способов и форм воздействия на объект.
Хорошо построенная модель, как правило, дает новые знания об объекте-оригинале. Это, безусловно, очень важное свойство, стимулирующее развитие методов моделирования.
Более подробно о моделях и моделировании можно узнать из литературы, например [10]. Далее приведем несколько простейших моделей из экологии и безопасности жизнедеятельности.

9.2. Динамика популяций

В современной экологии часто возникает вопрос: как определить численность той или иной популяции через определенное время? Ответ на него не только представляет теоретический, интерес, но и имеет большое практическое значение. Действительно, не зная этого, нельзя правильно планировать эксплуатацию различных возобновляемых природных ресурсов – промысловых рыб, охотничьих угодий и т.п. Может ли в решении этого вопроса помочь математика? Оказывается, да. Рассмотрим здесь некоторые простейшие модели, на которых проиллюстрируем подход к данному вопросу.
Пусть некоторая популяция имеет в момент времени t0 биомассу x0. Предположим, что в каждый момент времени скорость увеличения биомассы пропорциональна уже имеющейся биомассе, а возникающие явления конкуренции за источниками питания и самоотравления снижают биомассу пропорционально квадрату наличной биомассы. Если обозначить биомассу в момент времени t через х(t), а изменение ее за время  t через  х, то можно записать следующее приближенное равенство:

 х≈(kх-αх2)  t,                     (9.1)

где α и k – положительные постоянные (параметры).
В дифференциальной форме это соотношение имеет вид:

 .                      (9.2)

Оно и представляет собой математическую модель процесса изменения биомассы популяций. В экологической литературе уравнение (9.2) часто называют логистическим.
Если теперь поставить вопрос о том, какова же будет биомасса в момент времени Т, то на него можно ответить экспериментально – дождаться этого момента и определить биомассу непосредственным измерением (вообще говоря, такое измерение может быть физически неосуществимым).
Другой путь – воспользоваться математической моделью, решая задачу Коши для уравнения (9.2) с начальным условием (9.3):
x(t0)=x0.                      (9.3)

Разделяя в уравнении (9.2) переменные, получим уравнение в дифференциалах
 .                   (9.4)
Для дальнейшего удобно ввести новую переменную

z=αх,                     (9.5)

тогда (9.4) можно переписать в виде
                       (9.6)
Возвращаясь к исходному уравнению (9.2), заметим, что если x0=  (т. е. z0=k), то задача Коши имеет решение x(t) x0 (рис. 9.1). Если x0 < , то уравнение (9.6) интегрируется следующим образом
ln z – ln(k-z)=ln z0- ln (k-z0)+k(t-t0),
откуда
 ,                   (9.7)
значит,
 , t > 0             (9.8)

Если x0 >  , то аналогично предыдущему случаю снова получаем формулу (9.8). Дифференцируя (9.8) по t, имеем

 ,                 (9.9)

откуда вытекает, что при X0 <   график функции х(t) монотонно возрастает, а при x0>  – монотонно убывает, причем оба графика имеют горизонтальную асимптоту х=  (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)

где   – 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)

Чтобы составить представление о траекториях движения системы, построим линии, на которых  х=0 (здесь векторы параллельны оси Оу) и у = 0 (здесь векторы параллельны оси Ох). Для краткости обозначим производную   – через х, а   – через  у. Имеем
х=0, когда  ,
у=0, когда  ,
т. е. х = 0 на двух прямых в фазовой плоскости:
х=0 и  = ,
а у=0 также на двух прямых:
у=0 и  =  (рис. 9.2, 9.3).
По этим рисункам можно сделать следующие выводы. В обоих случаях имеем три стационарные точки, в которых одновременно х=0 и у=0, а именно: (0,0), (0,  ) и (0,  ), которые по известной классификации являются узлами. При этом, если  >   (рис. 9.2), то устойчивым является только узел ( , 0), а если  <   (рис. 9.3), то узел (0,  ). Таким образом, если  >  , то вторая популяция вымирает, y(t) → 0, t →  , а первая стабилизируется, x(t) → , t → . Если же  <  , то имеем обратную картину:  первая популяция вымирает, x(t) → 0, t→ , а вторая стабилизируется, x(t) → , t→ . Наконец, если  = = , то кроме неустойчивого узла (0,0) имеем линию стационарных точек – отрезок прямой   =  (рис. 9.3).
 

В дальнейших рассмотрениях будем для простоты считать, что k1=k2=k и ε1= ε2= ε. Тогда, деля второе уравнение системы (9.10) на первое, получим  = , откуда
 ,                  (9.12)

т. е. траекториями являются отрезки прямых, выходящих из начала координат (рис. 9.4). Обе популяции не вымирают и численность их стабилизируется к значениям, которые можно найти как координаты пересечения прямых  =   и y =  , 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≈αx(t)y(t)dt, где α – коэффициент пропорциональности. Устремляя  ∆t к нулю из последнего соотношения, получим дифференциальное уравнение
 =αx(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
 ,   t   0.  (9.16)
Итак, число заболевших – функция времени. Проанализируем эту функцию. Из уравнения (9.16) вытекает, что с течением времени число заболевших может только увеличиваться, а все здоровые люди заболеют, так как  =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
 , t   0  (9.17)
Для решения этого вопроса нужно изучить величину  .
Дифференцируя уравнение (9.17), получаем
 , t   0.   (9.18)
Из этого уравнения вытекает, что  при  > 0 при  t   и  < 0 при
t  . Следовательно, скорость возрастания заболевших – функция   – растет до момента t  , а затем убывает. Несмотря на грубость модели, этот результат совпадает с экспериментальными данными: в начале эпидемии число заболевших резко возрастает, а впоследствии скорость распространения инфекции снижается.
Для сравнения приведем результаты использования более сложных моделей развития гриппозной эпидемии в Москве [22], где население составляет 8,5 млн человек. Это позволит нам также определить численные значения параметров N и α, при которых наша модель более реалистична.
Началу эпидемии соответствует число заболевших 79,1 тыс. человек, откуда N = 8,5 млн./79,1 тыс. ≈1100 человек. Пик заболеваемости приходится на 46-й день, т. е. 46 , откуда  . По формуле (9.16) находим число больных  . По отношению к 1100 чел. это составляет 11%, что согласуется с экспериментальными данными [22], где число больных равно 981 тыс. человек и составляет 11,5%. Конечно, применение соответствующих профилактических мер дает значительный положительный эффект, пик числа больных снижается с 981тыс. до 122 тыс. человек, однако создание соответствующей математической модели – существенно более трудная задача.

9.4. Матричные модели

Матричную модель можно рассматривать как конечно-разностный аналог динамической модели. Один из ранних вариантов матричной модели был разработан Льюисом и Лесли [30] как детерминистская модель, предсказывающая будущую возрастную структуру популяции самок по известной структуре в настоящий момент времени и гипотетическим коэффициентам выживания и плодовитости. Популяцию разбивают на n+1 возрастную группу (т. е. 0, 1, 2,..., п, причем каждая группа состоит из особей одного возраста), так что самая старшая группа, или группа, в которой все доживающие до данного возраста животные вымирают, имеет номер п. Обозначая через xn число особей в каждой возрастной группе, получаем вектор   представляющий возрастную структуру в момент времени t.
Модель описывается матричным уравнением
   (9.19)
которое запишем в развернутом виде:
 
где величины fi,(i=0,1,...,n) представляют число самок, производимых самкой i-го возраста,
р, (i = 0,1,..., п -1) – вероятность того, что самка i-го возраста доживет до возраста i+1.
Покажем, что поведение модели можно предсказать, анализируя некоторые формальные свойства матрицы А. Во-первых, последовательно умножая уравнение (9.19) на матрицу А, легко получить более общие уравнения для численности возрастных групп к моменту времени
    (9.21)
Во-вторых, поскольку матрица А квадратная с (n+1) строками и столбцами, она имеет n+1 собственных чисел (с учетом кратности) и (n+1) собственных (и присоединенных) векторов. Элементы А являются либо положительными числами, либо нулями, поэтому наибольшее (по абсолютной величине) собственное число и координаты отвечающего ему собственного вектора положительны и при этом имеют определенный экологический смысл. Проиллюстрируем это на одной из простейших моделей, предложенных Уильямсоном [54].
Исходная популяция имеет вектор, представляющий возрастную структуру а0 = (0,0,1), т. е. популяция состоит из одной самки старшего возраста. Матрица А имеет вид:
 
По прошествии одного временного интервала имеем
 
т. е. a1 = (12, 0, 0) и в популяции уже будет 12 самок младшего возраста. Повторное применение модели дает следующие результаты:
 
и т.д.
Главное собственное число и собственный вектор матрицы А можно найти известными методами, имея
    (9.22)
или полагая   – систему линейных алгебраических уравнений
 
определитель которой
 
Следовательно, главное собственное число λ1 = 2 и собственный вектор в силу (9.23) имеет вид   = (24, 4,1). Остальные собственные числа в силу (9.24) имеют вид λ2 =-1, λ3 =-1. В силу (9.23) собственный вектор   имеет вид  = (6,-2,1). Так как собственное число -1 двукратно, то для нахождения вектора   (называемого присоединенным), решаем систему уравнений (A- λ2)  = :

Нетрудно проверить, что система (9.25) допускает решение   = (0, - 2, 2). Привлекая геометрические соображения, заключаем, что возрастная структура популяции представляется вектором в трехмерном пространстве, в котором векторы   = (24,4, 2),   = (6, - 2,1) и  = (0, - 2, 2) – базисные, т. е.
   (9.26)
где α0, β0, γ0 – некоторые положительные числа (например, если   = (258, 30, 17), то α0=10, β0=3, γ0=2).
Тогда уравнение (9.21) примет вид:
  (9.27)
Так как  → 0, k → ∞, то при t=+k → ∞  популяция возрастает по экспоненциальному закону
  (9.28)
Главное собственное число λ1 дает скорость, с которой возрастает размер популяции (в нашем примере за каждый временной интервал популяция удваивается), а собственный вектор   определяет устойчивую возрастную структуру популяции, т. е. отношение численностей особей разных возрастных групп остается постоянным и равным 24:4:1. Нетрудно видеть, что если мы в конце каждого временного интервала будем изымать половину популяции и использовать на корм, то размер ее станет равным исходному  .
Матричные модели очень удобны для расчета на ЭВМ и находят все более широкое применение, например, для анализа круговорота питательных веществ в экосистемах, в различных стохастических моделях [54] (в марковских моделях и т.д.).

Контрольные задания

1. Показать, что график логистического уравнения имеет единственную точку перегиба. Найти ее и дать биологическую интерпретацию.
2. Рассмотреть систему Вольтерра в случае  . Найти отношения  .
3. Построить и исследовать модель эпидемии в городе с 300-тысячным населением.
4. Исходная популяция имеет следующую возрастную структуру a0 = (0,6,12) и матрица Лесли А – следующий вид:
 
Найти (приближенно) численность популяции через достаточно большое число п лет и ее устойчивую возрастную структуру.

Глава 10. Стохастические модели

10.1. Случайные процессы при описании популяций

Рассматриваемые выше модели – детерминистские. Это должно иметь какие-то основания, которые мы и попытаемся сейчас обсудить.
Если речь идет о динамике популяций, то можно выделить по крайней мере два аспекта, по которым детерминистская модель не может служить точным отражением реальной экологической системы: во-первых, она допускает бесконечно большую численность популяции; во-вторых, не учитывает случайных колебаний, происходящих в среде во времени.
В качестве примера детерминистской экологической модели рассмотрим уравнение
 ,    (10.1)
где N – число особей в момент времени t,
а – истинная скорость роста.
Решением этого уравнения, удовлетворяющим начальному условию
N(0)=No,                  (10.2)
является функция
N(t)=N0eat,  (10.3)
(так называемый закон Мальтуса – закон роста популяции без конкуренции). В основе главного допущения здесь лежит то, что за короткий промежуток времени t каждая особь порождает aΔt новых особей.
В соответствующей стохастической модели принимается более правдоподобное допущение, согласно которому за период Δt одна особь с вероятностью λ производит одного потомка и с вероятностью μΔt умирает. Обозначим через рi(t) вероятность того, что в момент времени t численность популяции равна i, i = 0, 1, 2, ... Рассмотрим величину pi(t + Δt). В силу малости Δt можно считать, что численность популяции останется прежней, равной i, в результате трех независимых событий – появления потомков в популяции с численностью i–1, отсутствия случаев рождения и смерти в популяции с численностью i и смерти в популяции с численностью i+1. При этом вероятность pi(t + Δt) равна сумме вероятностей этих событий:
pi(t + Δt) = (i-1) λ pi-1 (t) Δt+(1-i(λ+μ)pi(t) Δt+(i+1) μi+1(t) Δt , откуда
 (i-1) λ pi-1 (t)- i(λ+μ)pi(t)+ (i+1) μi+1(t).
Переходя в полученном соотношении к пределу при t → ∞, получим систему уравнений Колмогорова
  (10.4)
В виде (10.4) уравнения справедливы при i= 2, 3, 4, .... При i = 1 из (10.4) получаем уравнение
  (10.5)
 а при i = 0 – уравнение
  (10.6)
(естественно считать, p-1(t)≡0).
Если в начальный момент времени t=0 в популяции имелось N0 особей, то начальные условия для системы обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами (10.4)–(10.6) имеют вид:
  (10.7)
Рассматриваемый процесс гибели и рождения является случайным процессом (классическим примером цепей Маркова [17]), а само решение задачи (10.4)–(10.7) можно получить стандартными методами теории обыкновенных дифференциальных уравнений (см., например, [47]). Нас интересуют следующие вероятностные характеристики: ожидаемое значение, т. е. среднее значение популяции в момент времени t
N(t)= (t)   (10.8)
и вариация (дисперсия), т. е. среднее квадратичное отклонение от N(t)
 .              (10.9)
Для вычисления N(t) заметим, что из уравнения (10.5) и первого уравнения из (10.4) вытекает
 
Продолжая этот процесс сложения, получим
 
т. е. обыкновенное дифференциальное уравнение
N\\\'(t)=(λ - μ)N(t)               (10.10)
с начальным условием (10.7)
        (10.11)
Решение его, очевидно, равно
N(t)= ,                (10.12)
в частности, при λ > μ численность популяции экспоненциально возрастет (при λ=μ+a определяется уравнением (10.3)), а при λ < μ экспоненциально убывает при t → ∞. Аналогично (см. [17]) вычисляется вариация
    (10.13)
откуда при λ > μ для коэффициента вариации получаем выражение
   (10.14)
которое при t → ∞ стремится к величине  . 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)
Чтобы придать смысл интегралу    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<х, т. е. Р={Х <х}, называется функцией распределения случайной величины и обозначается через F(x), а ее производная F\\\'(x) = f(x) называется плотностью распределения и в случае нормального закона распределения имеет вид (рис. 10.1)
 .            (10.18)

Численные параметры т и σ – это математическое ожидание (среднее значение) и среднее квадратичное отклонение случайной величины X. Действительно,
 
Применяя замену переменной  , получаем
   (10.19)
Нетрудно убедиться, что первый из двух интегралов в уравнении (10.19) равен нулю, а второй представляет собой известный интеграл Эйлера–Пуассона
 ,              (10.20)
поэтому из уравнения (10.19) вытекает, что М[Х]=т. Вычислим дисперсию величины X:
 
Применив снова замену переменной   получим
               (10.21)
Интегрируем это выражение по частям:
       (10.22)
Следовательно, σ в выражении (10.18) равна корню из дисперсии, т. e. среднему квадратичному отклонению. Итак,
Е[уi]=т, D[yi]=var(yi)=σ2.           (10.23)
Покажем, что если т=  , то Е . Действительно,
 
Применив снова замену х =  , получим
   (10.24)
Вернемся к формуле (10.17), которая в наших предположениях имеет вид
 ,  (10.25)
откуда для среднего значения N(t) получаем выражение
 ,  (10.26)
а для дисперсии D[N] = var(N) –
  (10.27)
Теперь имеем
   (10.28)

Следовательно,
   (10.29)
и коэффициент вариации при t → ∞ равен
 .  (10.30)
Из формул (10.26) и (10.30) следует, что хотя, как и в детерминистском случае, среднее значение N(t) экспоненциально возрастает, экспоненциально возрастают и отклонения от среднего значения. Таким образом, с течением времени колебания численности популяции становятся все более резкими. В этом отражается то обстоятельство, что детерминистская система не имеет стационарного состояния, более того, при определенных соотношениях между а и σ вероятность ее вымирания приближается к единице.
Найдем вероятность вымирания популяции за время t – функцию p0(t):
 
Положим , тогда уt, имеет нормальное распределение, причем  , vaz(yt)=tσ2. Следовательно,
 
Полагая  , имеем
   (10.31)

где Ф(х) =   – так называемый интеграл ошибок.
Если  >0, т. e. σ2>2a, то   → ∞ при t→ ∞, следовательно,
 
Проведенный анализ показывает, что преимущественное использование детерминистских, а не стохастических моделей оправдано лишь тем, что в математическом плане они проще и удобнее. При этом если детерминистская модель свидетельствует об устойчивом равновесии, то соответствующая стохастическая модель предсказывает длительное выживание; если же детерминистская модель не выявляет равновесия или предсказывает неустойчивое равновесие, то стохастическая модель может предсказать вероятность вымирания.

Контрольные задания

1. Допустим, вероятность λ рождения особью детеныша в два раза больше вероятности μ гибели самой особи. Определить среднее значение N(t) популяции в момент времени t = 100, вычислить также вариацию var (N(t)), коэффициент вариации  , найти ограничения на  λ  и начальное значение популяции N0, при котором коэффициент вариации при t = 100 будет меньше 0,1%.
2. В модели, учитывающей случайные изменения среды, будем предполагать, что а= . Найти соотношения между N0 и σ, при которых вероятность вымирания популяции при t = 100 будет больше 90%. (Указание: воспользоваться таблицей значений интеграла вероятностей Ф(z), приведенной, например, в [6].)

Глава 11. Оптимизационные и игровые модели

11.1. Задача об оптимальном рационе питания

Выше рассмотрены простейшие модели динамики популяций с учетом конкуренции за пищевые ресурсы и влияния негативных факторов (например, эпидемий). Эти модели можно использовать для качественного анализа роста народонаселения. Конечно, рост численности населения сильно различается по разным странам и даже в развитых странах темпы роста неодинаковы. Например, в Дании, Швеции, Германии, Австрии этот показатель колеблется около нулевого значения. В таких странах, как Италия, Польша, Канада, США, рождаемость пока еще превышает смертность. Однако в целом в большинстве развитых стран ежегодный прирост населения составляет примерно 0,6% в год, тогда как в развивающихся странах – 2% в год.
В целом происходит стремительный рост населения на планете, что ставит насущную жизненную проблему управления природными ресурсами. При этом все отрасли управления ресурсами объединяет одна наука – экология и одна общая проблема – проблема оптимизации и, наконец, необходимость использовать одни и те же методы – взятие выборок, статистический анализ, математический анализ, логические процедуры, связанные с исследованием операций и анализом систем, применение вычислительной техники. Конечно, анализ и решение такой проблемы и даже какой-либо ее части представляет собой труднейшую задачу [30].
Начнем с рассмотрения простейшей задачи об оптимальном рационе, математическая модель которой допускает наглядную геометрическую интерпретацию. Пусть имеется п продуктов питания (хлеб, мясо, молоко, картофель и т.д.) и т полезных веществ (жиры, белки, углеводы и т.п.). Обозначим через aij – содержание i-го вещества в единице j-го продукта, через bi, – потребность индивидуума в i-м веществе (скажем, в месяц) и через cj, – цену единицы j -го продукта.
Обозначив потребление индивидуумом j-го продукта через хi, получаем задачу о выборе наиболее дешевого рациона питания (стоимости месячной продовольственной потребительской корзины):
   (11.1)
при ограничениях
   (11.2)
и
  (11.3)
Такая задача называется задачей линейного программирования (в стандартной форме), общая теория которой рассмотрена, например, в [2].
Прежде чем исследовать задачу (11.1)–(11.3), заметим, что ее можно представить как задачу минимизации целевой функции f(x) =  . на множестве точек (x1,...,xn), удовлетворяющих условиям (11.2) и (11.3). Такое множество называется полиэдром и обозначается Р. Итак, мы имеем экстремальную задачу
f(х) → min, х  Р .   (11.4)
Выясним, что представляет собой данный полиэдр Р на плоскости x1Ox2 в случае двух продуктов x1 и x2. Из неравенств (11.3) вытекает, что Р расположен в первом квадранте, а каждое неравенство (11.2) геометрически определяет множество точек, лежащих по одну сторону от прямой   (рис. 11.1), т. е. полиэдр Р представляет собой неограниченное множество в первом квадранте, лежащее вне области, ограниченной многоугольником OABCDEF.
 
Для удобства введем линии уровня целевой функции, т. е. линии, на которых в плоскости х1Oх2 целевая функция
f(х)=с1x1+с2x2   (11.5)
принимает постоянное значение, например, , и обозначим ее Z. Очевидно, каждая линия уровня Z={(x1,x2):f(x)=a} является прямой; при этом gradf(x)=  является вектором N, перпендикулярным линии уровня и направленным (в данном случае) в сторону увеличения . Таким образом, для нахождения оптимального решения нам следует перемещать линию уровня до касания с многоугольником OABCDE, при этом оптимальная прямая Z  . коснется либо какой-то вершины (в нашем случае С), либо какого-либо ребра (например, СВ или CD при определенном изменении параметров с1 и с2).
Из приведенной геометрической интерпретации вытекает, что минимум обязательно достигается на одной из вершин многоугольника, поэтому его можно было бы найти методом перебора, сравнивая между собой значения целевой функции во всех вершинах. Конечно, метод перебора в принципе годится и в случае п переменных, однако при больших значениях п он неэффективен. Поэтому возникли и развиваются методы, позволяющие сформулировать более обозримые и эффективные критерии оптимальности. Начало им было положено работами акад. Л.В. Канторовича (1939 г.). Не углубляясь в суть этих методов, приведем пример одной многокритериальной модели.
В предыдущей задаче мы рассматривали одну целевую функцию. Однако на практике часто встречается ситуация, когда целенаправленная человеческая деятельность преследует сразу несколько целей. Такие задачи получили название многокритериальных. Методы их решения проиллюстрируем на только что рассмотренном примере составления оптимального рациона, несколько усложнив его.
Допустим, надо решить задачу об оптимальном рационе, максимизировав в нем первый продукт. Тогда наша математическая модель выглядит следующим образом:
   (11.6)
Прежде чем приступить к решению, обсудим задачу, чтобы лучше понять ее специфику. Итак, забудем на время о первой целевой функции из (11.6). Тогда не составляет труда найти решение задачи:
maxf2(x)=f2(E), xP (рис. 11.2).   (11.7)
Однако значение первой целевой функции может быть значительно больше оптимального  . Совершенно аналогично обстояло бы дело, если бы мы забыли о второй целевой функции и искали минимум первой целевой функции:   может быть много меньше f2(Д). Приведем наиболее употребительный метод решения многокритериальных задач (в данном примере – двухкритериальной задачи), а именно сведение двух критериев к одному.
1. Для реализации этого метода необходимо «взвесить» относительную важность каждого из критериев, т. е. выбрать из внемодельных соображений число , 0 <  < 1, а затем построить одну целевую функцию
    (11.8)
Если =1. то в расчет принимается только первая целевая функция, а если =0, то только вторая (рис. 11.1 и 11.2). Глубокое знание реальной проблемы и накопленный опыт могут позволить выбрать 0<<1 так, чтобы, решив оптимизационную задачу с единственной целевой функцией, можно было бы получить удовлетворительное решение для исходной постановки задачи с двумя целевыми функциями (рис. 11.3). Встретив трудности при решении двухкритериальной задачи, можно заменить ее однокритериальной, решать которую мы умеем.
 
 

11.2. Задача поиска

Более сложными, чем задачи линейного программирования, являются задачи выпуклого программирования. Прежде чем привести пример такой задачи, связанной с безопасностью жизнедеятельности, дадим некоторые определения из теории выпуклого анализа [39].
Определение 1. Множество Х из пространства Rn называется выпуклым, если из того, что две точки у и z принадлежат этому множеству, вытекает, что и весь отрезок {у,z}={хRn:х=у+(1-)z,  0  1, соединяющий эти точки, также принадлежит этому множеству.
Очевидным примером выпуклых множеств является внутренность круга, шара, эллипсоида, куба. На рис. 11.4 а, б приведены примеры невыпуклых множеств на плоскости R2.

Определение 2. Функция f(x), определенная на выпуклом множестве x Rn, называется выпуклой, если для любых двух точек у и z, принадлежащих X, и любого x[0,1] (тогда отрезок [y+(1-)z], 0  1, целиком принадлежит X) выполняется неравенство
 ,   (11.9)
Замечание. Если неравенство (11.9) имеет противоположный знак, то функция f(x) называется вогнутой.
Проще всего представить график выпуклой (или вогнутой) функции на плоскости (рис. 11.5).

Правая часть неравенства (11.9) представляет собой отрезок АВ, соединяющий точки (y,f(y))=АиВ=(z,f(z)), причем каждая точка этого отрезка (на рисунке взята точка С) выше соответствующей точки графика (на рисунке точка D). Если функция f(x) достаточно гладкая, то условия выпуклости (вогнутости) можно выразить через ее вторую производную.
Действительно, согласно теореме Лагранжа в некоторой точке Е (рис. 11.5) касательная к графику функции АВ лежит ниже этого графика. Уравнение этой касательной Y = f() + f\\\'’()(x-), следовательно, f(x)- f() – f’()(x-) 0, откуда в силу формулы Тейлора
 
где 0<<1.
Деля последнее неравенство на (х-)2 и далее переходя к пределу при х → , получаем, что
f”() 0.   (11.10)
В силу произвольности точки  это неравенство справедливо на всем отрезке [у, z] и является условием выпуклости (в случае вогнутости справедливо обратное неравенство). Для иллюстрации рассмотрим два простых примера.
Пример 1. f(x) =ex, x (-,+), f(“) = eх > 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, π] и выпукла на отрезке [π, 2 π].
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.
Задача поиска. Объект, подлежащий обнаружению, находится в одном из п районов с вероятностями р1,..., рп соответственно. Для поиска объекта имеется общий ресурс времени Т (т. е. при t>T поиск считается нецелесообразным). Известно, что при поиске в i-м районе в течение времени ti, вероятность обнаружения объекта (при условии, что он там находится) выражается через функцию Бернулли 1- , 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)
Кроме того, очевидно, что задача g(x)→max эквивалентна задаче (-g(x))→ min; также очевидно, что условия (11.13) и (11.14) определяют определенный полиэдр Р (рис. 11.6). Следовательно, вводя целевую функцию   получаем следующую оптимизационную задачу:
 , (11.16)
 где Р– полиэдр, заданный неравенствами (11.13) и (11.14).

Так как   причем  ,   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.
Действительно, имеем  <0. Значит, функция f(t) убывает по любому переменному ti, i = 1, 2,...,n,
и ее наименьшее значение достигается на гиперплоскости t1 + t2 +…+ tn = T (в случае двух переменных это прямая АВ на рис. 11.6). Однако в отличие от задач линейного программирования это наименьшее значение достигается необязательно в вершинах А, В и т.д., в чем можно убедиться, исследуя на АВ функцию f(t) в случае двух переменных. Тогда f(t1,t2)=  Минимум этой функции может достигаться и внутри отрезка [0, T] в зависимости от соотношения параметров р1, р2, α1, α2, в чем можно убедиться непосредственным исследованием функции одного переменного (например, если   то минимум достигается в середине Е отрезка АВ).

11.3. Игровые модели

Часто возникают ситуации, в которых различные участники имеют не совпадающие между собой интересы. Математические модели и методы для исследования таких так называемых конфликтных ситуаций получили название теории игр [18].
Приведем простейшие понятия и результаты этой теории. Под словом «игра» понимается совокупность правил, руководствуясь которыми игроки-участники принимают решения. Предположим, что результатом игры является плата, которую в соответствии с правилами проигравший участник платит выигравшим. Для простоты ограничимся сначала так называемыми «играми двух лиц с нулевой суммой». Для того чтобы полностью определить такую игру, нужно задать таблицу платежей – платежную матрицу, например, следующую матрицу размера 3х4:
 

Эта запись означает, что игрок А выбирает одну из строк этой матрицы, а игрок В, не зная выбора А, выбирает один из столбцов матрицы. Число на пересечении выбранных строки и столбца определяет выигрыш первого игрока (соответственно проигрыш второго). Например, если А выбрал вторую строку, а В – третий столбец, то А выиграл 5 единиц, а В их проиграл. Если же А выбрал третью строку, а В – второй столбец, то А проиграл 2 единицы, а В их выиграл.
Будем считать, что цель каждого из игроков состоит в максимизации наименьшего возможного выигрыша (соответственно минимизации наибольшего возможного проигрыша). Основной вопрос, возникающий в теории игр: существует ли наилучший способ игры у каждого из игроков, т. е. имеются ли у них оптимальные стратегии.
Прежде чем сформулировать ответ, вернемся к рассматриваемой матрице. Сразу видно, что игроку А выгоднее всего выбрать первую строку, так как все ее элементы больше соответствующих элементов остальных строк. Точно так же игроку В выгоднее всего выбрать второй столбец, так как все элементы этого столбца меньше соответствующих элементов остальных столбцов. Следовательно, в данном примере оптимальными стратегиями будут следующие: для А – выбор первой строки, а для В – выбор второго столбца. Число 4, стоящее на пресечении первой строки и второго столбца, носит название цены игры, т. е. платы, которую получает оптимально играющий игрок. Таким образом, в этом примере гарантированный выигрыш А – не менее 4-х единиц и гарантированный проигрыш В – не более 4-х единиц (он равен 4 единицам, если оба игрока играют оптимально).
Если оказывается, что для данной платежной матрицы минимум в какой-либо строке совпадает с максимумом в каком-либо столбце, то эти строка и столбец называются оптимальными, а их пересечение – седловой точкой платежной матрицы. Соответствующее число и будет ценой игры.
Однако далеко не каждая матрица имеет седловую точку, например, матрица   седловой точки не имеет. Говорить здесь о максимизации наименьшего возможного выигрыша (минимизации наибольшего возможного проигрыша) возможно только при использовании так называемой смешанной стратегии при многократной игре с одной и той же платежной матрицей. Суть этой стратегии заключается в выборе разных стратегий с определенными частотами. Итак, пусть А выбирает первую строку с частотой х, а вторую – с частотой (1 – х). Аналогично для В соответствующие частоты обозначим через у и (1 –у). Тогда средний выигрыш А, обозначаемый через Е (х, у), равен
Е(х,у)=4(1-х)у+х(1-у)=х+4у-5ху.   (11.17)
Нас интересует величина max min E(x,y). Имеем
 x         y
Еу=4-5х,   (11.18)
откуда Еу>0 при  , Ey=0 при х=  и Еу<0 при  . Значит,
 
(график на рис. 11.7). Следовательно,
    (11.19)
 

и оптимальной смешанной  стратегией для А будет выбор первой строки с частотой   и второй строки – с частотой  . Средний проигрыш В, обозначаемый F(x,y), очевидно равен –Е (х, у). Нас интересует величина  где
F(x,y)=5xy-x-4y.   (11.20)
Имеем Fx=5y-1, откуда Fx< 0 при  , Fx = 0 при y =  и Fx>0 при  < у ≤ 1. Значит,
 
(график на рис. 11.8). Следовательно,
    (11.21)
и оптимальной стратегией для А будет выбор первого столбца с частотой   и второго столбца – с частотой  .
При оптимальных смешанных стратегиях выигрыш А и соответственно проигрыш В в пять раз меньше максимально возможного при одиночной игре.
 

Отметим также, что в рассмотренном примере мы показали существование оптимальных стратегий и установили равенство
 ;   (11.22)
при  этом  величину  Е(х,у)  можно  трактовать как математическое ожидание выигрыша, а величину v =  определить как цену игры.
Рассмотрим теперь общий случай прямоугольной матрицы
 .
При любой допустимой стратегии игрока A: x1 ≥ 0, ...,хm ≥ 0, x1 +x2+…+xm=1 и любой допустимой стратегии игрока В: y1 ≥ 0, ...,ym ≥ 0, y1 +y2+…+ym=1 математическое ожидание выигрыша равно
    (11.23)
Множество допустимых стратегий x = (x1,…,xn) игрока А обозначим через X, а множество допустимых стратегий у=(у1,...,yn) игрока В обозначим через Y.
Рассмотренные выше примеры являются частными случаями общих теорем [18] для игр с прямоугольными матрицами (прямоугольными играми); из них, в частности, вытекает:
1. Величины   существуют и равны между собой; при этом величина
    (11.24)
является ценой игры.
2. Всякая прямоугольная игра имеет цену; каждый игрок в прямоугольной игре всегда имеет оптимальную стратегию.
3. Пусть Е – математическое ожидание выигрыша в прямоугольной игре с матрицей С, имеющей цену v. Тогда для того, чтобы элемент х* =(х1*,...,х*m) Х был оптимальной стратегией для игрока А, необходимо и достаточно, чтобы для всякого j =1, 2,...,n базисного вектора y(j) =   имело место неравенство
v ≤ E (x*, y(j)).   (11.25),
Аналогично для того чтобы элемент у* =(y*1,...,y*n)Y был оптимальной стратегией для игрока В, необходимо и достаточно,  чтобы для  всякого элемента  базисного  вектора x(i) =   имело место неравенство
E (x(i), y*) ≤ v.   (11.26)
Покажем теперь на двух примерах, как можно применить эти утверждения для вычисления цен и определения оптимальных стратегий для прямоугольных игр. В качестве таких примеров рассмотрим стратегии ловли на удочку и питания рыбы1.
1 Идея примера взята из книги Вильямса [8], которая также может служить хорошим введением в теорию игр.

Представим себе, что существование такого вида рыб, питающихся у поверхности воды, зависит от наличия трех видов летающих насекомых, которые обозначим через т1,т2 и m3 соответственно; насекомые появляются в зоне захвата с частотами 15п, 5п и п (т. е. насекомых т2 в 5 раз больше чем m3, а насекомых т1 в 3 раза больше чем т2).
Допустим, что рыбак В ловит рыбу А на насекомых одного из этих видов, насаживая их на крючок. Тогда матрица стратегий С ловли на удочку и питания рыб имеет следующий вид (табл. 11.1):
 

На основании изложенных утверждений достаточно найти неотрицательные числа х1,х2,х3, y1,y2,y3 и число, удовлетворяющее следующим условиям:
x1+x2+x3=l,        y1+y2+y3=1,   (11.27)
v ≤ -2x1,          -2y1   ≤ v,
v ≤ -6x2,          -6у2   ≤ v,
v ≤ -30x3,        -30у3 ≤ v.
Заменим последние шесть неравенств на равенства. Тогда имеем
х1=у1= ,    x2=y2=  ,  x3=у3= .   (11.28)
Подставляя эти значения в равенства (11.27), получим
v = .   (11.29)
 .   (11.30)
    (11.31)
Таким образом, цена игры для рыбы будет отрицательной и равной  . Она показывает, что в конце концов рыба будет поймана. При этом оптимальная стратегия рыбака совпадает со стратегией питания (также оптимальной) рыбы и оптимальная стратегия уменьшает вероятность поимки рыбы в каждом конкретном случае.
Несколько усложним задачу. Предположим, что рыболов иногда использует приманку т4, которая может быть принята по ошибке за одно из трех насекомых, но которая вдвое чаще вызывает подозрение у рыб. Тогда матрица С стратегий ловли на удочку и питания рыб примет вид табл. 11.2:
 

Теперь достаточно найти неотрицательные числа х1,х2,х3, y1,y2,y3,y4 и число v, удовлетворяющие следующим условиям:
x1+x2+x3=l,         y1+y2+y3+y4=1,   (11.27)
v ≤ -2x1,                  -y4 –2y1 ≤ v,
v ≤ -6x2,                -3y4 – 6у2 ≤ v,
v ≤ -30x3,              -15y4 – 30у3 ≤ v.
v ≤ -x1 –3x2 –15 x3
Левая система неравенства переопределена, а правая недоопределена (в левой неизвестных больше, чем неравенств, а в правой меньше). Заметим, что если последнее неравенство в правой колонке
-15y4 –30у3 ≤ v. будет выполнено при у3=0, то оно будет выполнено и при всех у3>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
 
Подставляя полученные выражения в равенство (11.32), где у3 =0, получим  , 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 = -2x1,   v = -6x2,
откуда
 
и, с учетом x3 = 0,
 
   (11.35)
Значит, оптимальная стратегия для рыбы равна
    (11.36)
цена же ее в силу (11.35) равна  , 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

1. Рассмотрим задачу об «оптимальном рационе» в случае трех продуктов питания (например, хлебные, молочные и мясные продукты) и трех полезных веществ (углеводы, белки, жиры). Ценовой вектор с = (с1, с2, c3) (руб.) примерно равен (10; 20; 50), а вектор b = (b1, b2, b3) минимально необходимого месячного потребления полезных веществ (кг) равен (1,2; 4; 1,5). Будем предполагать также, что матрица   имеет вид  .
Решить задачу f1(x)=  → min при ограничениях  Ах ≤ b, х ≥ 0.
2. При тех же ограничениях решить задачу f2(x) = х2 → max .
3. Решить двухкритериальную задачу f1(x)→min, f2(x)→max, заменяя ее минимизацией суперкритерия f(x)=Θf1(x)-(1-Θ)f2(x). Рассмотреть случаи  .
4. Привести геометрическую интерпретацию задач 1–3.
5. Рассмотреть задачу поиска в случае трех районов и соотношения  = 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 = αDt,   (12.4)
где α – 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+Δt = 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:
  – валовая прибыль в t-м году, получаемая при определенной стратегии управления ресурсами как функция от вектор-функции  , компонентами которой являются различные факторы, влияющие на величину прибыли: запроектированные параметры в системе дамб, турбогенераторов и оросительных каналов и т.д.;
  – затраты, связанные с эксплуатацией, ремонтом или заменой оборудования в t-м году, как функция от вектор-функции  ;

K  – первоначальные капиталовложения на создание системы водных сооружений и подготовку оборудования.
Вкладывая деньги в какое-либо предприятие, следует сравнить доход, получаемый при различных вариантах политики, с доходом, получаемым от вложения той же суммы денег в банк под ежегодный процент. Учитывая формулу сложного процента, т. е. используя дисконтный множитель  , получим следующие выражения для экономической эффективности многоцелевой системы водных ресурсов, эксплуатируемой в течение T лет:
   (12.10)
где   = уt,    = х.
Анализируя формулу (12.10), заметим, что поскольку в знаменателе стоит величина  , 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.
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

1. Акимова ТА., Хаскин В.В. Экология. – М.: ЮНИТИ, 1998.
2. Ашманое С. А. Линейное программирование.– М.: Наука, 1981.
3. Большаков В.Н., Корытин Н.С., Кряжимский Ф.В, Шишмарев В.М. Новый подход к оценке стоимости биотических компонентов экосистем//Экология. – 1998. – № 5.
4. Брукс P.P. Химия окружающей среды. – М.: Химия, 1982.
5. 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.
6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М., 1962.
7. Виженский В.А., Петрухин В.А. Мониторинг фонового загрязнения природных сред. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Вып. 6.
8. Вильямс Дж. Д., Совмещенный стратег или букварь по теории стратегических игр: Пер. с англ. – М.: Советское радио, 1960.
9. Вопросы водной токсикологии /Под ред. А.В. Топачевского и Н.С. Строганова. – М.: Наука, 1970.
10. Горстко А.Б. Познакомьтесь с математическим моделированием. – М.: Знание, 1991.
11. Делятицкий С., Зайонц И., Чертков Л., Экзарьян В. Экологический словарь. - М.: КОНКОРД Лтд - ЭКОПРОМ. 1993.
12. Джефферс Дж. Введение в системный анализ; применение к экологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1981.
13. Игнатов В.Г., Кокин А.В. Экологичный менеджмент. – Ростов-на-Дону: АООТ «Ростовское книжное издательство», 1997.
14. Израэль Ю.А. Гидрометеорология и контроль состояния природной среды// Проблемы современной гидрометеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 230.
15. 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.
16. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. -М.: Гидрометеоиздат, 1984.
17. Карлин С. Основы теории случайных процессов: Пер. с англ. – М.: Мир,1971.
18. Кинси Дж. Мак. Введение в теорию игр: Пер. с англ. – М., 1960.
19. Комплексный глобальный мониторинг загрязнений окружающей природной среды. Труды II Международного симпозиума. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
20. Коста М., Хек Дж. Д. Канцерогенность ионов металлов// Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.
21. Лапин В.Л., Мартинсен А.Г, Попов В.М. Основы экологических знаний инженера. – М.: Экология, 1996.
22. Лисичкин В.А., Шелепин Л. А., Боев Б. В. Закат цивилизации или движение к ноосфере (экология с разных сторон). – М.: ИЦ-Гарант, 1997.
23. Мартин Р. Бионеорганическая химия токсичных ионов металлов// Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.
24. 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.
25. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. – М.: Наука, 1987.
26. Моисеев Н.Н. Быть или не быть человечеству? – М.: Россия молодая, 1999.
27. Одум Ю. Экология. В 2-х т.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.
28. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. –Л.: Химия, 1975.
29. 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.
30. 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).
31. Реймерс Н.Ф. Природопользование. – М.: Мысль, 1990.
32. Реймерс Н.Ф. Экология. – М.: Россия молодая, 1994.
33. 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.
34. 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.
35. 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.
36. Смит Дж. М. Модели в экологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1976.
37. Спозито Г. Распределение потенциально опасных следов металлов//Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.
38. Стоянов А., Андреев Г., Дмитров Д. Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Вып.8.
39. Сухарев А. Г., Тимохов А.В., Федоров В. В. Курс методов оптимизации. - М.: Наука, 1986.
40. Уатт К. Экология и управление природными ресурсами. – М.: Мир,1971.
41. Форрестер Дж. Динамика развития города. – М.: Прогресс, 1974.
42. Химия окружающей среды /Под ред. Дж.О.М. Бокриса. – М.: Химия, 1982.
43. Хэммонд П.Б., Фолкс Э.К. Токсичность иона металла в организме человека и животных//Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. – М.: Мир, 1993.
44. Цурков В. И. Динамические задачи большой размерности. – М.: Наука, 1998.
45. Швайкова М.Д. Токсикологическая химия. – М.: Медицина, 1975.
46. Экспериментальная водная токсикология /Под ред. Г. П. Андрушайтиса. – Рига: Зинатне, 1972.
47. Эрроусмит Д., Плейс К. Обыкновенные дифференциальные уравнения (качественная теория с приложениями): Пер. с англ. – Волгоград: Платон, 1997.
48. Chaston I. Mathematics for Ecologists, Butterworths, London, 1971.
49. Lovelock J.E. Gaia: A New Look at Life on Earth, New York, Oxford University Press, 1979.
50. 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.
51. Martin В., Sella F. The development and implementation of the global Environmental monitoring sustem. - Doc. VNEP, Nairobi, 1977.
52. Munn R.E. Global environmental monitoring system. SCOPE, rep.3. Toronto, 1973.
53. Suviki Т. Toxicology of trace elements. Halstead press, 1977.
54. 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

55. Дать определение понятий «опасный производственный фактор» (ОПФ) и «вредный производственный фактор» (ВПФ). Существует ли между ними четкая граница?
56. Как подразделяются опасные и вредные производственные факторы?
57. Дать определение понятий «безопасность труда», «производственная санитария», «техника безопасности», «пожарная и взрывная безопасность».
58. Что такое средства коллективной и индивидуальной защиты?
59. 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 (φ, %), 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.

Относительная влажность воздуха представляет собой отношение фактического количества паров воды в воздухе при данной температуре D (г/м3) к количеству водяного пара, насыщающего воздух при этой температуре,  .
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:
 ,
где α – коэффициент конвекции,  ;
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;
τ  – время, с;
C1-2 – коэффициент взаимного излучения, 
Θ – 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 (φ > 85%) затрудняет теплообмен между организмом человека и внешней средой вследствие уменьшения испарения влаги с поверхности кожи, а низкая влажность (φ < 20%) приводит к пересыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Движение воздуха в производственном помещении улучшает теплообмен между телом человека и внешней средой, но излишняя скорость движения воздуха (сквозняки) повышает вероятность возникновения простудных заболеваний.
Постоянное отклонение от нормальных параметров микроклимата приводит к перегреву или переохлаждению человеческого организма и связанным с ними негативным последствиям:
при перегреве – к обильному потоотделению, учащению пульса и дыхания, резкой слабости, головокружению, появлению судорог, а в тяжелых случаях – возникновению теплового удара. При переохлаждении возникают простудные заболевания, хронические воспаления суставов, мышц и др.
Для исключения перечисленных выше негативных последствий необходимо правильно выбирать параметры микроклимата в производственных помещениях.
В отечественных нормативных документах введены понятия оптимальных и допустимых параметров микроклимата. Оптимальными микроклиматическими условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового
состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности.
Допустимыми условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма, сопровождающиеся напряжением механизмов терморегуляции, не выходящим за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья, но могут наблюдаться ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.
В ГОСТе 12. 1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования» представлены оптимальные и допустимые параметры микроклимата в производственном помещении в зависимости от тяжести выполняемых работ, количества избыточного тепла в помещении и сезона (времени года).
В соответствии с этим ГОСТом различают холодный и переходный периоды года (со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +10°С), а также теплый период года (с температурой +10°С и выше). Все категории выполняемых работ подразделяются на: легкие (энергозатраты до 172Вт), средней тяжести (энергозатраты до 172–293 Вт) и тяжелые (энергозатраты более 293 Вт). По количеству избыточного тепла все производственные помещения делятся на помещения с незначительными избытками явной теплоты1 (QЯ Т 23,2Дж/мз•c) и помещения со значительным избытком явной теплоты (QЯ Т > 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 (λ) 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 λ 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 (ηэ). Эти характеристики выражаются следующими зависимостями:
  и 
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 ηэ – какая часть из первоначального теплового потока доходит до рабочего места, защищенного экраном. Эффективность ηэ 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)
где:   – требуемое количество приточного воздуха, м3/ч; С – удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1 кДж/(кг·град);   – плотность приточного воздуха, кг/м3; tвыт –  температура удаляемого воздуха, ˚С;   – 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)
где   – масса водяных паров, выделяющихся в помещении, г/ч;   – содержание влаги в удаляемом из помещения воздухе, г/кг;   – содержание влаги в наружном воздухе, г/кг;   - 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):
 
Величина   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

1. Что такое воздух рабочей зоны?
2. Какие основные нормируемые показатели микроклимата воздуха рабочей зоны вы знаете?
3. Что является источниками теплового излучения?
4. Что такое терморегуляция человеческого организма?
5. Из каких основных процессов состоит теплоотдача человеческого организма в окружающую среду?
6. Как влияют на человеческий организм температура окружающего воздуха, его относительная влажность и скорость движения?
7. Как выбирают параметры микроклимата в производственном помещении?