Условия функционирования природно-технических экологических систем

Развитие строительства и промышленного производства приво­дит к повышению влияния техногенных факторов на природную систему и увеличивает риск нарушения экологического равновесия.

Понятие «экологическое равновесие» в природе имеет глубокий смысл и отражает состояние и свойства биогеоценоза. Если вслед­ствие антропогенных изменений экологическое равновесие нару­шается, то это приводит к значительным диспропорциям в еди­ничных или общих природных явлениях.

Одна из фундаментальных задач исследования любой экоси­стемы — точный и достоверный прогноз возможных последствий нарушений в природе, возникающих при техногенных воздейст­виях.

Задачей промышленной экологии является такая организация про­изводства, которая при его строительстве и эксплуатации обеспе­чила бы минимальные потери неживой и живой природы.

Реальная природно-техническая система в своем совместном функционировании базируется на процессах энерго- и массообмена. Со стороны промышленных производств идет поток разно­характерных техногенных возмущений, которому противодействует реактивный поток со стороны биосферы. Взаимодействие этих потоков обеспечивает уровень антропогенного изменения свойств природных объектов по всей совокупности параметров.

Процесс формирования и развития конкретной экосистемы характеризуется закономерным изменением начальных показате­лей природной системы.

Каждый вид промышленного техногенеза обладает свойствен­ной ему спецификой воздействия на объекты природы.

Реальный процесс формирования и развития природно-технической системы сопровождается закономерным накоплением ан­тропогенных изменений свойств экосистемы во времени. Харак­тер такого взаимодействия показан на рис. 2.1.

Период (τ₀-τ₁) отвечает переходу экосистемы из одного со­стояния в другое без явного накопления антропогенных измене­ний. Период (τ₁-τ₂) характеризуется переходом из абсолютно ус­тойчивого состояния экосистемы в состояние с незначительными остаточными антропогенными изменениями. Период (τ₂-τ₃) — переход экосистемы в состояние с локальным нарушением рав­новесия. Период (τ₃-τ_пр) — переход экосистемы в предельное состояние с полным нарушением равновесия.

P₀, …, P_пр — состояние экосистемы при накоплении в ней ан­тропогенных изменений в различные периоды времени.

Область I характеризуется возможностью полного восстанов­ления природно-технической системы за счет собственных ком­пенсационных возможностей. Область II отвечает условию комп­лексного восстановления системы за нормативно заданное время: 30 — 50% естественного самовосстановления и 50 — 70% искусст­венного восстановления. Область III характеризуется комплекс­ным восстановлением системы за пределами нормативного вре­мени за счет частичного (10 — 20% самовосстановления и 80 - 90% принудительного) восстановления. Область IV отвечает ус­ловию полного отсутствия компенсационных возможностей при­родной среды к самовосстановлению даже за пределами норма­тивного времени, а также значительными экологическими поте­рями, в том числе и защитных функций.

Физический смысл экологической безопасности состоит в по­следовательном суммировании времен перехода системы от на­чального равновесного состояния (τ₀) через промежуточные ус­ловно равновесные состояния (τ₁-τ₃) к предельному состоянию (τ_пр), характеризующемуся критическим уровнем накопления ан­тропогенных изменений. В оценке последствий промышленного воздействия на природу важно выявление масштабов этого воздействия, при которых оно не причинило бы вреда человеку и природе.

τ₀ τ₁ τ₂ τ₃ τ_пр, τ

Рис. 2.1. Схема функциональных переходов экосистемы по стадиям антро­погенных изменений:

I — область исходного состояния экосистемы; II— область накопления локаль­ных изменений и развития экосистемы; III — предельное состояние; P_τ — состо­яние экосистемы при накоплении в ней антропогенных изменений; τ — время

Любое промышленное воздействие на природу характеризует­ся ответной реакцией со стороны окружающей среды, которая может проявляться в трех формах — адаптационной, восстанови­тельной и невосстановительной.

Адаптационная реакция предусматривает локальное, статисти­ческое смещение равновесия, в рамках которого окружающая среда продолжает функционировать в новых условиях.

Восстановительная реакция отвечает полному или частичному восстановлению свойств экосистемы.

Невосстановительная реакция соответствует критическому со­стоянию окружающей среды.

Переход системы к экологически экстремальной ситуации воз­можен при превышении допуска хотя бы одного показателя воз­мущения.

Рассмотрим характер влияния антропогенных факторов, воз­никающих в процессе строительства типового промышленного объекта и его дальнейшей эксплуатации.

В процессе строительства допускается определенное антропо­генное воздействие, приводящее к изменению ряда природных факторов (рис. 2.2).

Условие экологического равновесия требует, чтобы к моменту окончания строительства характеристики состояния природной среды были бы невозрастающими функциями во времени. Если какая-либо характеристика носит неуправляемый характер, то ее монотонное возрастание может привести в процессе эксплуата­ции к достижению предельного антропогенного уровня, представ­ляющего экологическую опасность.

Принцип оптимального функционирования природно-техни- ческой системы при управлении трудовыми процессами и производственной деятельностью может быть сформулирован следую­щим образом:

если природно-техническая система испытывает влияние комп­лекса факторов техногенного и антропогенного воздействия, то для стабильного функционирования этой системы необходимо, чтобы сум­ма этих воздействий оставляла без изменения все структурные со­отношения в данной системе.

Рис. 2.2. Функциональные характеристики антропогенного изменения в природно-технической системе:

1— предельный антропогенный уровень; — стадия формирования промыш­ленного объекта; 3— стадия эксплуатации промышленного объекта; I—IV— условные характеристики факторов антропогенных изменений (I— сохранность природного покрова почвы; II — сохранность растительного покрова; III— со­хранность гидрогеологического состояния рельефа; IV— сохранность естествен­ного вида ландшафта); τ — время; G— количественный показатель компонента природного ландшафта

Для разработки оптимального экологического режима необхо­димо знать факторы технического воздействия, критерии оценки состояния экосистемы и иметь управляющие параметры, оказы­вающие воздействие на природную экосистему.

Факторы техногенного воздействия определяют:

• по номенклатурному (качественному) составу техногенных выбросов;

• по интенсивности их воздействия (оценивается коэффициен­том весомости) на природную среду.

Критерии состояния экосистемы служат объективной мерой оценки эффективности разрабатываемых инженерно-экологиче­ских методов охраны окружающей природной среды для различ­ных производственных процессов.

Выбор критериев зависит от специфики экосистемы и требо­ваний, которые к ней предъявляют. Часто для оценки влияния промышленного техногенеза на экологическое равновесие исполь­зуют следующие интегральные критерии:

• абсолютные потери окружающей среды, выраженные в кон­кретном изменении данных биогеоценоза флоры и фауны;

• компенсационные возможности экосистемы, характеризую­щие ее восстанавливаемость в естественном и принудительном режимах;

• опасность нарушения природного баланса, которая опреде­ляет вероятность возникновения необратимых потерь и экологи­ческих сдвигов;

• уровень экологических потерь, которые характеризуют масш­табы воздействия промышленного техногенеза на окружающую среду.

Преодоление экологического антагонизма в системе «человек — производство — природа» — главная цель промышленной экологии на современном этапе развития научно-технического прогресса.

При строительстве и эксплуатации промышленных объектов необходимо инженерное обоснование экологически безопасных допустимых уровней техногенного воздействия на геосферы Зем­ли, обеспечивающее сохранение устойчивости биогеоценоза и природных функций экосистемы.

Разработана и применяется система управляющих параметров, направленных на сохранение природоохранных функций экоси­стемы.

К ним относятся инженерные решения и мероприятия, в том числе:

• разработка новых безотходных и ресурсосберегающих техно­логий;

• совершенствование методов обезвреживания техногенных выбросов и создание замкнутых производственных циклов;

• разработка мероприятий по комплексному использованию сырья.