Инженерные методы охраны литосферы. Город как сложная экосистема

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Инженерные методы охраны литосферы

Человек существует в определенном пространстве, и основной составляющей этого пространства служит земная поверхность - поверхность литосферы.

Литосфера - это каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Верхняя часть литосферы в настоящее время подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. Основные значимые составляющие литосферы: почвы, горные породы и их массивы, недра.

Причины нарушения верхних слоев земной коры:

добыча полезных ископаемых;

захоронение бытовых и промышленных отходов;

проведение военных учений и испытаний;

внесение удобрений;

применение пестицидов.

Почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн., или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 10% суши, луга и пастбища - 25% суши. Плодородием почвы и климатическими условиями определяются возможность существования и развития экологических систем на Земле. К сожалению, из-за неправильной эксплуатации ежегодно теряется некоторая часть плодородных земель. Так, за последнее столетие в результате ускорения эрозии потеряно 2 млрд. гектаров плодородных земель, что составляет 27% от общей площади земель, используемых для сельского хозяйства.

Методы защиты литосферы.

Можно выделить следующие основные направления:

защита почв;

охрана и рациональное использование недр:

рекультивация нарушенных территорий;

защита массивов горных пород.

Защита почв.

Защита почв должна осуществляться на основе комплексного подхода к сельскохозяйственным угодьям как сложным природным образованиям (экосистемам) с обязательным учетом региональных особенностей.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер:

землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам);

агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.);

лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.);

гидротехнических (каскадные пруды и т. д.).

Для борьбы с заболачиванием почв в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные мелиорации. В зависимости от причин заболачивания это может быть:

понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений;

строительство дамб,

спрямление русла реки для защиты от затопления;

перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др.

Однако чрезмерное осушение больших площадей может вызвать нежелательные изменения.

Для предупреждения вторичного засоления почв необходимо устраивать дренаж, регулировать подачу воды, применять полив дождеванием, использовать капельное и прикорневое орошение, выполнять работы по гидроизоляции оросительных каналов и т. д.

Для предотвращения загрязнения почв пестицидами и другими вредными веществами используют экологические методы защиты растений (биологические, агротехнические и др.), повышают природную способность почв к самоочищению, не применяют особо опасные и стойкие инсектицидные препараты и др.

Охрана и рациональное использование недр:

наиболее полное извлечение из недр основных и попутных полезных ископаемых;

комплексное использование минерального сырья, включая проблему утилизации отходов.

Отходы при разработке недр бывают:

твердыми («пустые» горные породы, минеральная пыль);

жидкими (шахтные, карьерные и сточные воды);

и газообразные (газы, выделение из отвалов).

Основные направления утилизации отходов и улучшения экологической обстановки - это использование их в качестве сырья, в промышленном и строительном производстве, в дорожном строительстве, для закладки выработанного пространства и для производства удобрений.

Механическое обезвоживание осадков промышленных стоков может производиться экстенсивными и интенсивными методами.

Экстенсивные методы осуществляются в уплотнителях.

Интенсивное обезвоживание и сгущение производится при помощи фильтрования, центрифугирования, гидроциклонирования и т.п.

В практике обработки осадков промышленных сточных вод чаще всего применяются химические (реагентные) методы обработки.

При использовании термоокислительного метода все органические вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный или «огневой» метод.

Относительно широкое распространение в области обработки осадков городских сточных вод получила сушка (барабанные сушилки, сушка во встречных струях).

Многие процессы утилизации твердых отходов основаны на использовании методов выщелачивания (экстрагирования), растворения и кристаллизации перерабатываемых материалов.

В практике рекуперации твердых отходов промышленности используют методы обогащения перерабатываемых материалов: гравитационные, магнитные, электрические, флотационные, и специальные.

При утилизации и переработке твердых отходов используют различные методы термической обработки исходных твердых материалов и полученных продуктов: это различные приемы пиролиза, переплава, обжига и огневого обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на органической основе.

Жидкие отходы после соответствующей очистки используют для хозяйственно-питьевого водоснабжения, орошения и т. д., газообразные для отопления и газоснабжения.

Рекультивация.

Рекультивация - это комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий (при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, в процессе строительства и др.) и приведения земельных участков в безопасное состояние.

Различают рекультивацию техническую, биологическую и строительную.

Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т. п.

На этапе технической рекультивации засыпают карьерные, строительные и другие выемки, в глубоких карьерах устраивают водоемы, полностью или частично разбирают терриконы, отвалы, хвостохранилища, закладывают «пустыми» породами выработанные подземные пространства. После завершения процесса осадки поверхность земли выравнивают.

Биологическая рекультивация проводится для создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т. д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов.

Строительная рекультивация - при необходимости возводятся здания, сооружения и другие объекты.

Защита массивов горных пород:

1. Защита оползневых массивов. Эффективная защита оползневых участков от воздействия строительных работ заключается в поддержании стабильного состояния склонов в течение всего срока эксплуатации, заданного проектом. С этой целью регулируют поверхностный сток посредством водоотводных канав, телескопических лотков, ливневых коллекторов, производят планировку склона, одерновывают оголенные откосы, осуществляют лесомелиоративные работы и т. п.

На оползневых склонах и там, где они возможны, запрещается строительство различных сооружений, сброс технических и хозяйственных вод, вырубка деревьев, неумеренный выпас скота, подрезка склона, устройство карьеров и других выемок и т. п.

При необходимости выполняют активные инженерные мероприятия:

перераспределение массы горных пород на склоне;

устраивают подпорные и анкерные сооружения;

искусственно улучшают свойства грунтов;

дренируют подземные воды и др.

2. Защита селеопасных массивов. На селеопасных горных массивах запрещается вырубка лесов, уничтожение кустарников, нарушение травянистого покрова. Недопустим сброс на склоны сточных вод, устройство оросительных каналов, накопление отвалов горных пород при добыче полезных ископаемых и т. д.

Необходимы лесонасаждения, регулирование поверхностного стока, сброс воды из ледниковых озер и другие природоохранные меры.

В состав инженерных мероприятий входят селезадерживающие и селеулавливающие плотины, водосбросные каналы и др.

3. Защита закарстованных массивов. Природоохранные мероприятия должны быть направлены на снижение карстового процесса. Главное внимание уделяется поверхностному и подземному стокам. С этой целью устраивают перехватывающие и водосборные канавы, производят тампонаж карстовых воронок, провалов, крупных трещин, облицовку обнаженных участков. Предусматривают дренаж подземных вод. Ограничивают до минимума вскрышные земляные работы. Применяют агролесомелиорацию.

Одним из важных направлений охраны закарстованных массивов является борьба с утечками агрессивных промышленных сточных вод. Для предотвращения развития карстово-суффозионных процессов при интенсивных откачках вод необходимо регулировать величину водоотбора.

4. Защита массивов горных пород от подтопления. Мероприятия по борьбе с подтоплением подразделяют на:

профилактические (организация стока грунтовых вод, предупреждение утечек из водонесущих коммуникаций и др.);

защитные (дренаж, гидроизоляция).

5. Охрана массивов горных пород в зоне вечной мерзлоты. Согласно действующим строительным нормам и правилам в качестве основных должны предусматриваться мероприятия для сохранения расчетного температурного режима пород, а также для сохранения природных условий окружающей среды.

Непременным условием сохранения мерзлотных и природных условий являются своевременная засыпка траншей и котлованов, закрепление выемок и срезок грунта и максимально возможное сохранение естественного растительного и почвенного покрова. Очень важно сохранить и природную растительность (деревья, кустарники). Дороги, подъезды и насыпные площадки для строительных механизмов возводят до начала земляных и фундаментных работ.

После окончания строительных работ необходимо производить рекультивацию (восстановление) начальных природных условий, где они были нарушены. При этом необходимо помнить, что природная среда в зоне вечной мерзлоты весьма ранима, здесь значительно легче нарушить ее, чем восстановить.

2. Показать на примерах, что город - сложная экосистема

город антропогенный урбанистический литосфера

Экосистема - природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии.

Экосистемы очень разнообразны.

Экосистемы могут быть:

Естественные (формируются под влиянием природных факторов);

Антропогенные (создаются человеком в процессе хозяйственной деятельности).

И естественные, и антропогенные экосистемы различаются по источнику энергии, который обеспечивает их жизнедеятельность:

Автотрофные (находятся на энергетическом самообеспечении), разделяются на:

фотоавтотрофные - потребляющие солнечную энергию за счет продуцентов - фотоавтотрофов;

хемоавтотрофные - использующие химическую энергию за счет продуцентов - хемоавтотрофов.

Гетеротрофные (используют химическую энергию, которую получают вместе с углеродом от органических веществ, или энергию созданных человеком энергетических устройств).

Антропогенные гетеротрофные экосистемы очень разнообразны. Это, во - первых, города и промышленные предприятия. Энергия в них поступает по линиям электропередач, по трубам нефте- и газопроводов, в цистернах автомашин и железнодорожных вагонах. Поступают в город и сырье для работы промышленных предприятий, и продукты питания для горожан. Какое - то количество солнечной энергии городская экосистема получает благодаря зеленым растениям, но оно ничтожно мало по сравнению с энергией, которую город получает извне.

Город, как экосистема отличается тем, что для него очень большую роль играют среда на входе и среда на выходе. От природных экосистем город отличается:

большим притоком концентрированной энергии извне (горючее, ископаемые, электроэнергия);

большей потребностью в поступлении веществ извне;

более мощным и более ядовитым потоком отходов, многие из которых синтетические, т. е. более токсичны, чем исходное сырье.

Город, особенно промышленный, - это не полная гетеротрофная система, получающая энергию, пищу, воду, различные материалы с больших площадей, находящихся за его пределами. От природной гетеротрофной экосистемы город отличается следующим:

гораздо более интенсивным метаболизмом на единицу площади, для чего требуется большой приток концентрированной энергии извне;

большими потребностями в поступлении веществ извне;

более мощным и более ядовитым потоком отходов, многие из которых - синтетические соединения, более токсичные, чем исходное сырье.

В связи с этим для системы города среда на входе и выходе значительно важнее, чем для любой автотрофной системы, например, леса.

Для улучшения среды обитания человека создается “зеленый пояс”, включающий в себя автотрофный компонент: деревья, кустарники, травяные газоны, озера и пруды. Органическая продукция, полученная с этого компонента, не играет заметной роли в жизни города. Без поступления пищи, горючего, электричества и воды город обречен.

Рост городов и быстрая урбанизация территории изменили нашу планету, вероятно, в большей степени, чем другие виды деятельности человека. Площадь суши, занятая городами в разных районах мира, составляет от 1 до 5%. Воздействуя на обширные среды на входе и выходе, город в значительной степени изменяет природу и оказывает косвенное влияние на территории, находящиеся на значительном удалении от него. Например, спрос на продукцию, производимую из леса, вынуждает вырубать большие лесные массивы.

На единицу площади город потребляет значительно больше энергии, чем сельская местность. Тепло, пыль и другие вещества, образующиеся в результате функционирования города, загрязняют воздух и заметно изменяют климат. Как правило, в городах теплее, выше облачность, меньше солнечного света, больше мороси и тумана, чем в прилегающей сельской местности.

Следует учесть, что функционирование городов сказывается на загрязнении атмосферы и воды даже на значительном удалении от них.

Город, как правило, не производит, или почти не производит пищу или другие органические вещества. Говоря о городе как об экосистеме, нельзя ограничиваться пределами его застройки, необходимо учитывать обширные среды на входе и выходе.

Современный большой город является системой, которой нет аналогов в природе. Один единственный вид живых разумных существ за микроскопический в масштабах эволюции природы срок создал ландшафт, которого никогда до этого не знала планета. Для урбанистической среды трудно переоценить роль человека как средообразующего фактора. Город -- среда, в которой жизнедеятельность человека определяет почти все в возникновении экосистемы, в ее характере, структуре и функционировании. Внешний облик и структура системы определяются человеческими сооружениями и человеческой жизнедеятельностью (здания, дороги, транспортные потоки и т.п.), от человека зависят источники и распределение вещества и энергии. Даже такой фактор как климат до определенной степени испытывает «антропогенное» влияние -- зимой в крупных городах теплее, чем в окружающей местности.

Город возник не в результате длительной природной «сукцессии» -- постепенной смены одной экосистемы другой экосистемой, более приспособленной к внешним условиям, а в результате относительно быстрых целенаправленных и нецеленаправленных усилий по созданию среды, предназначенной для удовлетворения нужд одного вида -- человека разумного, в его городской разновидности. Можно сказать, что человек создавал город как экосистему, представляющую собой экологическую нишу только для одного вида -- самого себя, и нахождение в нем других видов обуславливалось, прежде всего, их необходимостью для человека. Причем возникновение города как среды обитания произошло практически мгновенно по сравнению с длительность природных смен.

Обитающие в городе живые организмы составляют урбаценоз -- сообщество животных, растений и микроорганизмов города. От предыдущих природных экосистем в городе остаются только небольшие фрагменты (лесопарки, водоемы) -- но и они, как правило, уже не обладают всем набором организмов и связей между ними, которые характерны для их загородных, не слишком измененных человеком, аналогов. Городские растительные сообщества в значительной мере формируются либо за счет непреднамеренно завезенных человеком видов (пример -- заросшие пустыри), либо преднамеренно формируются людьми (парки, газоны). В целом, площадь, занимаемая зелеными растениями относительно невелика и, соответственно, их биомасса и продуктивность малы. Территория в основном занята зданиями, асфальтированными дорогами и площадками и т.д.

Приспособиться к жизни рядом с человеком смогло относительно небольшое количество видов животных. Они, в сущности, являются квартирантами, использующими не ими созданный ландшафт. Это представители наиболее крупных по размеру видов -- млекопитающие и птицы. Их можно условно разделить на три группы.

Первая группа.

Это представители тех видов -- остатков первоначальной фауны, кто сумел выжить в той или иной степени измененных «островках природы» -- обитатели скверов, парков и пустырей (разнообразные насекомые, певчие птицы и полевые грызуны в скверах и парках, или зайцы, лисицы и белки в лесопарках). Такие животные иногда называются факультативными синантропами, так как способны с одинаковым успехом обитать и в естественных системах и в урбанизированных -- если человек оставил там для них подходящие условия. Наиболее характерны и многочисленны они для окраин городов -- там, где городская среда перемежается с островками менее измененных человеком экосистем (лесопарки, вторичные леса, поля, пустоши и т.д.) С распространением коттеджной застройки, дачных поселков, вынесенных за пределы городов промышленных предприятий и т.п. все более значительное число диких животных может непосредственно быть интегрировано в такие пограничные области.

Вторая группа.

Это те, для которых весь город представляет местообитание, более-менее приспособленное для жизни, причем зачастую они тяготеют не к островкам природы, а наоборот -- к плотной застройке. Это их чаще всего называют синантропными животными: серая ворона, сизый голубь, домовый воробей, галка, серая крыса, домашняя мышь. Они либо непреднамеренно завезены человеком в город, либо сами перебрались в него.

В зависимости от природно-климатических условий, в которых находится город могут быть:

виды, характерные и для окружающих природных биоценозов -- тогда они самостоятельно перебираются в город извне. Для европейской России пример такого вида -- серая ворона;

виды, не обитавшие в природных экосистемах данной географической зоны. Для европейской России пример -- серая крыса. Такие животные расселяются вместе с человеком, чаще путем случайного завоза на новое местообитание. Иногда, при плотном расположении населенных пунктов -- путем миграции от поселения к поселению. В условиях России такие животные могут быть отнесены к облигатным синантропам (то есть они живут только там, где есть человеческие поселения).

Третья группа.

Это городские домашние животные. Это представители видов, преднамеренно введенных человеком в состав городской фауны. В отличие от предыдущих двух групп, они не приспособились сами к существованию рядом с человеком, а были им приспособлены для своих нужд в процессе доместикации и искусственного отбора. Для городов такими видами являются домашние кошки и собаки.

Появление представителей разных групп по-разному связано с целенаправленной и нецеленаправленной деятельностью человека. Представители третьей группы -- домашние животные специально вводились в состав городского животного мира. Вторая группа -- никогда специально не вводилась (за исключением дичающих сизых голубей), но при этом, как ни парадоксально, представители данных видов достигают значительной численности. Представители первой группы, как правило, довольно немногочисленны, они обычно не вводятся в состав городской фауны специально, но зачастую всячески привлекаются и приветствуются горожанами в качестве экзотического дополнения к привычному городскому ландшафту (подкормка уток в прудах и на речках, белок и оленей в парках и т.д.). Только некоторые из них даже постепенно переходят из первой группы во вторую, населяя весь город (утки-кряквы).

Город, возникший по эволюционным меркам практически мгновенно и приспособленный к потребностям одного-единственного вида, предоставляет для организмов совершенно необычный набор лимитирующих факторов и ограниченный набор экологических ниш. Тут действует так называемый «принцип отклонения условий от нормы» (второй принцип Тинемана) -- в экстремальных условиях сообщество организмов небогато видами, но зато численность особей этих избранных, счастливо приспособившихся видов выше, чем в обычных условиях.

Разницу между естественной и городской экосистемой можно сформулировать так: в природной -- множество видов, но большинство представлено относительно небольшим числом особей; в городе -- видов немного, но велика доля видов, очень обильных с точки зрения количества особей.

Способность существовать в городе для этих видов определяется рядом факторов и пожалуй основной из них -- это возможность использовать кормовые ресурсы, имеющиеся в городе. В урбанистической среде «естественные» источники ограничены, а пищевые цепи, ведущие от них, усечены.

Доступные животным продукты питания можно распределить по трем категориям:

1. корм, непосредственно передаваемый животным человеком;

2. складированные пищевые продукты;

3. находящиеся в городской среде пищевые отходы.

Другие параметры существования животных в городе также продиктованы человеческой деятельностью. Условия местообитания, в том числе укрытия, места для гнезд и логов, норы, пути передвижения -- всё зависит от формы и плотности застройки территории, градостроительных и архитектурных решений, плотности человеческого населения и т.д. Так, если в зданиях и линиях коммуникации много сообщающихся пустот, то возникают благоприятные условия для грызунов. Сохранение высоких деревьев в парках способствует гнездованию в данном районе ворон, а чердаки с вентиляционными отверстиями обеспечат укрытия и гнезда для голубей и галок.

В общем, город создает, как правило, четко определенные и хорошо взаимно отграниченные ниши, закрепленные за немногими успешными видами, которые устойчиво существуют в этих благоприятных условиях. Управление имеющимися нишами и их заполненностью тоже зависит от целенаправленных или не целенаправленных усилий человека. Некоторые животные потенциально относительно легко поддаются контролю -- они достаточно крупны, близки к человеку, специально введены в состав городской фауны и большая часть факторов, влияющих на их существование, зависит от целенаправленных действий людей. Таковы домашние животные. Для контроля других животных требуется больше усилий, так как ниши, в которых они обитают -- возникают косвенно, являясь неизбежными (в определенных исторических условиях) элементами человеческой жизнедеятельности. Например, два фактора благоприятных для крыс и мышей -- хранение пищевые продукты внутри строений и, главное -- устройство этих строений (наличие узких проходов и пустот в конструкции зданий и материалы, поддающиеся зубам грызунов).

От соотношения этих факторов зависит и относительное количественное соотношение видов.

Межвидовым отношениям в городе свойственна относительная структурная простота. Если в естественных системах каждый вид связан с множеством других пищевыми связями, то в городе виды-доминанты имеют постоянный и доступный источник пищи, то есть межвидовые пищевые связи для них не являются значимыми. Охота друг на друга ради пропитания для них не является сколько-либо важным способом получения пищи.

Следовательно, в отличие от естественных систем, в городе мы видим один вид -- человек, не лимитированный даже совокупным воздействием других видов. Его воздействия по своей независимости и мощи можно сравнить разве что с климатическими факторами. Прочие виды даже в своем взаимодействии зависят от него.

Размещено на Allbest.ru