Геотехсистеми як об’єкти проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геотехсистеми як об'єкти проектування

Об'єктами проектування виступають природно-технічні системи (геотехсистеми), види природокористування та їхні поєднання в регіонах. При проектуванні геотехсистем використовується різноманітна геоекологічна інформація, яка відображає стан природно-територіальних комплексів, їхню стійкість і надійність залежно від конкретного виду впливу, а також призначення геотехсистеми. Геоекологія розглядає суспільство, людину, реальний світ як систему, тобто цілісне утворення, що складається з множини взаємопов'язаних, часто різнорідних елементів або підсистем меншого розміру та складності.

Територіальне проектування зазвичай має справу з еколого-географічними системами - ландшафтами, або геосистемами. Геосистеми - це складні земні утворення, які займають певний простір, у межах якого окремі елементи (підсистеми) природи (або природи, населення та господарства) перебувають у системному зв'язку один з одним та як певна цілісність взаємодіють із сусідніми геосистемами і з космічним простором. Поняття геосистема слід відрізняти від поняття екосистема. Екосистемами називають сукупності живих організмів і середовища їхнього існування, що взаємодіють між собою і утворюють єдине ціле.

Ці поняття мають як риси подібності, так і відмінності. Вони відрізняються передусім направленістю зв'язків, що вивчаються, і характером просторових меж. В екосистемах виділяються зв'язки, спрямовані від чинників середовища до головного компонента - біоти; при цьому особлива увага приділяється трофічним (харчовим) зв'язкам. А при вивченні геосистем усі компоненти природи розглядаються як рівнозначні, однакова увага приділяється прямим і зворотним зв'язкам, тобто охоплюється ширше коло зв'язків і взаємовідносин (рис. 1). Поняття екосистема не обмежено чіткими просторовими межами: воно однаковою мірою поширюється на краплину води, море або біосферу в цілому. А геосистеми завжди припускають наявність меж, завдяки яким вони виділяються у просторі.

Рис 1. Спрощена структурна схема геосистеми (А) та екосистеми (В): 1 - абіотичні компоненти; 2 - біота; 3 - зв'язки між компонентами

геосистема проектування властивість розвиток

Поняття екосистема доцільно вживати у тих випадках, коли на перше місце стає проблема охорони біоти, усього живого (і людини в тому числі). Терміну геосистема віддають перевагу в тих випадках, коли основна увага приділяється охороні вод, атмосфери, літосфери, а також ландшафтів у цілому. Таким чином, обидва розглянутих поняття діалектично доповнюють один одного.

Розрізняють такі види геосистем: 1) природні; 2) інтегральні -природно-технічні. Природні геосистеми, тобто ті, що складаються лише з природних елементів, у наш час збереглися на дуже обмежених просторах; зазвичай вони виступають не як самостійні системи, а як природні складові (підсистеми) складніших інтегральних геосистем. Але їхня роль у формуванні та функціонуванні геосистем настільки значна, що робить необхідним аналіз та урахування їхніх властивостей при проектуванні.

Інтегральні геосистеми - це складні територіальні просторово-часові утворення, які включають у себе як природні, так і соціально-економічні елементи, що взаємодіють один з одним, і в результаті цього виступають як єдине ціле. Ці геосистеми мають такі властивості: з одного боку, їхня природна складова, незважаючи на сильні зміни її людиною, продовжує жити за природними законами; з іншого боку, більшість рис їхнього функціонування визначається законами життя суспільства. Інтегральні геосистеми мають різні розміри та різні рівні складності. Так, інтегральною геосистемою глобального рівня можна вважати всю суперсистему "природа - суспільство". До інтегральних систем регіонального або локального рівнів можуть бути віднесені виробничі, демоекологічні, рекреаційні, природно-господарські, природно-технічні геосистеми.

Проектування найчастіше має справу з відносно спрощеним варіантом (видом) інтегральних геосистем - природно-технічними геосистемами (ПТГС). ПТГС (або геотехсистеми) - це комплекс з технічних і природних підсистем, що об'єднані людиною в інтересах виконання тих чи інших соціально-економічних завдань (функцій). Обов'язковою складовою частиною ПТГС виступає блок керування, основу якого становить людина (група людей), що відповідає за регулювання технічних пристроїв в їхній взаємодії з природними елементами.

Під природно-технічними геосистемами розуміють не лише такі геосистеми, у яких технічні пристрої виступають як безпосередньо елементи системи (напр., у промислових системах), але й такі, діяльність яких значною мірою залежить від штучних умов, що створюються в результаті використання тих чи інших технічних засобів (напр., сільськогосподарські, лісогосподарські, природоохоронні). Природно-технічні геосистеми, або геотехсистеми - це комбінації знарядь і засобів праці, пов'язані єдиним технологічним циклом, які виконують певну соціоекономічну функцію. Техніка в геотехсистемі виступає своєрідним механізмом, що дозволяє суспільству, з одного боку, пристосовуватися до природного середовища, а з іншого - пристосовувати природу до задоволення своїх потреб.

Властивості природних геосистем

Серед основних властивостей природних геосистем, які необхідно враховувати в геоекологічному проектуванні, можна назвати такі. По-перше, природні геосистеми - це складні, цілісні, просторово-часові відкриті системи. Природною геосистемою найвищого рангу є географічна оболонка, тобто складна матеріальна відкрита динамічна система, яка змінюється в часі і просторі.

По-друге, оскільки кожна з природних геосистем є фрагментом географічної оболонки, тому їй притаманний ряд властивостей цієї оболонки. Геосистема має зв'язки не тільки між своїми частинами та сусідніми одноранговими геосистемами, але й із системами вищого рангу, а також із внутрішніми оболонками Землі та космічними системами.

Оскільки кожна природна геосистема є цілісним утворенням, будь-який природний чи антропогенний вплив на неї приводить до виникнення ланцюгів змін у компонентах або сусідніх геосистемах. Це також є однією з важливих властивостей природних геосистем.

Особливе місце в природних геосистемах посідають такі компоненти, як біота, вода і повітря. Біота - це складний блок живої природи усередині природної геосистеми, що складається з рослинності, тваринного світу та мікроорганізмів. Біота відіграє важливу роль у формуванні властивостей багатьох компонентів (ґрунтів, води, повітря) і в той же час є найбільш уразливим компонентом. Вода і повітря як найбільш мобільні компоненти формують кругообіг речовини та енергії, тому будь-які зміни їхнього стану (напр., підвищення чи зниження температури, забруднення та ін.) можуть викликати зміни у всій геосистемі.

Наступна властивість - зв'язки в природних геосистемах можуть бути вертикальними і горизонтальними. Вертикальні - це зв'язки між ґрунтами та рослинністю, крутизною схилу та інтенсивністю змиву, кількістю опадів та ерозійним розчленуванням. Вертикальні зв'язки сприяють розповсюдженню впливів від компонента до компонента, наприклад, від води до рослинності, і в результаті впливають на зміну всього комплексу. Аналіз вертикальних зв'язків необхідний для прогнозу змін недостатньо вивчених компонентів на основі добре вивчених, а також для керування впливом на один компонент з метою отримання позитивного ефекту від інших.

Горизонтальні зв'язки - це зв'язки між сусідніми геосистемами приблизно рівних рангів; між геосистемами нижчих рангів, що входять до даної геосистеми; між даною геосистемою та геосистемою вищого рангу, що виступає в ролі середовища. Саме завдяки горизонтальним зв'язкам здійснюється розповсюдження різних забруднень, тому їхнє вивчення є особливо важливим для аналізу і прогнозу розповсюдження забруднень. Дослідження горизонтальних зв'язків дозволяє: а) визначити просторовий ареал дії інженерних споруд на природу, що дуже важливо для виявлення зони можливого забруднення; б) проаналізувати можливість впливу на один ландшафт з метою позитивної зміни іншого.

Зв'язки можуть бути прямими (вплив передається з виходу однієї системи на вхід іншої) та зворотними (вплив передається "назад" через ланцюг зв'язків або з виходу системи на її вхід). Зворотні зв'язки поділяють на позитивні та негативні. За позитивного зворотного зв'язку вихідний імпульс посилює вплив на вході, що часто порушує рівновагу в системі (напр., при утворенні снігових лавин). За негативного зворотного зв'язку вихідний імпульс послаблює дію вхідного сигналу та звичайно призводить до стабілізації системи (напр., зменшення стоку в озеро скорочує площу його дзеркала, а тим самим і величину випаровування, що відновлює його водний баланс). Негативні зворотні зв'язки виступають "важелями" саморегулювання природних геосистем і таким чином визначають їхню стійкість і структуру.

Саморегулювання розглядається як здатність природних геосистем без утручання зовні підтримувати свій стан, незважаючи на зміни зовнішніх факторів (напр., збереження біогеоценозом одного рівня продуктивності в різні за погодними умовами роки). Саморегулювання здійснюється до тих пір, поки процеси, які відбуваються в природних геосистемах, здатні нейтралізувати небажані впливи. Якщо захисні механізми виснажуються, система або руйнується, або має змінити свою структуру. Здатність геосистеми до зміни структури шляхом перебудови її внутрішніх зв'язків отримала назву самоорганізації. Завдяки саморегулюванню та самоорганізації природні геосистеми можуть підтримувати екологічну рівновагу - збалансоване співвідношення між приходом і витратами речовини та енергії. У цьому випадку порушення, пов'язані із зовнішніми впливами, ніби компенсуються впливом процесів саморегулювання і самоорганізації. У результаті формуються відносно стійкі системи, здатні підтримувати стан динамічної рівноваги з навколишнім природним середовищем. Порушення цієї рівноваги може призвести до підриву природно-ресурсного потенціалу (напр., до зниження біологічної продуктивності), тому підтримка або відновлення рівноважного стану геосистем є однією з передумов раціонального використання та охорони середовища і природних ресурсів.

Ще однією дуже важливою властивістю природних геосистем є те, що вони як цілісні утворення мають просторову організацію - одночасно диференціацію та інтеграцію, що є результатом їхнього розвитку. Ця організація має розглядатися у двох аспектах - вертикальному та горизонтальному (територіальному). Вертикальна диференціація - це вертикальне ярусне взаєморозташування окремих сфер географічної оболонки (літосфери, гідросфери, біосфери, атмосфери) або окремих частин цих сфер. Горизонтальна диференціація природних геосистем відображається у змінах властивостей та взаємозв'язків від місця до місця, тому однакові впливи в різних геосистемах можуть мати різні наслідки.

Єдність диференціації та інтеграції відображає уявлення про просторову (морфологічну) структуру ландшафту, яка є не просто набором складових частин, але й цілим комплексом процесів, що відбуваються усередині цих частин і між ними. Вона одночасно відображає статику та динаміку геосистеми. Структура природних геосистем - це сукупність найбільш стійких зв'язків між складовими частинами систем. Розрізняють просторову і часову структури:

- просторова структура розглядається як порядок розташування складових частин геосистеми та характер взаємозв'язків по горизонталі і вертикалі;

- часова структура виявляється у вигляді сезонної ритміки та багаторічної перебудови зв'язків.

Вивчення структури дозволяє визначити інваріантні (тобто відносно незмінні) властивості природних геосистем та оцінити їхню можливу порушеність у результаті антропогенного впливу.

Як просторово-часові утворення природні геосистеми характеризуються одночасним сполученням діалектично пов'язаних протилежних властивостей - мінливості та стійкості (усталеності). Мінливість обумовлена як впливом зовнішніх факторів, так і процесами саморозвитку (саморегулювання, самоорганізації); вона може бути визначена як здатність геосистем існувати в різних мінливих станах. Серед компонентів природи найбільш чутливими до зазначених змін є атмосферне повітря і вода, а найстійкішими є гірські породи і рельєф; проміжне положення займають біота і ґрунти. Зміни можуть бути зворотними та незворотними. Якщо геосистема після певного впливу змінилася, але потім повернулася до свого початкового стану, це буде зворотна зміна. Природний період повернення до початкового стану називають характерним часом (напр., період відновлення лісових біогеоценозів після вирубки становить 100-150 років). А якщо після порушень відновлення минулих характеристик не відбувається, це є незворотною зміною.

Мінливість геосистем існує завдяки постійним процесам функціонування, динаміки та розвитку в геосистемах, що приводять до змін їхнього стану. Функціонування геосистем - це сукупність постійно діючих процесів, які поступаються один одному протягом доби, днів, місяців, сезонів року та ін. Можна ще сказати, що функціонування -це сукупність процесів передачі і перетворення речовини та енергії в системі, яка підтримує її в певному стані. Тобто в результаті цих процесів відбуваються невеликі кількісні зміни компонентів природи, які зазвичай мають ритмічний (добовий, сезонний) характер. Наприклад, випаровування і транспірація в сонячний день значно вищі, ніж у дощову погоду. Ці процеси необхідно особливо уважно враховувати при проектуванні таких природно-технічних геосистем, функціонування яких залежить від стану їхньої природної складової (сільськогосподарські, меліоративні).

Динаміка геосистем - це сукупність усіх зворотних змін, що відбуваються у межах єдиної структури і не приводять до якісних перетворень геосистем. До них можна віднести багаторічні періодичні коливання властивостей геосистем, відновлювальні зміни їхніх станів (напр., відновлення лісових біогеоценозів після вирубок і пожеж). Хоч у процесі динамічних змін не відбувається зміни структури, але йде повільна підготовка до неї. Урахування динамічних станів є дуже важливим при проектуванні, оскільки в результаті аналізу сучасних серійних рядів геосистем можна прогнозувати зміни серійно-динамічного ряду під впливом геотехсистеми, що проектується. Наприклад, надлишкове зрошення може призвести до заболочування та засолення ґрунтів; створення водосховищ - до підтоплення або обвалювання їхніх берегів.

Розвиток (еволюція) геосистем -- це незворотна, направлена, поступальна зміна, що викликає корінну перебудову їхньої структури. Розвиток виражається в якісному перетворенні компонентів природи і формуванні нових геосистем, що пов'язано як із зовнішнім впливом (природним і антропогенним), так і з внутрішніми причинами (саморозвитком). У природних умовах зміна структури відбувається поступово (напр., заростання озер, заболочування лісів тощо), але за інтенсивного антропогенного впливу вона може йти дуже швидко і навіть призводити до деградації ландшафтів.

Уявлення про еволюцію геосистем особливо важливе при проектуванні геотехсистем (ГТС) довготривалої дії. Важливо передбачити можливі зміни станів ландшафтів, які можуть відбутися як у результаті саморозвитку або зміни природних умов, так і під впливом функціонування системи, що проектується. У результаті довготривалого розвитку у структурі геосистеми можуть співіснувати елементи різного віку: 1) реліктові, які збереглися з минулих епох і служать індикатором історії розвитку; 2) консервативні, що найповніше відповідають сучасній структурі; 3) прогресивні, які свідчать про можливі тенденції розвитку і становлять основу прогнозу.

І, нарешті, стійкість природних геосистем - це їхня здатність зберігати свою структуру і стан під впливом зовнішніх (природних і антропогенних) навантажень. Це властивість, протилежна мінливості геосистем, але діалектично пов'язана з нею. Визначення ступеня стійкості ландшафтів до різних видів впливів, до різних антропогенно-техногенних навантажень є однією з головних проблем проектування. Стійкість природних геосистем забезпечується в основному за рахунок процесів самоорганізації та саморегулювання, а інтегральних - значною мірою регулюванням і керуванням з боку суспільства. Навантаження на геосистему можливе до певних меж, за яких зняття навантаження призводить до повернення геосистеми практично у попередній стан за рахунок саморегулювання.

Размещено на Allbest.ru