Индустриально-городские системы и их взаимодействие с экосистемой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Индустриально-городские системы и их взаимодействие с экосистемой

Введение

Одним из самых стремительных биосоциальных процессов, связанных с научно-техническим прогрессом, является урбанизация (от лат. urbs - город). Это объективный исторический процесс, идущий по-разному в государствах с различным социальным строем, но принявший глобальные масштабы.

В настоящее время в городах обитает около 46% населения Земли, а к 2010 г. городское население превысит 50%, что составит более 3 млрд. человек. При этом создаются гипер урбанизированные районы, подобные Большому Нью-Йорку с населением 16 млн. человек. В России урбанизация характеризуется ростом большого числа, но не чрезмерно крупных городов. В городах живет около 60% населения.

Исследователи Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова считают город гетеротрофной антропогенной экосистемой, которую часто называют уроэкосистемой. Для нее характерны:

· зависимость, т.е. необходимость импорта ресурсов и энергии. Экосистема города начнет умирать, если на несколько дней прекратится их поступление. Занимая 2% поверхности земного шара, города потребляют 75% мировых ресурсов;

· постоянное накопление твердого вещества за счет резкого, примерно в 10 раз, превышающего его ввоза в город над вывозом. Ввозимое вещество аккумулируется в первую очередь в городских постройках и твердом покрытии дорог и площадей. Значительная его часть в виде отходов поступает на свалки;

· «наползание» городов на естественные и сельскохозяйственные экосистемы. Города уменьшают площадь экосистем, участвующих в круговороте углерода и дающих биологическую продукцию.

Есть два взгляда на будущее городских экосистем. Первый - взгляд радикальных экологов-романтиков, которые хотят расселить всех горожан в экосити (небольшие зеленые городки с населением 50-100 тыс. человек). Второй - экологов-реалистов, которые считают, что от больших городов и мегаполисов нам никуда не деться, и нужно думать о том, как улучшить условия жизни в них. Это возможно, так как в городской экосистеме то же есть модули устойчивости (9,с.36).

Этими модулями устойчивости выступают индустриально-городские системы: автотранспорт, промышленные предприятия, коммунальное хозяйство (коммунально-бытовые стоки, твердые бытовые отходы) и система озеленения городов.

Урбанизация неоднозначно действует на человеческое общество: с одной стороны, город предоставляет человеку ряд общественно-экономических, социально-бытовых и культурных преимуществ, что положительно сказывается на его интеллектуальном развитии, дает возможность для лучшей реализации профессиональных и творческих способностей, с другой - человек отдаляется от природы и попадает в среду с вредными воздействиями - загрязненным воздухом, шумом и вибрацией, ограниченной жилплощадью, усложненной системой снабжения, зависимостью от транспорта, постоянным вынужденным общением со множеством незнакомых людей - все это неблагоприятно сказывается на его физическом и психическом здоровье.

Проблемы, связанные с урбанизацией, необходимо решать не отдельными частными мероприятиями, изыскивая скороспелые и малоэффективные решения, а разработав комплекс взаимосвязанных социальных, экологических, технических и других мер. Во всех случаях человек и окружающая среда должны рассматриваться как единое целое.

Таким образом, проблема нашего исследования - взаимодействие городских систем и экосистемы - в настоящий момент является актуальной на уровне конкретного человека, так и на уровне глобальной науки.

Актуальность обусловила цель нашего исследования: охарактеризовать специфику взаимодействия индустриально-городских систем и экосистемы.

Задачи исследования:

§ проанализировать научную литературу по проблеме исследования;

§ дать понятие экосистемы, ее основных составляющих.

§ показать специфику индустриально-городских систем;

§ определить направления взаимодействия индустриально-городских систем и экосистемы городов;

§ представить данные российского мониторинга экологического состояния урбанизированных территорий.

§ представить данные российского мониторинга по влиянию индустриально-городских систем на экосистему (коммунальное хозяйство).

Структура работы. Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

урбанизация индустриальный экосистема

1. Теоретические основы проблемы взаимодействия городских систем и экосистемы

1.1 Экологические системы и их специфика

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей их средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная система -- с окружающей средой. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и взаимодействуют также с неживыми факторами среды.

На популяционном уровне различают такие сообщества, или экологические системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в тесной связи с неорганическими условиями их существования, например, почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т. п. Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на среднерусской возвышенности.

Наконец, биосфера охватывает, согласно В.И. Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном итоге может существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой (1).

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. О них кратко говорилось выше, но теперь мы обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей. Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии, или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня:

* на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;

* на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.

Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

* продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;

* фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

* сапротрофы, которые получают энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве.

Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв между этими процессами может происходить и во времени, причем значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива (18).

Взаимодействия между частями и целым в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с немалыми трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей.

Отсюда становится ясным, что каждый из этих методов следует применять на своем месте, в зависимости от конкретных условий исследования, а следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга. Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении экспериментов с такими экологическими совокупностями, которые исследуют, например, воздействие различных внешних факторов на систему. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы.

Моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться в словесной форме с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические модели. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные компьютеры и другая вычислительная техника.

В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они в свою очередь оказывают мощное воздействие на окружающую их среду.

В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на такого рода факты опирается известная гипотеза Геи, выдвинутая в 1970-е гг. физиком и изобретателем Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис. Свое название эта гипотеза получила от древнегреческого слова "гея", обозначающего землю. Она предлагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, когда возникла сначала атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то, согласно гипотезе Геи, образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию тех простейших живых организмов, которые в анаэробных, т. е. бескислородных, условиях стали выделять в окружающее пространство кислород.

Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода же Марс содержит 0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших разработке и обосновании, но опирается она на важную и в общем виде признаваемую многими идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея отнюдь не является чистым умозрением, а подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира (18).

Факты также свидетельствуют, что экосистема не только испытывает воздействие со стороны окружающей среды, но в свою очередь оказывает обратное действие на нее и соответствующим образом ее формирует.

Поскольку экосистема -- система открытая, она не может не взаимодействовать со своим окружением и тем самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В результате такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что проявляется, во-первых, в усвоении абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т. п.), во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических (пищевых) связей, которые существуют между разными живыми системами. Функционирование и эволюция экосистем зависят не только от круговорота вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

Наряду с потоками энергии и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными сетями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. Получив такие сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. В физиологии этот способ поддержания динамического равновесия был сформулирован американским физиологом Уолтером Кенноном (1871--1945) в виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма (температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из органов в головной мозг (2).

Кибернетика обобщила это положение в виде принципа обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходят эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной обратной связи, согласно которому непрерывные воздействия на систему, постепенно накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между ее частями и возникновению новой ее структуры.

В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры в них диффузны, или распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них -- степень сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например, штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее. Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с окружением, тем не менее, взаимодействие экосистемы со средой имеет более эффективный и устойчивый характер (18).

Эта особенность проявляется, прежде всего, в достижении большей стабильности функционирования и развития экосистем в сравнении с отдельными организмами в результате установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры. В связи с этим еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляют собой надорганизменный уровень организации живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения отдельных организмов в рамках целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных организмов. Соответственно этому меняются и различные отношения и связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не придти к тому выводу, который сделал Н. Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние в свою очередь -- пищей для других животных. Кроме того, задолго до этого органическое вещество, заготовленное на протяжении тысячелетий растениями, как и сами растения, особенно деревья, подверглись многочисленным химическим превращениям и образовали то ископаемое топливо, которое до сих пор служит важнейшим источником энергии для общества.

В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние, в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, которые мы изучали в гл. 6, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как уже говорилось выше, в различных живых системах и охватывает длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пиши, а в технике -- как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную.

С экологической точки зрения, энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пища, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т. е. от автотрофных организмов, а именно зеленых растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т. е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т. е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т. е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.

Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе задача экологии по сути дела сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения применения их энергии в интересах развития общества и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем.

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие системы не в состоянии поддерживать достаточную плотность населения, они тем не менее важны для сохранения необходимых экологических условий на планете. Следует также отметить, что такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.

2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов, большие озера, тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счет энергии, например, морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и тому подобных источников.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений и улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4. Современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания больших масс сконцентрированного в городах и индустриальных центрах населения. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания -- от сельского хозяйства (18).

По сравнению с потоком энергии в природных экосистемах -- здесь ее расход на два-три порядка выше. Годовая потребность человека в пище -- около 1 млн ккал, но если подсчитать затраты энергии на душу населения, существующие реально, то они окажутся в десятки раз больше (так, в США они в 86 раз больше). В разных странах эти затраты отличаются, но особенно большая разница между богатыми странами и развивающимися -- она может быть в странах третьего мира в несколько десятков (до сотни) раз меньше. Эти страны как бы находятся в стадии экосистемы первого-второго типа, в то время как развитые страны уже прошли через все четыре типа экосистем.

Охарактеризуем далее индустриально-городские системы более подробно.

1.2 Характеристика современных индустриально-городских систем

Немногим более столетия тому назад только 5% населения земного шара жило в городах и всего 2% - в городах с населением более 100 тыс. человек.

В начале XIX века в городах мира проживало лишь 29,3 млн. человек (3% населения Земли); к 1900 г. - 224,4 млн. (13,6%); к 1950 г. - 729 млн, (28,8%); а к 1990 - 1821 млн. (41,1%). Можно сказать, что теперь большинство граждан мира рождаются горожанами. Доля городского населения в Европе составляет 69%, в Азии - 38%, в Африке - 20%, в Северной Америке - 75%, Латинской Америке - 65%, в Австралии и Океании - 76%. Особенно велика доля городского населения в развитых странах: в США - около 73%, во Франции - 78%, в Германии - около 85%, в Великобритании - 91%. Страна считается почти полностью урбанизированной, если 4/5 ее населения проживает в городах. Примером является Великобритания, в которой на протяжении 35 лет наблюдается относительная стабильность городского и сельского населения. В то же время в Африке и Азии процессы урбанизации в настоящее время особенно динамичны, что связано с быстрым развитием государств этих континентов, В развивающихся странах процесс урбанизации характеризуется не только темпами, но и неоднородностью - стремительный рост самых больших городов происходит при умеренном росте средних и стагнации мелких. Именно в крупные центры устремляются мигрирующие потоки из если. потому что только такие города обладают необходимой инфраструктурой для нового промышленного строительства.

Общая площадь урбанизированных территорий Земли в 1980 г. составила 4,69 млн км², а к 2007 г. она достигнет 19 млн км² -- 12,8% всей и более 20% жизнепригодной территории суши. К 2030 г. практически все население мира будет жить в поселках городского типа (Реймерс (12)).

Плотность населения в городах, особенно крупных, составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч человек на 1 км², а в Гонконге -- 1500 тыс. на 1 км².

Как известно, на человека не распространяется действие факторов, зависящих от плотности популяции, подавляющих размножение животных: интенсивность роста населения ими автоматически не снижается. Но, объективно, высокая плотность ведет к ухудшению здоровья, к появлению специфических болезней, связанных, например, с загрязнением среды, делает обстановку эпидемиологически опасной в случае вольного или невольного нарушения санитарных норм, и др.

Особенно интенсивно протекают процессы урбанизации в развивающихся странах, о чем красноречиво свидетельствуют вышеприведенные показатели роста численности городов в ближайшие годы.

Человек сам создает эти сложные урбанистические системы, преследуя благую цель -- улучшить условия жизни, и не только просто «оградившись» от лимитирующих факторов, но и создав для себя новую искусственную среду, повышающую комфортность жизни. Однако это ведет к отрыву человека от естественной природной обстановки и к нарушению природных экосистем.

Урбанистическая (индустриально-городская) система (урбосистема) - «неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем» (Реймерс (12)).

По мере развития города в нем все более дифференцируются его функциональные зоны -- это промышленная, селитебная, лесопарковая.

Промышленные зоны -- это территории сосредоточения промышленных объектов различных отраслей (металлургической, химической, машиностроительной, электронной и др.). Они являются основными источниками загрязнения окружающей среды.

Селитебные зоны -- это территории сосредоточения жилых домов, административных зданий, объектов культуры, просвещения и т. п.

Лесопарковая -- это зеленая зона вокруг города, окультуренная человеком, т. е. приспособленная для массового отдыха, спорта, развлечения. Возможны ее участки и внутри городов, но обычно здесь городские парки -- древесные насаждения в городе, занимающие достаточно обширные территории и тоже служащие горожанам для отдыха. В отличие от естественных лесов и даже лесопарков, городские парки и подобные им более мелкие посадки в городе (скверы, бульвары) не являются самоподдерживающимися и саморегулируемыми системами.

Лесопарковая зона, городские парки и другие участки территории, отведенные и специально приспособленные для отдыха людей, называют рекреационными зонами (территориями, участками и т. п).

Углубление процессов урбанизации ведет к усложнению инфраструктуры города. Значительное место начинает занимать транспорт и транспортные сооружения (автомобильные дороги, автозаправочные станции, гаражи, станции обслуживания, железные дороги со своей сложной инфраструктурой, в том числе подземные -- метрополитен; аэродромы с комплексом обслуживания и др.). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду (урбосреду).

Среда, окружающая человека в этих условиях, - это совокупность абиотической и социальных сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Одновременно, по Н. Ф. Реймерсу (1990), ее можно делить на собственно природную среду и преобразованную человеком природную среду (антропогенные ландшафты вплоть до искусственного окружения людей -- здания, асфальт дорог, искусственное освещение и т. д., т. е. до искусственной среды). В целом же среда городская и населенных пунктов городского типа -- это часть техносферы, т. е. биосферы, коренным образом преобразованной человеком в технические и техногенные объекты (7).

Помимо наземной части ландшафта в орбиту хозяйственной деятельности человека попадает и его литогенная основа, т. е. поверхностная часть литосферы, которую принято называть геологической средой (Е. М. Сергеев, 1979). Геологическая среда -- это горные породы, подземные воды, на которые оказывает воздействие хозяйственная деятельность человека.

На городских территориях, в урбоэкосистемах, можно выделить группу систем, отражающую всю сложность взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой, которые называют природно-техническими системами (Трофимов, Епишин, 1985). Они теснейшим образом связаны с антропогенными ландшафтами, с их геологическим строением и рельефом.

Таким образом, урбосистемы -- это средоточие населения, жилых и промышленных зданий и сооружений. Существование урбосистем зависит от энергии горючих ископаемых и атомноэнергетического сырья, искусственно регулируется и поддерживается человеком.

Среда урбосистем, как ее географическая, так и геологическая части, наиболее сильно изменена и по сути дела стала искусственной, здесь возникают проблемы утилизации и реутилизации вовлекаемых в оборот природных ресурсов, загрязнения и очистки окружающей среды, здесь происходит все большая изоляция хозяйственно-производственных циклов от природного обмена веществ (биогеохимических оборотов) и потока энергии в природных экосистемах. И, наконец, именно здесь наибольшая плотность населения и искусственная среда, которые угрожают не только здоровью человека, но и выживанию всего человечества. Здоровье человека -- индикатор качества этой среды.

1.3 Влияние индустриально-городских систем на экосистему

Взаимодействие индустриально-городских систем и экосистемы идет по пути постоянного отрицательного влияния на экосистему со стороны города. В последствии экосистема оказывает отрицательное влияние на человека как на потребителя и организатора тех же самым индустриально-городских систем.

В городах активно протекают антропогенные процессы: промышленная и хозяйственная деятельность, строительство, движение транспорта -- все это постоянно действующие факторы, вызывающие глубокие изменения как в окружающей среде, так и в самой структуре городского ландшафта. Города, особенно крупные, загрязняют атмосферу, изменяют микроклимат, состав подземных и поверхностных вод, понижают прочность пород геологического фундамента города.

Климат большого города существенно отличается от климата окружающей местности. Индустриальная деятельность и бытовое отопление значительно повышают приходную часть теплового баланса; повышение температуры приводит к увеличению продолжительности безморозного периода, к сокращению периода со снежным покровом по сравнению с загородными территориями. В атмосфере большого города всегда повышенное содержание ядер конденсации, что увеличивает число дней с туманами и количество осадков. Скорость ветра в городе в 1,5--2,0 раза ниже, чем в пригородах, и в то же время часто возникают «коридорные ветры», не связанные с направлением воздушного потока.

Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 химических соединений. Загрязненная атмосфера городов поглощает около 20 % солнечного света, а при низком стоянии солнца -- более 50 %. Наиболее сильно задерживается ультрафиолетовое излучение.

Продолжительность жизни деревьев в городах значительно короче, чем в лесу. Это объясняется как неблагоприятным составом воздуха, содержащего диоксид серы, хлор, углеводороды, так и характером городских почв -- маломощных, зачастую подстилаемых щебнем, дробленым асфальтом, городским мусором, а также уничтожением опавшей листвы, что нарушает круговорот элементов питания.

Загрязнение воздушного бассейна городов. В загрязнении атмосферы городов принимают участие многие источники, однако основная роль принадлежит энергетике, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и автотранспорту.

Практически в каждом городе в большом или меньшем масштабе производят строительные материалы, а эта отрасль промышленности отличается большим разнообразием атмосферных выбросов. Например, при производстве 1 т извести выделяется 200 кг пыли, а при получении 1 т строительного гипса -- 140 кг пыли. Всего предприятия по производству стройматериалов в нашей стране выбрасывают ежегодно более 38 млн т пыли, 60 % которых составляет цементная пыль. Очистные аппараты улавливают не более 90 %. Отходящие газы производства строительных материалов содержат оксиды углерода, серы, азота, углеводороды (11, с.44).

Еще недавно считались экологически безвредными предприятия легкой промышленности. Однако сегодня получение и использование вискозных тканей, полимеров и пластмасс, искусственной кожи, внедрение клеевых способов крепления деталей по количеству вредных выбросов сблизило предприятия этой отрасли с химической промышленностью. Атмосферные выбросы текстильной промышленности < держат оксид углерода, сульфиды, нитрозамины, сажу, серную борную кислоты, смолы, а обувные фабрики интенсивно выделяют кожевенную пыль, аммиак, ацетон, этилацетат, сероводород и другие токсичные соединения.

В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы автомобилей приходится 30 %, а в некоторых -- 50 % загрязнений воздуха. В Mocкве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96 % оксида углерода, 33 % диоксида азота, 64 % углеводородов.

Газы автотранспорта остаются в приземном слое атмосферы, что затрудняет их рассеивание. Узкие улицы и высокие здания также способствуют задерживанию токсических соединений выхлопных газов в зоне дыхания пешеходов. В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов, тогда как нормируются из них лишь немногие (дымность, оксиды углерода, и азота, углеводороды).

Особенно опасным компонентом отработанных газов автомобилей являются полициклические углеводороды, в том числе канцерогенный бензпирен. По усредненным показателям, содержание в воздухе этого токсичного соединения близ транспортных магистралей крупных городов иногда в 10--12 раз превышает нормы. Бензпирен поступает в воздух и вследствие истирания автомобильных шин, поскольку присутствует в саже, входящей в состав резины, и из дорожных покрыт

Отработанные газы автотранспорта содержат ряд продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые могут вступать в фотохимические реакции с оксидами азота, образуя смог -- сложное сочетание пылевых частиц, капель тумана, токсичных газов. Возникая при определенных погодных условиях над крупными промышленными городами, смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз. От него страдают растения, покрытия зданий, скульптуры. Печально знаменитый смог 1952 в Лондоне за несколько дней унес более 4 тыс. жизней.

Значительное количество загрязнений сбрасывается в поверхностные и подземные воды с коммунально-бытовыми стоками городов.

Бытовые стоки имеют сравнительно постоянный качественный состав. Их объем зависит от степени благоустроенности города или поселка и, как правило, имеет два суточных максимума -- утренний вечерний и глубокий ночной минимум.

Урбанизация резко повысила объем коммунально-бытовых стоков, однако далеко не все большие города очищают свои сточные воды. Между тем водопотребление коммунального хозяйства неуклонно растет.

В Москве на жилищно-коммунальный сектор приходится около 75 % водопотребления, в том числе 55 % расходуется на водоснабжение жилых домов и 18 % -- на обеспечение работы коммунально-бытовых предприятий. Удельное водопотребление в городе достигло в 80-е годы 379 л/сут на одного жителя, тогда как по расчетам специалистов даже при высоком уровне жилищного комфорта для одного человека требуется не более 250 л/сут. Таким образом, нерациональный расход воды составляет 1,35 млн м /сут, или 23 % от среднесуточной подачи воды. Основной причиной таких огромных потерь является неудовлетворительное состояние водопроводных сетей, их небрежная эксплуатация и неоправданно низкие тарифы на использование воды. Поэтому возрастающий дефицит водных ресурсов с особой остротой проявляется именно в крупных городах и их окружении. Одновременно возникает необходимость очистки и утилизации огромных объемов сточных вод, так как приблизительно 90 % воды, потребляемой в городах, сбрасывается в загрязненном виде в реки и водоемы. Объем сточных вод в мире достигает в наши дни 450 км3/год; очищают же не более 50 % и большую часть этого объема дают города.

В настоящее время средняя концентрация загрязняющих веществ в сточных водах коммунально-бытового сектора составляет приблизительно 1 кг/м3, причем около 50 % загрязняющих веществ находится в растворенном состоянии.

Весьма опасная разновидность загрязнений, свойственных стокам городов,-- детергенты, или синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые являются сильными токсикантами, устойчивыми к процессам биологического разложения. Они широко используются в быту и многих отраслях промышленности как моющие вещества, эмульгаторы, вспениватели. В экономически развитых странах концентрация ПАВ в сточных водах достигает 5--15 мг/л. Воды плохо подвергаются очистке от детергентов и в водоемы сбрасывается до 50--60 % их первоначального количества. Практически концентрация этих веществ в городских стоках составляет в среднем 4 --6 мг/л, а в речных водах -- 0,3--1,0 и даже 1,5 мг/л, хотя предельно допустимая концентрация ПАВ в природных водах не должна превышать 0,3 мг/л.(11, с.46)

Кроме коммунально-бытовых стоков в городскую канализацию поступают и сточные воды промышленных предприятий, энергетики, транспорта. Для этих видов стока характерна относительная равномерность поступления, а их ингредиенты определяются промышленными предприятиями города.

И наконец, в городскую канализацию поступает поверхностный сток, т. е. дождевые или снеговые воды с территории жилого сектора и промышленных предприятий, содержащие как загрязнения общего типа, так и специфические, зависящие от технологии производства.

После автомобилей, которые загрязняют атмосферу, бытовые отходы и стоки являются вторым фактором разрушения окружающей среды. И потому уменьшение их количества -- фактор снижения неустойчивости городских экосистем.

К твердым бытовым отходам (ТБО) относят смесь веществ и материалов, образующихся в результате жизнедеятельности населения, которые необходимо утилизировать или уничтожать как бесполезные, нежелательные или опасные.

По составу ТБО неоднородны и включают макулатуру (20--40 % по массе), черные и цветные металлы (2--5 % и более), пищевые отходы (20--40 %), пластмассу (1--5 %), стекло (4--6 %), текстиль (4--6 %) др.

Также в ТБО входит крупногабаритный мусор (старая мебель, вышедшие из строя холодильники и стиральные машины, автомобильные шины и др.).

Каждый горожанин России ежегодно «производит» 300 кг ТБО, примерно столько же отходов у парижанина или берлинца. Самые большие «мусоропроизводители» -- американцы, у них на каждого жителя страны в год образуется около 700 кг ТБО (9, с.37).

Есть три основных варианта обращения с ТБО.

1. Накопление (депонирование). Это самый антиэкологичный вариант. Из «обычной» необорудованной свалки вытекают токсичные инфильтрационные воды, а в атмосферу попадает метан, который способствует усилению парникового эффекта (сегодня метан «берет на себя» 20% эффекта потепления климата). Если используется современный полигон для хранения ТБО (это «ванна» с дном и бортами из глины и полиэтиленовой пленки, в которой уплотненные слои ТБО пересыпаются слоями почвы), то инфильтрационные воды окружающую среду не загрязняют -- их собирают и очищают. Тем не менее метан в атмосферу все-таки летит, а объем мусора нарастает так быстро, что через несколько лет любой полигон оказывается заполненным и нужно строить новый.

2. Сжигание. При сжигании ТБО на мусоросжигаюших заводах удается уменьшить их объем и получить некоторое количество энергии (1 т мусора может дать 400 кВт-ч). Однако даже при самой совершенной технологии сжигания эти заводы загрязняют атмосферу. Кроме того, значительное количество образующейся золы приходится захоранивать. Бесперспективность этого варианта обращения с ТБО стала причиной того, что интерес к сжиганию мусора резко снизился.

3. Сортировка и переработка. Это самый экологичный вариант обращения с ТБО, при котором они не накапливаются, а используются как вторичное сырье, снижая расход первичных ресурсов. В США с 1990 по 2000 г. уровень вторичного использования ТБО возрос с 8 до 32%. В Канаде 50%-ный уровень переработки ТБО объявлен национальной задачей. Большинство немецких земель и итальянская провинция Милан преодолели отметку в 50%. Швейцария достигла уровня 53%. Наряду с сортировкой мусора населением (сбор в отдельные контейнеры бумаги, стекла, пластиков, органических отходов) внедряются промышленные линии переработки ТБО с электронными системами распознавания. Наконец, самый эффективный способ снизить количество ТБО -- это отслеживать образование отходов на «всем протяжении трубы» и пересматривать технологии всего промышленного производства (автомобилей, бытовой техники, одежды, продуктов питания и др.) в целях уменьшения количества отходов.

В целом, если ТБО сортированы, то переработка каждой фракции проблемы не составляет и является достаточно выгодным делом. Из макулатуры делают новую бумагу. Уровень переработки макулатуры год от года повышается, в 2004 г. он составлял в Германии -- 72%, в Южной Корее -- 66, в Швеции -- 55, в Японии -- 53%. При реутилизации алюминиевых банок затраты энергии снижаются в 5-10 раз. Неудивительно, что в Европе на переработку идет свыше 80% алюминиевых банок. Очень выгодно переплавлять стекло. В Швейцарии повторно используется 9 стеклянных бутылок из 10, в Нидерландах, Австрии, Швеции, Норвегии, Германии -- более 8 бутылок. Органические отходы можно компостировать и затем производить удобрения. Пластики прессуют и из них делают садовые скамейки, тазики и т. п. (9, с.37)

И, тем не менее, в силу сложности организации сортировки проблема уменьшения количества ТБО остро стоит во многих странах, в России тоже.

Уменьшается количество бытового мусора при реутилизации бытовых вещей и продлении срока их службы. В ФРГ ежеквартально возле домов устраиваются свалки громоздких вещей. Прежде чем их заберет машина, они обычно «перераспределяются». Перспективна также система «распродаж», которые возникли в США для удлинения срока службы вещей. Распродаются по низким ценам вещи, уже бывшие в употреблении, но еще пригодные для дальнейшего использования.

Специальная проблема переработки ТБО -- утилизация старых автомобилей. В развитых странах налажена их переработка. Раньше за сдачу автомобиля в утиль приходилось платить значительную сумму, теперь это делается бесплатно. Стоимость утилизации старого автомобиля включена в цену нового, таким образом расходы несут производящие фирмы и покупатели. Новейшие модели автомобилей в качестве обязательного инженерного решения включают «легкую разбираемость» на узлы (в этом лидирует фирма «Рено»). На свалки попадает не более 10% автомобильных покрышек, 40% сжигается с получением энергии, столько же подвергается глубокой переработке и 10% перетирается в крошку, которая используется как компонент дорожных покрытий и при производстве изделий из пластиков, Кроме того, на части шин восстанавливают протекторы. Из каждой тонны старых покрышек, подвергнутых глубокой обработке, получают 400л нефти, 153л газа и 140 кг стальной проволоки.

Дополнительным источником ТБО являются городские очистительные сооружения, в которых накапливается в больших количествах осадок (или ил), состоящий на 70--80 % из органических веществ. Он имеет неприятный запах и содержит патогенную микрофлору. Обезвреживание осадка является обязательным условием очистки сточных вод, однако в ряде случаев в осадке могут оставаться трудноудаляемые примеси (например, тяжелые металлы).

2. Экологическое состояние урбанизированных территорий

2.1 Экологическая оценка урбанизированных территорий

В 2004 г. в Российской Федерации экологическое состояние сложившейся сети крупных и крупнейших городов и их агломераций существенно не изменилось и отражало тенденции, проявившиеся в прошлые годы (15, 17).

Россия относится к странам с высоким уровнем урбанизации (73%): поселения представлены 1095 городами, в которых сосредоточено 107,5 млн. чел. В настоящее время на территории России продолжают развиваться около 30 крупнейших агломераций, занимающих 6% обжитой (заселенной) территории страны и концентрирующих более 60% городского населения.

Экологическое состояние урбанизированных территорий неразрывно связано с общей социально-экономической ситуацией в стране, состоянием капитального строительства, реализацией государственной градо-строительной и жилищной политики в новых условиях.

В 2004 г. напряженная экологическая обстановка сохранялась в большинстве городов и агломерациях, несмотря на общее снижение уровня производства во всех регионах страны. Помимо зон радиоактивного загрязнения, к экологически неблагоприятным территориям по-прежнему были отнесены городские агломерации Урала (Челябинская, Свердловская), Центра (Тульская), Западно-Сибирского региона (Кемеровская и Новосибирская), Поволжья (Самарская, Волгоградская, Ульяновская, Нижегородская) и др.

Экологическая обстановка в городах Нижний Тагил, Магнитогорск, Новочеркасск, Братск была близка к чрезвычайной. Практически во всех городах с населением более 1 млн. чел., включая Москву и Санкт-Петербург, экологическая напряженность оставалась высокой.

Уменьшение выбросов загрязняющих веществ в некоторых отраслях промышленности (электроэнергетика, топливная промышленность, цветная и черная металлургия) составило 1-8%, однако в ряде регионов усилилось воздействие хозяйственной деятельности на состояние воздушного бассейна, в том числе за счет роста автомобильного парка. Рост выбросов более чем на 20% по сравнению с 1999 г. отмечен в Ульяновской агломерации.

Значительную роль в ухудшении экологической ситуации на урбанизированных территориях играют крупные промышленные аварии, происходящие в среднем до 250 раз в год (1999-2004 гг.) и приводящие к загрязнению атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод.

Аварии зданий и сооружений жилого и социально-бытового назначения, помимо материальных потерь, нередко связаны с нанесением ущерба здоровью населения. Среднемноголетнее количество таких аварий достигает 300-310.

Большой вклад в загрязнение окружающей среды в 2004 г. вносили аварийные порывы продуктопроводов, обусловленные их коррозионным износом и развитием на некоторых территориях оползней, просадок многолетнемерзлых и лессовых пород, эрозии и других опасных природных и техно-природных процессов. Большинство действующих магистральных трубопроводов были построены более 20 лет назад, износ многих из них превышает 50%.

Аварийное загрязнение водных объектов отмечалось на территории Самарской агломерации (Сызранский НПЗ), Красноярской агломерации (Канская нефтебаза). Аварии на трубопроводах были зафиксированы в Уфимской, Ульяновской, Пензенской агломерациях.

Градообразующая база урбанизированных территорий претерпевает изменения в результате структурной перестройки экономики и развития новых функций в ходе экономической реформы (частное предпринимательство, бизнес, торговля и др.).

...