Создание управляемых природно-технических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание управляемых природно-технических систем

Предисловие

Продолжающееся увеличение численности населения Земли, совершенствование техники и технологий, ускоряющееся потребление ограниченных природных ресурсов, катастрофическое влияние человека на климат требуют перехода к принципиально новой парадигме взаимоотношений человеческого общества с предоставляющей ему обитель планетой Земля. Радует, что автор такой парадигмы - наш отечественный ученый доктор биологических наук, профессор Антонина Львовна Суздалева. Авторитетный специалист в своей очередной монографии пришла к глубокому пониманию основных проблем взаимодействия человечества с ограниченной по своим ресурсам средой обитания, к констатации необходимости осознанного управления этой средой во имя сохранения условий, необходимых для дальнейшего существования планетарного биоразнообразия.

• В монографии А.Л. Суздалевой присутствуют все основные достоинства, свойственные выдающейся научной работе - актуальность, научная новизна и возможность внедрения результатов в практику. Но все же главным ее достижением является развиваемая автором принципиально новая парадигма экологического мышления. Как и любая новая мировоззренческая позиция, взгляды А.Л. Суздалевой вступают в противоречие со сложившимися стереотипами. Мы привыкли рассматривать природу как некую данность, имеющую важнейшее значение не только для нас, но и наших потомков, для которых ее необходимо сохранить. Поэтому высказанное А.Л. Суздалевой суждение о том, что естественной природы уже не существует, вызывает неприятие. Но, как известно, «факты -- вещь упрямая», и ученые должны воспринимать реальность такой, какой она есть. За попытки научно обосновывать иллюзии, угодные признанным авторитетам или общественному мнению, нередко приходится расплачиваться весьма дорогой ценой.

Глобализация процесса техногенеза биосферы уже не вызывает сомнений у большинства специалистов. Парниковый эффект и перенос загрязнителей атмосферными потоками не оставили незатронутыми ни одного участка нашей планеты. В обозримом будущем воздействие человеческой деятельности будет только усиливаться. Весьма вероятно возникновение кризисов, обусловленных дефицитом природных ресурсов. Примером таких явлений может служить описанный в монографии «мировой кризис водопотребления», наступление которого прогнозируется уже в ближайшие годы.

Ограждать «островки экологического благополучия» от губительного техногенного воздействия с помощью традиционной природоохранной политики становится все труднее. И вот здесь смена мировоззренческой позиции, выдвигаемая А.Л. Суздалевой, может стать весьма плодотворной. Целенаправленно поддерживая природно-технические системы, мы получаем возможность управлять процессом техногенеза окружающей среды и, как это ни парадоксально звучит, использовать его для сохранения участков планеты, еще не утративших свой естественный облик и биоразнообразие.

Изучение природно-технических систем осуществляется различными специалистами в течение уже нескольких десятилетий. Но эти работы носят в подавляющем большинстве описательный характер. Главная же научная заслуга А.Л. Суздалевой заключается в том, что она предлагает не пассивно воспринимать природно-технические системы в качестве побочного продукта техногенеза, а активно участвовать в их формировании, превращая в эффективный инструмент управления экологическими условиями.

В отдельных главах монографии обоснованы возможности целенаправленно создаваемых природно-технических систем для предотвращения негативных процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере, педосфере и литосфере. В своем большинстве это лишь идеи, но идеи, которые могут стать основой целого комплекса перспективных технических концепций, разработка которых, в свою очередь, сформирует базу для создания конкретных проектов. Реализация этих в полном смысле инновационных разработок потребует междисциплинарного подхода, объедения усилий специалистов экологического и инженерно-технического профиля во имя достижения общих целей.

Подводя итог, можно с уверенностью предположить, что знакомство с монографией А.Л. Суздалевой будет полезным для широкого круга читателей, стремящихся в своей деятельности выйти за рамки проторенных путей решения различных экологических и технических проблем.

• Введение
• природный технический экологический биотехносфера

Природно-технической системой (ПТС) является любая совокупность природных, природно-техногенных и техногенных объектов, состояние и функционирование которых взаимосвязаны. Они возникают во всех случаях, когда человеческая деятельность или ее продукты внедряются в природную среду и вступают во взаимодействие с ее элементами. Совокупность подобных процессов, вызывающих трансформацию окружающей среды, обозначается обобщающим термином «техногенез».

Произошедшая на современном этапе глобализация процессов техногенеза привела к тому, что сейчас практически все существующие экосистемы, в той или ной мере, превратились в природно-технические системы. Говоря о естественных экосистемах, мы, как правило, имеем в виду те из них, в которых техногенное воздействие еще не привело к заметным изменениям.

Техногенез окружающей среды может происходить в виде нежелательной трансформации условий и рассматриваться как побочный продукт различных видов человеческой деятельности. Но он может осуществляться и как целенаправленное изменение окружающей среды. Например, это происходит при ирригации пустынь или осушении болот. В соответствии с этим, возникающие в процессе техногенеза окружающей среды природно-технические системы условно можно разделить на две основные категории: неуправляемые и управляемые.

Существование спонтанно формирующихся неуправляемых ПТС практически всегда сопровождается ухудшением состояния окружающей среды. Частично сохранившиеся в них естественные механизмы самоочищения и самовосстановления уже не способны противостоять внешним негативным воздействиям, уровень которых на участках, подверженных интенсивному техногенезу, как правило, возрастает.

Экологическая ситуация в управляемых ПТС определяется характером целей, которые преследуются при их создании. Состояние окружающей среды в этих системах формируется и поддерживается работой специальных инженерно-технических объектов и устройств, а также комплексом спланированных мероприятий с использованием различных технических средств. Такие ПТС обладают принципиально иными возможностями защиты от внешних неблагоприятных воздействий. Это особенно актуально на современном этапе, когда сила и частота катастроф различного рода постоянно возрастает. Например, развитие многих чрезвычайных ситуаций, обусловленных аномальными паводками, удается избежать, благодаря регулированию речного стока гидроэлектростанциями, которые можно рассматривать как центральное звено, потенциально управляемых ПТС.

Таким образом, целенаправленное формирование управляемых ПТС можно рассматривать как одну из форм охраны окружающей среды. При этом следует особо подчеркнуть, что это не очередная попытка, «не дожидаясь милостей от природы», переделать ее по собственному усмотрению. Основной целью в данном случае является разработка механизмов, способных воспрепятствовать экологической деградации окружающей среды, в условиях постоянно возрастающей антропогенной нагрузки, обусловленной ростом народонаселения планеты, объема мирового производства и урбанизации.

Уже сейчас создание управляемых ПТС, как способ сохранения благоприятных экологических условий, постепенно получает все большее распространение. Примером могут служить даже некоторые особо охраняемые природные объекты. Их существование поддерживается только благодаря работе искусственно созданных систем водоснабжения и водоотведения, а также постоянно проводимых мероприятий с использование технических средств (формирование противопожарных просек и др.). Однако подобные решения носят сугубо локальный и эмпирический характер. Выход данного перспективного направления на качественно новый уровень возможен только при развитии общетеоретической базы научных основ создания управляемых ПТС.

В монографии впервые обобщен практический опыт, накопленный в данной области, а также предлагаемые технические решения, которые могут быть использованы при создании управляемых ПТС. В ней также предпринята попытка проанализировать возможности использования управляемых ПТС для борьбы с процессами и явлениями, вызывающими в современном мире деградацию основных компонентов планетарной экологической системы - атмосферы, гидросферы, педосферы и литосферы.

Работа по созданию управляемых ПТС может быть успешной только в том случае, если она изначально будет носить междисциплинарный характер и базироваться на объединении во имя общей цели усилий как специалистов в области экологии, так и в области технических наук. Монография предназначена для широкого круга читателей, интересующихся поисками инновационных решений актуальных экологических проблем. Материалы монографии могут быть также использованы в процессе преподавания в ВУЗах обширного комплекса учебных дисциплин, в т.ч. таких как инженерная экология, техногенная безопасность, геоэкология, природообустройство, экологический менеджмент.

• Глава I. Цели и проблемы создания управляемых ПТС
• 1.1 Основные виды ПТС и их классификация

Существующие ПТС представляют собой обширную категорию систем, отличающихся по своим условиям создания, масштабам, механизму функционирования и генезису.

• Рассматривая классификацию ПТС по их масштабам необходимо определить критерий, исходя из которого, определяются их пространственные границы. В качестве его целесообразно использовать дальность распространения значимого воздействия включаемых в данную ПТС инженерно-технических объектов. В этом случае пространство, занимаемое конкретной ПТС, - это участок окружающей среды, условия в котором складываются под влиянием определенного объекта технической деятельности или совокупности таких объектов, влияние которых в целом можно рассматривать как единый фактор.

В соответствии с масштабами воздействия можно выделить локальные ПТС, образующиеся вокруг отдельного производственного объекта, и региональные ПТС, техногенными элементами которых являются все промышленные предприятия данного региона. Обусловленное ими совокупное воздействие нередко необходимо исследовать как самостоятельный феномен. Например, это уровень загрязненности атмосферы или крупного водного объекта, формирующийся из многих различных источников. В некоторых случаях можно также выделить межрегиональные ПТС, охватывающие несколько регионов, отличающихся по своим ландшафтно-климатическим и иным особенностям. К их числу в настоящее время можно отнести многие крупные речные бассейны, например бассейн р.Волга. Наконец, классифицируя ПТС по их масштабности, в качестве их отдельного вида следует рассматривать глобальную ПТС - биотехносферу, в которой совокупные последствия технической деятельности (например, парниковый эффект) необходимо изучать на общепланетарном уровне. Следует отметить, что каждый из выделенных по своим масштабам видов ПТС, хотя и может входить в состав ПТС более высокого ранга, является отдельной системой. Исследование крупномасштабных ПТС не подменяет изучения входящих в их границы локальных ПТС. Так, системное изучение процесса формирования качества окружающей среды на региональном уровне не дает исчерпывающего представления об экологической ситуации на участках локальных ПТС. Точно также результаты изучения совокупности ПТС небольшого масштаба не в полной мере отражают структурно-функциональную организацию крупной ПТС, в состав которой они входят. Это отдельный предмет исследования.

Классификация ПТС по механизму функционирования подразумевает их разделение на неуправляемые, управляемые и потенциально управляемые. Состояние среды в неуправляемых ПТС целенаправленно не регулируется. Вместе с тем, на входящие в них объекты распространяются все нормы действующего законодательства. Органы исполнительной власти, в компетенцию которых входят контроль и надзор в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, отслеживают воздействие, оказываемое входящими в неуправляемые ПТС различными субъектами хозяйственной деятельности. Контролируется также состояние природных и природно-антропогенных объектов. Но организация контроля отдельных элементов ПТС не обеспечивает контроля за системой в целом и, тем более, управления ее состоянием. Под управлением состоянием ПТС подразумевается наличие механизмов, способных при внешних воздействиях возвращать экологическую ситуацию в прежнее благополучное состояние или предотвращать внешние воздействия, способные его ухудшить. В природных экосистемах эту функцию выполняли естественные процессы самоочищения и самовосстановления. Уровень антропогенной нагрузки в ПТС во многих случаях значительно превышает возможности данных процессов у сохранившихся в них природных элементов. Поэтому неуправляемые ПТС подвержены закономерной экологической деградации. Меры по ограничительному контролю за деятельностью входящих в них субъектов хозяйственной деятельности способны лишь замедлить такой процесс. Например, это происходит, когда органы исполнительной власти, осуществляющие контроль за сбросами группы предприятий, формирующих промышленную зону, ограничиваются установлением для каждого их них нормативно допустимого сброса (НДС). Формально, отвечая по отдельности требованиям природоохранных нормативов, эти ограничения не обеспечивают сохранения благополучной экологической ситуации в водных объектах. Реки, протекающие через эти зоны, постепенно превращаются в сточные канавы. Изменить ситуацию может только создание систем водоочистки, которые следует рассматривать как элемент управления ПТС.

• Состояние управляемых ПТС постоянно регулируется с целью поддержания в них безопасных условий для жизнедеятельности человека и благоприятной экологической ситуации. Управление параметрами этих систем осуществляется или работой специального инженерно-технического объекта, или согласованной работой группы таких объектов, в совокупности выполняющих функцию «экологического регулятора». Простейшим примером таких ПТС могут служить некоторые городские водные объекты, качество воды в которых, необходимое для существования обитающих в них организмов, и их эстетическая привлекательность обеспечиваются работой систем принудительной циркуляции и очистки вод (Волшаник и др., 2003; Безносов и др., 2006; Волшаник, Суздалева, 2008). Но функции экологического регулятора могут выполнять не только инженерно-технические объекты или системы. Эту же роль играют и систематически проводимые мероприятия. Так, сохранение в современных условиях лесных массивов во многом зависит от периодически проводимых противопожарных мероприятий (например, прокладки и расчистки просек). Но поддерживаемые, благодаря технической деятельности человека, леса (а лесотехнические мероприятия являются одним из ее видов) представляют собой не естественные экосистемы, а управляемые ПТС. Очевидно, что доля естественных элементов в их структурно функциональной организации превалирует, но технические факторы также играют значимую роль.

В зависимости от способа создания их регулятора управляемые ПТС можно условно разделить на две категории:

? специализированные управляемые ПТС, регулятор которых изначально создается с целью основного регулирования условий окружающей среды и сохранения благоприятной экологической ситуации;

? оптимизационные управляемые ПТС - в качестве регуляторов которых используются подвергшиеся экологической оптимизации инженерно-технических системы, сооружения и объекты, первоначально создававшиеся с иными целями (примером являются ПТС, формирующиеся в зоне значимого влияния крупных ГЭС).

Потенциально управляемые ПТС имеют в своем составе инженерно-технический объект или систему, которые можно превратить в экологические регуляторы, управляя режимом работы или внося в их конструкцию определенные изменения. Эти меры, обозначаемые термином «экологическая оптимизация» (Суздалева, Горюнова, 2014а), могут осуществляться как при проектировании инженерно-технических объектов, так и в ходе их эксплуатации.

Особую категорию управляемых ПТС составляют «исторические природно-технические системы», целью создания которых является сохранение памятников истории и культуры в совокупности со свойственной им окружающей средой. О значении, которое придается такой деятельности, свидетельствует тот факт, что это пока единственный вид ПТС, статус которого закреплен в действующей нормативно-правовой базе РФ. Так, в п. 3.1.9 ГОСТ Р 56891.4-2016ГОСТ Р 56891.4-2016 Сохранение объектов культурного наследия. Термины и определения. Часть 4. Исторические территории и историко-культурные ландшафты. дано следующее определение: «историческая природно-техническая система (ИПТС) - природно-техническая система, в которой искусственной подсистемой является историческое сооружение». В качестве разновидности ИПТС можно рассматривать «историческую гидросистему», которая, согласно п. 3.2.14. ГОСТ Р 56891.4-2016, представляет собой «единовременно или эволюционно сложившийся на исторической территории комплекс водоемов и гидротехнических инженерных сооружений». В странах Западной Европы такими ИПТС в настоящее время являются не только старинные водяные мельницы, но и ГЭС, построенные в начале ХХ века (Суздалева, 2016). Но в качестве экологических регуляторов эти гидротехнические сооружения используются только в комплексе с другими инженерно-техническими устройствами и систематическими мерами по подержанию благополучного состояния окружающей среды (Волшаник, Суздалева, 2008).

ПТС можно классифицировать по их генезису, т.е. происхождению и механизму формирования. С этой точки зрения можно выделить модификационные и конструкционные ПТС. Модификационные ПТС возникают в результате техногенеза природной среды, изначально не предусматривающего создание системы по управлению ее состоянием. Примером могут служить лесопарковые зоны, которые являются остатками лесных массивов, существующих в районах городской застройки. В ряде случаев в них способна сохраниться значительная часть флоры и фауны. Но это происходит лишь в том случае, если в лесопарковых зонах систематически осуществляются специальные инженерно-технические мероприятия (вывоз мусора и др.) и создаются объекты экологически ориентированной инфраструктуры (шумозащитные экраны, системы отвода загрязненного поверхностного стока с прилегающей городской территории и т.п.). Лесопарк в данном случае становится элементом благоустроенной урбосистемы, который можно рассматривать как один из видов управляемых ПТС (Суздалева, 2014). Если подобная деятельность не осуществляется или проводится бессистемно, остатки лесного массива закономерно превращается в неорганизованную свалку, его биоразнообразие и рекреационный потенциал снижаются.

К категории модификационных ПТС можно условно отнести и природные экосистемы, изменения которых, обусловлены лишь глобальными факторами. Так, нетронутые, точнее не испытывающие на себе влияния от непосредственного контакта ни с какими-либо видами технической деятельности, экосистемы тропических лесов или арктических озер трансформируются в результате развития парникового эффекта и иных техногенных факторов, способных оказывать дистантное воздействие, например, кислотных дождей. Строго говоря, в биотехносфере, где воздействие технической деятельности человека распространяется на все без исключения участки, естественных экосистем уже существовать не может. Все входящие в ее состав природные объекты являются элементами ПТС. Вместе с тем, с методологической точки зрения, участки окружающей среды, еще не претерпевшие существенных изменений, можно условно рассматривать как «естественные экосистемы, в целом сохранившие свою структурно-функциональную организацию в условиях глобального техногенеза». Для краткости в дальнейшем они будут обозначаться как «сохранившиеся экосистемы». Если процесс глобального техногенеза будет и в дальнейшем бесконтрольно усиливаться и расширяться, то «сохранившиеся экосистемы» начнут деградировать, проходя через ряд фаз, каждая из которых характеризуется упрощением их структуры, снижением биоразнообразия и природно-ресурсного потенциала (Суздалева, Горюнова, 2014а; Горюнова, Суздалева, 2015). Избежать этого можно только превратив их в управляемые ПТС. Степень управления экологической ситуацией может колебаться в широких пределах. Так, в настоящее время человечество пытается контролировать развитие парникового эффекта. В контексте поднимаемых проблем это можно рассматривать и как попытку установления контроля над сохранившимися экосистемами, удаленными от промышленных зон на значительное расстояние. Если в результате этой деятельности станет, например, возможным контролирование состава и количества атмосферных осадков, выпадающих в «девственных тропических лесах», то экосистемы этих лесов в определенной мере превратятся в модификационные управляемые ПТС. Их состояние начинает зависеть от функционирования экологического регулятора, которым в данном случае является совокупность мер по сохранению благоприятной макроклиматической ситуации.

Конструкционные ПТС образуются в результате целенаправленной деятельности по созданию благоприятных условий на участках, где естественные экосистемы были ранее уничтожены. Например, подобные ПТС создаются в настоящее время при расширении городской застройки. Практически все крупные города, возникшие не позже конца ХХ века, в течение длительного исторического периода были окружены обширными свалками, которые обычно представляют собой неуправляемые ПТС, находящиеся на финальных стадиях экологической деградации (Суздалева, 2014). Возведению на этих участках жилых массивов обычно предшествует комплекс работ по рекультивации почвенного покрова и инженерно-экологическому обустройству территории, в форме озеленения этих участков, создания искусственных водных объектов. В данном случае биотические элементы не сохраняются как остатки ранее существовавшей здесь природной среды, а целенаправленно встраиваются в искусственно создаваемую ПТС. Дальнейшее существование этих объектов также возможно только при систематическом проведении инженерно-технических мероприятий. В их отсутствии заброшенные озелененные участки превращаются либо в замусоренные заросли рудеральной растительностиРастительность, формирующаяся на мусоре и свалках (Реймерс, 1990)., либо практически исчезают по причине отсутствия полива и других мер, необходимых для поддержки их существования в техногенной среде.

Создание конструкционных ПТС на месте уничтоженных природных экосистем можно рассматривать как особый случай техногенеза окружающей среды - креативный техногенез (Суздалева, Горюнова, 2014а). Этим термином обозначается вид техногенеза, при котором в ходе человеческой деятельности возникает новый природно-техногенный объект с целенаправленно формируемыми благоприятными экологическими условиями.

1.2 Общая схема создания управляемых ПТС

Процесс создания управляемых ПТС окружающей среды можно представить в виде обобщенной схемы, включающей следующие последовательно выполняемые этапы:

1 этап. Создание экологического регулятора ПТС, т.е. экологическая оптимизация конкретного инженерно-технического объекта, способного выполнять данную функцию или разработка комплекса мероприятий, обеспечивающих устойчивое сохранения благоприятной экологической ситуации на определенном участке. Экологический регулятор может быть:

? индивидуальным, т.е. представляющим собой единый объект - центральное звено, от которого зависят все остальные элементы управляемой ПТС. Его нельзя разделить на несколько частей, выполняющих в полном объеме функцию экологического регулятора. Примером может служить экологически оптимизированная ГЭС, от режима работы которой зависит обширный комплекс объектов в ее верхнем и нижнем бьефах, а также на прилегающей территории;

? групповым, состоящим из группы технологически связанных объектов, которые могут играть роль нескольких самостоятельных экологических регуляторов или объединяться, составляя единый регулятор. Примером может служить, каскад ГЭС;

? комплексным, при котором управление ПТС происходит в результате работы объектов, которые между собой технологически не связаны, но их скоординированная деятельность, управляемая из единого центра, может выполнять функцию экологического регулятора. Примером является деятельность комплекса городских служб и работа коммунальных объектов, обеспечивающих уборку улиц и вывоз мусора, водоснабжение, водоотведение и иные мероприятия, проведение которых обеспечивает стабильность благоприятной экологической ситуации в ПТС (урбосистеме), образующейся в пределах городской застройки.

2 этап. Установление основных параметров управляемой ПТС - границ системы и функций, выполняемых ее регулятором. Границей управляемой ПТС является черта, за пределами которой ее регулятор не способен оказывать значимое влияние на экологическую обстановку. Исходя из наблюдаемой степени значимости регуляторной функции установить четкие границы управляемой ПТС во многих случаях затруднительно. Размеры зоны значимого воздействия регулятора могут изменяться, например, в зависимости от гидрометеорологических условий. Поэтому границы управляемых ПТС необходимо официально фиксировать, включая в нее только участки, в которых регулятор с высокой долей вероятности способен:

? оперативно предотвращать развитие негативных процессов и явлений, создающих угрозу ухудшения экологических условий, т.е. выполнять природоохранную функцию;

? обеспечивать защиту элементов системы от воздействия чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Эту задачу регулятора можно обозначить термином «средозащитная функция».

3 этап. Субъективизация элементов управляемой ПТС - установление круга юридических лиц, ответственных за объекты, являющиеся элементами ПТС, и заинтересованные в сохранении благоприятных экологических условий на участках их размещения. Для обозначения этих лиц в современной научной литературе используется термин «стейкхолдеры». Субъективизация должна в полной мере распространяться и на участки природной среды, находящиеся в границах управляемой ПТС и становящиеся ее элементами. У каждого такого участка также существует физическое лицо или организация, несущая ответственность за его состояние.

4 этап. Формирование управляемой ПТС, т.е. установление официальных взаимоотношений между ее регулятором и стейкхолдерами. В их основе могут лежать различные процессы и явления. Например, экологически оптимизированная ГЭС может защищать объекты, входящие в ПТС, от затопления и подтопления, обеспечивать устойчивую работу источников водоснабжения и т.п. Упорядочение этих отношений требует выработки обобщающего критерия, дающего возможность оценить масштаб и функции регулятора. Сложность заключается в том, что такой критерий должен быть применим к самым различным категориям объектов от завода до озера. Исходя из смысла поставленной задачи, критерий должен отражать связь компонентов системы в единое целое, характеризовать степень зависимости регулируемых объектов от регулятора. Для этой цели может быть использован показатель, который можно обозначить как «индекс зависимости-уязвимости» (ИЗУ) (Федоров, Суздалева, 2014а), отражающий реальную и/или потенциальную зависимость влияния регулятора на выход процесса, осуществляющегося на конкретном объекте. Термины «процесс» и «выход процесса» в данном случае следует трактовать в самом широком смысле. Для предприятий «процесс» - это производственный процесс, выходом которого является объем (стоимость) продукции. Для экосистем под «выходом процесса» целесообразно понимать их продуктивность (при условии стабильности их структурно-функциональной организации). Для свалки «выходом процесса» могут являться накопленные на ней отходы, а показатель ИЗУ для данного объекта будет отражать вероятность их неконтролируемого распространение в среде, например, при наводнении. При этом следует еще раз подчеркнуть, что показатель ИЗУ не отражает состояние самого объекта, хотя и зависит от него. В общей форме вычисление ИУЗ должно осуществляться по следующему алгоритму:

где P - вероятность воздействия на выход процесса;

D - выход процесса;

S - показатель, характеризующий значимость воздействия на выход процесса (экологическую и/или социально-экологическую опасность).

Важнейшим условием формирования управляемых ПТС является экономическая обоснованность данной деятельности. Выполнение функций экологического регулятора требует дополнительных затрат. Очевидно, что на практике существование управляемой ПТС возможно только при условии, когда эти затраты не только компенсируются, но и приносят финансовую выгоду. Данная задача может быть решена в форме экологического страхования стейкхолдеров, исходя из расчета ИЗУ.

5 этап. Разработка механизма взаимодействия управляемой ПТС с аналогичными системами. Результатом может стать создание уже упоминавшегося комплексного регулятора из каскада ГЭС. Другие более сложные примеры решения этой задачи будут рассмотрены в последующих частях монографии, в т.ч. в главе III при описании принципов экологически ориентированного проектирования систем межрегионального перераспределения водных ресурсов.

1.3 ПТС как структурный элемент биотехносферы

Общие тенденции формирования ПТС нельзя рассматривать в отрыве от процесса глобального техногенеза, в результате которого возникшая в процессе естественного развития биосфера Земли переходит в состояние, для обозначения которого нередко используется термин «биотехносфера». Несмотря на то, что в научной литературе данный термин уже получил достаточно широкое распространение, его общепринятого определения до сих пор не существует. Отсутствует и единое мнение о том, кто впервые ввел данное понятие. В ряде источников указывается, что оно было предложено академиком А.В. Сидоренко (Сидоренко, 1980), который использовал данный термин для обозначения переходного этапа от биосферы к ноосфере. В качестве характерной особенности этого периода он рассматривал сочетание стихийного и сознательного, отрицательного и положительного влияния деятельности человека на окружающую среду. Однако это понятие в несколько иной интерпретации использовалось некоторыми авторами и ранее (Мауришь, 1974; Хильми, 1975).

В монографии биотехносфера рассматривается как продукт трансформации биосферы, структурно-функциональная организация которой претерпевает значимые изменения под совокупным воздействием различных видов технической деятельности человека.

Являясь результатом неуправляемого глобального техногенеза, сопровождающегося повсеместным разрушением различных компонентов природной среды и связей между ними, биотехносфера на современном этапе еще не утратила свою целостность как единая система. Но состав формирующих ее элементов и характер их взаимосвязи все больше отличаются от существовавших в естественной биосфере.

Для описания процесса формирования биотехносферы необходимо уточнить некоторые понятия. Под структурно-функциональной организацией биотехносферы в монографии понимается комплекс материальных тел (структурных элементов данной системы), связанных в единое целое вещественными и энергетическими потоками (функциональными связями).

Биотехносфера, как и естественная биосфера, представляет собой иерархию системных образований. Отличие заключается в том, что биосфера состояла из естественных экосистем различного масштаба - от микроэкосистемы временного водоема до мегаэкосистемы Мирового океана. Системы же, слагающие биотехносферу, по своему генезису разнородны. Они образуют своеобразную мозаику из взаимодействующих сохранившихся экосистем и различного рода ПТС (неуправляемых и управляемых). Примером может служить речной бассейн с зарегулированным стоком. В целом он является потенциально управляемой ПТС. Значительная часть водосборной площади подобного речного бассейна может быть занята сохранившимися экосистемами, например, экосистемами озерно-болотных ландшафтов. Водохранилища многих ГЭС уже сейчас можно рассматривать как регулируемые ПТС. На некоторых из них, например, систематически осуществляются так называемые «санитарные» и «экологические попуски вод», регулирующие экологическую ситуацию на расположенных ниже по течению обширных участках реки и прилегающих к ним территориях (Суздалева, Горюнова, 2014а). К категории регулируемых ПТС можно отнести и большинство гидромелиоративных систем, созданных на базе этого бассейна. На базе других гидротехнических сооружений, режим работы которых не корректировался в процессе экологической оптимизации, формируются потенциально управляемые ПТС. Некоторые участки водотоков, подвергшиеся различным формам техногенеза, не позволяющим использовать созданные техногенные объекты для регулирования экологической ситуации, являются неуправляемыми ПТС. Например, это спрямленные участки русел с облицованными мелководьями, не допускающими развития на них пояса высшей водной растительности. Все эти экосистемы и ПТС являются элементами (подсистемами) ПТС, охватывающей весь участок зарегулированного речного бассейна. Некоторые экологические процессы целесообразно рассматривать именно на этом иерархическом уровне. К ним, например, относится процесс формирования качества вод в среднем и нижнем течении основного водотока данного бассейна.

В развитии структурно-функциональной организации современной биотехносферы наблюдаются две основные тенденции. Первая из них очевидна и на данный момент имеет преобладающее значение. Это превращение все большего количества сохранившихся экосистем в ПТС, которые в подавляющем большинстве случаев можно отнести к категории неуправляемых. Данный процесс сопровождается экологической деградацией значительных участков окружающей среды. Происходит неконтролируемое изменение основных функциональных связей - биогеохимических циклов. Из них значительное внимание - по причине заметности внешних проявлений - в настоящее время привлек к себе только цикл углерода. В результате развития парникового эффекта происходит не только глобальные климатические изменения, но и нарушение сложившихся систем атмосферной и океанической циркуляции. Это, в свою очередь, влечет за собой учащение различных катастрофических явлений гидрометеорологического характера (наводнений и др.). Их сила и частота в последние десятилетия возросли в несколько раз (Осипов, 1995). В обозримом будущем ожидается их дальнейший рост не менее, чем в пятикратном масштабе (Осипов, 2009). Изменение количества атмосферных осадков, обусловленное развитием парникового эффекта, может иметь крайне нежелательные последствия и в тех случаях, когда этот процесс носит относительно плавный характер. Обширные, некогда достаточно плодородные области постепенно превращаются в пустыни. Причем это происходит именно в тех районах, где плотность народонаселения особенно велика.

Не меньшие по своей катастрофичности эффекты могут принести неконтролируемые изменения биогеохимических циклов других элементов, например, фосфора. Прогнозируемое в недалеком будущем исчерпание запасов минерального сырья для производства фосфорных удобрений грозит резким снижением урожайности сельскохозяйственных культур и резким усилением продовольственного кризиса. Естественный же процесс образования фосфорсодержащих осадочных пород занимает не менее нескольких десятков миллионов лет.

Таким образом, первая тенденция развития биотехносферы -это ее неуправляемая деградация, создающая не только угрозу утраты биоразнообразия, но и способная в ближайшей перспективе нарушить нормальные условия жизнедеятельности значительной части населения планеты.

Вторая тенденция - это создание иерархии управляемых ПТС, обеспечивающих сохранение благоприятных экологических условий сначала на отдельных участках окружающей среды, а затем постепенно охватывающих все пространство биотехносферы, превращая ее в управляемую систему планетарного масштаба. Реализация этой тенденции способно обеспечить устойчивое развитие человечества и сохранение биоразнообразия других форм жизни.

Как уже указывалось ранее, подавляющее большинство существующих в настоящее время управляемых ПТС по масштабам можно отнести к категории локальных. Очевидно, что даже большое количество подобных систем неспособно остановить деградацию биотехносферы. Основную роль в этом процессе должны сыграть региональные управляемые ПТС, начинающие формироваться в настоящее время. Прежде всего, это ПТС, создаваемые на основе экологически оптимизированных гидроэлектростанций (Федоров, Суздалева, 2014а). Вероятно, эта тенденция получит и дальнейшее развитие в более крупных масштабах. В ближайшие годы по прогнозам специалистов наступит так называемый «мировой кризис водопотребления», т.е. острый дефицит пресной воды в ряде густонаселенных регионов (Данилов-Данильян, 2009). Решение этой проблемы обусловливает настоятельную необходимость в формировании управляемых ПТС межрегионального масштаба, на основе строительства систем межбассейновой переброски вод (Суздалева, Горюнова, 2014б; Суздалева, 2015а). Это создает реальную основу для объединения в единую систему региональных ПТС и развития иерархической структуры управляемой биотехносферы (Суздалева, Смирнова, 2016).

Несмотря на теоретическую перспективность замещения иерархии экосистем, ранее существовавшей, иерархией управляемых ПТС к решению этого вопроса на практике следует относиться крайне осторожно. Процесс внедрения любой системы управления подразумевает предварительные испытания и возможность внесения корректив. Если подобные проекты сразу осуществляются в крупных масштабах, велика вероятность катастрофических явлений. Данное противоречие, заключающееся в необходимости построения глобальной системы управления окружающей средой и высоким риском крупномасштабного ухудшения состояния среды в ходе данного процесса, можно разрешить, если разработка механизмов экологического управления будет осуществляться на основе, так называемой, методологии «восходящего проектирования» (bottom-up approach) (Суздалева, Горюнова, 2015). Она заключается в создании отдельных объектов, изначально предназначенных для последующего объединения в единую систему. В нашем случае такими объектами являются ПТС локального и регионального масштабов. Результаты функционирования таких первичных систем анализируются, и лишь после этого они постепенно включаются в качестве элементов в ПТС более высокого уровня.

Так, создание управляемых региональных ПТС на базе ГЭС позволяет отработать механизмы управления ими, которые можно использовать уже на уровне гидроэнергетического каскада. Создание систем межбассейновой переброски вод станет экологически оправданным только в том случае, если объем транспортируемых вод будет рассчитываться с учетом экологических интересов региональной ПТС - донора этой системы. Например, когда переброске в другой регион будет подлежать избыток воды, создающий в речном бассейне, из которого он изымается, угрозу нежелательного наводнения. В этом случае цель подобного проекта будет заключаться не в строительстве гидротехнической системы, способной оказать негативное воздействие на окружающую среду, а в создании межрегиональную управляемой ПТС, поддерживающей благоприятную экологическую ситуацию одновременно в нескольких регионах.

Таким образом, не следует пытаться в рамках единого проекта создать управляемую биотехносферу. Даже в том маловероятном случае, когда такая деятельность будет профинансирована, следует иметь в виду, что ее конечные результаты нельзя спрогнозировать в той степени, чтобы исключить риск крупномасштабных катастрофических последствий. Построение управляемой биотехносферы может осуществляться только в форме постепенной замены иерархии экосистем аналогичной иерархией регулируемых ПТС. Все этапы этой деятельности должны сопровождаться тщательным анализом возможных экологических последствий. Их прогноз должен основываться на альтернативной основе, подразумевающей сравнение прогнозируемых результатов осуществления проекта с так называемым нулевым вариантом, т.е. результатами анализа перспектив развития экологической ситуации в случае отказа реализации проекта. Подобный подход, в полной мере соответствующий законодательным нормам проведения государственной экологической экспертизы проектов, очень важен. Любая деятельность, обусловливающая крупномасштабный техногенез окружающей среды всегда сопряжена с какими-то негативными воздействиями. Но их оценка должна строиться не на определении возможного экологического ущерба, а на его сравнении с тем ущербом, который будет нанесен окружающей среде в обозримом будущем, при отказе от создания управляемых ПТС.

1.4 Историческое развитие процесса техногенеза окружающей среды и формирования ПТС

Человеческая деятельность приводила к трансформации значительных участков природной среды в ПТС, начиная с первых этапов развития цивилизации. С ростом народонаселения Земли и уровня технологического развития процесс техногенеза окружающей среды углублялся и охватывал все большее пространство. Но долгое время он носил ограниченный характер. Еще в период промышленной революции VIII-XIX вв. человечество могло сосуществовать с почти безжизненными и бесконтрольно загрязняемыми промзонами. Эти зачатки техносферы носили локальный характер и даже на территориях стран Западной Европы были окружены естественными экосистемами, в значительной мере способными нейтрализовать распространяющиеся из них негативные воздействия. Более того, эти экосистемы оказывали позитивное воздействие на среду внутри промзон. Относительно небольшие по современным меркам промышленные центры того времени периодически «продувались» чистым воздухом извне. Живущие в них люди могли отдыхать в их окрестностях с достаточно благоприятными экологическими условиями. Таким образом, негативные экологические воздействия, обусловленные техногенезом, могли проявляться лишь на отдельных участках биосферы, не затрагивая ее остального пространства.

Следует также отметить, что существование промзон периода промышленной революции и тем более центров производственной деятельности предшествующих эпох не вызывало полного исчезновения каких-либо видов. Основную угрозу биоразнообразию представлял в то время перепромысел хозяйственно-ценных животных и растений.

Ситуация начала принципиально изменяться в конце XIX - начале XX в., когда процессы техногенеза окружающей среды сначала приобрели межрегиональный, а затем и глобальный характер, т.е. с началом формирования биотехносферы. Благотворное влияние на промзоны окружающих их природных экосистем резко снизилось. Напротив, интенсивность воздействия на природную среду со стороны участков техносферы значительно возросла. Естественные гомеостатические механизмы природных экосистем уже стали неспособны его нейтрализовать. В качестве одного из первых проявлений глобального техногенеза можно рассматривать развитие парникового эффекта. Оно началось с того момента, когда промышленные выбросы углекислого газа уже не могли в полном объеме изыматься из атмосферы фотосинтезирующими организмами. Обусловленные парниковым эффектом климатические изменения стали оказывать воздействие практически на все земные экосистемы, вне зависимости от их удаленности от промзон.

Интенсивное хозяйственное освоение все новых территорий и их природных ресурсов, сопровождающиеся урбанизацией значительных участков, лишила многие виды организмов значительной части среды их обитания. Причиной этого было, например, зарегулирование стока речных бассейнов и загрязнение их вод. Основной угрозой утраты биоразнообразия постепенно становится не хищнический промысел организмов как ранее, а утрата их местообитаний и формирование экологических условий, неприемлемых для их существования.

В условиях неконтролируемого глобального техногенеза благоприятных условий для жизни лишилась и значительная часть человечества. И это не только загрязнение воды и воздуха, создающее прямую угрозу для здоровья. Люди продолжают оставаться биологическими организмами, для жизни которых необходимо сохранение природных ресурсов: лесных массивов, обеспечивающих необходимое качество атмосферного воздуха, водоемов, использующихся в качестве источников водоснабжения и др. Кроме того, большое значение для человека имеет зрительный контакт с элементами природной среды, получение эстетического удовлетворения от среды в которой он живет (Суздалева, 2015б). Недостаточность позитива в ее восприятии вызывает расстройства психики и комплекс иных заболеваний (Филин, 1997). Но сохранить необходимые для выживания человека компоненты окружающей среды в настоящее время на многих участках планеты можно только искусственно, используя для этого различные инженерно-технические системы. По этим причинам на современном этапе и возникла необходимость создания управляемых или хотя бы частично управляемых ПТС, позволяющих поддерживать и регулировать состояние окружающей среды, не допуская ее ухудшение до уровня, оказывающего негативное воздействие на человека и другие организмы.

Процессы техногенеза в атмосфере, гидросфере, педосфере и литосфере имеют свою специфику (Трифонов, Девисилов, 2010). Различны и возможные подходы к улучшению их состояния, на основе создания управляемых ПТС. По этой причине этим вопросам в монографии посвящены несколько последующих глав.

Глава II. Техногенез атмосферы

2.1 Структура и основные свойства воздушной среды

Прежде чем перейти к анализу воздействия технической деятельности человека на атмосферу кратко рассмотрим особенности ее структуры и динамики.

Основными свойствами атмосферы являются:

v Стратификация, то есть постоянное разделение на несколько слоев, физико-химические свойства которых отличны. Нижний, прилегающий к земной поверхности слой, называется тропосферой. Он простирается на высоту до 16-18 км на экваторе, 10-12 км над умеренными широтами и 8-10 км над полюсами (Реймерс, 1990). В тропосфере содержится 4/5 всей массы атмосферного воздуха, и обитают все представители наземно-воздушной биоты. Поэтому в экологии используется также термин тропобиосфера, под которым понимают часть атмосферы, постоянно населенную живыми организмами. Однако эти зоны не совпадают. Верхней границей тропобиосферы считают высоту 6-6,2 км. Зона, в которой может постоянно существовать человек, еще более узка - не более 4 км от уровня моря.

В лежащей выше стратосфере, как и в более высоких слоях атмосферы, живые организмы временно присутствуют только в виде спор, заносимых сюда восходящими воздушными потоками. Верхнюю границу этой зоны различные специалисты проводят на высотах от 44 до 55 км.

v Большой диапазон колебания условий. Прежде всего, это касается таких важных как для жизни организмов, так и жизнедеятельности людей параметров как температура и влажность приземного воздуха. Согласно наблюдениям, сделанным со спутников, рекордно низкая температура (- 93,2°C) была отмечена в Антарктиде 10 августа 2010 г., а абсолютный рекорд экстремально высокой температуры воздуха (+70,7 C) был зафиксирован в 2005 году в солончаковой пустыне Деште-Лут на юго-западе Ирана. Однако для большинства участков земной поверхности диапазон изменений температуры воздуха в прилегающих нижних слоях атмосферы значительно более узок.

В атмосфере постоянно находится в среднем около 13 тыс. км3 воды, главным образом в форме пара (Данилов-Данильян и др., 2002). Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы «в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см «слоя осажденной воды» (Будыко, 1977). Однако этот параметр весьма изменчив и определяется интенсивностью процессов испарения, конденсации (выпадения атмосферных осадков) и горизонтального переноса. Данная система отличается высокой динамичностью. Водяной пар в атмосфере в среднем обновляется Под обновлением в данном случае понимается циклический процесс, включающий конденсацию пара, выпадение влаги из атмосферы и ее испарение с поверхности Земли. 43 раз в год или каждые 8,5 суток. Общее количество влаги в атмосфере огромно - среднее количество ежегодно выпадающих осадков превышает 500 Тт1Тт - 1 тератонна составляет 1 тыс. млрд. тонн., что эквивалентно слою воды высотою более 1 м.

v Детерминированная высокоскоростная динамичность Детерминированной динамичностью обладает и гидросфера и, в определенном смысле, даже верхние слои литосферы. Говоря о высокоскоростной динамичности атмосферы следует подчеркнуть, что и здесь эти процессы происходят с многократно более высокой скоростью.. Атмосфера состоит из отдельных воздушных масс, находящихся в постоянном движении. Но характер этого движения, хотя и подвержен значительным флуктуациям, в целом достаточно постоянен, образуя систему атмосферной циркуляции. В биосфере, пребывающей в устойчивом состоянии, пути движения воздушных масс в достаточной степени детерминированы. Примером может служить западно-восточный перенос воздушных масс над Евразией.

Даже относительно небольшие изменения характера атмосферой циркуляции могут оказать весьма значимое изменение экологических условий на значительных участках планеты. Временные флуктуации вызывают погодные аномалии. Устойчивые изменения в характере атмосферной циркуляции способны вызвать изменения климата становящиеся, например, причиной опустынивания обширных территорий.

v Высокая степень взаимодействия с водной оболочной планеты. Между этими макроэлементами биосферы происходит постоянной интенсивный обмен веществом и энергией (Будыко, 1977). Примером может служить «эффект Эль-Ниньо», когда локальное изменение температуры поверхности океана, в течение нескольких дней посредством атмосферной циркуляции оказывает значимое влияния на регионы, удаленные от него на тысячи километров (Дроздов и др., 1989; Бышев и др., 2014).

v Чувствительность и масштабность реакции на катастрофические явления как природного, так и техногенного характера. Под этим понимается свойство атмосферы стремительно изменять свой состав во время подобных событий и, благодаря высокой динамичности, быстро распространять их негативные воздействия на большие расстояния. Реакция воздушной оболочки Земли несравнима по масштабам и скорости, например, с реакцией гидросферы. Например, при сильных вулканических извержениях или падениях крупных метеоритов химический и механический состав Под термином механический состав атмосферы мы понимаем присутствие в ней химически инертных твердых аэрозолей. значительной части атмосферы изменяются в течение нескольких часов. По достижению определенного уровня эти процессы, благодаря системе атмосферной циркуляции, быстро (в течение нескольких месяцев и даже нескольких суток) способны принять глобальный масштаб. Об этом свидетельствует тот факт, что слои с повышенным содержанием метеоритного материала (иридия и микроглобул), образовавшихся при падении на Землю крупных метеоритов в прошедшие геологические эпохи, отмечаются не вокруг кратеров (астроблем), а прослеживаются практически по всей планете (Alvarez et al., 1980). Это произошло в результате выпадения аэрозолей, образовавшихся при ударах метеоритов о Землю, разнесенных атмосферными потоками. Аналогичным образом проявляется и воздействие техногенных факторов. Например, проведенные в середине ХХ века испытания ядерного оружия практически необратимо изменили изотопный состав всей атмосферы, а не регионов где они проводились.