Особенности энергетики индустриально-городских и природно- технических систем

3. Природно-технические экологические системы

     Любое техническое сооружение, созданное  человеком, тесно взаимодействует  с природой. Техника (от греч. techno – искусство, мастерство) представляет собой совокупность средств и механизмов, используемых для осуществления производства или обслуживания потребностей общества.

     Основное  назначение техники – полная или  частичная замена функций человека в целях повышения производительности или облегчения труда.

     Современный период характеризуется бурным развитием  техники. За вторую половину XX в. человечество изобрело и создало технических  средств больше, чем за все предыдущие века.

     Техника и природа тесно взаимодействуют  друг с другом. С помощью техники  человек удовлетворяет многие свои потребности. Но техника оказывается  главной причиной тех антропогенных  изменений, которые происходят в  природе и являются нежелательными для всех обитателей биосферы.

     Под влиянием производственной деятельности образуется новая формация, которую  определяют как техносферу Земли или природно-техническую геосистему. В ряде литературных источников ее называют также эколого-экономической или социально-экономической системой.

     Природно-техническая  экосистема – это совокупность совместно  присутствующих и постоянно взаимодействующих  между собой природных и промышленных объектов. Она формируется в результате человеческой деятельности.

     Такие системы возникают в любом  регионе. Строительство новых объектов, эксплуатация действующих инженерных сооружений, функционирование заводов, электростанций – это все примеры  хозяйственной деятельности человека.

     Она призвана удовлетворить определенные потребности современного общества – обеспечить комфортные места проживания людей, добычу топливно-энергетических ресурсов, производство промышленной и продовольственной продукции  и т.д.

     Инженерные  сооружения оказывают антропогенное  влияние на природную среду и  меняют условия ее существования.

     Техногенные потоки, которые формируются в  границах природно-технических систем, обладают кумулятивным свойством (т.е. накапливаются) и затем обусловливают  увеличение масштаба антропогенного воздействия  на весь регион.

     Величина  антропогенного влияния зависит  не от отдельного, пусть даже лимитирующего  фактора, а от совокупности всех техногенных  факторов. К сожалению, часто не удается  полностью учесть негативное воздействие  антропогенных факторов на окружающую среду. Неадекватность расчетных моделей и реальность экологической обстановки в зоне промышленного освоения территорий приводит к невосполнимым потерям биогеоценозов и природных ландшафтов.

     При создании промышленных комплексов следует  учитывать основные законы изменения  и функционирования природной среды.

     Например, закон внутреннего динамического  равновесия гласит: «Вещество, энергия, информация и динамические качества природных систем взаимосвязаны  настолько, что любое изменение  одного из этих показателей вызывает соответствующие функционально-структурные  качественные или количественные перемены».

     Этот  закон имеет ряд следствий:

     • любое изменение среды неизбежно  приводит к развитию природных цепных реакций, направленных в сторону  нейтрализации произведенного воздействия, или вызывающих формирование новых  природных систем, образование которых  может принять необратимый характер;

     • взаимодействие вещественных и энергетических компонентов в природных системах количественно не линейно, т. е. слабое воздействие одного из показателей  может вызвать сильные отклонения или изменения во всей системе  в целом;

     • любое местное преобразование природы  может вызвать глобальные ответные реакции в биосфере.

     Законы, характеризующие природно-техническую  систему, отличаются от законов природных  экологических систем и формулируются  следующим образом:

     1) в процессах промышленного производства  значительное количество материальных  ресурсов переходит в отходы;

     2) основное количество вырабатываемой  энергии используется в сфере  производства и потребления.

     Анализ  эколого-экономических систем свидетельствует  об их глубокой специфичности и отличии  от природных систем. Эти особенности  заключаются в следующем:

     • неадекватность поведения естественных и искусственных объектов, составляющих единую природно-техническую систему;

     • многомерность и разнообразие протекающих  в системе производственных и  природных деградационных процессов;

     • принципиальная невозможность применения методов оптимизации по экономическим  критериям.    

3.1 Условия функционирования природно-технических экологических систем

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

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

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

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

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

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

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

     Реальный  процесс формирования и развития природно-технической системы сопровождается закономерным накоплением антропогенных  изменений свойств экосистемы во времени.

     В оценке последствий промышленного  воздействия на природу важно  выявление масштабов этого воздействия, при которых оно не причинило  бы вреда человеку и природе.

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

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

     Восстановительная реакция отвечает полному или  частичному восстановлению свойств  экосистемы.

     Невосстановительная реакция соответствует критическому состоянию окружающей среды.

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

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

     В процессе строительства допускается  определенное антропогенное воздействие, приводящее к изменению ряда природных  факторов.

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

     Принцип оптимального функционирования природно-технической  системы при управлении трудовыми  процессами и производственной деятельностью может быть сформулирован следующим образом: если природно-техническая система испытывает влияние комплекса факторов техногенного и антропогенного воздействия, то для стабильного функционирования этой системы необходимо, чтобы сумма этих воздействий оставляла без изменения все структурные соотношения в данной системе.

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

     Факторы техногенного воздействия определяют:

     • по номенклатурному (качественному) составу  техногенных выбросов;

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

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

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

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

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

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

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

     Преодоление экологического антагонизма в системе  «человек – производство – природа» – главная цель промышленной экологии на современном этапе развития научно-технического прогресса. При строительстве и  эксплуатации промышленных объектов необходимо инженерное обоснование экологически безопасных допустимых уровней техногенного воздействия на геосферы Земли, обеспечивающее сохранение устойчивости биогеоценоза и природных функций экосистемы.

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

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

     • разработка новых безотходных и  ресурсосберегающих технологий;

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

     • разработка мероприятий по комплексному использованию сырья.