Read the book: «Экология городской среды»

Name: Экология городской среды
ISBN: 978-985-06-2141-2

Е. Е. Григорьева, Константин Саевич, А. А. Челноков, Л. Ф. Ющенко

Font::

Допущено

Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов учреждений высшего образования но естественнонаучным специальностям

Под общей редакцией К.Ф. Саевича

Авторы: А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко, Е.Е. Григорьева, К.Ф. Саевич

Рецензенты: кафедра общей биологии и ботаники Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка (кандидат биологических наук, доцент В. В. Маврищев); доцент кафедры общей экологии и методики преподавания биологии Белорусского государственного университета кандидат биологических наук, доцент Г.А. Семенюк

Список сокращений

А – архитектурный проект

АЗС – автозаправочная станция

АСПР – автоматизированная система плановых расчетов

АСДНР – аварийно-спасательные и другие неотложные работы

АХОВ – аварийно химически опасное вещество

АЭС – атомная электрическая станция

ВПК – биохимическое потребление кислорода

ВВП – валовой внутренний продукт

ВИЧ – вирус иммунодефицита человека

ВДВ – временно допустимый выброс

ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения

ВПУ – вихревой пылеуловитель

ВСВ – временно согласованный выброс

ВЭР – вторичный энергетический ресурс

ГВВ – газовоздушный выброс

ГИС – геоинформационная система

ГЛО – газовое лучистое отопление

ГН – гигиенический норматив

ГО – гражданская оборона

ГОУ – газоочистная установка

ГСЧС – Государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций

ГПП – Генеральный план поселения

ГСКТО – Генеральная схема комплексной территориальной организации

ГФГО – гражданское формирование гражданской обороны

ГЭС – гидроэлектростанция

ДДТ – трихлорметилди(n-хлорфенил)метан (инсектицид)

ДПР – дочерний продукт

ДТП – дорожно-транспортное происшествие

ЕМЕП – совместная программа наблюдения и оценки распространения загрязнителей воздуха на большие расстояния в Европе

ЕРФ – естественный радиационный фон

ЕС – Европейский союз

ЕЭК ООН – Европейская Экономическая Комиссия ООН

ЗСО – зона санитарной охраны

ИЗА – индекс загрязнения атмосферы

ИЗВ – индекс загрязнения воды

КБП – коэффициент биологического поглощения

ККЗ – коэффициент концентрации загрязнения

КО – коммунальные отходы

КПД – коэффициент полезного действия

ДОС – летучие органические соединения

ЛПВ – лимитирующий показатель вредности

ЛРТ – ландшафтно-рекреационная территория

МСЗ – мусоросжигательный завод

МЧС – Министерство по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь

НДВ – норматив допустимого выброса

НМЛОС – неметановые летучие органические соединения

НМУ – неблагоприятные метеорологические условия

НПА – нормативный правовой акт

НПВ – неприятно пахнущий выброс

НСУР – национальная стратегия устойчивого развития

ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействия

ОВОС – оценка воздействия на окружающую среду

ОГП – опасный геологический процесс

ОДУ – ориентировочно допустимый уровень

ОИ – обоснование инвестиций (инвестирования)

ООН – Организация Объединенных Наций

ООПТ – особо охраняемая природная территория

ООС – охрана окружающей среды

ОПЗ – общая пояснительная записка

ПАВ – поверхностно-активное вещество

ПАН – пероксиацетилнитрат

ПАСО – пожарный аварийно-спасательный отряд

ПАСП – пожарный аварийно-спасательный пост

ПАСЧ – пожарная аварийно-спасательная часть

ПАУ – полициклический ароматический углеводород

ПБН – пероксибензоилнитрат

ПДК – предельно допустимая концентрация

ПДУ – предельно допустимый уровень

ПДС – предельно допустимый сброс

ПЗ – пояснительная записка

ПЗА – потенциал загрязнения атмосферы

ПО – производственные отходы

ПОС – проект организации строительства

pH – водородный показатель

РД – руководящий документ

РДУ – республиканский допустимый уровень

РОСН – Республиканский отряд специального назначения

РЦРКМ – Республиканский центр радиационного контроля и мониторинга окружающей среды

С – строительный проект

СанПиН – санитарные правила и нормы

СВЧ – сверхвысокая частота

СДЯВ – сильно действующее ядовитое вещество

СЗЗ – санитарно-защитная зона

СКТО – схемы комплексной территориальной организации

СНБ – строительные нормы Республики Беларусь

СНГ – Содружество Независимых Государств

СНиП – строительные нормы и правила

СПАВ – синтетическое поверхностно-активное вещество

СПИД – синдром приобретенного иммунодефицита

СТО – станция технического обслуживания

СУТКО – система управления твердыми коммунальными отходами

ТБО – твердые бытовые отходы

ТГ – техногенность

ТКО – твердые коммунальные отходы

ТКП – технический кодекс установившейся практики

ТМ – тяжелый металл

ТИПА – технический нормативный правовой акт

ТО – техническое обслуживание

ТР – технический регламент

ТС – транспортное средство

ТУ – технические условия

ТФ – технофильность элемента

ТХДД – тетрахлордибензодиоксин

ТЭЦ – теплоэлектроцентраль

УЗ – уровень звука

УЗД – уровень звукового давления

УФ – ультрафиолетовый

ФАР – фотосинтетически активная радиация

ХПК – химическое потребление кислорода

ЦГЭ – центр гигиены и эпидемиологии

ЧАЭС – Чернобыльская атомная электрическая станция

ЧС – чрезвычайная ситуация

ЭКГ – экологический каркас города

ЭКТ – экологический каркас территории

ЭМП – электромагнитное поле

ЭПРУ – электронное пускорегулирующее устройство

ЭРОА – эквивалентная равновесная объемная активность

ЭРУ СО – экологическая реконструкция урбанизированной среды обитания

ЮНЕП – Программа

ООН по окружающей среде

Предисловие

Экологические последствия хозяйственной деятельности человека в настоящее время наблюдаются повсеместно. Однако наиболее ярко они проявляются на городских территориях. Процесс урбанизации, под которой понимается рост и развитие городов, а также увеличение доли городского населения, носит глобальный характер и является мощным преобразующим фактором среды обитания. Урбанизация связана с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольшой территории населения, транспорта, объектов хозяйственной и общественной деятельности, а также с образованием антропогенных ландшафтов, далеких от состояния экологического равновесия.

В связи с этим в настоящее время назрела необходимость в специалистах, способных всесторонне оценивать экологическую обстановку городской экосистемы; предлагать и обосновывать решения по снижению антропогенного воздействия урбанизации на природную среду; разрабатывать мероприятия по защите и восстановлению городских экосистем, созданию и поддержанию комфортной, экологически безопасной для человека среды жизни на урбанизированных территориях.

Экология городской среды как отдельное научное направление получила активное развитие в последние десятилетия. Она представляет собой комплексную дисциплину прикладного характера, научные основы которой составляют территориально-планировочные, инженерно-геологические, географические, технологические, гигиенические, биоэкологические аспекты. Изучение специфических подходов решения урбоэкологических проблем является важной составляющей при подготовке специалистов по естественнонаучным специальностям в учреждениях высшего образования.

В настоящее время ощущается нехватка специализированной учебной литературы по экологии городов, адаптированной к условиям Беларуси. Подготовка данного учебного пособия является попыткой в определенной степени восполнить этот пробел. В пособии не только представлен весь комплекс экологических проблем, вызванных процессами урбанизации, но также рассмотрены теоретические основы трансформации окружающей среды, описаны методы оценки состояния городской среды и пути ее оптимизации.

Пособие состоит из восьми логически взаимосвязанных глав и отражает основной программный материал в рамках экологии городской среды. В главе 1 приведены основные характеристики города и особенности городских экосистем. Глава 2 посвящена рассмотрению геологических факторов в городской среде, а также мероприятий по удалению, утилизации и складированию бытовых и производственных отходов. В главе 3 раскрываются вопросы водообеспечения городов, мероприятия по охране и восстановлению городских водных объектов. Глава 4 освещает состояние, принципы нормирования и пути оптимизации качества атмосферного воздуха. В главе 5 описываются особенности формирования и развития городской флоры и фауны. В главе 6 приводится краткий анализ видов и источников воздействия на состояние здоровья человека в городской среде. В главах 7 и 8 раскрываются вопросы управления экологической безопасностью городов с описанием правовых, организационных, экономических и экологических аспектов. Теоретический материал по каждой теме дополнен контрольными вопросами и заданиями.

Материал учебного пособия изложен на основе действующих нормативных: правовых актов (НПА) и технических нормативных правовых актов (ТИПА) по экологической безопасности и рациональному природопользованию. Поскольку некоторые главы пособия по существу освещают материал самостоятельных дисциплин, которым посвящена обширная специальная литература, в нем приводятся лишь сведения, необходимые для усвоения общих закономерностей, относящихся к предмету изучения. Более полную информацию по рассматриваемым вопросам читатель может получить из оригинальных документов по соответствующим ссылкам в тексте пособия, а также литературе, которая использовалась при подготовке пособия и приведена в библиографическом списке. Учитывая ограниченность объема учебного пособия, приведены только основные ссылки на действующие НПА и ТНПА Беларуси в области градостроительства, экологической, санитарно-гигиенической и промышленной безопасности.

В связи с неоднозначностью трактовок терминов и определений в области общей и прикладной экологии терминология в учебном пособии приведена по И.И. Дедю (1989), Н.Ф. Реймерсу (1990, 1992) или по тексту первоисточников.

Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам рукописи учебного пособия: доценту кафедры общей экологии и методики преподавания биологии Белорусского государственного университета, кандидату биологических наук Г.А. Семенюку доценту кафедры общей биологии и ботаники Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка, кандидату биологических наук В.В. Маврищеву, а также сотрудникам этих кафедр за ценные замечания, которые, безусловно, позволили улучшить качество книги.

Глава 1
Город и городская среда

В настоящее время в мире невероятными темпами растут площади городских территорий и численность населения городов, повышается их роль в социально-экономическом развитии общества. Сформировавшаяся специфическая городская среда с присущими только ей абиотическими и биотическими компонентами, усиливает антропогенное давление на окружающую среду, что в совокупности составляет сущность процесса урбанизации (от лат. urbanus – городской). Этот процесс с середины XX в. принял глобальный характер, в результате чего уже произошли существенные изменения социобиологических характеристик человеческой цивилизации.

Интенсивность процесса глобальной урбанизации зависит от уровня промышленного развития регионов, который проходит достаточно неравномерно в разных странах, но несмотря на это стал одним из основных факторов расширяющегося преобразования географической оболочки планеты.

В процессе урбанизации в зависимости от уровня развития хозяйственной деятельности и соответствующими экологическими последствиями принято выделять три стадии:

• 1-я стадия – от момента возникновения первых поселений и до XVI–XVII вв., когда для производства материальных ценностей использовались местные источники пищи, воды, сырья, энергии (водяные и ветряные мельницы, домашние животные), технологии ручного труда. Экологические воздействия были связаны в основном с образованием и накоплением отходов жизнедеятельности поселения (людей и скота), загрязнением источников водоснабжения органическими веществами. Последствиями загрязнения окружающей среды периодически становились массовые вспышки инфекционных заболеваний, а также локальные войны за территорию поселений, которые в большей степени отражались на численности населения, чем на качестве окружающей среды. Уровень загрязнения и антропогенной трансформации биосферы был минимальным;

• 2-я стадия – конец XVI–XVIII вв. характеризуется повсеместным развитием и распространением транспортных коммуникаций, существенным увеличением добычи природного сырья, возникновением промышленного производства с заменой части ручного труда на механический, использованием тепловой энергии для транспортных и производственных целей. Растут количество городов и поселений, численность их населения, увеличиваются пригородные территории, обеспечивающие жизнедеятельность горожан. Города с пригородами становятся источниками антропогенного загрязнения окружающей среды, однако на этой стадии уровень их воздействия на биосферу в основном не превышал пределов ее самоочищающей способности;

• 3-я стадия – начало XIX в. и по настоящее время. Основной чертой этой стадии является промышленная революция, характеризующаяся бурным развитием материального производства с использованием преимущественно искусственной энергии на основе природных ресурсов и резким увеличением антропогенного воздействия на биосферу. К началу XXI в. все индустриально развитые страны оказались вовлеченными в процесс глобальной урбанизации, формируя его глубину и направленность на трансформацию биосферы в иное образование – техносферу.

Дальнейшее расширение материальных и энергетических потребностей общества с целью обеспечения высокого уровня комфорта жизни, интеллектуального общения и доступности информации грозит углублением процесса глобальной урбанизации и, прежде всего, стремительным увеличением темпов роста населения планеты.

На рубеже XX и XXI в. население Земли по данным ООН достигло 6 млрд человек. При этом наиболее резко увеличились темпы роста населения.

На рис. 1.1 представлена динамика основных показателей роста урбанизации за период 1990–2010 гг.

Процесс урбанизации на современном этапе развития человеческой цивилизации остановить уже практически невозможно, поэтому главной задачей нашего времени является изучение законов и тенденций его развития с целью определения разумных пределов трансформации естественной окружающей среды в урбосферу.

Современный образ жизни в городах наряду с очевидными социальными преимуществами порождает множество проблем экологического, демографического и экономического характера, которые и являются предметом изучения урбо-экологии.

Рис. 1.1. Сравнительная динамика численности городского населения, площади городов и плотности городского населения:

– численность городского населения, млн чел.; ♦ – площадь городов, тыс. км²; ▲ – плотность городского населения, чел./км² (Стольберг, 2000)

Урбоэкология – комплекс градостроительных, медико-биологических, географических, социальных, экономических и технических наук, которые в рамках экологии человека изучают взаимодействие производственной и непроизводственной деятельности людей с окружающей природной средой на территории населенных мест и их систем (Владимиров, 1999).

Одним из направлений урбоэкологии является экология городской среды, изучающая специфические экосистемы города и их связи с природными экосистемами.

1.1. Основные характеристики города

Город – один из видов социальной и пространственной организации населения, возникающий и развивающийся на основе концентрации промышленных, научных, культурных, административных и других функций (Владимиров, 1999).

С 1949 г. в соответствии с решением Европейской конференции по статистике (Прага, 1949) городом принято считать компактное поселение с минимальной численностью населения 2 тыс. человек, причем при количестве жителей менее 10 тыс. человек доля занятого в сельском хозяйстве населения не должна превышать 25 % от общей численности. Компактное поселение численностью более 10 тыс. человек автоматически считается городом. Однако какого-либо универсального критерия или совокупности критериев, регламентирующих отнесение того или иного поселения к категории «город», до настоящего времени не существует. Эта категория присваивается населенному пункту в соответствии с действующим национальным законодательством в области градостроительной деятельности.

В Беларуси в соответствии с ТКП 45-3.01-116-2008 населенные пункты подразделяются на города, поселки городского типа и сельские населенные пункты (в том числе агрогородки).

Городские поселения в зависимости от численности населения подразделяются на следующие типы:

• крупнейшие – свыше 500 000 чел.;

• крупные – от 250 000 до 500 000 чел.;

• большие – от 100 000 до 250 000 чел.;

• средние:

– I – от 50 000 до 100 000 чел.;

– II – от 20 000 до 50 000 чел.

Города как форма существования цивилизованного социума возникают в ответ на конкретные потребности общества для выполнения его определенных обязанностей. Скорее всего они впервые возникли порядка 6–8 тыс. лет назад в междуречье Тигра и Евфрата, хотя в настоящее время имеются научно подтвержденные данные о существовании развитых городов уже 11–12 тыс. лет назад на территории современных Индии и Пакистана. Факторами, определяющими возникновение и формирование поселений городского типа, являются их экономико-географическое расположение в сети транспортных коммуникаций, а также способность удовлетворять материальные, культурные и религиозные потребности общества. В теории архитектуры выделяют такие типы города как город-крепость, город-порт, город-центр торговли, город – религиозный центр, город-некрополь.

Город в современном понимании – это крупный населенный пункт, выполняющий промышленные, организационно-хозяйственные, управленческие, культурные и транспортные функции с населением, преимущественно занятым вне сельского хозяйства (Владимиров, 1999).

В градостроительстве города характеризуются рядом основных конструктивных элементов и понятий.

Планировочная структура – это строение и взаимосвязь планировочных элементов (линейных, узловых, зональных), определяющих пространственную реализацию основных функций жизнедеятельности населения на территории населенных пунктов и пригородных зон.

Основой планировочной структуры является планировочный каркас – система линейных и узловых планировочных элементов материальной среды населенных пунктов, выполняющая основные коммуникационные и регулирующие функции при организации планировочной структуры, развитии и реконструкции территории. Планировочный каркас городов формируется урбанизированными и природными осями. Он придает целостность городу, состоящему из функционально разных частей, и позволяет наиболее рационально использовать территорию города. Наряду с планировочным каркасом в городе неизбежно формируется экологический каркас, образованный зелеными насаждениями и водными пространствами, имеющий важнейшее оздоровительное и эстетическое значение.

Планировочный элемент – участок территории, ограниченный магистральными улицами, техногенными или природными преградами (овраги, реки, железные дороги) и отличающийся единством планировочной структуры. Основными планировочными элементами города являются район, микрорайон, квартал, группа кварталов.

Планировочные структуры городов исторически складываются под сильным влиянием природных условий местности, происхождения и промышленности города. Различные комбинации этих основных факторов определяют известное разнообразие планировочных структур городов, их характерные особенности. Выделяют следующие основные планировочные структуры городов:

• полосовидная – образуется в случае расположения городского поселения вдоль береговой линии реки или морского побережья при ограничении развития городской территории вглубь лесными массивами, горами, пустыней, иными объектами;

• многолучевая (звездчатая) – возникает в городах, располагающихся в узле транспортных путей;

• многоярусная – формируется при сближении (срастании) нескольких рядом расположенных поселков, городов в одно крупное образование (практически все столицы, областные, районные центры);

• кольцевая (поясная) – характерна для городов, равномерно формирующихся вокруг исторического центра – транспортного узла;

• расчлененная – характерна для городов, расположенных на местности с наличием естественных препятствий развитию планировочной структуры (реки, речки, глубокие овраги, рощи ценных пород деревьев И Т.Д.).

Центром и основой планировочной структуры любого города является его исторический центр.

Современные крупные города в большинстве случаев существуют в форме городских агломераций.

Городская агломерация – это пространственно и функционально единые группировки поселений городского типа, составляющие общую экологическую и социально-экономическую среду. Агломерация в пределах страны или региона характеризуется прочными функциональными связями, сформировавшимися в результате производственной деятельности и производственных отношений. Основу территориальной структуры агломерации образует опорный каркас – центральный город и радиальные транспортные магистрали, которые связаны с зоной городов-спутников. Зоны городов-спутников охватывают город-центр и в развитых агломерациях делятся на пояса, различающиеся по характеру и интенсивности взаимодействия, плотности населения, густоте сети дорог и населенных пунктов.

Различают два типа агломераций: конурбацию и мегаполис.

Конурбация – это группа близко расположенных и связанных между собой городов, образующих единое целое благодаря экономическим и культурно-бытовым связям, общим крупным инженерным сооружениям (транспорт, водоснабжение), характеризующаяся непомерно высокой скученностью населения. Примером может служить Лондонская, Японская, Московская конурбации и др.

Мегаполис – крупная городская агломерация, включающая многочисленные городские поселения, т. е. многофункциональное соединение ряда городских агломераций. Мегаполисы по сравнению с конурбациями характеризуют качественно иной пространственный уровень развития территории. Они занимают огромные площади; не являются территорией сплошной застройки (обычно под городскими видами пользования землей занято от 1/5 до 1/4 их территории); естественные ландшафты, сельскохозяйственные площади, рекреационные зоны, присутствующие в мегаполисе, дробятся городскими видами землепользования и не могут сохраняться в длительной перспективе. Основными чертами мегаполиса являются:

• линейный характер застройки, вытянутой вдоль транспортных магистралей;

• общая полицентрическая структура, обусловленная относительно близко расположенных друг к другу крупных городов;

• нарушение экологического равновесия между городской и природной средой.

В последние 100 лет развитие городов происходит преимущественно в сторону мегаполизации, что предопределяет мощность негативного воздействия селитебных территорий на природные комплексы и биосферу в целом, о чем будет подробно рассмотрено далее.

Территориальное формирование городов осуществляется прежде всего за счет естественного прироста населения, его миграции, административных преобразований (включение в состав города пригородных поселений, территорий иного землепользования). За счет территориального роста городов и возрастания числа агломераций увеличиваются площади урбанизированных территорий. Усиливается их влияние на прилегающие районы и природную среду всей планеты. Крупный город изменяет все компоненты природной среды – атмосферный воздух, почву, растительность, поверхностные и подземные воды. Он преобразует ландшафты, воздействует на рельеф, грунты, гидрологическую сеть, климат, способствует изменению биохимических циклов Земли. Таким образом, урбанизация способствует возникновению не только локальных, местных, региональных, но и глобальных экологических проблем.

Город также является и специфической средой обитания человека, которая включает все внешние по отношению к человеку или обществу объекты, обеспечивающие условия его существования и оказывающие на него то или иное влияние.

Окружающая среда города (или городская среда, урбанизированная среда) – это часть географической оболочки, ограниченная территорией, занятой городом, его пригородами и связанными с ними инженерными и транспортными сооружениями. Городская среда включает в себя природные и искусственные компоненты, а также людей, их социальные группы и подразделяется на физическую (абиотическую), биотическую, искусственную техногенную, искусственную духовно-культурную и социально-психологическую среду (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структура окружающей среды города (Хомич, 2002, 2006)

Природные компоненты представлены физическими телами и полями, являющимися объектами физической (абиотической) среды обитания, и отличными от человека живыми организмами, представляющими собой объекты биотической среды обитания.

В свою очередь, физическая (абиотическая) среда обитания подразделяется на воздушную, водную и геологическую среду.

Искусственные компоненты — это физические или духовные объекты: предметы, средства и результаты деятельности человека, как познающей субстанции. Сюда относятся объекты искусственной техногенной среды: жилища, производственные, деловые и культовые здания, сооружения, системы коммуникаций и жизнеобеспечения, орудия производства и предметы домашнего обихода, технические средства передвижения, энергоносители и пищевые продукты, а также отходы производства и жизнедеятельности населения. К объектам духовно-культурной среды относятся результаты проявления человеческого духа, выраженные как в материальной форме (книги, произведения живописи, музыки, скульптуры, архитектуры, драматургии, фото-, кинематографии и т. п.), так и не существующие в вещественной форме (идеи, знаки). Все объекты искусственной среды человека, существующие в вещественной форме, являются результатами преобразования объектов природной среды. Последние, в свою очередь, также взаимодействуют с объектами искусственной среды обитания человека.

Социально-психологическую среду обитания составляют люди, объединяемые в половозрастные, психологические, социальные, профессиональные и этнокультурные группы.

Города представляют уникальное сочетание места и населяющих его людей, и обычно они своим происхождением и развитием обязаны социально-экономической активности человека.

Город, занимающий определенную часть земной поверхности, включает популяцию человека с высоким показателем плотности, производственный комплекс, инфраструктуру и специфическую природную, искусственную и социально-культурную среду обитания, представляет собой урбогеосоциосистему (рис. 1.3). Социальный блок в такой системе выполняет системообразующую и управляющую функции.

Природная подсистема урбогео социо системы, через которую город формирует и сохраняет связи с биосферой, называется урбоэкосистемой.

Состояние и устойчивость урбоэкосистемы, включая ее способность к самоочищению, зависит от размеров городской территории и ее особенностей (характер ландшафта и городской застройки, наличие открытых пространств, водоемов, зеленых насаждений и др.), климатических условий, количества и состава поступающих загрязнений и воздействий.

Рис. 1.3. Город как урбогеосоциосистема (Голубец, 1994)

Город формируется на основе природной экосистемы, которая в дальнейшем изменяется и функционирует под влиянием техногенных и социальных факторов.

Техногенные факторы – архитектурно-планировочное решение городов, промышленное производство, энергетика, транспортные и другие коммуникационные потоки, иные виды хозяйственной деятельности.

Социальные факторы – демографические процессы, образование, массовая культура, управление функционированием городского комплекса через органы власти и средства массовой информации и т. д.

Таким образом, город является комплексной системой, в состав которой входит:

• урбоэкосистема, т. е. видоизмененная под воздействием хозяйственной и иной деятельности человека природная экосистема городской территории;

• социальная подсистема, т. е. функционально дифференцированная совокупность людей, или социосфера города;

• хозяйственно-промышленный комплекс, или техносфера города.

1.2. Город как специфическая экосистема

Структура любой системы определяется соотношением в пространстве и во времени слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект структуры характеризует порядок расположения элементов в системе, а временной – отражает смену состояний системы во времени. Структура является выражением иерархичности и организованности системы. Характер связей и взаимодействия между элементами и с внешней средой представляет собой различные формы вещественного, энергетического и информационного обмена.

Характер, структура, число, интенсивность, устойчивость таких связей определяют специфические свойства любой системы: сложность или простоту, стабильность или функционирование, статичность или динамичность, поли- или моноструктурность и пр.

При наличии связей системы с внешней средой границы являются открытыми, в противном случае – закрытыми.

Урбосистема (городская система) – неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и интенсивно нарушенных естественных систем (Реймерс, 1990).

В наиболее полном современном понимании экосистема – это информационно саморазвивающаяся, термодинамически открытая совокупность биотических экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах характерного для определенного участка биосферы времени и пространства обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом (в том числе между соседними аналогичными совокупностями) и на основе этого неопределенно долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих (Реймерс, 1990).

Функциональную схему экосистемы составляют четыре основных компонента – поток энергии, круговороты веществ, сообщество и управляющие петли обратной связи (рис. 1.4). Сообщество представлено в виде пищевой сети, состоящей из автотрофов (А) и гетеротрофов (Н), запасы питательных веществ обозначены буквой S.

Город – это специфическая экологическая система, в которую входят две субсистемы – природная и антропогенная.

Рис. 1.4. Функциональная схема экосистемы (Одум, 1975)

Природная субсистема включает природную среду города и его биоту, делится на четыре подсистемы. В свою очередь, каждая из подсистем делится на системы более низкого ранга (рис. 1.5). Антропогенная субсистема включает все антропогенные объекты города, делится на три подсистемы.

Характер функционирования городской системы определяется динамикой процессов, протекающих в субсистемах, а также интенсивностью прямых и обратных положительных и отрицательных связей между ними.

Природная (естественная) субсистема города характеризуется сложными биологическими и геохимическими процессами, протекающими на территории города и в зоне его влияния (преобразованием горных пород, трансформацией ландшафтов, изменением видового разнообразия флоры и фауны, сокращением количества экологических ниш, изменением биотопов и т. д.). Она изначально способна к саморегуляции, однако под воздействием антропогенной субсистемы в развитых городских агломерациях частично или полностью утрачивает эту способность.

Рис. 1.5. Городская экосистема (Хомич, 2002)

Антропогенная субсистема характеризуется все более глубокими преобразованиями экосферы в техносферу. При этом человек (элемент природной субсистемы), выступает как основной компонент антропогенной субсистемы и как фактор, ее создающий.

Город является функционирующей, динамической, полиструктурной экосистемой гетеротрофного типа, которую формируют такие системообразующие процессы, как потоки вещества и энергии. На рис. 1.6 показаны отличительные черты естественной экосистемы и урбоэкосистемы.

Рис. 1.6. Отличительные черты естественной экосистемы и урбоэкосистемы

Особенности урбоэкосистемы проявляются в таких характеристиках, как полиморфность, сверхоткрытость, зависимость, аккумулятивность, неравновесность.

Полиморфностъ – когда структура экосистемы города формируется и определяется как материальными, так и нематериальными объектами.

Сверхоткрытостъ – экологические системы являются открытыми, но способны поддерживать материально-энергетический гомеостаз только при постоянном притоке вещества и энергии извне.

Зависимость – экосистема города полностью зависит от внешнего притока вещества и энергии.

От большинства природных экологических систем урбоэкосистема отличается следующими особенностями:

• более интенсивным метаболизмом на единицу площади, для чего используется в первую очередь не солнечная энергия, а энергия горючих материалов и электричества;

• активной миграцией веществ, в которую вовлекается перемещение металлов и других неорганических материалов, пластических масс и прочих эластомеров, причем не столько в пределах системы, сколько на входе и на выходе из нее;

• мощным потоком отходов, многие из которых вообще не утилизируются и являются более токсичными, чем естественное сырье, из которого они получены.

Без постоянных поступлений пищи, строительных материалов, топлива, электроэнергии и воды город вскоре прекратил бы существование. На рис. 1.7 представлены схемы двух экологических систем гетеротрофного типа: устричной банки и города. Обращает на себя внимание то, что 1 м² городской системы потребляет в 70 раз больше энергии, чем соответствующая площадь естественного биогеоценоза, а также наличие более интенсивных потоков энергии и вещества на входе и выходе из системы.

Аккумулятивностъ – положительный баланс обмена веществ в пределах экосистемы города приводит к накоплению вещества. Наиболее велика аккумуляция вещества в промышленных мегаполисах, где за счет накопления вторичного вещества (культурный слой, терриконы, отвалы, карьеры, наносной материал, свалки и пр.) формируется техногенный рельеф, преобразующий территорию в техногенный андшафт.

Рис. 1.7. Гетеротрофные экологические системы: а – устричная банка; б – современный город (Одум, 1975)

Неравновесностъ – определяется масштабом антропогенной нагрузки на окружающую среду в зависимости от уровня развития урбанизированной территории.

Материальный баланс города упрощенно может быть описан следующим образом: в город поступают потоки электрической энергии, топлива, сырья, пищевых продуктов. После их переработки и получения продукции в пределах территории города в атмосферу выбрасываются газы, аэрозоли, пыль, происходит акустическое и электромагнитное загрязнение; в естественные водоемы города сливаются промышленные и бытовые сточные воды; на городские свалки поступают отходы промышленных производств и жизнедеятельности населения города. Эти выбросы, сточные воды, твердые и жидкие отходы содержат вещества, загрязняющие воздух, воду и почву города.

Жизнедеятельность города – это последовательность непрерывных потоков энергии, веществ и продуктов их переработки. Интенсивность этих потоков зависит от численности и плотности городского населения, статуса города, отраслевого профиля и развития промышленности, объема и структуры транспорта.

Потоки веществ и энергии, а также продуктов их переработки, поступающие на территорию города, нарушают материальный и энергетический баланс природной среды и изменяют естественные процессы круговорота веществ и перехода энергии по трофическим цепям.

Экологическое равновесие – это динамическое состояние природной среды, при котором осуществляется ее устойчивое функционирование. При этом ее основными функциями являются функции самовосстановления и самоочищения. Экологическое равновесие населенных мест сохраняется при допустимых антропогенных нагрузках, не превышающих емкость территории.

Емкость территории — это количественно выраженная способность ландшафта удовлетворять потребности населения данной территории без нарушения экологического равновесия. Показателем, характеризующим потребности населения, является демографическая емкость.

Демографическая емкость – это максимальное количество жителей, которое может проживать в границах района, при условии обеспечения потребностей населения и сохранения экологического равновесия.

Характеристиками функционирования природной среды, определяющими экологическое равновесие, являются: репродуктивная способность территории, ее экологическая емкость, геохимическая и биохимическая активность, устойчивость территорий к физическим нагрузкам.

Репродуктивная способность территории – это способность территории воспроизводить основные компоненты природной среды: кислород атмосферного воздуха, воду, почвенно-растительный покров.

Экологическая емкость территории определяется как плотность биомассы представителей животного и растительного мира на единицу территории с учетом оптимального состава и численности для данного природно-географического района. Экосистема тем устойчивее к неблагоприятным антропогенным воздействиям, чем полноценнее ее видовой состав, т. е. чем больше ее биоразнообразие.

Геохимическая активность территории – это способность территории перерабатывать и выводить за свои пределы продукты техногенной деятельности – загрязняющие вещества.

Биохимическая активность территории обусловлена ее способностью биологически перерабатывать органические загрязнения и нейтрализовать вредные воздействия неорганических загрязняющих веществ.

Устойчивость территории к физическим нагрузкам характеризует сопротивляемость ландшафта к физическим антропогенным нагрузкам (воздействие застройки, транспорта, инженерной инфраструктуры, рекреационных зон и т. п.).

Каждая из этих характеристик выражается количественными показателями.

Полное экологическое равновесие зависит от климатических и гидрологических условий местности, лесистости или распаханности, хозяйственного освоения территории. Принято считать, что территория находится в равновесии, если природная среда обеспечивает воспроизводство всех своих компонентов; фито- и зоомассы этих территорий сбалансированы и сложившееся биоразнообразие сохранено; степень геохимической активности ландшафтов и степень биохимической активности экосистем соответствуют уровню антропогенных загрязнений, а уровень физической устойчивости ландшафтов соответствует силе техногенных нагрузок.

Очевидно, что полное экологическое равновесие современных освоенных территорий практически недостижимо, поэтому, кроме полного различают условное и относительное экологическое равновесие территории. При условном экологическом равновесии компоненты природной среды не воспроизводятся в полной мере. При относительном экологическом равновесии не соблюдаются как условия воспроизводимости компонентов природной среды, так и условия баланса биомассы. При этом геохимическая, биохимическая активности, а также физическая устойчивость территории соответствуют антропогенным воздействиям.

В отличие от естественных экосистем биомасса в городе в основном представлена биомассой населения, которая во много раз превышает фитомассу. Первичная продукция и продуктивность городских экосистем ничтожны по сравнению с естественными. Именно абсолютное преобладание биомассы над продуктивностью определяет крайнюю неустойчивость городской экосистемы по отношению к внешним воздействиям. В связи с этим даже относительное экологическое равновесие городской экосистемы может быть достигнуто только за счет специальных мероприятий, осуществляемых человеком.

Город представляет собой модель крайне неустойчивой и уязвимой системы, утратившей способность к самовосстановлению, неспособной противостоять негативным воздействиям среды, включая антропогенное воздействие.

В табл. 1.1 приводится сравнение природных и городских экосистем.

Однако естественные и городские экосистемы наряду с глубокими экологическими различиями имеют и некоторые общие черты, например: наличие границ; самоподдержание за счет обмена веществ и притока энергии; стабилизация за счет круговорота энергии; тенденция перехода от экспансии к интенсивному росту. Таким образом, урбоэкосистема характеризуется созданием новых типов искусственных техногенных систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных экосистем. Антропогенные нарушения функций компонентов в городской экосистеме зависят от источника и вида вмешательства человека, факторов нагрузки, качества среды, что приводит к определенным последствиям, в большинстве своем негативным по отношению как к естественной, так и техногенной среде (рис. 1.8).

Урбоэко система в целом обладает меньшей рекреационной ценностью, нарушенностью биокруговорота, сокращенностью биоразнообразия как по составу, так и по структурно-функциональным характеристикам. Изменение качества среды обитания человека в городе ведет к снижению комфортности жизни населения, что подтверждается соответствующими медико-демографическими показателями.

Примечания. Нарушения и изменения круговорота в экосистеме города вызывают:

1) ухудшение условий проживания человека, высокий уровень заболеваемости, рост генетических заболеваний, появление новых болезней;

2) необеспеченность чистой питьевой водой и чистым воздухом;

3) накопление поллютантов в организме человека, миграция в трофических цепях.

Рис. 1.8. Антропогенные нарушения функционального круговорота в городской экосистеме (Добровольский, 1997)

Таблица 1.1. Сравнение природных и городских экосистем (Клауснитцер, 1990)

1.3. Взаимодействие города с природной средой

Город оказывает колоссальное влияние на природную среду. Исторически сложившиеся урбанизированные ландшафты со специфическими абиотическими и биотическими факторами среды являются результатом целенаправленной деятельности человека, а также непреднамеренных последствий этих действий. При своем возникновении и развитии города деформируют естественную биосферу, приспосабливая все ее компоненты к своим потребностям.

В наибольшей степени подвержены антропогенной деформации природные ландшафты, почвы, растительность и животный мир. Также существенно преобразуются рельеф и гидрологическая сеть, изменяется качество атмосферного воздуха за счет поступления значительных количеств несвойственных естественной атмосфере веществ, формируется специфический макро- и микроклимат. Эти деформации охватывают собственно природные компоненты городской среды и пригородные природные комплексы.

Известно, что площадь воздействия города на пригородный природный комплекс может превышать его территорию в 20–50 раз. Пригородные зоны оказываются загрязненными всеми видами продуктов жизнедеятельности города. Возникает проблема необеспеченности города природно-ресурсным потенциалом, что выражается в недостаточности площадей зеленых насаждений, рекреации и оздоровления, развитии опасных геодинамических процессов, первичном и вторичном загрязнении воздушной и водной сред. В результате теряется устойчивость территорий, увеличивается абиотичность системы, повышается степень экологического риска для всех структурных компонентов окружающей среды: воздуха, воды, почвы, грунтов, растительности и животного мира.

Воздействия города на биосферу весьма разнообразны. Выделяют механические, физические, химические, биологические, психологические воздействия. Они относятся к средообразующим факторам и формируют окружающую среду города – урбосферу, которая со всеми ее специфическими компонентами является основной составляющей нового планетарного явления, называемого техносферой.

Техносфера – это планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности. Если в прежние эпохи техносфера являлась частью биосферы, существовала в ней в виде отдельных очагов, то теперь уже биосфера, или область жизни, входит в техносферу и преобразуется преимущественно техновеществом в соответствии с его особенностями.

Структура техносферы достаточно сложна, так как включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу.

Ресурсами техносферы являются вся совокупность вещества геосферы, в том числе и живое вещество биосферы.

Техносфера может рассматриваться как некоторая совокупность актов трудовой деятельности человека, в рамках которых происходит развитие всех реальных процессов, протекающих в биосфере.

Особенностью техносферы является то, что область жизни в ней постоянно подвергается разнообразным и порой чрезвычайным по мощности залповым воздействиям. В начале эволюции техносферы эти воздействия были направлены практически полностью на живое вещество с целью максимально возможного обеспечения человека пищевыми ресурсами, т. е. человек как бы навязывал отдельным видам особый техногенный ритм жизнедеятельности. В результате многие виды животных и растений попросту исчезли, выпали из продолжающейся эволюции биосферы. С момента перехода к искусственному воспроизведению пищевых ресурсов (скотоводство и земледелие) человек начал вовлекать в сферу своих экономических интересов другие природные ресурсы (полезные ископаемые, воду и пр.). С каждым десятилетием этот процесс все ускоряется, в связи с этим ускоряется и значительно изменяется интенсивность природных процессов и явлений. В результате этого биосфера не просто преобразовалась, она изменила свою пространственно-временную структуру и энергетическую сущность, превратившись в область активной технической деятельности, или в техносферу (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Рост техносферы в XX в. (Акимова, Хаскин, 2001)

Техносфера характеризуется прежде всего появлением нового, несвойственного биосфере, элемента – техновещества. На суше оно соотносится с биовеществом следующим образом:

Техновещество обладает огромной геологической активностью и очень быстро изменяет облик планеты. Оно расходует потенциальную энергию ныне существующей биосферы примерно в 10 раз быстрее, чем она может быть аккумулирована всем современным живым веществом. Поэтому разрушительная функция техновещества намного превосходит все его созидательные качества.

Техновещество образуется совокупностью всех существующих технических устройств и систем, которые можно рассматривать как техноценозы.

В состав техновещества включают технические средства:

• добывающие полезные ископаемые и вырабатывающие энергию подобно зеленым растениям в биосфере;

• перерабатывающие сырье и производящие средства производства;

• производящие средства потребления;

• передачи, использования и хранения средств информации;

• по переработке и утилизации отходов, включенные в непрерывный цикл безотходной технологии;

• автономные многофункциональные системы (роботы, автоматические межпланетные станции и пр.) и др.

Анализ структуры техновещества позволяет сделать вывод о том, что оно все больше воспроизводит аналогичную организацию естественных природных живых систем: продуценты – консументы нескольких порядков – редуценты.

В табл. 1.3 приведены данные по количественному сравнению биосферы и техносферы по разным источникам.

Таблица 1.3. Количественное сопоставление биосферы и техносферы (Акимова, Хаскин, 2001)

Примечания. * Гт – гигатонна = 10⁹ т; ** ЭДж – эксаджоуль = 10¹⁵ Дж.

Появление техноценозов и организация их по биосферному принципу указывает на протекающие в настоящее время процессы замены эволюционно сложившейся биосферы на искусственно созданную человеком в процессе своего эволюционного развития техносферу – окружающую среду, качественно и количественно отличающуюся от морфофизиологических потребностей.

Урбосфера – природно-антропогенная система, представляющая собой сложное сочетание естественных, техногенных, социопсихических форм, создающих специфические геологоморфологические условия. Она в полной мере обладает таким обязательным комплексом свойств системы как структура, устойчивость, иерархия, организованность.

Структура урбосферы во многом определяется каркасными элементами геолого-морфологических систем и прежде всего структурой речной сети и особенностями рельефа, так как исторически возникновение городских поселений было связано с ними.

Устойчивость урбосферы обеспечивается совокупностью геолого-геоморфологических процессов, поддерживающих состояние динамического равновесия. Пространственная (территориальная) и временная устойчивость (долговечность) урбосферы обусловливается состоянием всех естественных ресурсов территории.

Именно организованность урбосферы, т. е. способность сохранять функционально единое целое и определенный порядок явлений в конкретных исторических пространственно-временных пределах, определяет долговечность города.

Урбосфере присущи все характерные черты техносферы, однако она имеет и специфические особенности, которым будут посвящены следующие главы учебного пособия.

1.4. Пути устойчивого развития городской среды

Устойчивое развитие городских поселений – это развитие территорий и поселений при осуществлении градостроительной деятельности в целях обеспечения градостроительными средствами благоприятных условий проживания населения, в том числе ограничения вредного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую природную среду и ее рациональное использование в интересах настоящего и будущего поколений.

Устойчивое развитие городов предполагает решение социально-экономических задач общества и в первую очередь обеспечение населения жильем и продовольствием. Создание благоприятных условий жилой среды предполагает прежде всего эффективное функционирование систем жизнеобеспечения города.

Концепция устойчивого развития городских поселений была разработана в 1990-х гг. в соответствии с глобальной стратегией устойчивого развития общества, принятой на «Саммите Земли в Рио-де-Жанейро в 1992 г. («Повестка дня на XXI век»).

Цели, принципы и направления устойчивого развития городских поселений определяют и регламентируют:

• Стамбульская декларация по поселениям и «Повестка дня “Habitat-ІІ”», принятая на Международной конференции ООН по устойчивому развитию поселений “Habitat-ІІ» (Стамбул, 1996);

• Руководящие принципы планирования устойчивого развития поселений ЕЭК ООН (1996);

• Градостроительная хартия Содружества Независимых Государств (Минск, 1999);

• Берлинская декларация о будущем городов (Берлин, 2000).

Основными целями устойчивого развития городских поселений являются:

• достойное жилище;

• здоровье и активное долголетие;

• приносящая удовлетворение и дающая достаточный заработок работа;

• здоровая и безопасная окружающая среда;

• личная и имущественная безопасность;

• социальная стабильность, жизнь в окружении друзей, родственников и соседей;

• удобная доступность объектов городской инфраструктуры;

• сохранение памятников истории и культуры;

• высокий архитектурно-художественный уровень застройки поселений.

Для обеспечения жизнедеятельности городских поселений в концепции устойчивого развития предусмотрено:

• комплексное развитие городов во взаимодействии с другими городами и поселениями;

• совершенствование систем социальной инфраструктуры;

• формирование экологически безопасных производственной, транспортной и инженерно-технической инфраструктур;

• организация мест отдыха и оздоровления населения;

• сохранение и возрождение историко-культурного наследия.

Формирование городской среды в аспекте ее устойчивого развития осуществляется в процессе градостроительной деятельности с учетом экологических приоритетов (градоэкологическая организация среды). С этой целью определяется уровень экологического благополучия городской среды – показатель состояния экосистемы, характеризующий устойчивое воспроизведение ее основных звеньев.

Экологическое благополучие населения города определяется его уровнем жизни, обусловленным экономическими факторами. Основными показателями уровня жизни являются: среднемесячный, среднедушевой доход, соотношение среднедушевого дохода наиболее малообеспеченных и наиболее высокообеспеченных слоев населения, стабилизация безработицы, отношение расходов на социальные программы к валовому внутреннему продукту (ВВП).

Реализация концепции устойчивого развития городской среды возможна только при согласованном решении экологических и экономических задач.

Комплексная оценка уровня экологического благополучия городской среды проводится по совокупности медико-демографических, санитарно-гигиенических и экономических показателей. При этом обязательно учитывается качественное состояние здоровья населения, природной и искусственной среды.

Разработаны два варианта оценки: определение балльного показателя экологического благополучия и расчет индекса устойчивого развития города.

Для определения балльного показателя выделяют семь ступеней экологического состояния городской среды, каждая из которых характеризуется определенной суммой баллов. Все ступени образуют экологическую пирамиду состояния городской среды (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Экологическая пирамида состояния городской среды (Хомич, 2002, 2006)

1-я ступень. Краховое состояние – массовые смертельные исходы среди населения, невосстанавливаемые поражения природной среды и разрушения функциональной и композиционной систем организации городской среды.

2-я ступень. Катастрофическое состояние – массовые заболевания населения, крупные поражения природной среды в масштабах города и региона, разрушения функциональной и композиционной систем с возможным их восстановлением.

3-я ступень. Кризисное состояние – сигнальные случаи заболевания населения, очаговые поражения природных ресурсов, нарушения требований градостроительных нормативов и принципов композиции, затрудняющих реализацию функционально-утилитарных и художественно-эстетических потребностей человека.

4-я ступень. Допустимое состояние — возможны отступления от нормы, не приводящие к заметным отклонениям в здоровье человека и в природной среде; отклонения от требований нормативов и принципов композиции не вызывают художественно-эстетического и психологического дискомфорта.

5-я ступень. Нормативное состояние – соответствие санитарно-гигиеническим требованиям; на природную среду не оказывается больших антропогенных нагрузок; нормальное функционирование человеческого организма, флоры и фауны; соблюдение градостроительных нормативов, принципов и правил композиции.

6-я ступень. Оптимальное состояние – учет индивидуальных потребностей человека; соответствие функциональной и композиционной организации искусственной среды местным природным условиям, потребностям конкретных социальных групп.

7-я ступень. Гармоническое состояние – совершенство и упорядоченность экологических, функциональных и эстетических отношений между населением, природной и архитектурной средой.

Отдельные зоны города характеризует балльный показатель, установленный в соответствии со степенями экологического состояния среды. Уровень экологического благополучия городской среды в целом оценивается в сумме баллов всех зон города с учетом весовых коэффициентов, установленных экспертной оценкой.

Расчет индекса устойчивого развития города проводится по формуле

где n – число показателей, Р_ср – средний или фактический показатель, P_н – нормативный показатель, К_i – весовой коэффициент i-го показателя.

В качестве показателей рекомендуется рассматривать степень загрязнений атмосферного воздуха (воды, почвы, растительности), среднюю продолжительность жизни, уровень среднедушевого дохода населения, отношение расходов на социальные программы к ВВП.

По значениям балльного показателя и индекса устойчивого развития города определяется динамика изменения качества городской среды. Устойчивость и развитие городской среды предполагают повышение уровня экологического баланса населения.

Устойчивое развитие городов напрямую связано с проблемой удовлетворения всех видов потребностей населения.

Потребности классифицируют по характеру и природе возникновения (физические, социальные, интеллектуальные), по сфере жизнедеятельности (материальные и духовные), по степени удовлетворения (удовлетворенные, неудовлетворенные и не полностью удовлетворенные), по степени рациональности (рациональные и иррациональные) и др. Используют также деление потребностей на физиологические и сексуальные; потребности в безопасности и стремлении к порядку; социальные – потребности в группе и одобрении; престижные – в престиже, самоуважении; духовные – в самовыражении и повышении социального статуса.

Базовыми потребностями человека являются биологические, экономические, трудовые, социальные, этнические, психологические (этолого-поведенческие).

Биологические (<естественные) потребности – это группа потребностей, обеспечивающих возможность физического существования человека в условиях комфортной среды (теплового, радиационного, магнитно-волнового, информационно-пространственного и природного комфорта); потребность в пространстве, качественных воздухе и воде, полноценном сне, защищенности от заболеваний, в наличии определенной жизненной и трудовой индивидуальной территории; сексуальная потребность и потребность в продолжении рода. Среди естественных потребностей присутствуют и наличие подходящей, привычной для человека среды (положение в пространстве, близость земли, отсутствие пыли, наличие лесов, полей, рек, степень подвижности и др.).

Экономические потребности возникают при стремлении человека удовлетворить нужды, обеспечиваемые экономикой. К этим потребностям относят обеспеченность пищей, одеждой, постоянным жильем, семьей и детьми, предметами обихода, мебелью, транспортом, средствами труда, услугами, рекреацией, средствами и источниками информации, средствами самовыражения и т. д.

Трудовые потребности включают потребности в труде в соответствии с индивидуальными особенностями человека, потребности в познании, образовании, обеспечении всех видов труда возможностью его осуществления и в адекватном поощрении и вознаграждении, в игре (для детей).

Социальные потребности – это очень большой круг потребностей, связанных с гарантией гражданских свобод, уверенностью в завтрашнем дне, со свободой познания и самовыражения, с чувством необходимости обществу, возможностью образования социальных групп для свободного общения с лицами своего круга, и др.

Этнические потребности – это осознание этнической самостоятельности, наличие пейзажей родных мест, родной природы; запечатленных в этнической памяти «второй» и «третьей» природы (архитектуры, культурных ландшафтов, мифотворчества и т. д.).

Психологические (этолого-поведенческие) потребности связаны с необходимостью вхождения в определенную этологическую группу для удовлетворения потребности в психолого-эмоциональном контакте, со стремлением к определенной степени общения и одновременно – к определенной изолированности, к сочетанию природной среды в городе и сред «второй» и «третьей» природы в соответствии с этническими характеристиками, и др.

Многие потребности из этой группы, связанные с экологией, относятся к этносам – исторически сложившимся устойчивым общностям людей (племенам, народностям, нациям). Внутри этносов под влиянием ряда факторов, в том числе и особенностей природной среды, складывается самосознание, особая материальная и духовная культура во многом определяющих историческую городскую среду и урбосферу в целом.

За последние сто лет отмечается экспоненциальный рост числа и сложности потребностей жителей развитых стран. Эти новые потребности ранее в социологии и психологии не относились к базовым, однако в современном мире их уже нельзя считать псевдо- или полностью иррациональными потребностями. Это касается новых товаров и услуг: компьютеризация товаров; создание «умных» товаров и игрушек; постоянная модернизация товаров, искусственно создаваемая с помощью рекламы за счет замены еще не выработавших свой срок физического и морального износа изделий, и т. д. Недоступность этих потребностей снижает комфортность городской среды, отрицательно сказывается на ее психоэмоциональной сфере.

Всемирной Комиссией по окружающей среде и развитию отмечено: «.. Основные потребности человека удовлетворяются только с помощью товаров и услуг, предоставляемых промышленностью…, способной как обеспечить экологическое равновесие, так и разрушить его – что она постоянно и делает. Чем больше круг потребностей и чем они сложнее по способам их удовлетворения – тем больше должна работать промышленность товаров и услуг, что в результате приведет к разрушению окружающей среды. Таков «заколдованный круг» развития человечества, если это развитие не ограничивается природноресурсным потенциалом региона и планеты в целом».

Обеспечить экологическое равновесие можно только экологизацией всех частей (циклов) этого круга: экологизацией сознания жителей, выражающееся в согласии с необходимостью самоограничения числа и сложности потребностей; экологизацией самих потребностей и экологизацией промышленности товаров и услуг. Каждая из этих задач исключительно сложна и требует длительного времени для ее выполнения.

Ограничителями верхнего предела постоянно растущих индивидуальных потребностей жителя города выступают в современном мире в первую очередь природно-ресурсные возможности региона и планеты в целом. Однако эти ограничения на практике не принимаются во внимание в большинстве развитых стран, поэтому, например, житель США (наиболее экономически развитой территории) затрачивает на удовлетворение собственных нужд намного больше, чем среднестатистический житель планеты.

Рост товарной массы, ускоренное моральное устаревание еще работоспособной бытовой техники, одежды и других товаров при незначительном физическом износе, массовый выпуск дорогой и высококачественной упаковки, выбрасываемой сразу после изъятия товара, сильное влияние моды на производство товаров и другие явные издержки современного производства показывают на отсутствие верхнего предела удовлетворения индивидуальных потребностей людей. Нижним пределом удовлетворения потребностей человека является сохранение его здоровья и жизни, которыми также зачастую пренебрегаются с целью получения удовольствия и удовлетворения потребностей отдельного человека и социума в целом.

Известно, что неудовлетворение потребностей или наличие больших препятствий на пути удовлетворения является источником многочисленных заболеваний, стрессов, неврозов, криминализации жизни в городах. Но с каждым годом удовлетворение возрастающих и усложняющихся потребностей человека все более жестко ограничивается неуправляемым ростом населения, ограниченностью и постоянным сокращением ресурсного потенциала биосферы.

Возникает неизбежное глубокое противоречие между наличием потребностей и возможностями их удовлетворения.

Одним из реальных, научно обоснованных путей решения этого противоречия является экологизация потребностей жителя города наряду с его экологическим образованием и воспитанием.

Экологизация потребностей жителя города – это установление соответствия между потребностями и природноресурсным потенциалом города и региона, удовлетворение только экологичных потребностей, т. е. таких, которые не наносят ущерба природной среде и качеству жизни, а их удовлетворение не приводит к негативному воздействию на природу и человека, не вызывает сокращения природно-ресурсного потенциала и, более того, позволяет восстановить природную среду, повысить ее качество, помочь флоре и фауне региона и города (Тетиор, 2013).

Экологизация биологических потребностей связана с необходимостью создания экологически безопасной городской среды и поддержания удовлетворяющего этому состоянию естественных и искусственных ее элементов. Биологические потребности человека не ограничиваются наличием жилища, достаточным количеством пищи и возможностями для появления потомства. Человеку необходимо определенное жизненное пространство с элементами естественного рельефа, ландшафта, флоры и фауны, обеспечивающее не только биологические, но и эстетические, визуальные, нравственные, духовные потребности.

Городская среда своей техногенной природой не может обеспечить этими элементами биологические потребности человека.

Проблему потребности жителя города в биологическом пространственном комфорте рассматривает А.Н. Тетиор. По его мнению, имеются верхний и нижний пределы пространства, в котором человек чувствует себя комфортно. Человек нуждается в определенном свободном личном пространстве и негативно воспринимает вторжение в это пространство других людей, и в то же время нуждается в присутствии людей, негативно воспринимает одиночество. Наличие или отсутствие их вызывает целый ряд психосоматических нарушений, приводящих к развитию так называемых болезней цивилизации, например стресс присутствия (переуплотненности) и стресс отсутствия (сверхразреженности) и др.

Это же наблюдается в животном мире: животные метят разными способами (запахами, звуками и др.) свою территорию, на которую другие животные этого вида не могут претендовать, и в то же время нуждаются в соседях. При переуплотнении жизненной территории возникают конфликты, болезни, вплоть до массовой гибели животных и приведения их количества в соответствие с пространством. Недостаточная плотность животных может привести к снижению численности и вымиранию.

Экологизация потребности в пространстве должна быть направлена на предоставление каждому жителю города экологически обоснованной территории, площади жилья и обязательной отдельной комнаты в квартире, а также и на недопущение переуплотненности транспортных средств, улиц, предприятий обслуживания, мест отдыха, что может быть обеспечено в современных условиях только экологизацией потребности в продолжении рода (Тетиор, 2013).

Экологизация потребности в продолжении рода (в размножении) должна быть связана с ростом благосостояния, формированием экологичности мышления и добровольным самоограничением рождаемости, обусловленным демографической емкостью региона. Как показывает реализованный опыт развитых стран, только рост благосостояния, экологическое образование и воспитание людей позволяют добиться ограничения рождаемости и прекращения неуправляемого роста населения региона и города.

Экологизация экономических потребностей повышает качество жизни человека в городе и окружающей его среды. Житель города должен быть обеспечен пищей, жильем, одеждой, бытовыми и коммунальными услугами согласно действующим многочисленным нормам (анатомо-физиологическим, социальным, этническим, санитарно-гигиеническим и др.).

Дом (жилище) и все его внутреннее убранство должны отвечать всем принципам экологичности. Плохое, неэкологичное жилище формирует этически и эстетически уродливого человека. Известный ученый-этолог К. Лоренц писал: «Во всех пригородах цивилизованных городов возникают сотни тысяч массовых жилищ, отличных лишь адресами и не заслуживающих названия “дом”. У людей, вынужденных жить в таких нагромождениях стойл для “человеческого скота”, неизбежно атрофируется эстетическое и этическое чувства. Душевная слепота к прекрасному – это болезнь и ее надо воспринимать всерьез уже потому, что она сопровождается нечувствительностью к эстетическому уродству». Жилище должно быть красивым, индивидуализированным, достойным по площади и по качеству, гармонично сочетающимся с природной средой, экологичным.

Экологическая безопасность, экологическая культура и тесно связанная с ней эстетика жилища и быта – это наиболее насыщенная конкретным, близким человеку содержанием часть человеческой культуры. Жилище человека и вся его внутренняя обстановка должны быть экологичны и эстетичны.

Экологизация потребности в предметах домашнего обихода может заключаться в использовании мебели, изготовленной из естественного дерева без применения искусственных материалов, выделяющих формальдегид и другие опасные вещества; в использовании домашней утвари, изготовленной из возобновляемых (дерево, растительные волокна и др.) или полностью рециклируемых (керамика, стекло, алюминий и др.) материалов.

В то же время экологизация этой потребности предполагает долговременное использование предметов домашнего обихода без их неоправданной физическим состоянием замены и ограничением количества приобретения. После физического износа они должны обновляться (мебель, предметы интерьера и пр.) или направляться на рециклирование.

Экологизация потребности в пище жителя города связана с чистотой и качеством пищи; экологически обоснованным ограничением ее объема; исключением выбрасывания пищи и утилизацией ее отходов; использованием в большей мере местных продуктов, выращиваемых на территории региона; добровольным отказом от импортируемых экзотических продуктов, для которых используются редкие и находящиеся на грани вымирания животные и растения, а также небольшие части или органы этих животных.

Пища современного горожанина в идеальном случае должна быть приготовлена из выращенных на экологически чистых биофермах растений и животных или из выловленных в экологически чистых реках, морях и районах океана рыб и морепродуктов, или из выросших в чистых естественных регионах животных.

Проблема получения экологически безопасной пищи чрезвычайно актуальна на фоне повсеместного ухудшения качества городской среды за счет неудержимого роста населения городов и сокращения природных сельскохозяйственных территорий. В связи с этим получение продовольствия в достаточном объеме связано с широкомасштабной интенсификацией сельского хозяйства за счет использования неоправданно больших количеств минеральных удобрений, пестицидов и средств защиты растений, а также развитием генной инженерии с целью получения генномодифицированных видов растений и животных.

В истории известна невероятная по тяжести последствий ошибка с применением инсектицида ДДТ, за создание которого была присуждена Нобелевская премия. Однако именно с ДДТ в свое время связывалась «зеленая революция» и прогресс в сельском хозяйстве. Примером того, что человек не учится на собственных ошибках, является дальнейшая разработка и широкое применение различных химических средств защиты растений и в то же время сокрытие их опасности для человека.

Могут быть опасны не только сами продукты, но и тара для них. Во многих упаковочных материалах содержатся вредные вещества, которые со временем переходят в пищу. Это относится к металлическим банкам и упаковочным пленкам.

Экологизация потребности в одежде может выражаться в обеспечении людей одеждой только из природных (экоадаптивных к коже человека) экологичных материалов (лен, хлопок, натуральный шелк, шерсть и др.). Также она может заключаться в отказе от приобретения чрезмерно большого количества одежды; частичном или полном отказе от одежды из неэкологичных искусственных материалов, накапливающих статическое электричество, задерживающих испарение влаги с поверхности тела и т. д.; в отказе от одежды, изготовляемой из меха и кожи убиваемых животных, особенно находящихся на грани вымирания; в отказе от использования не эргономичной одежды, плохо влияющей на организм человека (чрезмерно высоких каблуков, различных чрезмерно стягивающих тело резинок и поясов, неудобных моделей обуви, модной и в то же время не защищающей от непогоды одежды и др.).

Одним из возможных путей экологизации потребностей в одежде является долговременное ее использование вплоть до физического износа с последующей полной утилизацией. Любая мода, требующая принципиально полной замены немодной одежды на модную, неэкологична. Однако «цикличная» мода, когда через определенный жизненный цикл одежда снова входит в моду («одежда бабушек») полностью экологична. Экологична также мода, не требующая замены всей одежды, а ограничивающаяся сменой аксессуаров (мелких деталей, украшений и пр.).

С точки зрения сбережения природных и материальных ресурсов выполнение сиюминутных требований моды не выдерживают никакой критики. Недопустимо изготовление очень дорогих, сложных и ярких, привлекающих издалека внимание упаковок для различных товаров, которые сразу после покупки товара выбрасываются. Аналогично уничтожаются еще работоспособные товары (компьютеры, телевизоры, телефоны, пылесосы, автомобили и пр.) только потому, что производители путем рекламы навязывают новые модели. Расточительность и иррациональность этого очевидны, и может быть будущее человечество оценит заслуги рекламных королей моды и гламура так же, как современное человечество – изобретателя ДДТ. В условиях дефицита ресурсов будущие историки вспомнят ресурсную расточительность законодателей моды и воздадут им должное.

Экологизация трудовых потребностей – это очень сложная проблема, так как труд обеспечивает удовлетворение экономических и других потребностей, служит источником благосостояния и комфортного проживания жителя города и его семьи. Поэтому чаще всего горожанин больше думает о получении достойной оплаты за труд и меньше – об экологизации труда. Известны многочисленные примеры борьбы рабочих за сохранение экологически неблагоприятного производства и выступления их против закрытия или перепрофилирования такого предприятия. Наряду с этим известно также равноду-шие к проблемам экологизации вредного производства, если работа на нем обеспечивает жизнь рабочего и его семьи. Например, перед Всемирным экофорумом «Рио-92», где была принята общеизвестная стратегия мирового устойчивого развития «Повестка дня на XXI век», были проведены интервью с американскими рабочими по поводу их отношения к известному факту завышенного расхода основных ресурсов на жителя США по сравнению с другими жителями Земли. Ответы свидетельствовали о том, что все интервьюируемые считали совершенно справедливым такое неравномерное распределение благ и категорически отказывались от более равномерного, экологичного распределения в пользу жителей менее развитых стран, с территорий которых и поступают в США многие невозобновляемые ресурсы.

Сейчас эта проблема стала еще острее: в соответствии с теорией естественной биологической регуляции окружающей среды всего несколько стран на Земле, сохранивших значительную часть своей природы в неразрушенном состоянии, вносят решающий вклад в стабилизацию окружающей среды Земли. Среди них Россия, Канада (северное полушарие), Бразилия и Австралия (южное полушарие). Очень развитые страны не вносят ожидаемого вклада, отрицательно влияют на стабилизацию биосферы Земли, так как природа в этих странах практически разрушена (в Японии, ФРГ, Нидерландах вообще нет естественных природных территорий, в США доля естественных территорий составляет всего около 4 %). Эти страны являются экологическими нахлебниками.

Прежде всего экологизация трудовых потребностей должна быть обусловлена экологизацией сознания. Экологизированные трудовые потребности должны соответствовать общим принципам экологизации, т. е. они должны реализовываться только в такой трудовой и иной деятельности, которая не наносит вреда природной среде и человеку, не вызывает быстрого исчерпания невозобновляемых ресурсов, не приводит к загрязнению и другим антропогенным воздействиям на природную среду, не направлена на создание оружия массового истребления или механизмов и технологий для глобального вмешательства в природную среду и т. д.

Экологичные трудовые потребности горожан должны удовлетворяться в труде, сохраняющем и восстанавливающем природную среду, повышающем качество жизни человека в равновесии с природной средой, позволяющем достичь состояния экологического равновесия города и природной среды, состояния устойчивого развития.

Экологически образованный житель города при удовлетворении своих трудовых потребностей должен постоянно сопоставлять содержание и результаты своего труда с экологическими правилами и законами, принципами экологизации, и при их несоответствии прекращать деятельность или изменять ее.

Экологизация трудовых потребностей может стимулировать экологизацию города через широкое распространение информации о загрязнении городской среды и его опасности для здоровья, жизни населения; внедрение экологичных технологий на предприятиях; использование международных экологических стандартов для защиты и охраны среды; создание экономической структуры (банки, фонды, корпорации) для применения и поддержки только экологичных технологий и т. д.

Современные требования экологизации трудовых потребностей жителя города и их соответствия общим принципам экологизации могут помочь выявить достаточно широкий круг областей человеческой деятельности, которые в той или иной степени экологичны. Однако вряд ли горожанин самостоятельно и добровольно сможет быстро перейти к удовлетворению только экологичных трудовых потребностей.

Вначале органами управления должны быть обеспечены экологизация сознания и мышления через обучение и воспитание, а затем выполнение требований экологизации деятельности во всех странах, регионах и поселениях – это длительный, но реальный путь всеобщей экологизации трудовых потребностей.

С точки зрения экологизации трудовых потребностей все военные отрасли неэкологичны и должны быть исключены. Но процесс исключения военных отраслей может стать реальным только при всеобщей экологизации мышления и одновременном принятии решения о глобальном прекращении производства средств массового уничтожения на основе четкого понимания, что любой вооруженный конфликт – это экологическая катастрофа с необратимыми последствиями.

Велика роль экологизации этнических и психологических потребностей. Человек всегда старался перенести с собой в город все доступные особенности его этнической природной среды, архитектуры, ландшафтов, культуры. Во многих крупных городах мира известны «китайские города» («чайна-таун»), внутри которых воспроизведены традиционные китайские здания и сады; там, где живут японцы, они часто устраивают традиционные японские «сады камней» с миниатюрными ручьями, чайные комнаты или беседки, создавая таким образом свою обособленную этническую среду; можно сказать, что человек носит с собой весь свой этнический мир. Еще одним примером такой экологизации служит то, как на Севере России старались приучить малые народности жить в капитальных домах, а не в традиционных чумах. Жители ставили чум рядом с капитальным одноэтажным домом и продолжали жить в чуме, а в доме устраивали склад.

Экологизация этнических потребностей – повышение качества жизни отдельных этносов в городе и в то же время это улучшение образа города, его красоты и гармонии как сочетания разнообразных деталей.

Экологизация социальных потребностей может быть связана с образованием социальных групп экологической направленности и с осознанием нужности человека обществу как образованного экологиста, инвайронменталиста (от англ. environment- окружающая среда, природа), деятельность которого (вся, или только общественная, или просто жизнь и деятельность как жителя эко сити) направлена на достижение экологического равновесия с природой, на постоянную поддержку и помощь природной среде, на все аспекты сбережения ресурсов и природной среды.

На конференции «Habitat-ІІ» (Стамбул, 1996) были представлены данные о том, что более 60 % городского населения в мире – это беднота, около 40 % не имеют надлежащих санитарных условий и чистой питьевой воды, более 30 % не имеют нормального жилья. Как провозгласила конференция, основная цель на ближайшие годы – регулирование урбанизации, улучшение городской среды, превращение всех мест расселения в благоприятные для здоровья человека, безопасные и устойчиво развивающиеся города. К сожалению, показатели социального развития большинства урбанизированных территорий еще более ухудшились к настоящему времени за счет их расползания, увеличения антропогенной нагрузки, глубокой трансформации окружающей среды.

Экологизация социальных потребностей предполагает наличие общественных гарантий достижения устойчивого развития и поддержания экологического равновесия урбанизированных территорий и, как следствие, отсутствие у жителей страха перед будущим, перед грядущим социальным кризисом. Она подразумевает свободу познания и самовыражения в области охраны окружающей среды, наличие экологической информационно-познавательной среды, соответствие общественных и законодательных инициатив для достижения гармонизации отношений общества и природы.

Экологизация потребностей неизбежно связана со значительным добровольным снижением их реализации. Однако это противоречит всем условиям современного понимания комфортности городской среды и ее привлекательности в структуре расселения. В связи с этим только экологизация сознания через непрерывное экологоориентированное образование позволит обеспечить добровольное принятие ограничения всех потребностей населением и устойчивое развитие урбанизированных территорий.

Пути устойчивого развития городской среды определяются экологическим и градостроительным законодательством. Они формируются современной градостроительной и природоохранной политикой Беларуси. Документами, в которых указаны направления и планомерные действия по улучшению состояния городской среды, являются территориальные комплексные схемы охраны окружающей среды и генеральные планы городов. Стратегия развития города через его генеральный план позволяет выявить первоочередные задачи улучшения состояния городской среды, сопоставить их с ресурсными возможностями территории и экономическими возможностями их реализации, максимально учесть требования концепции устойчивого развития поселений в проектной и строительной деятельности.

Контрольные вопросы и задания

1. Дать определение и основные характеристики урбанизации.

2. Какие выделяют стадии урбанизации и чем они характеризуются?

3. Что такое урбоэкология?

4. Что такое город и какие выделяют его типы?

5. Что такое планировочная структура города, планировочный каркас, планировочный элемент?

6. Какие известны планировочные структуры городов?

7. Что такое городская агломерация, конурбация, мегаполис?

8. Что такое окружающая среда города, каковы ее компоненты?

9. В чем отличие городской окружающей среды от природной?

10. Что такое урбоэкосистема, каковы ее особенности и отличительные черты?

11. Составьте укрупненный материальный баланс города (на примере крупного города).

12. Чем отличаются городские экосистемы от природных?

13. В чем проявляется воздействие города на окружающую природную среду?

14. Что такое устойчивое развитие поселений?

15. Каковы пути устойчивого развития городов?

16. Какие существуют потребности человека и как они могут быть экологизированы?

Глава 2
Геологическая среда города

Геологические факторы – формы рельефа, структура и качество почв, свойства горных подстилающих пород, наличие полезных ископаемых, а также экзогенные и эндогенные процессы, происходящие на территории города и его окрестностей, непосредственно влияют на выбор места заложения города и его последующую судьбу

Современный процесс урбанизации сопровождается прежде всего значительным отчуждением земель для функционирования и развития селитебных территорий. Предполагается, что к 2025 г. более 3/5 мирового населения будет проживать на урбанизированных территориях; городское население достигнет 5,2 млрд человек, из которых 77 % будут жить в развивающихся странах. По данным Исполкома ЮНЕП (от англ. UNEP – United Nations Environment Programme – Программа ООН по окружающей среде), в 2000 г. площадь урбанизированных земель превысила 100 млн га. В связи с этим из сельскохозяйственного оборота ежегодно изымается значительное количество продуктивных земель, а площадь техногеннонарушенных земель возрастает.

2.1. Литогенная основа городских территорий

Литогенной основой городской геотехнической системы являются рельеф, геологический субстрат и гидрологические условия, выступающие как многоплановый экологический фактор, предопределяющий условия техногенной трансформации ландшафта. Этим фактором во многом определяются не только естественные ландшафтнообразующие процессы и явления, но и процессы техногенного загрязнения и самоочищения городских территорий.

Наиболее подверженным техногенным трансформациям компонентом городской среды является почва, образующая педосферу – почвенный покров Земли. Важнейшим свойством почвы является плодородие, т. е. способность обеспечивать условия для продуцирования растениями органического вещества. Плодородие почв обусловлено их физическими, химическими и биологическими свойствами.

К физическим свойствам почвы относятся механический состав, относительная рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, отсутствие света, малая амплитуда колебания температуры, незначительный объем почвенного воздуха.

Химические свойства почвы обусловлены наличием минеральных веществ, реакцией среды, засоленностью.

Биологические свойства определяются наличием различных живых организмов, прежде всего в пахотном (поверхностном) слое почвы.

Почва состоит из хорошо выраженных слоев, обычно различающихся по цвету, которые называются почвенными горизонтами. Почвенный горизонт образуется и развивается в результате сложнейшего взаимодействия растений, животных, микроорганизмов и элювинированных (выветренных) горных пород.

По специфическим свойствам и химическому составу выделяют три основных почвенных горизонта:

• перегнойно-аккумулятивный горизонт – самый верхний, темноокрашенный, богатый гумусом, содержащий основную массу корней растений, почвенных животных и микроорганизмов;

• горизонт вымывания – в нем накапливаются, аккумулируются и преобразуются вещества, поступающие из верхнего горизонта;

• материнская порода – материал ее постепенно преобразуется в почву.

Горизонты почв, отличающиеся по свойствам, формируют вертикальный почвенный профиль.

Мощность почвы характеризует степень близости подстилающей материнской породы – подпочвы, влияющей на распространение корней.

Почва как природное образование создавалась тысячелетиями. Например, возраст черноземов и темно-каштановых почв составляет 2500–3000 лет; светло-каштановых, серых и бурых лесных – 800-1000 лет; торфяно-глеевых, горно-луговых, лугово-каштановых – 500–800 лет; подзолистых почв – 1500 лет.

Процесс почвообразования тесно связан с физическим и химическим выветриванием горных пород. При выветривании горных пород создается элювий – кора выветривания различной мощности, состава, условий залегания и степени влажности. В этом длительном процессе, кроме физических и химических факторов, важную роль играют также биологические факторы.

Кора выветривания является исходным субстратом для почвообразования, который начинается с момента поселения на этом субстрате микроорганизмов. В результате жизнедеятельности микроорганизмов извлекаются минеральные компоненты из субстрата и выделяются органические кислоты, что создает условия для поселения пионеров растительности – лишайников. Не требовательные к условиям жизни лишайники продолжают функционировать и обогащать подстилающие минеральные горизонты органическими соединениями. На обогащенной питательными веществами почве заселяются высшие растения и животные. В результате их жизнедеятельности в почве постепенно накапливаются специфические органические вещества, обеспечивающие ее плодородие, в частности – гумус.

Почва характеризуется водным, воздушным, тепловым режимом, структурой, химическим составом. В ней поселяются разнообразные живые организмы, размещаются корневые системы растений. С увеличением возраста почва значительно изменяется под воздействием факторов почвообразования. Развитые почвы формируются только при воздействии высших растений. Без фитоценозов и биоценозов нет почвы, и только фитоценоз меняет абиогенные физические и химические свойства почвы, формируя ее плодородие. С возрастом часто уменьшается количество карбонатов в почве, щелочная среда может переходить в кислую, увеличивается содержание органических веществ. Почва – это субстрат, из которого растения получают практически все необходимые им вещества.

Городскую территорию с разнообразными категориями земель необходимо рассматривать как единую целостную систему, в которой присутствуют и активно взаимодействуют все природные и антропогенные среды (вода, воздух, грунты, горные породы, растительность, животные, человек). В этой системе почва является базовой составляющей, обеспечивающей продуктивность системы, ее функционирование, устойчивость и биоразнообразие.

Почвы урбанизированных территорий являются важным фактором экологического и санитарного состояния городов.

Роль почвы в городе существенная и разнообразна. Главными экологическими функциями городской почвы являются ее пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в себе загрязняющие вещества и препятствовать их проникновению в почвенно-грунтовые воды и в виде пылей в атмосферу города. Однако в крупных промышленных городах происходит значительная деградация экологических функций городских почв (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Трансформация и деградация экологических функций городских почв (Добровольский, 1997)

В городах антропогенное воздействие становится преобладающим над естественными факторами почвообразования, формируя в новых экологических условиях специфические типы почв и почвоподобных тел. Городские почвы существенно отличаются от естественных почв по морфогенетическим признакам и физико-химическим свойствам. Для них характерно нарушение привычной последовательности в расположении почвенных горизонтов; отсутствие такого важного биогеоценотического экранного слоя, как лесная подстилка; накопление строительно-бытового мусора и загрязняющих техно- и биогенных веществ; формирование специфической биоты; высокая щелочность; измененность водного и температурного режимов. При достаточной обеспеченности городских почв основными элементами питания растений лимитирующими факторами почвенного плодородия являются высокие значения pH, переуплотненность почвенной структуры, загрязнение несвойственными веществами и элементами.

Формирование городских почв происходит в процессе развития на насыпных грунтах и на культурном слое, а также вследствие изменения естественных почв.

В пределах города выделяют почвы: естественные природные; поверхностно преобразованные естественные (урбопочва); глубоко преобразованные (урбаноземы); поверхностно гумусированные искусственно созданные почвы-грунты (урботехноземы). В табл. 2.2 приведена классификация городских почв, характерных для европейской части СНГ.

Естественные ненарушенные почвы сохраняют нормальное залегание горизонтов естественных почв, хотя их можно только условно относить к этой категории почв из-за неизбежного присутствия в них разного рода загрязняющих веществ. В городах они приурочены преимущественно к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города.

Группу собственно городских почв образуют антропогенные глубоко преобразованные почвы, которые подразделяются на две группы:

• физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля (урбозем, культурозем, некрозем, экранозем);

• химически преобразованные почвы, в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения как воздушным, так и жидкостным путем (индустризем, интрузем).

Таблица 2.2. Классификация городских почв (Добровольский, 1997)

Техногенные поверхностно преобразованные почвы (урбо-техноземы) представляют собой искусственно созданные почво-грунты путем насыпки плодородного грунта, торфокомпостной смеси на свежие обнаженные грунты в процессе благоустройства или рекультивации территории.

Наиболее важным для формирования городской среды является биологическая активность и биологическая поглотительная способность городских почв и грунтов.

Биологическая активность – это способность создавать относительно благоприятные условия для развития и жизнедеятельности в них биоты. Она выражается суммарным проявлением активности биохимических процессов и характеризует интенсивность и направленность процессов превращения веществ и энергии в грунте, происходящих под влиянием живых организмов.

Не все грунты одинаково благоприятны для развития тех или иных организмов. Следует различать макро- и микробиологическую активность грунта. Первая отражает способность грунта создавать условия для развития макроорганизмов (грибов, растений, животных), вторая – для развития микроорганизмов. Весьма важным видом биологической активности грунтов, определяющим ее плодородие, является биологическая активность почвы. Она включает в себя активность биологических факторов педогенеза (растительности, макро-и микрофауны, деятельность человека); активность, связанную с гумификацией органического вещества почвы, имеющую значение одновременно для педогенеза и питания растений; активность, непосредственно влияющую на питание растений.

Биологическая активность грунта оценивается как прямыми, так и косвенными показателями.

Прямым показателем биологической активности грунта является относительное количество (концентрация) биоты того или иного типа в грунте. Количество микроорганизмов в грунте оценивается тысячами экземпляров на 1 г твердой фазы грунта, для других организмов определяется относительное содержание живой фито- или зоомассы организмов в единице объема грунта (мг/см³ и т. д.). Количество макроорганизмов, включая крупных животных, оценивается числом особей (экз.), обитающих на единице площади или в единице объема грунта (экз./га, экз./м³ и т. д.). Если в данном грунте высокое относительное количество тех или иных организмов, то такой грунт благоприятен для них, и наоборот. Для оценки микробиологической активности грунта определяется суммарная концентрация микроорганизмов или концентрация микроорганизмов определенного вида (рода, семейства и др.).

Для микроорганизмов наиболее благоприятны почвы, илы, торф, богатые различными питательными компонентами. По данным ряда исследований именно почвы характеризуются наибольшей биологической активностью (табл. 2.3). Менее благоприятны различные дисперсные грунты – лёссы и лёссовидные грунты, супеси, суглинки, глины, пески, хотя и эти грунты могут являться средой обитания как для микро-, так и макроорганизмов.

Поскольку любые организмы, включая микроорганизмы, могут заселять лишь пустоты и поры в грунтах, то наблюдается определенная связь между пустотностью (пористостью) и биологической активностью. Поэтому наименее благоприятны для микро- и макроорганизмов невыветренные массивные скальные магматические, метаморфические и осадочные сцементированные грунты, обладающие весьма малой пустотностью.

Таблица 2.3. Биологическая активность грунтов

Биологическая активность грунтов, включая почвы, меняется по глубине. Грунты зоны аэрации, как правило, заселены аэробными микроорганизмами. Поскольку с глубиной доступ к ним кислорода воздуха снижается, то соответственно уменьшается и количество микроорганизмов. Особенно отчетливо это проявляется в урбопочвах.

Косвенными показателями биологической активности являются различные характеристики, отражающие интенсивность тех или иных процессов, происходящих в грунтах с участием биоты. Если грунт благоприятен для тех или иных организмов, то в нем будут проходить процессы обмена веществ, интенсивность которых служит признаком биологической активности грунта. К таким косвенным характеристикам относятся показатели биологического газовыделения, скорость различных биохимических реакций в грунте, активность в нем ферментов и т. д.

Многочисленные многолетние наблюдения почвоведов показали, что биологическое газовыделение почвы, оцениваемое по интенсивности выделения CO₂, является одним из наиболее обоснованных косвенных показателей биологической активности. Подтверждением этому служит высокая корреляция между продуцированием CO₂ и количеством микроорганизмов в почве, параметрами ее плодородия, содержанием гумуса, общим содержанием углерода и т. д. Однако называть выделение CO₂ биологической активностью грунта неверно, так как этот процесс зависит от многих факторов, поэтому принято говорить о «дыхании грунта», как показателе его биологической активности.

Выделение CO₂ в грунтах происходит в основном за счет биохимических реакций окисления различных компонентов потребляемым кислородом с генерацией углекислого газа. Однако на выделение CO₂ из грунта могут также оказывать влияние биохимические реакции, идущие с потреблением CO₂, свойственные хемосинтезирующим организмам. Поэтому биологическая активность грунта может оцениваться по его газо-потреблению (кислород, расходуемый организмами на окисление) или газовыделению (диоксид углерода). По газовыделению чаще всего она оценивается скоростью продуцирования диоксида углерода из исследуемого грунта.

Биологическая активность грунта обусловливает совокупность в нем процессов, влияющих на изменение состава, структуры и свойств как самого грунта, так и материалов, взаимодействующих с ним. Она не постоянна для данного грунта и меняется в течение суток, сезонов года в соответствии с изменением жизненных циклов организмов и др.

Биологической поглотительной способностью грунтов называется их способность, обусловленная присутствующими в них макро- и микроорганизмами, потреблять из внешней среды, взаимодействующей с грунтом, различные компоненты (жидкие, газообразные или твердые). Она является прямым результатом биологического обмена веществ в грунтах и определяется его объемом, скоростью, интенсивностью и др.

Сущность биологической поглотительной способности грунтов состоит в том, что в процессе жизнедеятельности растения, грибы и животные, находящиеся в грунте, избирательно накапливают некоторые необходимые им химические элементы, которые частично или полностью задерживаются грунтом и остаются в нем. Таким образом, грунт постепенно обогащается определенными элементами и микроэлементами в зависимости от потребностей биоты, населяющей его. Впервые биологическое поглощение как особый вид поглотительной способности почв выделил К.К. Гедройц в 1932 г.

Важнейшими особенностями биологического поглощения являются: селективность, или избирательный характер поглощения тех или иных элементов различными организмами; относительно низкие скорости процесса поглощения; проявление сопутствующих поглощению процессов, связанных со спецификой метаболизма различных организмов.

Живые организмы в грунтах в ходе поглощения накапливают различные элементы избирательно. В биогеохимии эта способность оценивается коэффициентом биологического поглощения (КБП) – эмпирическим биогеохимическим показателем, характеризующим интенсивность биологического поглощения элементов тем или иным организмом. Этот показатель рассчитывается по формуле, предложенной А.И. Перельманом:

где С_х – содержание элемента х в золе организма (гриба, растения или животного, обитающего в грунте); п_х – содержание того же элемента в грунте или его кларк литосферы.

Таким образом, КБП показывает во сколько раз содержание элемента в золе организма выше, чем в литосфере (в грунте).

Величина КБП зависит от многих факторов, она меняется от времени года в соответствии с изменением биологической активности организмов, фазы вегетации растений, возраста организмов, их вида и т. д. (табл. 2.4).

Скорость биологического поглощения различных элементов в грунтах намного меньше, чем химического, механического или физико-химического поглощения. Этот процесс в них идет медленно в течение всей жизни тех или иных организмов или их популяции. Поэтому результаты биологического поглощения проявляются в грунтах не сразу, а в течение довольно длительных периодов от полугода до года и более. Однако скорость поглощения одних и тех же элементов у разных организмов в грунтах может быть различна.

Таблица 2.4. Ряды биологического поглощения элементов (по Перельману, 1975)

Проявление сопутствующих поглощению процессов связано со спецификой метаболизма у различных организмов и биохимическими реакциями. Например, многие микроорганизмы и грибы вырабатывают активные ферменты, которые выбрасываются ими в поровое пространство грунта. В результате этого в грунте появляются новые химические компоненты, которые могут существенно менять свойства порового раствора и грунта в целом.

Биологическое поглощение широко используется для очистки грунтов от различных токсичных загрязнений, удаления многих органических загрязнителей (в частности, нефтяных), а также тяжелых металлов, азотных и фосфорных соединений, радионуклидов.

В настоящее время наиболее широкое распространение имеет биологическая очистка почв. Биологические методы очистки почв и грунтов подразделяются на методы микробиодеградации загрязнителей и биопоглощения и перераспределения загрязнителей. Первые основаны на деструкции токсичных загрязняющих компонентов различными видами микроорганизмов. Эффект достигается либо за счет активизации аборигенной микрофлоры, либо за счет внесения в грунт определенных культур микроорганизмов, а также всевозможных комплексных препаратов и методов.

Методы внесения культур микроорганизмов применяются в тех случаях, когда необходимая аборигенная микрофлора отсутствует или не соответствует виду загрязнителя. Они могут применяться при массированном и аварийном загрязнении при отсутствии развитого естественного биоценоза. Достоинством этих методов является их селективность и возможность выведения штаммов микроорганизмов, разрушающих сложные токсичные соединения. Однако их эффективность не всегда бывает одинаково высока, поскольку многие культуры эффективны лишь в относительно узком диапазоне условий. Кроме того, часто происходит вырождение микроорганизмов до достижения необходимого уровня очистки. Наиболее опасно то, что их применение может нарушать естественные биоценозы, поскольку при этом происходит смена состава популяций ведущих сообществ микроорганизмов, а это, в свою очередь, может привести к вторичному загрязнению грунтов более опасными веществами, чем те, на которые были направлены очистные мероприятия.

Обычно для очистки почв и грунтов используют такие бактерии, как Bacterium, Actinomyces, Artrobacter, Thiobacterium, Desulfotomaculum, Pseudomonas, Hydromonas, Bacillus и др., а также низшие формы грибов. Часто применяют комплексные биопрепараты, которые содержат не только набор культур, но и питательные вещества. В последнее время разработка искусственных биопрепаратов-деструкторов получила широкое распространение во всем мире.

На избирательной способности бактерий извлекать из многокомпонентных грунтов определенные химические элементы и загрязнители основаны способы очистки грунтов методом бактериального выщелачивания. При бактериальном выщелачивании элементы извлекаются посредством их растворения микроорганизмами в водной среде. Метод применяется для извлечения ценных металлов из руд и отходов производства и был впервые запатентован в США (1958). На его основе можно проводить и очистку грунтов от различных загрязняющих компонентов, в том числе тяжелых металлов.

Таким образом, почвенные биосистемы в городских почвах подвергаются существенным структурным преобразованиям. Это выражается в перераспределении биологической активности почв в пределах почвенного профиля, а именно доминировании микроорганизмов, простейших, грибов, водорослей, насекомых над роющими видами, что отрицательно сказывается на структуре городских почв, их влаго- и воздухоемкости.

В условиях городской среды практически полностью изменены состав, численность и устойчивость микробных сообществ по сравнению с ненарушенными территориями, обусловливающих микробиологические и санитарно-эпидемиологические свойства почв.

В целом антропогенное воздействие на компоненты геологической среды города может привести к развитию опасных геологических процессов, деформации и разрушению зданий и сооружений, значительному экономическому ущербу и человеческих жертвам, существенному ухудшению качества городской среды.

2.2. Антропогенное воздействие на геологическую среду города

Антропогенное воздействие на геологическую среду приводит к интенсификации большинства геологических процессов, постоянно протекающих в биосфере.

Геологические и инженерно-геологические процессы, которые оказывают отрицательное воздействие на территории, хозяйственные и промышленные объекты, жизнедеятельность людей, называют опасными геологическими процессами (ОГП).

Физическое воздействие проявляется в форме загрязнения геологической среды города (изменение температурного, электрического и магнитных полей, возникновение вибрационного поля), за счет которого ей сообщается дополнительное количество энергии через статические (масса сооружений), динамические (вибрация), температурные и электрические поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит основанием для техногенных объектов, рано или поздно должно привести к ее высвобождению, что может быть связано с возникновением техногенных нарушений катастрофического характера (оползание и разрушение зданий, микроземлетрясения и пр.).

Особенностью физического загрязнения геологической среды города является то, что техногенные физические ПОЛЯ проявляются на небольшой по площади, ограниченной элементами городского рельефа территории, поэтому они по интенсивности значительно превосходят естественные аналоги, создавая на территории города высокие градиенты характеристик (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Сравнительная характеристика физических полей городской территории (по Стольберг, 2000)

Тепловое загрязнение геологической среды города проявляется в повышении ее температуры относительно естественных значений. При этом могут образовываться геотермические аномалии. Показано, что на территории крупного города нарушения температурного режима происходят до глубины 100–150 м и более. При этом на горизонтах 10–30 м наблюдаются тенденции к расширению по площади геотермических аномалий с повышением на 2–6 °C фоновых значений температуры пород и подземных вод. Наиболее активными источниками возникновения геотермических образований являются магистральные теплопроводы и сети горячего водоснабжения.

Геотермические аномалии вызывают следующие нарушения:

• образование локальных микроклиматических аномалий на территории города;

• локальное просушивание грунтов с изменением их прочности, что особенно опасно в зонах исторической плотной жилой застройки;

• изменение режимов водо-, массо- и теплообмена грунтов и подстилающих пород;

• усиление процессов химической и биокоррозии металлов;

• изменение микробиоценозов.

Электромагнитное загрязнение геологической среды города связано с возникновением электрических полей блуждающих токов в земле при работе рельсового электротранспорта, подземных сетей кабелей, снабжающих электроэнергией здания и сооружения и т. д. Воздействие электрического ПОЛЯ блуждающих токов выражается в повышении коррозионной активности геологической среды города, что существенно сокращает сроки безаварийной службы кабелей и трубопроводов, утечки из которых, в свою очередь, служат источниками загрязнения почв, грунтов и подстилающих пород территории города. Опасность коррозии возникает при плотности блуждающих токов 5 – 10^-2 А/м², в то время как реальная их плотность в крупных городах примерно в 200 раз выше. При высоком уровне плотности блуждающих токов скорость электрохимической коррозии стали составляет до 2 мм/год, что приводит к снижению срока эксплуатации трубопроводов в 2 раза.

Вибрационное загрязнение геологической среды города обусловлено движением транспортных средств по городским магистралям. Уровень и степень его воздействия на литогенную основу городской территории зависит от типа пород, ее слагающих. Скальные и полускальные грунты обладают меньшей способностью к поглощению энергии вибрационных колебаний, тогда как более рыхлые породы и грунты активно ее поглощают, что приводит к изменению структуры и уменьшению их прочности. Это может способствовать развитию обвальнооползневых процессов на территории города. В качестве верхнего предела допустимого вибрационного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соответствует скорости перемещения частиц породы около 225-10^-6 м/с. Эти условия могут создаться при регулярном движении рельсового транспорта.

Наиболее опасными геологическими процессами на территории городов являются техногенно обусловленные землетрясения (микроземлетрясения), эрозия почв, обвалы, оползни, нарушение прибрежной территории, подтопление и затопление, карстообразование, просадка поверхности, высвобождение и аккумулирование окружающей городской средой радона и радиоактивных веществ, а также формирование геопатогенных зон.

Для крупных городов Беларуси характерно развитие процесса карстрообразования в связи с геологическими особенностями региона.

Карстообразование – это процесс выщелачивания растворимых горных пород подземными и поверхностными водами с образованием крупных пустот в породах, с последующим оседанием и обрушением кровли зданий и сооружений. Естественными факторами карстообразования являются пересеченный рельеф, наличие мощного подземного стока, высокие скорости фильтрации грунтов, присутствие в стоках свободной углекислоты, трещиноватость пород.

На территориях городов развитию карста способствует формирование значительных по размерам депрессионных воронок в районах водозабора, высокая кислотность поверхностного стока за счет химического загрязнения, повышенная фильтрационная способность насыпных грунтов, механическое разрушение материнских подстилающих пород при строительстве объектов.

Однако наиболее опасными и трудноустранимыми последствиями развития ОГП на городских территориях является поступление радона и радиоактивных веществ во внутреннюю среду зданий и сооружений.

В последнее время в мировой практике особое внимание уделяется проблемам защиты внутренней среды от облучения радона и его дочерних продуктов (ДПР), находящихся в воздухе жилых, общественных и других помещений. Известно, что до 50 % радиационного фона помещений обусловлено радоном и ДПР. Радон – естественный радиоактивный инертный газ без вкуса и запаха. Он непрерывно образуется в почве, строительных материалах и сырье, выделяясь в воздух жилых, общественных, производственных и других помещений. Сам радон химически инертен, но ионизированные продукты его распада (радионуклиды полония, висмута, свинца) сорбируются пылью и влагой, образуя альфа-радиоактивные аэрозольные частицы. Наиболее опасны аэрозоли субмикронных размеров, которые могут проникать в верхние дыхательные пути и оседать в них, создавая локальные источники альфа-облучения клеток. В определенной степени такие аэрозоли эквивалентны «горячим частицам» радиоактивной топливной пыли чернобыльских осадков.

Началом изучения радиационного воздействия на здоровье человека, вызванного радоном и продуктами его распада, следует считать 1970-е гг., когда на территории Хельсинки были обнаружены скважины с очень высокой концентрацией радона в воде. Там же при обследовании жилых домов в 1981 г. были обнаружены помещения с концентрациями радона, превышающими 10 000 Бк/м³. Тогда же было достоверно установлено, что при герметизации помещений с целью экономии энергии облучение населения от высокого содержания радона в воздухе увеличивается.

Аналогичные исследования проводятся и в странах СНГ. С 1989 г. ведется мониторинг радона в Украине. Очень высокий уровень активности этого газа (1000 Бк/м³ и выше) зарегистрирован в зданиях, расположенных в районах Украинского кристаллического массива. Эффективная доза облучения населения Украины естественными радионуклидами составляет в среднем 5,2 мЗв/год, из которых 4,2 мЗв/год приходится на радон и продукты его распада.

В настоящее время принято считать, что радон является причиной значительной доли регистрируемых в мире заболеваний раком легких. По данным Могилевского центра гигиены и эпидемиологии, заболеваемость раком легких в Могилевской области продолжает устойчиво занимать первое место в структуре онкологических заболеваний населения. По предварительной оценке годовые дозы облучения населения от радона и его продуктов распада составили для Могилевской области 1,4–2,6 мЗв, при среднем значении для населения земного шара 1,0 мЗв.

Радон считается предвестником землетрясений. Исходя из этого, Беларусь относили к радонобезопасной территории. Как показали последующие обследования, это далеко не так.

С геологической точки зрения, радоноопасными участками местности являются места геологических разломов. По последним литературным данным более 40 % территории Беларуси относится к разряду радоноопасных, что связано с неглубоким залеганием гранитов кристаллического фундамента, выделяющих радон, а также с широким развитием активных разломных зон и очагов разгрузки подземных минерализованных вод. Исследованиями геофизической экспедиции ПО «Беларусьгеология» аномально высокие содержания радона в почвенном воздухе надразломных зон установлены на Горецко-Шкловском и других участках области. При среднефоновых концентрациях около 1000 Бк/м³ содержание радона в почвенном воздухе зон активного разлома возрастало до 15 000-25 000 Бк/м³.

В Минске выявлено два разлома, пересекающих весь город. Первый – по линии Щемыслица – Уручье, проходящий примерно через Курасовщину, Минск-Южный, район тракторного завода, Степянку. Второй – параллельно линии Семково – Сосны, примерно через улицу Енисейскую, район улицы Кошевого, площадь Победы и вторая его часть – от площади Независимости вдоль улицы Тимирязева через Веснянку и далее.

Основной источник радона, поступающего в окружающую среду, – почва под зданием. Даже при обычных удельных активностях Ra²²⁶ в ней объемная активность радона в почвенном воздухе составляет десятки килобеккерелей (кБк). Из почвы под зданием и строительных материалов радон мигрирует по порам и трещинам. Происходящие при этом процессы обусловлены двумя основными механизмами:

• диффузией при наличии градиента концентрации радона в среде;

• конвекцией, вызванной разностью давлений между внутренним объемом здания и внешней атмосферой, различными частями здания.

В зданиях, где источником водоснабжения является артезианская скважина, расположенная в радоносодержащих горизонтах, потенциальным источником радона может являться вода, используемая для хозяйственных и бытовых нужд, так как при контакте ее с атмосферой помещения (особенно при разбрызгивании воды) активно выделяется в воздух растворенный в ней радон. Выделение радона из воды происходит интенсивнее при большей площади контакта с атмосферой и температуре воды.

Местом проникновения радона могут стать практически любые неплотности в оболочке здания, расположенные ниже уровня земли: трещины в перекрытиях, открытые участки почвы в подвальном помещении или подпольном пространстве, вводы труб и коммуникаций, стыки между плитами и блоками, поры в строительных материалах и др.

Источниками радиоактивного загрязнения городской среды также могут служить материалы и сырье для промышленного производства, горючесмазочные материалы, иные материальные ресурсы, загрязненные радионуклидами.

В связи с этим проблему обеспечения радоновой безопасности селитебной территории города следует решать комплексно.

Все проявления антропогенного нарушения геологической среды городов являются одним из основных факторов техногенного воздействия на биосферу в процессе техногенеза.

Техногенез – процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека (Реймерс, 1990).

В геохимическом аспекте техногенез проявляется:

• в извлечении химических элементов из природной среды и их концентрации;

• перегруппировке химических элементов, изменении химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создании новых веществ;

• рассеивании вовлеченных в техногенез химических элементов и веществ в окружающей среде.

Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.

Техногенное воздействие на биосферу связано в основном с интенсивным перемещением веществ – техногенными миграционными потоками. Последствием этого являются нарушения в функционировании природно-территориальных комплексов, в том числе и урбанизированных территорий, в связи с изменением их геохимических характеристик и загрязнением продуктами техногенеза.

Интенсивность поступления того или иного химического элемента с техногенными потоками в биосферу определяется интенсивностью его использования в хозяйственной деятельности человека.

Химические элементы используются человечеством в зависимости от хозяйственной ценности по отношению к материальным потребностям; доступностью извлечения и способности элементов концентрироваться в земной коре. Например, алюминий и титан практически не использовались до начала XX в., так как технология извлечения их из минерального сырья была сложной и дорогой для того уровня развития техники. Тогда как руды других металлов образуют месторождения с большими запасами и широко использовались еще в древности.

Одним из существенных показателей использования химических элементов является распространенность, или их кларки в земной коре.

В 20-е гг. XX в. А.Е. Ферсман ввел в геохимию понятие кларка и выявил зависимость интенсивности использования элементов от их положения в Периодической системе Менделеева, т. е. зависимость интенсивности использования элементов от размеров атомов, ионов и их кларков. Им же разработаны таблицы кларков химических элементов в земной коре.

Кларк – числовая оценка среднего содержания какого-либо химического элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк может быть выражен в единицах массы (%, г/т и др.) либо в атомных процентах.

Как бы ни было ценно золото для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как кларк золота -4,3-10^_7%, а железа – 4,65 %. Кремний и германий – химические аналоги и оксид германия Ge0₂ похож на оксид кремния Si0₂. Но кремний – второй по распространенности элемент в литосфере (кларк 29,5 %), а германий – редкий элемент (кларк 1,4*10^_4%). Поэтому соединения кремния – основа практически всех используемых человечеством строительных материалов, а германий добывается в небольшом количестве и используется в основном в электронной промышленности. Если бы кларк германия был бы столь же высок, как у кремния, то и этот элемент нашел бы большое применение.

Степень специального использования химического элемента в техносфере к его содержанию в литосфере характеризует технофильность элемента (ТФ).

Технофильностъю элемента называется отношение его ежегодной добычи к его кларку в литосфере. В принципе можно рассчитать ТФ для отдельной страны, группы стран, всего мира. Естественно, что ТФ является динамическим показателем и может резко изменяться во времени. На рис. 2.1 приведены значения ТФ, используемых в настоящее время человечеством.

Рис. 2.1. Технофильность химических элементов (Глазовская, 1988)

Наибольшей технофильностью обладает углерод (уголь, нефть), поэтому он стал одним из основных источников доступной энергии для человечества.

Химические элементы с резко различными кларками, но сходные в химическом отношении, часто имеют близкую технофильность. Например, у железа кларк – 4,65 %, у марганца -0,1 %, а технофильность их одинаковая – 6·10⁷%.

Технофильность элементов колеблется в миллионы раз – от 8·10¹¹ у углерода до 1·10³ у иттрия, но контрасты в кларках элементов составляют многие миллиарды (n·10¹ – n·10^–10). Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, С, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Си, Sn, Mo, Hg (см. рис. 2.1).

Именно поэтому человеческая деятельность в биосфере приводит к уменьшению геохимической контрастности техносферы по сравнению с биосферой и земной корой.

Другим количественным показателем значимости элемента является его общее техногенное использование, или техногенносте (ТГ):

ТГ = (М₁ + М₂)/К,

где М₁ и М₂ – соответственно степень вовлечения элемента в техногенные потоки для специального использования и в качестве побочных продуктов (отходов); К – кларк элемента в биосфере.

Показатель техногенности количественно характеризует степень общего вовлечения элемента в техногенные потоки в отличие от технофильности, характеризующей только степень его специального вовлечения.

Отношение показателей технофильности к техногенности элемента характеризуется коэффициентом полноты техногенного использования:

Р = ТФ/ТГ.

Кроме этих показателей, характеризующих интенсивность использования, а следовательно, количество элементов в техногенных потоках, существуют удельные показатели техногенного геохимического давления (Д) и модуль техногенного давления (МД):

Д = М₁ + М₂, т/год, МД = Д /S, т/год·км²,

где S – площадь рассматриваемого региона, км2.

В табл. 2.6 и 2.7 приведены данные по количественной оценке коэффициента полноты техногенного использования (Р) и модуля техногенного давления (МД) для современной техносферы Земли.

Таблица 2.6. Значение коэффициента полноты техногенного использования для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Таблица 2.7. Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Для многих элементов миграция в виде попутных примесей превышает их специальную добычу (As, U, S, V, Be, Se, I, Ge, Ті).

Техногенное давление определяется использованием в техносфере различных видов сырья. В глобальных масштабах с использованием угля непосредственно связано техногенное рассеивание Be, В, S, V, Mn, Ge, Ga, As, Se, Ag, Cd, U, W; для нефти – Li, S, Br, Cd, I; минерального сырья – Сг, Cu, Zn, Bi, Hg, Pb, Ni, Cl, Na, P, B, S.

Наибольшее техногенное давление присуще Na, Cl, Ca, Fe, S, N, К, причем рассеивание серы (в основном в виде оксидов) приводит к кислотному загрязнению атмосферных осадков и поверхностных вод, N и К – к увеличению содержания в водоемах питательных веществ (эвтрофикация водоемов) и нарушению в них экологического равновесия (бурное развитие цианобактерий).

На основании этих данных определяются технобиологические пространственные физико-географические единицы, обладающие сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Они являются основой для создания схем районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза. К показателям вероятностной интенсивности самоочищения территории от продуктов техногенеза (загрязнений) относятся: частота штилей, величина стока, величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ-радиа-ция, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ), число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение) и другие, т. е. все те физико-химические, микробиологические и биологические процессы, способствующие повышению и интенсификации естественных механизмов самоочищения территории. Аналогично разрабатываются схемы районирования территории по вероятной интенсивности разложения органических продуктов техногенеза в почвах. В них основными показателями являются энергия и время разложения растительного опада, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, а также другие, непосредственно зависящие от свойств почвенного покрова.

С целью снижения антропогенного воздействия на геологическую среду города в процессе техногенеза проводится мониторинг ее состояния и разрабатываются разнообразные мероприятия, что будет освещено в последующих главах.

2.2.1. Загрязнение почв и трансформация рельефа

Характерной особенностью геологической среды городов является трансформация рельефа и загрязнение почв на их территории.

Рельеф – совокупность неровностей земной поверхности, разных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Рельеф слагается из положительных (возвышенности) и отрицательных (впадины) форм земной поверхности (Дедю, 1990).

Хозяйственная и строительная деятельность человека в течение исторического времени существования города значительно, а иногда практически полностью меняет первоначальный естественный рельеф местности, что выражается в перепланировке и выравнивании поверхности, исчезновении долинно-балочной разветвленной сети и создании антропогенного (техногенного) рельефа.

Антропогенный (техногенный) рельеф – совокупность форм земной поверхности, измененных или созданных человеком. Различают стихийно возникающие и сознательно созданные формы антропогенного рельефа (Реймерс, 1990).

Изменение рельефа происходит при вертикальной планировке, застройке и благоустройстве территории, добыче полезных ископаемых. Это связано со срезкой, подсыпкой и перемещением грунтов; складированием отвалов грунта, твердых промышленных и иных отходов; террасированием склонов; устройством выемок; опусканием и просадкой поверхности земли; засыпкой оврагов, болот и т. д.

Рельеф города непосредственно влияет на водную и воздушную миграцию загрязняющих веществ.

Влияние процессов искусственного рельефообразования на территории городов неоднозначно: выравнивание крутизны склонов и перепада высот вследствие засыпки оврагов, балок, промоин и других элементов естественного рельефа, планировка и намыв строительных площадок, с одной стороны, снижают интенсивность склоновых и эрозионных процессов, с другой стороны – снижают дренирующие возможности территории, изменяют естественные области разгрузки подземных вод, что приводит к формированию верховодки, повышению уровня грунтовых вод и к подтоплению территории.

На территории городов почвы подвергаются загрязнению, которое можно подразделить на механическое, химическое и биологическое.

Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломочным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства почв и снижают эстетические свойства природных объектов.

Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ, изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня, превышающего допустимые, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распространенным, долговременным и опасным.

Биологическое загрязнение связано с проникновением в почвенную среду и размножением в ней опасных для человека организмов. Бактериологические, гельминтологические и энтомологические показатели состояния почв городских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности. Эти виды загрязнения подлежат контролю, прежде всего на территории селитебных и рекреационных зон.

Для городских условий загрязненные почвы рассматривают прежде всего как источник вторичного загрязнения атмосферного воздуха. На основе сопряженных геохимических и гигиенических исследований установлена возможность использования уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагополучного состояния атмосферы и оценки степени опасности загрязнения территории для здоровья населения. Исходной величиной для оценки уровня загрязнения почв в этом случае является значение фоновой концентрации рассматриваемого вещества в почвах региона. Обычно такие подходы используют при анализе загрязнения территории тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.

Геохимический фон – среднее содержание химического элемента в почвах по данным изучения статистических параметров его распределения. Геохимический фон является региональной или местной характеристикой почв и пород.

Участок территории, в пределах которого статистические параметры распределения химического элемента достоверно отличаются от геохимического фона, называется геохимической аномалией.

Геохимические аномалии, в пределах которых содержание загрязняющих веществ достигает концентраций, оказывающих неблагоприятное влияние на здоровье человека, называют зонами загрязнения.

Уровень загрязнения характеризуется величиной коэффициента концентрации K_C_i, которую определяют из соотношения

K_Ci =C_i / C_ф_i,

где С_i – концентрация i-гo загрязняющего вещества в почве; C_ф_i– фоновая концентрация i-гo загрязняющего вещества, мг/кг почвы.

Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчитывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:

где К_с – коэффициент концентрации /-го элемента; п – число элементов; К_с > 1.

Химические элементы, условно называемые тяжелыми металлами (свинец, цинк, медь, кадмий, ванадий и др.), не только сами являются опасными для здоровья человека, но и служат индикаторами присутствия более широкого спектра загрязняющих веществ (газов, органических соединений).

Величину суммарного показателя загрязнения почв используют для оценки уровня опасности загрязнения территории города. Значения суммарного показателя загрязнения до 16 соответствуют допустимому уровню опасности для здоровья населения; от 16 до 32 – умеренно опасному; от 32 до 128 – опасному; более 128 – чрезвычайно опасному.

Также в качестве показателя степени загрязнения почв применяется коэффициент концентрации загрязнения (ККЗ) почвы, вычисляемый по формуле

где ККЗ. – коэффициент концентрации загрязнения для /-го вещества; ПДК. – предельно-допустимая концентрация /-го вещества; х. – содержание /-го загрязняющего вещества; – фоновое содержание этого вещества в почве.

Геохимическое изучение почв в городе на регулярной основе позволяет получить пространственную структуру загрязнения селитебных территорий и выявить участки, проживание на которых сопряжено с наибольшим риском для здоровья населения.

Наибольшее внимание вызывают вопросы загрязнения почв городов тяжелыми металлами, так как их поступление в организм человека обуславливает возникновение ряда неизлечимых соматических и генетических заболеваний.

В настоящее время для многих крупных городов мира составлены картосхемы и кадастры загрязнения почв тяжелыми металлами, такими как Pb, As, Си, Zn, Cd, Ni, Hg.

В Беларуси также ведется постоянный мониторинг загрязнения почв городов тяжелыми металлами, и выявляются источники их поступления в почвы.

Также наиболее значимыми и опасными для здоровья человека загрязнителями почв города являются:

• различные формы пестицидов, привнесенные агроландшафтами, включенными в застройку, и характерные в основном для молодых по историческому времени городских территорий;

• органические отходы (жидкие сточные воды животноводческих и птицеводческих комплексов, тепличных комбинатов; промышленные органические отходы; городские сточные воды);

• соли (прежде всего хлориды натрия и кальция, попадающие в почву при зимней обработке дорог и тротуаров);

• вещества, попадающие на почву с загрязненными атмосферными осадками;

• радионуклиды.

В значительной степени загрязненность почв определяется количественным и качественным составом выбросов и сбросов, удаленностью их от источника загрязнения, особенностей источников загрязнения, основных метеорологических характеристик территории, геохимических факторов, форм рельефа.

При максимальном уровне химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, в результате чего происходит потеря всех экологически значимых функций урболитосферы и гибель урбосистемы. Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, являются ее основой, так как в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ; происходит биогеохимическое преобразование культурного насыпного слоя и трансформация поверхностных вод в грунтовые; осуществляется газообмен; обеспечивается функционирование и воспроизводство живого вещества урбо-экосистемы.

На рис. 2.2 представлена роль почвы в городских экосистемах, а также пути поступления загрязняющих веществ в почвы городов.

Для поддержания и сохранения урбоэкосистемы необходимо, с одной стороны, всячески усиливать и активизировать экологические функции деградированных городских почв и, с другой – создавать их вновь в свежем нарушенном или насыпаемом грунте при организации селитебной территории города.

Рис. 2.2. Роль почвы в городских экосистемах (Добровольский, 1997)

2.2.2. Отходы и жизнедеятельность городов

Отходы – это непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в ходе технологических процессов вещества (твердые, жидкие, газообразные). Образование и прогрессирующее накопление отходов на территории городов – это объективная и неустранимая реальность современного процесса урбанизации. Известно, что в городе с населением 1 млн жителей ежегодно производится и накапливается около 3,5 млн т твердых и концентрированных отходов (осадки из отстойников и концентрат жидких отходов).

Существует ряд классификаций отходов по их составу, способам утилизации, методам удаления с территории города и др. Но все они подразделяются в зависимости от происхождения на производственные и коммунальные.

Производственные отходы (ПО) включают все виды отходов, образующиеся на промышленных предприятиях города, а коммунальные отходы (КО) – в процессе жизнедеятельности города, за исключением производственных.

Каждой тонне мусора на стадии потребления соответствует образование от 5 до Ют отходов на стадии производства и 50-100 т при получении сырья. На каждого жителя Земли приходится в среднем за год 0,2 т отходов потребления, 1,5 т всех продуктов производства и около 14 т отходов переработки сырья.

С экологической точки зрения вся масса отходов опасна. Но для человека считается опасной лишь та их часть, которая обладает тем или иным уровнем токсичности. Существуют различные оценки опасности отходов, загрязняющих землю.

Ежегодно в мире образуется от 1 до 1,5 млрд т вредных производственных и 400–450 млн т твердых бытовых отходов, загрязняющих поверхность земли. Наиболее опасны те токсичные терраполлютанты, которые и геохимически, и биохимически достаточно подвижны и могут попасть в питьевую воду или в растения, служащие пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это в первую очередь соединения тяжелых металлов, некоторые производные нефтепродуктов – полициклический ароматический углеводород (ПАУ) и соединения типа диоксинов, а также разнообразные синтетические яды – биоциды. Ежегодно в мире производится около 500 млн т опасных отходов. Ими загрязняются значительные земельные площади и водоемы. Например, общая площадь земель Российской Федерации, загрязненных токсичными веществами промышленного происхождения, оценивается величиной порядка 70 млн га.

Большинство опасных и токсичных отходов обладают высоким и длительным кумулятивным воздействием на окружающую среду. При их складировании происходят многочисленные вторичные химические процессы, в результате чего в среду поступают совершенно новые, непредсказуемые по своему воздействию на человека и экосистемы вещества. Установлено, например, что в шламах азотного производства при некоторых условиях образуется ряд нитрозаминов – сильнейших мутагенов и канцерогенов.

В промышленных зонах города и в зонах их влияния места складирования (захоронения) отходов вместе с аэрогенными выпадениями образуют значительные техногенные геохимические аномалии ряда металлов, которыми загрязняются почвы, грунты, растительность и подземные воды. Наиболее опасными в этом плане также являются тяжелые металлы, радионуклиды.

Обычно загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами в местах их добычи, переработки, транспортировки и отпуска потребителям превышает фоновое в десятки раз. Однако наиболее опасные формы нефтяного загрязнения связаны с многочисленными повреждениями нефтепроводов и продуктопроводов, когда на местах разливов нефти и нефтепродуктов гибнут многие растения и животные. Также отрицательное воздействие на них оказывают проливы горючесмазочных материалов на открытых стоянках автотранспорта, территориях станций технического обслуживания (СТО), автозаправочных станций. Из-за нефтяных загрязнений в почве накапливаются стойкие ПАУ, среди которых есть сильные канцерогены. Далее с ливневыми стоками нефтяные загрязнения попадают в поверхностные водоемы города и пригородной зоны, проникают в подземные горизонты.

С производством, применением и утилизацией пестицидов связано появление в окружающей среде еще одной группы крайне ядовитых веществ – диоксинов и фуранов. В городах они могут образовываться при сжигании угля, углеводородов, пластмасс, КО и ПО.

Один из диоксинов – тетрахлордибензодиоксин (ТХДД) занимает пятое место в ряду самых сильных из известных ядов. Предполагается, что максимальная недействующая доза этого вещества для человека не превышает 10^_6 мкг/кг. Они крайне опасны вследствие чрезвычайно высокой токсичности, трудности диагностики у человека, отсутствия доступных методов патогенетической терапии, а также возможного поступления в окружающую среду из многих источников.

Известно, что диоксины и фураны являются универсальным клеточным ядом для человека, всех видов животных и большинства растений. Они чрезвычайно устойчивы к химическому и биологическому разложению, сохраняются в окружающей среде десятки лет, беспрепятственно продвигаются по пищевым цепям (водоросли, планктон → рыба → человек; почва → растения, почвенная фауна → травоядные животные → человек). Загрязнение почвы и воды приводит к уничтожению всех обитающих в них живых организмов, что полностью меняет структуру и характер сложившихся экосистем.

Механизм токсического действия этих веществ до конца не изучен. Считается, что токсический эффект обусловлен их взаимодействием с одним из клеточных рецепторов, участвующим в биосинтезе белков в клетке. Комплекс белка с молекулой действующего вещества активизирует кодирование синтеза определенных белков в клетке, отвечающих за иммунный статус организма.

Высокую токсичность диоксинов и фуранов связывают с их исключительными липофильностью, стабильностью и способностью накапливаться в живых организмах, главным образом в жировой ткани, печени, органах кроветворения.

При сжигании или естественном горении всех видов природного топлива, в том числе и древесины, также образуется бензопирен, являющийся активным клеточным ядом, способным образовывать стойкие токсичные соединения при медленном разложении КО свалок и полигонов.

Ежегодно пригородные территории сокращаются в связи с необходимостью расширения площадей полигонов и свалок городских отходов. Если в крупных промышленных центрах градообразующие предприятия обычно имеют собственные полигоны для опасных и токсичных отходов, для ПО, шламо- и хвостохранилища, заводские свалки, оборудованные в соответствии со всеми требованиями санитарно-гигиенической, экологической и пожарной безопасности, то для средних и малых городов характерно образование городских смешанных свалок.

Кроме того, значительная часть ПО сортируется и перерабатывается как вторичное сырье, тогда как твердые коммунальные отходы (ТКО) до настоящего времени складируются на территории полигонов ТКО безо всякой сортировки и обеззараживания.

В силу этого свалки КО являются крупнейшим источником химического и биологического загрязнения окружающей среды, непосредственно влияющим на качество среды жизни населения.

Места скопления ПО и КО являются источниками поступления в атмосферу ряда токсичных соединений. От них с ливневыми и талыми водами в литосферу и гидросферу поступают биогенные, опасные и токсичные загрязнители. Свалки являются местом роста и развития патогенной микрофлоры, гельминтофауны, грызунов – потенциального резервуара многих опасных инфекционных заболеваний.

Переносу заболеваний со свалок на жилые территории способствуют и крупные птицы, в первую очередь – вороны. Следует отметить, что образование и длительное существование крупных полигонов ТКО вблизи городов вызвало в настоящее время изменение основных поведенческих реакций целого ряда видов крупных и мелких зверей и птиц, для которых они стали основным местом укрытия, размножения и получения пищи. Отмечается, что даже такие узкотрофные виды как чайки, ласточки, лисы и ласки стали предпочитать свалки в качестве пищевого ареала, существенно расширив пищевое разнообразие. За достаточно короткое время эти виды зверей и птиц выработали биохимические адаптации для питания смешанными эволюционно нехарактерными для них видами корма. Но это также значит, что в результате переселения на свалки ряда видов зверей и птиц нарушились традиционные связи в естественных биотопах и биоценозах, что приводит к их трансформации и разрушению.

По статистическим данным на территории Беларуси в 2013 г. образовалось 1437 видов отходов с широким спектром морфологических и химических свойств. Большая часть из них (около 40,3 млн т) представляют ПО, из них 7427,1 тыс. т – отходы 1-3-го классов опасности, причем практически вся масса отходов производства приурочена к городским территориям. Уровень вторичного использования ПО составляет 28,6 %, что на 2,6 % меньше, чем даже в 2010 г. В настоящее время в стране перерабатываются преимущественно строительные отходы, образующиеся в процессе строительства, производстве строительных материалов и конструкций. Все неиспользованные ПО скапливаются на объектах хранения в ведомственных местах хранения и на территории предприятий. Всего там находится 36,7 млн т (без учета галитовых отходов и глинисто-солевых шламов ОАО «Беларуськалий», которых накоплено более 832 и 99 млн т соответственно).

В последние десятилетия в стране наблюдается постоянный рост объема КО. Показатель удельного образования ТКО за этот период увеличился с 0,485 до 1,2 кг/чел. в день (в странах Евросоюза – 0,85-1,7 кг/чел. в день). Причем в составе КО наблюдается стойкое увеличение доли полимерных материалов и отходов от упаковок и стекла. Всего отходов потребления образовалось 3212 тыс. т.

Коммунальные отходы захораниваются на полигонах ТКО, где их сейчас находится 90,4 %. Остальная часть КО размещается на мини-полигонах. На полигоны ТКО наряду с КО вывозятся частично ПО, отходы жизнедеятельности населения и подобные им, некоторые неопасные и 3-1-го классов опасности ПО.

Всего в стране зарегистрировано 170 полигонов ТКО, которые обслуживают г. Минск, областные и районные центры. Централизованным вывозом КО охвачены практически все сельские населенные пункты, для обслуживания которых создано 3038 мини-полигонов.

Суммарная площадь земельных отводов под полигоны ТКО составляет около 900 га, более 50 % которых уже занято отходами. Как показали обследования полигонов ТКО, большая их часть находится в неудовлетворительном техническом состоянии, не соответствует действующим требованиям санитарно-гигиенической и экологической безопасности, что способствует их негативному воздействию на городскую среду. В связи с этим в Беларуси приняты законы, ТИПА, иные документы, которые обеспечивают снижение негативного воздействия на городскую и окружающую среду, улучшить ее качество. Также снижению отрицательного влияния отходов производства и потребления на городскую среду должны способствовать как глобальная экологизация производства и потребления, так и массовое сознание через образование и обучение.

2.2.3. Обращение с отходами производства и потребления в городах

Охрана городской среды от негативного влияния всех видов отходов производства и потребления является в настоящее время наиболее сложной экологической проблемой. С этой целью в соответствии с действующим законодательством Беларуси субъекты хозяйствования обязаны:

• внедрять в производство экологически чистые, малоотходные, безотходные и ресурсосберегающие технологии;

• максимально использовать отходы производства и потребления;

• проводить лабораторный контроль качества окружающей среды в местах складирования и временного хранения отходов;

• возмещать в полном объеме вред, причиненный окружающей среде, здоровью и имуществу граждан и организаций при нарушении законодательства в области обращения с отходами;

• предоставлять любую информацию по вопросам образования отходов и обращения с ними;

• немедленно оповещать штаб Гражданской обороны (ГО), местные органы власти, а также органы Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды (далее – Минприроды) и санитарного надзора о случаях попадания опасных отходов в окружающую среду;

• обеспечивать транспортируемые и хранящиеся отходы специальными этикетками со знаками класса опасности, названия отходов, их агрегатного состояния, цвета, запаха, пожароопасных свойств, вида упаковки и специальных требований при обращении с ними, в том числе при аварии, адресом предприятия, где получены эти отходы.

Собственники отходов обязаны разработать и утвердить Паспорт опасности отходов и Инструкцию по обращению с отходами производства, срок действия согласования инструкции составляет 5 лет.

Обезвреживание отходов должно осуществляться только на объектах обезвреживания отходов, эксплуатация которых производится в соответствии с требованиями, установленными законодательством Беларуси в области обращения с отходами.

Сбор опасных отходов осуществляется с учетом класса опасности: отходы 1-го класса помещаются в тару – стальные баллоны; 2-го класса – в прочные полиэтиленовые мешки. Допускаются также другие виды тары для хранения опасных отходов, согласованные с органами санитарного надзора. Сбор опасных отходов в жидком и пастообразном состоянии осуществляется в герметичные и коррозионностойкие емкости, устанавливаемые в специально отведенном месте. Опасные промышленные отходы после затаривания взвешиваются, результаты вносятся в журнал учета.

В соответствии с действующим законодательством опасные отходы предприятий подлежат временному хранению на их территории, пока не будет разработана технология по их утилизации или не будут созданы региональные полигоны для захоронения этих отходов. Предельное количество накопленных отходов на территории предприятия устанавливается в соответствии с нормативным документом «Предельное количество накопления токсичных промышленных отходов на территории предприятия (организации)».

На полигоны по обезвреживанию и захоронению опасных промышленных отходов принимаются только отходы 1-3-го классов опасности. Твердые промышленные отходы 4-го класса опасности по согласованию с органами санитарного надзора и коммунальными службами могут вывозиться на полигоны для складирования КО. Складирование и захоронение промышленных отходов производится на платной основе на основании разрешений территориальных органов Минприроды.

Наиболее опасными являются такие отходы, которые содержат химически активные загрязнители, способные поступать в питьевую воду или в растения, служащие пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это в первую очередь синтетические яды (биоциды) – соединения ТМ, пестициды, гербициды и прочие стойкие органические соединения, некоторые продукты нефтепереработки – циклические и полициклические ароматические углеводороды и др.

Первостепенной задачей в области охраны городской среды от негативного влияния отходов является удаление и переработка твердых бытовых отходов от населения и других видов ТКО.

Норматив образования коммунальных отходов – это установленное среднее количество КО, образуемое в процессе жизнедеятельности человека или в процессе осуществления экономической деятельности, необходимой для обеспечения жизнедеятельности человека в населенных местах, на расчетную единицу (кг/м², т/м² и т. д.).

Нормы накопления отходов – это количество отходов, накопленное за определенный период времени (сутки, год) и отнесенное к расчетной единице (один человек, одно гостиничное место, 1 м² торговой территории и т. д.).

В нашей стране порядок и условия обращения с КО на территории населенных мест устанавливаются местными исполнительными и распорядительными органами по согласованию с соответствующими территориальными органами Минприроды и Министерства здравоохранения Республики Беларусь (далее – Минздрав).

Местные исполнительные и распорядительные органы утверждают для каждого населенного пункта нормативы образования КО (дифференцированные и общие средние), организуют сбор, перевозку, хранение и обезвреживание КО, находящихся на их территории, а также взимание платежей за размещение отходов.

Дифференцированный норматив образования КО устанавливает количество образующихся КО дифференцированно в жилищном фонде по видам благоустройства и объектам обеспечения жизнедеятельности человека в населенных местах в течение определенного промежутка времени на расчетную единицу. Он применяется при выборе системы сбора, в том числе раздельного сбора, определения количества контейнеров, разработке транспортных схем вывоза, расчете лимитов размещения отходов производства, входящих в состав КО, а также при проведении расчетов за оказанные услуги по санитарной очистке. Основными показателями для дифференцированных нормативов образования КО являются объем, масса, средняя плотность, коэффициенты суточной и сезонной неравномерности образования.

В табл. 2.8 приведены некоторые данные по рекомендуемым дифференцированным нормативам образования отходов в городах в соответствии с Правилами определения нормативов образования коммунальных отходов.

Общий средний норматив образования КО устанавливает общее количество образующихся в течение года КО на территории населенного места на одного жителя. Он используется при планировании системы санитарной очистки населенного места (проектировании объектов по захоронению и переработке КО, определении количества специальной коммунальной техники и работников, расчета расхода горючесмазочных материалов и других затрат на санитарную очистку). Основными показателями для общей средней нормы образования КО являются их средний объем и средняя плотность.

При выборе методов обращения с отходами, широко используемых на практике, следует пользоваться следующими понятиями:

• размещение отходов – хранение и захоронение отходов;

• хранение отходов – содержание отходов на объектах размещения в целях их последующего захоронения, обезвреживания или использования;

• захоронение отходов – изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах в целях предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду;

• использование отходов – применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии;

• обезвреживание отходов – обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание их на специализированных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду.

Таблица 2.8.Некоторые рекомендуемые дифференцированные нормативы образования коммунальных отходов в населенных пунктах

Ориентировочный морфологический состав и физические свойства ТКО, образующихся в населенных пунктах страны, приведены в ТКП 17.11-02-2009 «Объекты захоронения твердых коммунальных отходов. Правила проектирования и эксплуатации» (табл. 2.9).

Таблица 2.9. Примерный усредненный годовой состав твердых коммунальных отходов

Примечания. 1. Основная масса ТКО (95–98 %) имеет размер менее 0,25 м. 2. Средняя плотность в местах сбора составляет около 200 кг/м³. 3. Средняя влажность – 52 %.

На количество накопления ТКО и их состав влияют уровень благосостояния населения, степень благоустройства жилья, культура торговли, ассортимент товаров, степень развития общественного питания и прочее. Как показывает практика, состав ТКО в мире относительно постоянен. Поэтому для их утилизации выработана унифицированная для большинства стран система, позволяющая депонировать или переработать большинство компонентов ТКО.

Данная система состоит обычно из трех взаимодополняющих и технологически связанных между собой блоков: рециклинг, или повторное использование; утилизация; складирование (депонирование).

Система защиты городской среды от негативного влияния отходов жизнедеятельности и соотношение блоков между собой определяется уровнем развития производства, хозяйственной деятельности, ее преимущественной ориентацией, техники и технологии, социального сознания населения и другими факторами. Известно, что в Японии до 90 % ТКО направляется на повторное использование; в США их складируется до 80 %, в Польше – до 98 %.

Рециклинг (повторная переработка) ТКО. Это наиболее прогрессивный и экологически оправданный способ использования отходов, который уже в большинстве развитых стран превратился в особого рода производственную деятельность со своей структурой, специфическими технологиями и аппаратурным оформлением как собственно производства, так и его экологической безопасности.

Структура рециклинга состоит:

• из сети предприятий по сбору, обработке и переработки ТКО;

• доставки ТКО на специализированные предприятия по их переработке;

• производства продукции из переработанных ТКО;

• реализации полученной продукции.

Для обеспечения бесперебойной работы этой сети создается соответствующая материально-техническая база.

В основе данного метода лежит метод дифференцированного (раздельного) сбора отходов, при котором осуществляется сортировка отходов по виду с целью максимального дальнейшего извлечения утильных компонентов. При разделении отходов выделяют две категории:

• I категория – отходы, которые могут быть использованы для получения аналогичной продукции (стекло, бумага, металлы, пластмассы и др.);

• II категория – отходы, содержащие опасные или особо ценные компоненты (аккумуляторные батареи, цветные и редкие металлы, некоторые пластмассы и т. д.).

После разделения ТКО на фракции каждая их них поступает на последующую технологическую стадию переработки в конечный продукт.

Наибольшим уровнем повторного использования характеризуются ПО, которые, как правило, хорошо разделены, а также та часть КО, для которой централизованно налажен сбор (металлы, макулатура, аккумуляторные батареи, ветошь).

Известно, что в США 95 % всех упаковочных алюминиевых банок выпускается из вторичного сырья, что позволяет экономить порядка 5 % электроэнергии, затрачиваемой на производство из природного сырья, а также существенно снизить его расход. В Германии путем рециклинга получают 75 % всей стали, 33 % меди, 17 % алюминия, 50 % свинца, 33 % цинка. В большинстве стран действуют целевые государственные программы, поддерживающие, ориентирующие и субсидирующие малый и средний бизнес на сбор, сортировку, транспортировку и переработку отходов. Кроме того, эти программы также направлены на экономическую и моральную заинтересованность населения в разделении твердых бытовых отходов при их удалении из жилой зоны.

Утилизация ТКО. Основными методами утилизации отходов являются:

• прямое сжигание;

• пиролиз, или высокотемпературное разложение;

• брикетирование и грануляция;

• получение биогаза;

• компостирование.

Прямое сжигание – это довольно распространенный и эффективный способ сокращения объемов ТКО в поселениях. Однако с экологической и санитарно-гигиенической точки зрения этот способ представляет собой значительную опасность для городской и пригородной среды.

Мусоросжигающие заводы (МСЗ) являются источниками значительного количества выбросов и технологических отходов, представляющих при несоблюдении ряда технологических требований очень серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения. Такими требованиями являются:

• температура сжигания должна составлять 500 – 1400 °C;

• продолжительность сжигания должно быть не более 3 с;

• полное сжигание требует обязательного создания турбулентных воздушных потоков.

В зависимости от состава и способа сжигания на 1 т мусора приходится 300–500 кг несгоревших технологических отходов (шлаки, зола, дымовые газы).

Шлаки представляют собой гетерогенный материал очень сложного состава, обладающий специфическими физико-химическими свойствами, в частности высокой адсорбционной и теплотворной способностью. Они составляют обычно 10 % объема и 30 % массы сжигаемых ТКО, сравнительно безвредны и после определенной очистки (от метана) могут использоваться для дорожного покрытия, строительных материалов, материалов для отсыпки дамб, звукоизоляционных и утеплительных плит.

При сжигании 1 т ТКО в среднем образуется порядка 25–34 кг летучей золы. Около 95–99 % ее обычно улавливается очистным оборудованием и вывозится на свалки. Остальная часть золы выбрасывается в атмосферу вместе с дымовыми газами (водяным паром, оксидами азота и углерода, летучими органическими соединениями).

С золой и дымовыми газами в атмосферу попадают наиболее опасные для человека отходы мусоро сжигания – диоксины и фураны, которые присутствуют в самой летучей золе, колосниковых и дымовых газах, воздухе территории МСЗ, в крови персонала предприятий и населения, проживающего в зоне его влияния.

На свалках из неуловленной золы МСЗ диоксины и фураны могут попадать в грунтовые воды. В районах захоронения этой золы они обнаруживаются в молоке коров, коз, в крови домашних животных и птиц, откуда могут попасть в организм человека.

Помимо диоксинов и фуранов в процессе му соро сжигания в атмосферу, почву и водные объекты попадает значительное количество металлов, в том числе и тяжелых, соединения серы, хлора, фтора и другие, объем которых зависит только от номенклатурного состава сжигаемого мусора.

Эффективность применения мусоросжигания при условии выполнения всей полноты природоохранных мероприятий существенно возрастает за счет использования избытков теплоты на отопление и производство электроэнергии. Например, около 3 % электроэнергии Швеции и 5 % энергопотребления Брюсселя обеспечивается за счет сжигания ТКО. По разным оценкам 1 т ТКО эквивалентна 200–250 кг угля и 150 кг мазута.

В США сжигается 5 %, Японии – 26, Германии – около 35, Швеции – 51, Швейцарии (одна из самых экологически безопасных стран мира) – 75 % ТКО.

Пиролиз (высокотемпературное разложение) – активно развивающийся в последнее время способ утилизации ТКО, направленный на максимальное получение газа и нефтеподобных жидких продуктов. Пиролиз – это термическая обработка ТКО нагреванием без доступа воздуха. Различают низкотемпературный (500–600 °C) и высокотемпературный (свыше 1100 °C) пиролиз.

При таком разложении образуются продукты, которые могут использоваться в хозяйственной деятельности: газообразное топливо, твердый углеродистый остаток и смола. В качестве побочного продукта образуется подсмольная вода. Углеродистый остаток – пирокарбон, содержащий до 30–40 % углерода, применяют в качестве заменителя низкосортных графитов, заполнителя асфальтобетонных смесей, низкосортного топлива, сорбента; смола используется как топливо, компонент асфальтобетонных смесей, сырье для производства химических соединений; подсмольная вода – как антисептическое средство, в частности, для пропитки шпал.

Существуют три типа установок по пиролизу: горизонтальные (барабанного типа), вертикальные (шахтного типа) и смешанные. В них перерабатывается некомпостируемая часть ТКО (резина, кожа, текстиль). Поэтому внедрение пиролизных установок способствует созданию малоотходных технологий переработки ТКО.

К недостаткам существующих установок относятся низкая производительность, несовершенная система очистки газообразных продуктов, высокая энергоемкость процесса.

К достоинствам этого метода следует отнести использование газообразных продуктов пиролиза (пара и топливного горючего газа) как в самом процессе пиролиза, так и за его пределами. При этом методе выброс газообразных продуктов в атмосферу резко снижается, в связи с этим пиролизные установки утилизации ТКО можно устанавливать в городской черте.

Брикетирование и грануляция. Эти процессы направлены на получение из ТКО твердого топлива. В результате предварительного отбора и высушивания органической фракции ТКО теплота сгорания брикетов и гранул возрастает в 2 раза по сравнению с исходным продуктом, полученное топливо может храниться длительное время, не представляет опасности при хранении и транспортировке. За счет сортировки в таком топливе сокращается количество металлов и токсичных соединений. Такая установка давно работает в Донкастере (Великобритания) и производит 350 тыс. т гранулята каждый год. Значительное количество ТКО в Японии превращается в гранулы, которые используются при производстве строительных материалов, бетона или раствора, причем гранулы смешиваются с золой или шлаком МСЗ.

Однако получение брикетов и гранул из ТКО – процесс энергоемкий, требующий значительных финансовых вложений и трудозатрат. В связи с этим такие установки рекомендуются для городов и малых населенных пунктов.

Получение биогаза. В основе процесса лежит биотермиче-ское разложение органического вещества ТКО, протекающее при участии микроорганизмов с выделением теплоты. На первом этапе в слое отходов протекают аэробные процессы, затем нарастают анаэробные, конечным продуктом которых является биогаз.

Опыт показывает, что удельный выход газа составляет порядка 500 л на 1 кг сухого органического материала, который составляет до 40 % ТКО. Из каждой тонны отходов образуется до 250 м³ биогаза, состоящего из 50–60 % метана, 30–45 % диоксида углерода, 1–2% сероводорода и 1–2% – соединения азота, водорода, кислорода и других (всего до 32 компонентов). Состав биогаза зависит от номенклатуры и качества исходного органического сырья, степени его сортировки и подготовки, соблюдения технологии процесса.

После очистки и осушки биогаза теплота его сгорания может достигать 80 % по сравнению с природным газом, и он может эффективно использоваться в качестве топлива. Например, в Швеции местные автобусные маршруты и легковые перевозки практически полностью переведены на биогаз, получаемый из ТКО.

Основной проблемой использования биогаза является относительно высокий процент серы, сернистых соединений и галогенов в выбросах установки. Кроме того, экономическая эффективность сжигания биогаза быстро падает по мере удаления от места его производства. Биогаз – это сравнительно легкодоступное топливо для коммунальных и транспортных нужд.

Еще одним источником биогаза является такое обязательное природоохранное мероприятие, как дегазация свалок. При эксплуатации полигонов ТКО используют пассивную и активную дегазацию свалок. Первая осуществляется за счет избыточного давления образующихся в толще отходов газов (применяется редко, так как недостаточно эффективна и требует высокой степени изоляции свалки). Вторая осуществляется с помощью специальных устройств для добычи газа. Хорошо зарекомендовали себя системы вертикальных скважин, соединенные горизонтальными дегазационными трубопроводами.

The free sample has ended.