Компонентна структура ППС

Функціональна структура ППС

Ієрархічна структура ППС:

а) простору б) часу в) організації г) наукових

досліджень

1-й рівень деталізації

Глобальна

Надсистама

Постійна

Система

Регіональна

Тривала

3-й рівень деталізації

Підсистема

Локальна

Коротко-тимчасна

Морфологічна структура ППС

Рис.1. Принципові схеми структури природньо-промислових систем.

Компонентна структура ППС

Під компонентами ППС слід розуміти її однорідні за складом частини, наділені певними функціональними ознаками.

Компонентна структура повинна відбивати сутність теоретичного і методологічного підходу до виділення та дослідження ППС, розкривати їх склад і властивості як елементарних, структурних одиниць ноосфери. Компонентну структуру можна представити у вигляді блок-схеми (рис. 2 на якому зображений нообіогеоценоз). З рис.2 видно, що в ППС можна виділити такі структурні одиниці:

співтовариства (екотоп, біоценоз, нооценоз); компоненти (літосфера, гідросфера, атмосфера, фітоценоз, зооценоз, мікробіоценоз, суспільство, засоби праці й продукти праці).

Рис.2. Структурна схема матеріально-енергетичної одиниці ноосфери.

Природньо-промислові системи, що містять перераховані вище співтовариства й компоненти, є класичними. Саме стосовно них необхідно розробляти всі методологічні та методичні аспекти інженерно-екологічних досліджень.

В конкретних ситуаціях, коли ППС не містить якого-небудь компоненту або цей компонент представлений окремими елементами (рослинність — окремими видами дерев, суспільство — працівниками тільки даного виробництва, продукти праці — тільки промисловою продукцією), дослідження системи повиннопроводитися з урахуванням даних особливостей.

Ієрархічна структура

З методологічної точки зору ієрархічна структура повинна розкривати поняття чотирьох ієрархій: простору, часу, організації та наукових досліджень.

Природно-промислові системи приурочені до певного виду виробництва і відповідної території. З метою виявлення пріоритетності та підпорядкованості складається просторова ієрархічна структура. Вона повинна відбивати взаємне розташування ППС різного рівня на конкретній площі.

Природно-промислова система глобального рівня просторової ієрархії – ноосфера- являє собою сукупність систем регіонального рівня -територіально-виробничих комплексів. Один ТВК може містити кілька природно-промислових комплексів. Кожний з яких може бути розчленований на кілька нообіогеоценозів - елементарних природно-промислових систем. Найбільш інформативна така структура у вигляді спеціальної карти-схеми, (рис. 3). На прикладі ППК тут виділені основні структурні елементи промислової, комунально-побутової і аграрної ланок та показаний, що видобуток корисної копалини, збагачення, енергетика створюють свої природно-промислові системи меншого рангу (нообіогеоценози), границі яких визначаються границею впливу цього виробництва на природне середовище.

Загальна границя ППК визначається границею впливу основного виробництва, у цьому випадку гірничо тай збагачувального.

Ієрархія часу є в основному характеристикою процесів. Структура часової ієрархії дає можливість прогнозування появу нових структурних елементів ППС у результаті будівництва промислових об'єктів або розширення зони впливу виробництва в результаті переміщення.

Можливості часової ієрархії структур ППС можна проілюструвати побудовою структурних карт-схем, віднесених до різного періоду часу. Це дозволяє проаналізувати процеси розвитку ППС, виявити їх тенденції і напрямки, оцінити стан і скласти прогноз зміни компонентів системи.

Ієрархія організації ППС Приймаємо за елементарну ППС нообіогеоценоз і розглянемо ієрархічну структуру ППС (схема 1). Виділимо рівні організації в трьох середовищах: біотичне, абіотиче і виробниче (соціальне).

Спочатку вивчаються властивості складових частин, а потім ці властивості використовують для аналізу роботи системи в цілому.

Принцип виділення елементів це одержання необхідної і достатньої інформації для аналізу і вивчення структури та характеру функціонування системи.

У біотичному середовищі виділяються наступні елементи: гени, клітини, органи, організми й популяції.

В абіотичному середовищі – це наступні елементи: ізотопи, елементи, речовини, сполуки і утворення.

Особливу категорію становлять утворення - структурні елементи літосфери (ґрунти, материнські і гірські породи), гідросфери (атмосферні, поверхневі, ґрунтові й підземні води) і атмосфери (гази в приземному шарі, воді, ґрунтах і гірських породах). Незважаючи на реальне існування утворень, їх границі намітити доволі складно, але необхідно. У противному випадку результати не будуть комплексними, а в деяких випадках і не достовірними.

Рис. 3. Карта-схема просторової ієрархії природно-промислових

систем. 1-3 — промислова ланка: 1 — видобуток корисної копалини, 2 — збагачення корисної копалини, 3 — виробництво теплової електроенергії; 4-6 — аграрна ланка: 4 — лісознавство, 5 — рослинництво, 6 — тваринництво; 7—9 — комунально-побутова ланка (рекреаційні угіддя, заповідні угіддя і т.ін.).

Виробниче середовище складається з таких компонентів: засобу праці, суспільство і продукти праці.

У свою чергу в кожному компоненті можна виділити наступні елементи:

- матеріали й інструменти, машини й механізми, технологічні площадки, ділянки, виробництва - компонент - засоби праці;

- особистості, шари, категорії, групи, класи - компонент - суспільство (градація населення, що виявилося в зоні впливу підприємства);

- сировина, напівфабрикати, продукція, вироби, предмети споживання - компонент - продукти праці.

Ієрархічна структура ППС

Середовище Елементи Підсистеми Системи Надсистеми

(комплекси)

Компоненти співтовариства

Біотична гени фітоценоз

клітини зооценоз біоценоз

мікробо-

ценоз

Абіотична ізотопи літосфера

елементи гідросфера екотоп

атмосфера

Виробнича матеріали -засоби

(соціальна) особистості праці

-суспільство нооценоз

-продукти

праці

Ієрархія наукових досліджень припускає чотири рівня деталізації.

На першому рівні об'єктами досліджень є системи, їх структура і основні властивості.

Подальші рівні деталізації припускають як об'єкти дослідження співтовариства (II рівень організації), компоненти (III рівень) і елементи (IV рівень).

Функціональна структура

Метою побудови функціональної структури на першому етапі інженерно-екологічних досліджень є визначення структурних одиниць, що перебувають у взаємодії, і головним фактором тут служить установлення наявності між ними обміну речовиною, енергією або інформацією.

Мета побудови структури на другому етапі полягає у виділенні структурних одиниць, що чинять вплив (виробництва) і що сприймають цей вплив (господарства невиробничої сфери і населення).

Третій етап ставить метою виявлення структурних одиниць, що спричиняють дію (джерела дії) і що сприймають її (природні компоненти і елементи).

Завершується побудова виділенням структурних одиниць, у яких проявляються наслідки дії.

Наведений методологічний підхід є загальним при вивченні структури й функціонування ППС.

Головним фактором з методологічної точки зору при побудові функціональної структури нообіогеоценозу є характер функціонування нооценозу і в першу чергу специфіку засобів праці. Наприклад, якщо на даній території побудовані шахти, то основним процесом в діяльності шахт буде видобуток та переробка корисної копалини, що і визначає ступінь зміни природних компонентів.

Продукт праці визначається характером виробництва, ступенем розвитку засобів праці і потребами суспільства. Продукт праці містить як готову продукцію, так і відходи та викиди виробництва у твердому, рідкому й газоподібному стані. Характер розподілу продуктів праці в просторі обумовлений не лише властивостями самого продукту, але й структурними особливостями і властивостями природних компонентів нообіогеоценозу.

Функціональна структура ППС може бути представлена у вигляді блок-схеми або карти-схеми.

Л.6, 7

Морфологічна структура

Під морфологічною структурою ППС слід розуміти просторове розміщення всіх компонентів нооценозу, біоценозу і екотопа і їх елементів у взаємозв'язку і з урахуванням наслідків взаємодії. Вона являє собою структурне оформлення просторових і функціональних зв'язків і відносин між джерелами впливу й об'єктами, що сприймають вплив і змінюються в результаті цього. Морфологічна структура відбиває зафіксоване на конкретний момент часу стан, що визначається шляхом виявленняи і описуванням екологічних змін, що проходять в наслідок впливу виробництва на природне середовище. Елементами, що дозволяють побудувати морфологічну структуру ППС є контури, ареали, шари і зони.

Контур — це границя, що відокремлює компоненти або елементи системи один від одного, умовно показана на карті-схемі і відповідна за конфігурацією цієї лінії. Контур мають всі елементи і компоненти нооценозу, окремі елементи біоценозу і екотопу, а також порушення в них. Зміни числа, форми і розташування елементів і компонентів доцільно віднести до одного виду - порушення. У результаті впливу виробництва порушення можуть відбутися в будь-якому компоненті й елементі природного середовища, тому при класифікації їх варто поділити на типи: геомеханічні (у літосфері), гідродинамічні (у гідросфері), аеродинамічні(в атмосфері) і морфологічні (у біоценозі). Останні додатково поділяються на підтипи: фітоценотичні, зооценотичні й мікробоцелотичні. При складанні морфологічної структури ППС важливо виділити не тільки типи порушень, але і їх конкретні форми що дає можливість оконтурити кожну з них, а надалі й визначити необхідні параметри.

Форми порушень, умовно об'єднані в групу деформації, являють собою зміни, що відбуваються в ґрунтовому шарі, підстилаючих породах і масиві гірських порід у результаті різних процесів.

Геомеханічні порушення є результатом прямого впливу на літосферу в процесі ведення технологічних процесів і залежать від параметрів виробничих процесів. Інакше кажучи, між параметрами технологічних процесів і показниками, існує кореляційна залежність. Це дозволяє за виявлених формах порушення знайти джерело їх виникнення і перейти до аналізу характеру функціонування системи з метою прогнозування змін, оцінки їх наслідків, вибору заходів щодо усунення цих наслідків і т.д. Перелічені форми не містять змін, які є наслідками первинних порушень, що виникли в результаті протікання природних процесів (ерозія) або незалежно від процесів виробництва (зсуви, обвали).

Виявлення і фіксування форм геомеханічних порушень разом із ґрунтовими і орографичними дослідженнями дозволяють представити існуючу в ППС морфологічну структуру компонента «літосфера».

Гідродинамічні порушення пов'язані зі зміною розташування, режиму й динаміки поверхневих, ґрунтових і підземних вод. Формування групи поверхневих гідродинамічних порушень обумовлено морфологічними змінами водотоків і водойм. Так, зарегулювання як форма порушення проявляється в структурі ППС у вигляді водоймищ або водоканалів.

Зміни в природному режимі і розташуванні водотоків і водойм викликані необхідністю осушення поверхні над родовищем або, навпаки, необхідністю створення водоймищ. Контур порушень у цих випадках виражений чітко. При переносі й зарегулюванні водотоків у ППС часто входить старе русло або ложе водойми. Затоплення характерно для тих випадків, коли виробництво має надлишок води й повністю у водообороті її не використає. Тоді води скидаються на землю, у водотоки або водойми, і відбувається затоплення додаткових площ земель, тобто змінюється контур дзеркала води. При наявності потужних водозаборів на водотоках і водоймах може відбуватися зворотний процес і виникати форма порушення виснаження, що може бути виявлена й показана на карті зміненим контуром дзеркала води.

Форми гідродинамічних порушень у ППС, об'єднані в групу підземні, є найбільш специфічними. Специфіка полягає в тім, що для їх характеристики необхідно встановити не тільки територіальне, але й вертикальний (пошаровий) розподіл. Найпоширенішими формами, пов'язаними із ґрунтовими і підземними водами, що впливають на функціонування ППС, є затоплення (підтоплення) і осушення. Затоплення поверхні ґрунтовими водами викликано геомеханічними порушеннями (прогин), і його поява визначається рівнем ґрунтових вод. Контур цього порушення має яскраво виражену сезонну динаміку, що вимагає розробки спеціального підходу до його виділення й аналізу. Частина прогину не покривається водою, але на цій ділянці рівень ґрунтових вод піднімається ближче до поверхні, ніж до порушення. Це і є підтопленням, контур якого з однієї сторони обмежений дзеркалом води, а з іншого боку - контуром прогину.

Затоплення і підтоплення території може відбуватися ще у результаті зведення перешкод на шляху руху ґрунтових вод (будівлі, споруди, комунікації). З метою виділення цих особливостей подібні порушення пропонується об'єднати в підпори. Осушення значних територій відбувається в результаті дренажу ґрунтових і підземних вод гірничими виробками і свердловинами. Контур порушення визначається параметрами лійки депресії, що на період виділення структури фіксується по границі відновлення нормального рівня ґрунтових вод. Контур депресійної лійки є дуже важливою морфологічною структурною одиницею, оскільки має значні розміри, і часто її границі збігаються з однієї із границь ППС.

Заводнення як форма порушень виникає при похованні рідких відходів виробництва, використанні спеціальних способів відпрацьовування родовищ (вилуговуванні, розчинення), а також при попередній гідравлічній обробці масиву гірських порід. Необхідність її оконтурення викликана тим, що води, що надійшли в масив уторованих порід, і речовини, що втримуються в них, можуть взаємодіяти із природними водами й знову виявитися на поверхні. Виявлення і фіксування контурів форм гідродинамічних порушень, а також незмінених природних водотоків і водойм, ґрунтових вод, «верховодки» дозволяють представити існуючу в ППС морфологічну структуру компонента «гідросфера».

Аеродинамічні порушення в ППС можуть виникати в результаті зведення високих будинків, споруджень, відвалів, формування глибоких виїмок. Разом із природними збурюваннями у ППС повинні бути виявлені розрядження і збурювання, обумовлені розміщенням елементів нооценозу. Аеродинамічні вітрові тіні оконтурюються границею свого виникнення і визначаються розрахунковим шляхом по параметрах перешкоди, що їх викликає (висота, глибина, довжина й ширина). Контур збурення по напрямку також установлюється або шляхом розрахунку, або шляхом натурних вимірювань. Особливу форму атмосферних порушень являють температурні інверсії, що виникають у результаті потрапляння в атмосферу великих потоків теплової енергії, що виділяються нооценозом. Ці форми оконтурюються по перепаду температур у приземних шарах атмосфери над об'єктами нооценозу і у звичайних умовах над природними компонентами ППС.

Біоморфологічні порушення можуть виникати в результаті будівництва і експлуатації елементів нооценоза на території ППС, а також одночасно з геомеханічними й гідродинамічними порушеннями, викликаними видобутком корисних копалин. Фітоценотичні порушення — ушкодження і знищення рослинності — найчастіше зустрічається, контур порушень даної групи виявляється досить легко. Ввжче оконтурити форми зооценотичниих порушень: розлякування, знищення, інтродукція.

Сукупність контурів виділених форм порушень становить особливу морфологічну одиницю ППС - зону структурної перебудови. Границею цієї зони є ламана безперервна лінія, що проходить по зовнішніх сторонах форм порушення, тобто сам контур повинен перебувати усередині зони. При цьому в межах зони можуть виявитися окремі непорушені частини порушених компонентів.

Ареал — це оконтурений простір, у якому елементи ППС перебувають у розсіяній (неоднорідної) формі. Границею ареалу служить умовна лінія, що є геометричним місцем точок з однаковою (заданої) щільністю або концентрацією.

Речовини, що виділилися в результаті технологічних процесів, у формі рідких, твердих або газоподібних відходів, потрапляючи в природні компоненти, накопичуються, розсіюються або мігрують у природних системах і утворять особливий вид зміни їх якісних характеристик – забруднення. Ділянки цих змін можуть бути оконтурені за кількісними показниками (концентрація забруднюючих речовин) умовною лінією - границею ареалу.

Відповідно до назви компонентів ППС, у яких зафіксована наявність забруднюючих речовин, можна виділити наступні типи забруднення: геохімічні (у літосфері), гідросферні, атмосферні й біоценотичні.

Всі геохімічні форми можна об'єднати в групи поверхневі, фільтраційні і підземні забруднення за принципом їх пошарового розташування в природньому середовищі. Перші дві групи іноді позначаються поняттям «забруднення ґрунту й земель», а третя - «забруднення надр».

Засмічення як форма поверхневого забруднення виникає при будівництві, транспортуванні, складуванні різні: матеріалів, твердих відходів.

Запилення відбувається, як правило, через атмосферу при осадженні тонкодисперсних, пилуватих часток і простежується на великі відстані від місця їхнього виділення. Це і є основна відмінність запилення від засмічення.

Замазучування поверхні є наслідком розливу нафти, мазуту, паливно-мастильних матеріалів при транспортуванні або використанні.

Ареал форм поверхневих забруднень може бути виявлений візуально в процесі обстеження. Границя ареалу незмінна до початку, яких-небудь функціональних змін (наприклад, до чергового масового вибуху), і тільки замазучування може поширюватися по території до усунення джерела (наприклад, ліквідація аварії на нафтопроводі).

Форми фільтраційного забруднення— закислення, засолення й зараження — включені в одну групу по ознаці єдності причин утворення. (рис. 4)

Рис. 4. Схема утворення і виділення форм фільтраційного геохімічного забруднення.

Атмосферні форми забруднення розділяються по фізичному стану забруднюючих речовин на групи: газоподібні і пароподібні, рідкі, тверді й змішані. Форми зручно виділяти по якісних ознаках забруднюючих речовин: запилення, загазування або зараження (твердими або газоподібними речовинами). Особливі форми становлять рідкі забруднюючі речовини, що надходять в атмосферу у вигляді тумана, що складає із часток різної дисперсності.

Конфігурація ареалів гідросферного і атмосферного забруднень змінюється залежно від параметрів процесу в результаті якого речовини надійшли в ці компоненті і особливостей їх природного стану (рис. 5, 6).

Рис. 5. Конфігурація ареалів гідросферного забруднення.

а — у водотоці, б — у водоймі.

Рис. 6. Конфігурація ареалів атмосферного забруднення.

Як елементи морфологічної структури ППС «по вертикалі» можуть бути прийняті шари.

Шар — це елемент морфологічної структури, за допомогою якого виробляється вертикальна диференціація або структури в цілому, або її окремого контуру або ареалу. У найбільш загальному виді в ППС виділяються наступні шари: атмосферний, рослинний, гідросферний, літосферний. Кожний із шарів, у свою чергу, включає кілька горизонтів. Прикладом може служити вертикальна диференціація ґрунтового шару, атмосфери, виділення горизонтів ґрунтових і підземних вод.

Найбільшою одиницею морфологічної структури ППС є зона. У результаті впливу виробництва на природне середовище може виникнути кілька зон екологічних змін. Для відображення морфологічної структури ППС необхідно і достатньо виділення зон структурної, функціональної і інформаційної перебудови. Границі цих зон, установлені в результаті аналітичних, лабораторних, натурних або дистанційних досліджень, являють собою умовну грань між впливом виробництва на природне середовище і відсутністю, цього впливу. Умовність полягає в тім, що показник впливу (наприклад, якась концентрація речовин в атмосфері, нижче до торою впливу немає) попередньо задається. Часто це значення залежить від чутливості приладів, за допомогою яких визначається умовний показник. Тому між границя зони функціональної перебудови й місцем досягнення фонового значення концентрації речовин у всіх природних компонентах доцільно виділити ще одну зону інформаційної перебудови, у межах якої концентрації шкідливих речовин менше гранично припустимі, але вище кларкових.

ІНЖЕНЕРНА ЕКОЛОГІЯ

ЛЕКЦІЯ 8

Функціонування природно-промислових систем

Функціонування ППС засноване на принципах обміну речовиною, енергією або інформацією між її структурними одиницями в результаті процесу суспільного виробництва. Залежно від виду й характеру виробництва, специфіки його технології взаємозв'язок цих видів обміну із природними процесами може мати форму взаємодії, впливу та дії.

Взаємодія. Із природним середовищем взаємодія відбувається при будь-якому виді виробництва. Інтенсивність взаємодії визначається кількістю ресурсів, якими обмінюються підприємство і природне середовище в процесі функціонування.

Тому одне із завдань інженерної екології полягає у визначенні інтенсивності взаємодії, ступеню його раціональності та комплексності. Всі структурні одиниці будь-якої ППС перебувають у постійній взаємодії, тому лише за умови урахування та використання процесів цієї взаємодії можна забезпечити достатню повноту і раціональність використання природних ресурсів та оптимальний рівень якості природного середовища, підвищення продуктивності екологічних систем і ефективності виробництва.

Обмін речовиною, енергією та інформацією між структурними одиницями ППС здійснюється в результаті ведення виробничих технологічних процесів. При цьому із природного середовища добуваються речовини та енергія, які безпосередньо або в зміненому вигляді служать ресурсами виробництва і беруть участь у створенні продукту праці (продукції). Крім продукту виділяються відходи та викиди. Речовини та енергія у вигляді відходів і викидів надходять у природні процеси; подальша участь у створенні продукції природного процесу визначається їхніми властивостями й характером природних процесів.

Тому при інженерно-екологічному аналізі взаємодії виробництва та природного середовища необхідно виділити весь процес, який можна назвати природно-технологічним. Такий процес зображений на схемі 1.

Результатом взаємодії технологічного і природного процесів є їх спільна продукція, що і буде продукцією природно-технологічного процесу ППС. Ефективність останнього оцінюють за обсягом сумарної продукції з урахуванням заданої якості компонентів природного середовища.

Кількість речовини та енергії, які надходять у природний процес, у загальному випадку можна встановити шляхом складання рівняння матеріального та енергетичного балансу технологічного процесу:

Схема 1. Природньо-технологічний процес.

М_р = М_пр + М_вв; Е_в = Е_вп + Е_вс, (1)

де М_р – маса речовин, які беруть участь у технологічному процесі;
М_пр - маса речовин, які входять у продукцію технологічного процесу;
М_вв – маса речовин, які складають відходи та викиди; Е_в – кількість енергії, що вводить у технологічний процес; Е_пр – кількість енергії, витраченої на виробництво продукції; Е_вс – кількість енергії, що виділяється в природне середовище.

Хімічний склад речовини і види енергії при завершенні процесу визначаються складом речовин і видами енергій на початку процесу, вони залежать також від характеру хімічних перетворень речовин і виду перетворень енергії.

Наступним етапом аналізу є складання рівняння матеріального балансу природного процесу для визначення його продуктивності:

М_п + М_вв= М_пр + М_кв. (2)

Тут М_п – маса речовин, які втягуються у природний процес із природних компонентів; М_вв – маса речовин, які надходять із технологічного процесу в природний; М_пр - маса речовин, які входять до складу продукції природного процесу; М_кв – маса речовин, які беруть участь у кругооберті.

Аналогічним образом можна скласти рівняння енергетичного балансу природного процесу:

Е_п + Е_вс = Е_пр + Е_кр, (3)

де Е_п – кількість енергії, що вводить у виробничий процес;
Е_вс – кількість енергії, що виділяється в природне середовище; Е_пр – кількість енергії, затрачуваної на виробництво продукції; Е_кр – кількість енергії, що бере участь у кругооберті.

Ефективність функціонування ППС визначається якісними і кількісними показниками ефективності використання ресурсів та їх станом. Ресурсами в ППС є всі речовини і види енергії, які беруть участь у природно-технологічному процесі та входять до складу продукції або сприяють її виробництву. Виходячи зі структури та загальних принципів функціонування ППС, можна виділити наступні види ресурсів:

· матеріальні;

· енергетичні;

· екологічні;

· трудові.

Використання балансового методу для їх аналізу і визначення якісних і кількісних характеристик необхідних для оцінки ефективності розглянемо на прикладі аналізу матеріальних ресурсів гірничовидобувного виробництва (схема 2).

Схема 2. До складання рівняння матеріального балансу гірничо-видобувного виробництва.

Матеріальні ресурси можна поділити на:

· головні;

· допоміжні;

· супутні.

По рівнянню матеріального балансу можна розрахувати витрату ресурсів за одиницю часу або на одиницю продукції, що випускається. По кожному виду ресурсів визначають його обсяг, що залишає технологічну лінію в складі готової продукції, а також втрати з викидами та відходами виробництва.

Дефіцит балансу характеризує невраховані втрати матеріальних ресурсів. Для конкретного виду ресурсу формула матеріального балансу має вигляд:

М_вх = М_пр + М_від + М_втр, (4)

де М_вх , М_пр, М_від, М_втр – модулі ресурсу відповідно на вході в процес, у готовій продукції, у вловлених або заскладованих відходах (рідких, твердих, газоподібних) та у втратах, які утворяться при викидах в атмосферу, виносі речовин з відвалів, хвостосховищ, у промстоках і т.ін.

Аналіз вираження матеріального балансу дозволяє одержати дані для оцінки ступеню впливу і дії виробництва на природне середовище та ефективності використання ресурсів.

Можна розрахувати коефіцієнт ефективності для окремих елементів головних, допоміжних, супутніх ресурсів з виразу

α_i = M_i^прод / М_і^вх, (5)

α_j = M_j^прод / М_j^вх, (6)

α_k = M_k^прод / М_k^вх, (7)

де i, j, k – кількість головних, допоміжних і супутніх ресурсів відповідно. Наведені коефіцієнти можуть бути сумарними:

α_∑гл = М_∑гл^прод / М_∑гл^вх, (8)

α_∑доп = М_∑доп^прод / М_∑доп^вх, (9)

α_∑суп = М_∑суп^прод / М_∑суп^вх. (10)

Використання природних ресурсів у технологічних процесах виробництва та у природно-технологічному процесі характеризується наступними показниками:

· інтенсивністю використання;

· ступенем використання;

· ефективністю використання.

Показники інтенсивності використання відображають кількість природних ресурсів, які надійшли в технологічний процес за одиницю часу (м³/с, г/с, т/рік) або вийшли з технологічного процесу.

Показники ступеня використання характеризують величину ресурсу в продукції від загального надходження ресурсу в процес (умовн. од.).

Показники ефективності (умов. од.) визначаються шляхом порівняльної оцінки величин показників інтенсивності і ступеню використання з нормативними значеннями, кращими, досягнутими в галузі, країні, світі.

Деякі матеріальні ресурси можуть бути повторно або неодноразово задіяні в технологічних процесах. Тоді виробництво стає замкненою системою без виходу цих ресурсів у природне середовище. За таким принципом створюються безвідхідні виробництва.

На підприємствах споживаються різноманітні види енергії, отримані безпосередньо на місці їх використання або передані від «джерела». Різноманіття видів і форм виробничих енергетичних ресурсів, їх відмінність від природних видів енергії визначають особливості потоків енергії в ППС. Ступінь перетворення енергії залежить від виду первинних енергетичних ресурсів і характеру виробництва.

У загальному випадку первинні ресурси беруть участь у технологічному процесі або в готовому вигляді (наприклад, електроенергія), або у вигляді енергетичної сировини (вугілля для котельні і т.ін.).

Загальний енергетичний потенціал енергоресурсів (умов. од.) може бути розрахований за рівнянням

П_о^Е = k₁Е₁ + k₂Е₂ +... k_nЭ_n, (11)

де k₁, k₂,..., k_n – коефіцієнти переведення в умовні одиниці поступаючих речовин і енергій; Е₁, Е ₂, Е ₃ – кількості вступників енергетичних ресурсів.

Баланс різних видів енергії буде дорівнювати

П_о^Е – Q_пр^Е – Q_всп^Е – Q_ВЕР^Е =0. (12)

Загальний енергетичний потенціал П_о^Е використовується для одержання основного продукту і здійснення допоміжних процесів. Ефективність використання П_о^Е залежить від співвідношення кількостей різних видів енергії, витрачених на виробництво основного продукту (Q_пр^Е), допоміжні цілі (Q_всп^Е) і від кількості вторинних енергетичних ресурсів, які утворилися, ( Q_ВЕР^Е).

Якщо сумарний потенціал енергетичних ресурсів повністю витрачається на основні і допоміжні процеси, то коефіцієнт ефективності використання енергетичних ресурсів максимальний і дорівнює одиниці. Однак, як правило, витрачається тільки частина енергоресурсів, що визначається коефіцієнтом корисної дії установок (електричних, механічних і т.д.). Тому кількість енергетичних ресурсів, витрачених на одержання продукту, розраховується за виразом

Q_пр^Е = ∑ККД_iП^Е_i = ∑ П_оi^Е- ∑ Q_ВЕР^Е_i, (13)

де ККД_i – коефіцієнт корисної дії i-ї енергетичної установки; П_оi^Е – потенціал i-го енергетичного ресурсу, використовуваного в даній енергетичній установці; ∑ Q_ВЕР^Е_i – сума вторинних енергетичних ресурсів, які утворилися в процесі виробництва.

Тому, чим більше вторинних енергетичних ресурсів, що утворились, тим менше ефективність використання енергетичних ресурсів. Резервом збільшення ефективності є не тільки підвищення ККД установок, але й можлива утилізація використання ВЕР шляхом переведення їх до розряду енергетичних ресурсів виробництва.

Інтенсивність, ступінь та ефективність використання енергетичних ресурсів визначаються за аналогією із цими показниками для матеріальних ресурсів.

Процес обміну речовинами та енергією між виробництвом і природним середовищем, тобто процес їх взаємодії, призводить до появи в природних компонентах нових речовин та енергії, які виділилися з технологічного процесу. Частково ці речовини та енергія включаються в природні процеси і не призводять до якісних змін природного середовища. Такий процес функціонування ППС і називають взаємодією. Якщо речовини, які виділилися і енергії викликають якісні та кількісні зміни природних компонентів, то такі процеси функціонування ППС називають впливом або дією залежно від інтенсивності цих змін.

Розглянемо такий процес функціонування ППС як вплив.

Л.9

Вплив.Природне середовище відчуває на собі вплив різного виробництва, під яким розуміється процес обміну речовиною, енергією або інформацією із природними компонентами.

У результаті цього впливу відбуваються якісні або кількісні зміни в їх складі або властивостях функціонування. Ці зміни необхідно оцінити шляхом порівняння кількісних і якісних показників стану природних компонентів з фоновими (або кларковими) значеннями. Фонові значення визначаються для даного компонента з урахуванням природних факторів.

Найбільш надійним показником розподілу хімічних елементів у літосфері є кларк.

Кларк — середній вміст елементу, виражений в масових відсотках. Кларкові значення в земній корі визначені практично для всіх елементів і можуть бути використані як показник, що визначає зону впливу.

Однак через наявність природних аномалій конкретний вміст у ґрунтах або материнських породах може відрізнятися від кларкового, і це не пов'язане із впливом виробничих процесів. Цей фактор особливо характерний для гірничорудних районів і пов'язаний з виходом родовищ корисних копалин, окремих пластів або жил на поверхню або під наноси.

Тому в інженерній екології для визначення границі впливу виробництва на природне середовище може використовуватися поняття «фонова концентрація».

Фоновою потрібно вважати концентрацію елемента (речовини) в атмосфері, літосфері, гідросфері, у рослинах, тваринах і мікроорганізмах, що перебувають поза зоною впливу даного конкретного підприємства. При цьому концентрація може не відповідати кларковому значенню, а бути вище через вплив або дію інших виробництв, що не входять у досліджувану ППС.

При визначенні зони впливу конкретного виробництва на атмосферу можна використовувати поняття «фонової концентрації».

Зону впливу підприємства визначають як відстань від джерела забруднення атмосфери до місця з концентрацією речовини в атмосферному повітрі <0,05 ГДК (максимальна разова).

Для визначення зони впливу виробництва на водні об'єкти, особливо на водотоки, ґрунтові і підземні води необхідно установити місце, починаючи з якого концентрація речовин у воді досягає фонового значення. У водотоках така концентрація має місце на вході в ППС, тобто на границі зони впливу, проведеної, наприклад, по зміні рівня забруднення атмосферного повітря.

Ареал забруднюючих речовин у ґрунтових і підземних водах, побудований як геометричне місце точок з однаковою концентрацією речовин, може визначати границю зони впливу. Як приклад можна розглядати забруднення ґрунтових вод при вилуговуванні елементів з відвалів гірських порід.

Побудова ареалів вилужених елементів у ґрунтових водах здійснюється за результатами виміру вмісту речовин у воді і порівняння їх з фоновими.

Методи визначення абсолютного вмісту елементів у конкретних видах рослин або типах рослинності, живих організмах у цей час розроблені слабко, і застосування їх у практиці інженерно-екологічних досліджень викликає значні утруднення. Проте є публікації, що дають подання про поширеність і вміст окремих елементів в «живій речовині». Ці дані можуть бути основою для оцінки впливу виробництва на природне середовище по компонентах біоценозу.

Оцінити силу впливу можна шляхом знаходження різниці (відхилення) між дійсним і фоновим значеннями концентрацій у компонентах біогеоценозу.

Необхідно відмітити, що особливий інтерес являє не сам вміст забруднюючих речовин, а внесок у цю величину конкретного технологічного процесу.

Поширення забруднюючих речовин у природному середовищі, підкоряючись законам міграції, має свою специфіку, обумовлену тим, що визначальним фактором міграції є інтенсивність виділення забруднюючих речовин у результаті технологічних процесів.

З урахуванням здатності природних компонентів до розсіювання і розбавлення, нагромадженню або трансформації забруднюючі речовини по-різному концентруються в природному середовищі.

Тому саме усередині зони впливу концентрація речовин часто значно перевищують кларкові (фонові).

Отже, природне середовище зазнає сильного впливу від виробництва. Таку форму функціонування прийнято називати дією.

ДІЯ.

Процес обміну речовиною, енергією або інформацією із природними компонентами, що викликає їх зміну (порушення або забруднення) розуміється як дія виробництва на природне середовище.

При цьому кількісні і якісні характеристики даних форм перевищують гранично допустимі значення для даного компоненту.

У результаті природний компонент не може відновитися самостійно, і потрібне проведення відповідних природоохоронних заходів.

Дію виробництва на природне середовище доцільно характеризувати показниками, які дозволяють порівнювати технологічні параметри різних підприємств, робити екологічну експертизу технічних рішень, визначати необхідний ступінь екологічної ефективності природоохоронних заходів.

Такими показниками є:

інтенсивність дії (I);

ступінь дії(М);

небезпека дії (]).

Інтенсивність дії характеризується кількістю речовин, що надходять у природне середовище (1₃) в одиницю часу (г/с, кг/г, т/рік), а також площею порушення або кількістю порушених в одиницю часу природних компонентів І_н (м²/с, га/рік, од./рік).

За цими показниками нормуються викиди підприємства в повітряний і водний басейни, площі порушення, рекультивації земель і інші природоохоронні показники.

Ступінь дії по величині відповідає відношенню кількісних показників, що характеризують забруднення або порушення, до загальної кількості речовин, що виділилися з технологічного процесу, або до загальної площі порушуваного компоненту.

Ступінь впливу виміряється у відсотках і використається при розробці оптимальних показників ефективності роботи очисних і пилогазовловлювальних споруд і експлуатації відпрацьованих земель і т.д.

Показники небезпеки дії на природне середовище j_з і j_н характеризують відхилення концентрації забруднюючих речовин С_і в природних компонентах від нормативних значень ГДК, а також відхилення площі або кількості порушень (S_п) від нормативних показників (S_нп):

1,

Jзі=Сі/ГДКі

<

>

1,

(14)

Jні=Sп/Sнп

<

>

якщо J_зі та J_ні<1, то небезпеки впливу немає, якщо J_зі та J_ні ≥1, то небезпека існує.

Показники небезпеки забруднення або порушення природного середовища визначаються в кожних конкретних умовах з урахуванням суммації, розсіювання, розведення й інших факторів по спеціальних методиках. Вони є основою для розрахунку економічного збитку, що наноситься природному середовищу діяльністю підприємства, і гранично допустимого ступеню (ГДСД) і інтенсивності (ГДІД) дії.

Гранично допустима інтенсивність дії — плановий показник охорони природного середовища, що повинен дотримуватися підприємством в умовах безпеки впливу при існуючих нормативах стану природного середовища.

Як правило, досягнення ГДІД відбувається поетапно, шляхом проведення інженерних, екологічних або організаційних заходів, кожне з яких має відповідну ефективність зниження інтенсивності дії (ЕЗІД).

При цьому ступінь дії повинен зменшуватися. Екологічна ефективність природоохоронних заходів визначається в абсолютних показниках як різниця між ГДІД і інтенсивністю дії у початковий момент планування. При виборі устаткування може бути використане відносне значення (у відсотках) шляхом порівняння його з паспортними даними.

Функціонування природно-промислових систем у загальному випадку відбувається за схемою, зображеною на рис. 1.

Будь-який виробничий процес обов'язково взаємопов’язаний з природним середовищем, компоненти якого найчастіше виступають у ролі предметів праці. При цьому в результаті технологічного процесу утворюються речовини, енергія й інформація, які надходять у природні компоненти, що раніше не брали участь у технологічному циклі. Вони вступають у функціонування, формуючи новий природно-технологічний процес, що створює ППС.

Параметри природно-технологічного процесу визначаються в першу чергу характером функціонування.

Найбільш інтенсивно природно-технологічний процес протікає тільки у випадку дії технологічного процесу на природне середовище.

У межах зони дії в основному й формуються зони структурної і функціональної перебудови, тобто зони прояву дії в природних компонентах.

При дії в структурі ППС з'являються нові форми порушення і забруднення, кожна з яких служить причиною виникнення і розвитку природно-промислових процесів, що значно відрізняються від природних.

Перехідна область між зонами дії і впливу характеризується тим, що в ній відбувається перехід від природно-промислового процесу до чисто природного, якщо компоненти природного середовища здатні мимовільно відновлюватися і ліквідувати зміни, що проходять в них. І нарешті, між границею впливу й границею взаємодії можуть зустрічатися лише незначні «сліди» функціонування ППС, інформація про які зберігається в окремих природних елементах, але на загальний розвиток екологічних систем ці «сліди» впливу не чинять.

Означити границі зон дії, впливи й взаємодії можна двома способами:

1) вивчається характеру технологічного процесу виробництва і
визначаються параметри дії. Потім моделюється природно-промисловий процес для встановлення границь його поширення;

2) за допомогою виявлення морфологічних елементів ППС
при натурних дослідженнях. Результатом є проведення
границь ППС.

ВИСНОВОК 1: Границя природно-промислової системи — це лінія або площина, що відокремлює ППСистеми одну від одної або від природних (незмінених) природних систем, що проходить через сукупність точок з однаковими кількісними параметрами, що характеризують вплив виробництва на природне середовище.

У природних умовах границя ППС найчастіше умовна лінія. При цьому в найменших (елементарних) ППС - нообіогеоценозах - границя зони впливу (границя ППС) може збігатися з границями окремих природних підсистем - біоценозів або нооценозів. У великих надсистемах ППК, ТПК) границі зони впливу, як правило, збігаються із границями вододілів, великих лісових або гірських систем, великих водойм.

Визначення границь ППС є першочерговим завданням. Залежно від виду виробництва границі зони впливу, а отже, границі ППС можуть проводитися по одному або декількох елементах і компонентах ППС, на які технологічні процеси впливають.

Самі рухливі компоненти, такі, як атмосфера й гідросфера, у сукупності із продуктами виробництва, які в них надходять і поширюються, найчастіше і визначають границі ППС.

На відміну від природних екологічних систем ППС є значно більш рухливим утворенням як за структурою, так і по характеру функціонування. Тому важливу роль при дослідженні ППС відіграє ієрархія часу. У загальному виді для ППС можуть використатися часові масштаби:

— миттєві (секунди) процеси, що характеризують вплив на природне середовище і його реакцію при летальних дозах цієї дії;

— короткочасні (доба) процеси, пов'язані із залповими викидами забруднюючих речовин при поломці очисного
устаткування, аварійних розливах, проривах і т.д.;

— тривалі (сезон) процеси, характерні для опалювального сезону, коли забруднення природного середовища відбувається
найбільш інтенсивно і зони дії та впливу значно
більше, ніж в інші періоди;

— постійні (багаторічні) процеси, що забезпечують
найбільш стійкий розвиток і функціонування ППС: видобуток корисних копалин, збагачення, виплавка металу.

Ієрархія часу впливає на мету, завдання і методи досліджень і на отримані результати. Тому при аналізі та інтерпретації результатів необхідно знати тривалість процесу, що відбувається.

ВИСНОВОК 2: природно-промислова система — це територіальна структурна одиниця ноосфери, що утворилася в процесі суспільного розвитку життя на Землі і складається із взаємодіючих компонентів природного середовища та виробництва, які обмінюються в певний проміжок часу речовиною, енергією і(або) інформацією.

Л.10

Екологічна рівновага в ППС

В інженерній екології особливе місце займає група понять надійність екосистеми, що розкривається такими властивостями, як стійкість, рівновага, життєздатність, безпека.

Дамо загальні визначення вищевказаним поняттям.

Стійкість – властивість екосистеми, що характеризує здатність:

- витримувати зміни, що створюються зовнішніми впливами (наприклад техногенний вплив на природний ландшафт);

- чинити опір зовнішнім (техногенним) впливам;

- виявляти здатність до відновлення або самовідновлення екосистеми.

Рівновага – властивість екосистеми зберігати стійкість у межах регламентованих границь при антропогенних змінах (наприклад природного ландшафту).

Життєздатність – властивість, що характеризує дійсні показники екологічного захисту екосистеми, яка проявляється в здатності біогеоценозів до самовідновлення.

Безпека – властивість, що визначає ризик втрати стійкості, рівноваги та життєздатності екосистеми.

Із загальних визначень перерахованих понять слідує факт їх структурного взаємозв'язку рис. 2.

Рис. 2 Схема взаємозв'язку надійності екосистеми.

Охорона природи з позицій інженерної екології

Загальний принцип охорони природи з позицій інженерної екології полягає в мінімізації інтегральних втрат неживої та живої природи, які виражають формально у вигляді:

• абсолютно незворотних втрат, пов'язаних зі знищенням біологічних популяцій (зміни біогеоценозів) за межами границь самовідновлюваності;

• якісних втрат неживої природи в первісних кількісних пропорціях (погіршення родючості ґрунтів, зміна гідрогеологічного режиму течій, деградації ґрунтів і т.д.);

• оборотних втрат живої природи в границях самовідновлюваності або відновлюваності при сприянні людини.

Аналізуючи механізм формування екологічних втрат, треба весь процес функціонування екосистеми «людина - природа» умовно розділити на три стадії.

На першій стадії розвитку процесу відбувається закономірне використання природних ресурсів як результат спрямованої взаємодії людини з навколишнім середовищем. Ця стадія характеризується деяким умовним максимумом, що збігається із закінченням активної фази виробничого циклу.

Далі процес переходить у другу стадію, при якій у випадку повної відсутності відновлювальних заходів характеризується деяким періодом відносно стійкого стану зі збереженням набутих втрат. Цей період є перехідним до третьої стадії розвитку процесу, що протікає в одній із двох можливих форм:

• дійсного відновлення (самовідновлення) частково втраченого екологічного потенціалу;

• змішаного (або комплексного) відновлення, що включає в себе
ряд відновлювальних заходів, які в поєднанні з природними процесами самовідновлення дають найбільший ефект збереження та відтворюваності природних ресурсів.

Поняття екологічної рівноваги екосистеми в природі має глибокий сенс, оскільки воно опирається на систему наукових знань і уявлень про стан і властивості біогеоценозів. Природний баланс внаслідок закономірної антропогенної зміни має тенденцію зсуву, що проявляється у формах одиничного або загального явища, у вигляді явного або неявного наслідку, значних диспропорцій і т.д. Тому поняття екологічної рівноваги екосистеми умовне з погляду гранично допустимих норм за всіма екологічними критеріями.

Однак поняття гранично допустимої норми (або гранично допустимої втрати) вимагає глибокого обґрунтування з точки зору:

• локального екологічного стрибка (або інтенсивності місцевих втрат
даного виду);

• можливості розвитку необоротних зрушень екологічної рівноваги;

• характеру екологічної протидії (екологічної реакції) на
функціонуючий об'єкт;

• потенційних екологічних резервів у розглянутому інтервалі
взаємодії штучного об'єкту з навколишнім середовищем.

У загальному випадку джерела забруднення природного середовища можна класифікувати за:

- походженням — штучні — антропогенні (питома вага близько 90% загального обсягу) і природні;

- місцем надходження — континентальні, морські і атмосферні;

- часовою ознакою — постійні, епізодичні, разові, випадкові;

- просторово-часовою ознакою — фіксовані та нефіксовані і т.ін.

ІНЖЕНЕРНА ЕКОЛОГІЯ

ЛЕКЦІЯ 11, 12

Розділ 2

Характеристика взаємозв’язків у системі „людина-природа”