Учебник
города
П о д общей редакцией д о к т о р а т е х н и ч е с к и х наук,
п р о ф е с с о р а С т о л ь б е р г а Ф.В.
Допущено Министерством образования Украины
как учебник для студентов высших учебных заведений
Решение коллегии № 13/6-18 от 24 ноября 1999 г.
Киев " Л и б р а " 2000
ББК
Э
УДК
28.081я7
35
504.75
Рецензенты: В.Я. Шевчук, д-р экономических наук, профессор, министр охраны окр>
ж а ю щ е й природной среды и ядерной безопасности У к р а и н ы
И.Г. Черванёв, д-р технических наук, профессор, зав. кафедрой соц.
экон. географии, природоохранного м е н е д ж м е н т а и геоинформатикр
Харьковского национального университета, член У М К по экологии Мин
образования Украины
Общее редактирование — Ф.В. Стольберг, д-р технических наук, профессор, зав. ка
федрой и н ж е н е р н о й э к о л о г и и г о р о д о в Х а р ь к о в с к о й г о с у д а р с т в е н н о й а к а д е м ш
городского хозяйства (ХГАГХ), лауреат Государственной премии
Научное редактирование — В.Н. Ладыженский, кандидат технических наук, доцен
кафедры и н ж е н е р н о й экологии городов Х а р ь к о в с к о й г о с у д а р с т в е н н о й а к а д е м ш
городского хозяйства (ХГАГХ)
г
•
Э 35
»
Экология города: Учебник. — К.: Л и б р а , 2000. — 464 с.
ISBN 966-7035-29-8
Рассмотрены экологические проблемы городов, которые к концу XX века стали
преимущественным местом обитания человека. Описаны источники воздействия на
природную среду города и мероприятия по защите атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного покрова, геологической среды и зеленых насаждений в пределах городской черты. Дан анализ экологической обстановки более чем
в 80 городах Украины.
Отличительной особенностью настоящего издания является комплексное рассмотрение и и н ж е н е р н ы й подход к решению экологических проблем городов.
Предназначена для студентов высших учебных заведений по специальности "Экология и охрана окружающей природной среды", а также для специалистов-экологов, работников городской и районной администрации.
ISBN 966-7035-29-8
ББК 28.081я7
П1ВДЕННИЙ Ф1Л1АЛ
"КРИМСЬКИЙ А Г Р О Т Е Х Н О Л О П Ч Н И Й
УНИВЕРСИТЕТ" НАУ
Коллектив авторов, 2000
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
7
Раздел 1. Город и городская среда
9
1.1. Основные понятия
9
1.2. История и перспективы урбанизации
18
1.3. Городское хозяйство
23
1.4. Ресурсопотребление городов
26
Контрольные вопросы
27
Рекомендуемая литература
28
Раздел 2. Геологическая среда города
29
2.1. Антропогенные изменения рельефа
29
2.2. Почвы городских территорий
30
2.3. Литогенная основа городских территорий
38
2.4. Опасные геологические процессы на городских территориях
47
2.5. Защита городских территорий от опасных геологических процессов
58
Контрольные вопросы
62
62
Рекомендуемая литература
Раздел 3. Водная среда города
63
3.1. Водные объекты городов
63
3.1.1. Родники в городской черте
65
3.2. Использование водных объектов города
68
3.2.1. Централизованное водоснабжение
68
3.2.2. Децентрализованное водоснабжение
70
3.2.3. Рациональное использование водных ресурсов
71
3.3. Оценка состояния водных объектов
74
3.3.1. Показатели качества воды
74
3.3.2. Методика оценки качества воды
3.4. Источники воздействия на водные объекты
78
.Т...л
$
3.5. Системы водоотведения и очистки сточных вод
81
86
3.5.1. Системы водоотведения
86
3.5.2. Общегородские очистные сооружения
90
3.5.3. Очистные сооружения небольших населенных пунктов
93
3.5.4. Методы очистки производственных сточных вод
95
3.5.5. Условия приема производственных сточных вод в городскую систему
водоотведения
ЮЗ
3.5.6. Условия сброса сточных вод в водные объекты
104
3.6. Поверхностный сток с городской территории и территорий промышленных
предприятий
107
3.7. Процессы формирования качества поверхностных вод
113
3.7.1. Гидравлические процессы формирования качества воды
114
3.7.2. Самоочищение водных объектов
117
3.8. Методы защиты и восстановления поверхностных водных объЛсгов
124
3.8.1. Уменьшение внешнего воздействия на поверхностные водные объекты
124
3.8.2. Интенсификация внутриводоемных процессов
125
3.9. Прогнозирование состояния поверхностных вод
128
3.10. Формирование подземных вод на урбанизированных территориях
139
Содержание
4
3.11. Охрана подземных вод от истощения и загрязнения
144
3.12. Методы пополнения запасов подземных вод
145
3.13. Зоны санитарной охраны скважинных водозаборов
146
3.14. Прогнозирование состояния подземных вод
147
3.14.1. Прогноз состояния подземных вод в связи с их эксплуатацией
147
3.14.2. Прогноз загрязнения грунтовых вод вблизи хранилищ жидких отходов
150
3.14.3. Самоочищение подземных вод
152
3.14.4. Моделирование гидрогеологических процессов
153
Контрольные вопросы
154
Рекомендуемая литература
155
Раздел 4. Воздушная среда города
156
4.1. Атмосферный воздух. Основные понятия, определения и характеристики
4.1.1. Состав, строение, свойства и функции атмосферы
156
156
4.1.2. Характеристика загрязняющих атмосферу веществ и классификация
источников загрязнения
159
4.1.3. Нормирование качества атмосферного воздуха
163
4.2. Основные источники образования и выбросов загрязняющих атмосферу веществ... 166
4.2.1. Источники образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ
по отраслям промышленности
167
4.3. Процессы формирования состава атмосферного воздуха в населенном пункте
4.3.1. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере
179
179
4.3.2. Трансформация примесей в атмосфере
188
4.3.3. Смоги
192
4.4. Мероприятия по защите воздушного бассейна
193
4.4.1. Санитарно-защитные зоны
193
4.4.2. Архитектурно-планировочные мероприятия
195
4.4.3. Инженерно-организационные мероприятия
*»
*
4.4.4. Малоотходные и безотходные технологии
4.4.5. Технические средства и технологии очистки выбросов
4.5. Контроль уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах
4.5.1. Система контроля
196
197
197
209
209
4.5.2. Методы контроля и приборы для измерения концентрации примесей
в атмосфере и в промышленных выбросах
212
4.5.3. Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пунктов ... 215
4.6. Выполнение требований международных конвенций по защите атмосферы
219
4.7. Микроклимат городской среды
220
4.8. Вредные физические воздействия
225
4.8.1. Радиационное воздействие
225
4.8.2. Магнитные, электрические и электромагнитные поля и излучения
228
4.8.3. Акустические воздействия и вибрация
232
Контрольные вопросы
234
Рекомендуемая литература
235
Раздел 5. Городская флора и фауна
5.1. Пути и особенности формирования флоры и фауны городов
236
236
5
Содержан ие
5.1.1. Роль растительного и животного мира в урбоэкосистеме и жизни
городского населения
236
5.1.2. Роль городов в динамике ареалов видов флоры и фауны
239
5.1.3. Пути формирования флоры и фауны городов
245
5.2. Урбанизированные биогеоценозы
248
5.2.1. Антропогенный и урбанизированный ландшафт
249
5.2.2. Урбанизированные биотопы
253
5.3. Фитомелиорация городской среды
260
5.3.1. Функции растительного покрова в городах
260
5.3.2. Фитомелиоративные системы и их классификация
262
5.3.3. Свойства растений, используемых в составе городских и пригородных
насаждений
264
5.3.4. Принципы создания насаждений в городах и пригородных зонах
269
5.4. Комплексные зеленые зоны городов
271
5.4.1. Назначение, структура и статус комплексных зеленых зон городов
271
5.4.2. Выделение и определение размеров зеленых зон городов Украины
273
5.4.3. Охрана и использование лесов зеленых зон городов
274
Контрольные вопросы
276
Рекомендуемая литература
276
Раздел 6. Человек и городская среда
277
6.1. Преимущества и привлекательность городской жизни
277
6.2. Негативные воздействия городской среды на население
278
6.3. Городская среда и здоровье населения
280
Контрольные вопросы
282
Рекомендуемая литература
282
Раздел 7. Энергетические объекты городов — основной техногенный фактор
воздействия на биосферу
А».
7.1. Структура и тенденции развития энергоснабжения
7.2. Традиционная энергетика
283
283
289
7.2.1. Основные типы электрических станций
289
7.2.2. Энергогенерирующие мощности Украины
291
7.3. Объекты малой энергетики
294
7.4. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
295
7.5. Воздействие энергетических объектов на окружающую природную среду
296
7.5.1. Взаимодействие ТЭС и окружающей среды
298
7.5.2. Взаимодействие АЭС и окружающей среды
301
7.5.3. Взаимодействие ГЭС и окружающей среды
303
7.5.4. Экологические аспекты нетрадиционной энергетики
304
7.6. Энергоснабжение и экологическая ситуация в Украине
307
Контрольные вопросы
309
Рекомендуемая литература
309
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
310
8.1. Состав, свойства и объем твердых бытовых отходов
311
8.2. Сбор, удаление и утилизация ТБО
318
8.3. Уборка городских территорий
323
6
Содержание
8.4. Полигоны твердых бытовых отходов
324
8.5. Мусороперерабатывающие заводы
330
8.6. Мусоросжигательные заводы
334
8.7. Характеристика твердых промышленных отходов
337
8.8. Методы подготовки и переработки твердых отходов
338
8.9. Технология складирования твердых отходов
344
8.10. Утилизация промышленных отходов
348
8.10.1. Утилизация отходов топливно-энергетического комплекса
348
8.10.2. Утилизация отходов металлургического комплекса
353
8.10.3. Утилизация отходов машиностроительного комплекса
360
8.10.4. Утилизация отходов химического производства
362
8.10.5. Утилизация отходов переработки древесины
373
8.10.6. Утилизация отходов производства строительных материалов
376
8.11. Полигоны твердых промышленных отходов
377
Контрольные вопросы
379
Рекомендуемая литература
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
380
381
9.1. Крупнейшие индустриальные центры
383
9.2. Крупные портовые города
390
9.3. Города с преимущественным развитием определенной отрасли производства
395
9.4. Города, пострадавшие от катастрофы на Чернобыльской АЭС
410
9.5. Города с относительно благополучной экологической обстановкой
412
9.6. Города-курорты и туристские центры
414
Контрольные вопросы
418
Рекомендуемая литература
418
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
419
10.1. Правовые основы управления
419
10.2. Организационная система управления
428
10.3. Экологический мониторинг городской среды
430
10.4. Экономический механизм природопользования
434
10.5. Экологическая экспертиза и экологический аудит
436
10.6. Общественные экологические организации и движения
438
Контрольные вопросы
440
Рекомендуемая литература
Раздел 11. Развитие городов XXI столетии
440
441
11.1. Общие положения и проблемы
441
11.2. Стратегии адаптации и выживания
444
11.3. Развитие теории урбанизации
447
11.4. Первые шаги в решении проблемы развития городов в будущем
450
Контрольные вопросы
457
Рекомендуемая литература
457
Список сокращений
459
Словарь терминов
460
Предметный указатель
463
ВВЕДЕНИЕ
•
Стремительное развитие городов во всем мире и рост их влияния на природу и
судьбу цивилизации обусловили активное развитие в последнее тридцатилетие науки
урбоэкологии. Она превратилась из отдельной научной ветви биологии в научную
дисциплину очень важного прикладного характера, обеспечивающую решение проблем локального и регионального планирования, а т а к ж е экологизации человеческой
деятельности. Сегодня урбоэкология развивается с учетом вклада в формирование ее
концептуальных положений не только таких наук, как биология, почвоведение, инженерная геология, геоморфология, гидрология, но и таких, как экономика, социология, демография, психология и др. Необходимость решения тесно взаимосвязанных социальных и природоохранных проблем привела к высокой степени интеграции, а новая наука — теория развития городов — ориентирована не только на изучение
вопросов и проблем, связанных с улучшением условий жизнедеятельности больших
и малых городов, решением специфических эколого-экономических национальных
вопросов, менеджментом региональных городских агломераций, но также и на глобальное рассмотрение процессов урбанизации.
В связи с этим резко возросла потребность в специалистах-урбоэкологах нового
поколения, воспитанных и обученных с учетом новых подходов к р е ш е н и ю урбоэкологических проблем современности.
Однако серьезным препятствием в деле подготовки высококвалифицированных
урбоэкологов нового поколения продолжительное время было отсутствие соответствующих учебников и пособий по экологии городов.
Издание настоящего учебника является первой попыткой восполнить этот пробел.
Впервые подготовка инженеров-экологов в Украине была начата в Харьковской
государственной академии городского хозяйства (в 1988 г. здесь был открыт факультет инженерной экологии городов и создана одноименная кафедра). За этот период
авторами накоплен значительный опыт в изучении урбоэкологических проблем и
подготовке специалистов-урбоэкологов.
Новая ключевая идея подготовки инженеров-экологов на базе настоящего учебника состоит в том, чтобы будущий специалист научился оценивать экологическую
обстановку во всех элементах городской экосистемы: социосфере, биосфере, литосфере, гидросфере и атмосфере, предлагать и обосновывать инженерные решения по
снижению техногенного воздействия на природную среду в целях нормализации экологической обстановки, проводить экологическую экспертизу действующих и проектируемых объектов, разрабатывать технологии защиты и восстановления городских
экосистем.
В учебнике впервые не только исследован весь комплекс важнейших экологических проблем, порожденных процессами урбанизации, но также показаны пути нормализации экологических условий в городских агломерациях, приведена характеристика
современных экологических условий большинства крупных городов Украины.
Учебник состоит из 11 логически взаимосвязанных разделов, в которых всесторонне освещены наиболее актуальные экологические проблемы городов. В первом
8
Экология города
разделе приведены основные понятия урбоэкологии, предмет, объект, цели, задачи и
методология исследования. Второй раздел посвящен рассмотрению геологических
фундамента и процессов, мерам по защите геологической среды города. В третьем
рассматриваются вопросы водообеспечения горожан, мероприятия по охране и восстановлению городских водных объектов. Четвертый раздел освещает состояние и
пути улучшения качества атмосферного воздуха — наиболее значимого для горожан
компонента природной среды. В пятом описываются особенности формирования,
пути сохранения и развития городской флоры и фауны. В шестом дан краткий анализ экологических, психосоциальных и некоторых медицинских проблем горожан. В
седьмом разделе исследуются наиболее распространенные и опасные в экологическом отношении энергетические объекты городов. В восьмом предлагаются мероприятия по удалению, утилизации и складированию твердых бытовых и производственных отходов. В девятом разделе на основе предложенной классификации анализируется экологическая обстановка в ряде городов Украины. В десятом дано краткое
описание правовых, организационных, экономических и социальных аспектов управления экологической безопасностью города. В одиннадцатом разделе сделана попытка заглянуть в ближайшее будущее урбанизации, дать прогноз развития городов в
XXI веке.
При написании учебника учтен отечественный и зарубежный опыт преподавания инженерно-экологических дисциплин, накопленный в результате многолетнего
сотрудничества кафедры инженерной экологии городов с высшими учебными заведениями Украины и ведущими университетами Великобритании, Германии, Финляндии и ряда других стран, а также стажировок преподавателей кафедры инженерной экологии городов в университетах США и Европы.
Учебник подготовлен авторским коллективом в составе:
Белявский Г.А. (11), Брыгинец Е.Д. (8.7—8.11), Вергелес Ю.И. (1.1; 5, кроме 5.4),
Дмитренко Т.В. (3.1.1), Евтухова Г.П. (4.1; 4.3.3; 4.6), Катков М.В. (10.4), Коваленко Ю.Л. (1.3; 4.2; 4.3, кроме 4.3.3; 4.4; 4.5), Ладыженская Р.С. (6; 9.6), Ладыженский В.Н. (3.1, кроме 3.1.1; 3.2, кроме 3.2.2; 3.5, кроме 3.5.6; 9, кроме 9.6; 10, кроме
10.4), Маляренко В.А. (7), Немцова А.А. (3.4; 3.6; 3.9 совместно со Стбльбергом Ф.В.),
Пономаренко Е.Г. (3.3; 3.5.6; 3.7; 3.8), Саратов И.Е. (8.1—8.6), Свиренко Л.П. (2; 4.8),
Спирин А.И. (4.7; 5.4; словарь терминов), Стольберг Ф.В. (Введение; 1.2; 1.4; 3.9 совместно с Немцовой А.А.), Яковлев В.В. (3.2.2; 3.10—3.14) под общей редакцией д.т.н.,
проф. Ф.В. Стольберга. Большую помощь в подготовке рукописи к изданию оказала
Т.П. Коваленко.
Учебный материал подготовлен при частичной поддержке Европейского союза
в рамках образовательного проекта T E M P U S — T A C I S и исследовательского проекта
INKO—COPERNICUS.
Раздел 1
ГОРОД И ГОРОДСКАЯ СРЕДА
*
1.1. Основные понятия
Город — это место компактного поселения людей, отгороженное крепостной стеной или условной границей от "внешнего" по отношению к нему
пространства. Изначально такие ограждения были неотъемлемой чертой городов, служивших их жителям защитой от агрессивных соседей.
Современный город — это достаточно крупный населенный пункт, жители которого в основном заняты в сферах промышленности, услуг, управления, науки, культуры и др. Существенными признаками города являются:
• преобладание застроенной части территории над незастроенной, искусственных и видоизмененных естественных покрытий над естественными неизмененными;
• наличие, а зачастую и преобладание многоэтажной застройки;
• наличие промышленных предприятий и предприятий сферы услуг;
• развитая система общественного транспорта, наземных и подземных
коммуникаций;
• развитая торговая сеть;
• высокий уровень загрязненности окружающей среды (на 1—2 порядка
выше, чем на прилегающей к городу территории);
• так называемые "болезни урбанизации", в том числе связанные с быстрым распространением инфекций при высокой плотности населения и
интенсивных контактах друг с другом;
• наличие специально созданных рекреационных территорий общего
пользования;
• высокая плотность размещения учреждений образования, здравоохранения и культуры;
• культовые сооружения одной или нескольких конфессий;
• разнообразие социального выбора (по сравнению с сельской местностью);
• наличие одной или нескольких ежедневных газет, распространяемых не
только в городе;
• наличие пригородной зоны — переходной между городом и прилегающей к нему территории с преобладанием сельскохозяйственного производства; в эту зону из города постепенно переносятся наиболее вредные производства.
В разных странах исторически сложились неодинаковые подходы к определению минимальной численности жителей городского поселения — от не-
10
Экология
города
скольких сот человек до нескольких тысяч (табл. 1.1). Тем не менее, показатель численности населения городов широко используется в качестве классифицирующего признака.
у
В Украине приняты следующие категории городов по численности населения: до 50 ООО человек — малые, от 50 ООО до 100 000 — средние, от 100 000
до 250 000 — большие, от 250 000 до 500 000 и от 500 000 до 1 000 000 крупные, свыше 1 000 000 человек — крупнейшие.
Таблица 1.1. Критерии численности населения д л я выделения городов
в разных странах (по Beaujeu-Garnier, Chabot)
Страны
Минимальная численность населения, принятая для определения
статуса города, человек
Дополнительные критерии
Дания
250
Исландия
300
Канада, Малайзия, Шотландия
1000
Ирландия
1500
Аргентина, Португалия,
Франция, Германия,
Чехия, Словакия
2000
США, Таиланд
2500
Южная Корея
4000
Индия, Турция, Грузия,
Туркменистан
5000
Менее 25% населения города
в Грузии и 33% в Туркменистане заняты в сельском
хозяйстве
Украина, Молдова, Греция,
Испания
10 000
Менее 50% населения города
в Украине и Молдове заняты
в сельском хозяйстве
Российская Федерация
12 000
Менее 15% населения города
заняты в сельском хозяйстве
Количественный критерий не применяется
Городом считается центр не
сельскохозяйственного
производства и услуг
Израиль, Боливия, Бразилия, Коста-Рика, Эквадор, Сальвадор, Гаити,
Гондурас, Никарагуа
Англия и Уэльс, Болгария, Статус города определя- В Финляндии менее 50%
Венгрия, Новая Зеландия,
ется законодательно
населения города занято в
Норвегия, Парагвай, Польсельском хозяйстве
ша, Румыния, Финляндия,
Швеция, ЮАР, Япония
Раздел 1. Город и городская среда
11
В 1949 г. Европейская конференция по статистике, проходившая под эгидой ООН в Праге, рекомендовала считать городом компактное поселение с
минимальной численностью населения 2000 человек, причем при числе жителей менее 10 ООО человек доля занятого в сельском хозяйстве населения не
превышает 25%*от общей численности. Компактное поселение численностью более 10 000 человек автоматически считается городом. Тем не менее
какого-либо универсального критерия или совокупности критериев, позволяющих отнести то или иное поселение к городу, не существует. Категория
города присваивается населенному пункту согласно действующему национальному законодательству.
Сущность урбанизации. Возникновение и постоянное увеличение площади и численности населения городов, приобретение сельскими поселениями
городских признаков, повышение роли городов в социально-экономическом
развитии общества, формирование городского населения, ведущего специфический образ жизни, а также «городских» популяций растений и животных составляет сущность процесса, называемого урбанизацией (от лат. urbanus
— городской).
Показатель урбанизированности страны или региона — это доля населения,
проживающего в городах. Сравнение уровней урбанизации различных стран осуществляется с использованием данных национальных переписей населения.
В настоящее время наиболее урбанизированными (не считая таких городов-государств, как Сингапур и Гонконг) являются Великобритания (92%
населения проживает в городах), Кувейт (91%), Израиль (90%), Австралия
(85%), Швеция (83%). Наименьшие показатели урбанизированности (7—10%)
характерны для развивающихся стран Африки и Южной Азии. В Украине в
настоящее время каждые два жителя из трех проживают в городах. Различия
уровней урбанизации прослеживаются и по континентам в целом (табл. 1.2).
Демографический взрыв в XX столетии сопровождался интенсивным увеличением численности городского населения. Эта тенденция прогнозируется
и в наступившем столетии. Двадцатый век по праву считается веком урбанизации (урбанистическая революция, исход в города). Тем не менее только
лишь рост количества городов и общая численность городского населения в
той или иной стране не могут считаться истинными показателями урбанизации. В развивающихся странах Азии, Африки, Латинской Америки наблюдается явление так называемой "ложной урбанизации": доля городского населения быстро растет, но степень урбанизированности не увеличивается, поскольку мигранты из сельской местности долго сохраняют прежний уклад
жизни в "поясах нищеты" на окраинах городов. В развитых странах показатель урбанизированности остается высоким и без увеличения доли городского населения. Например, в США распространение городского уклада сопровождается снижением доли населения, проживающего в городах. Поэтому
можно сделать вывод, что городским считается население, ведущее особый —
городской — образ жизни.
Как атрибуты двух различных социальных групп городской и сельский
образы жизни отличаются друг от друга. Каждый из них имеет свои преиму-
12
Экология
города
щества и недостатки. Так, "среднестатистический" житель города по сравнению со "среднестатистическим" жителем сельской местности имеет более
широкий выбор товаров и услуг, которые он потребляет, не выходя за пределы своего населенного пункта, возможность получить хорошее образование и
профессионально реализовать себя, доступ к культурным ценностям и информационным ресурсам. Уровень профессиональной специализации индивидуумов также выше в городах. Горожане намного чаще пользуются общественным и личным транспортом для перемещения внутри и за пределы своего населенного пункта. Места проживания и работы горожанина, как правило,
пространственно разобщены, в то время как усадьба и земельный участок
сельского жителя (ферма) являются и местом проживания, и главной производственной единицей в сельской местности. Исключение составляют коллективные сельхозпредприятия, все еще доминирующие в сельском хозяйстве Украины, некоторых странах СНГ и Восточной Азии. Но даже и в этом
случае все сказанное является справедливым по отношению к личному хозяйству сельских жителей. Средние уровни энерго- и водопотребления горожан значительно выше, чем жителей сельской местности.
Таблица 1.2. П о к а з а т е л и у р б а н и з и р о в а н н о с т и населения Земли
(по состоянию на 1.01.1995)
Континент
Австралия
и Океания
Общая
ЧисленДоля стран (%) с показателями урбанизиро- Средчисленность гованности
няя
ность насе- родского
урбаления,
населения, < 20% 20-40% 40низи60- > 80% нет
млн. чел.
млн. чел.
рован60% 80%
данность,
ных
%
27,9
19,6
25,00
25,00
0,00
0,00
16,67
33,33
70,25
3322,6
1097,1
15,91
25,00 22,73
18,18
13,64
4,55
33,02
Америка
(Северная)
386,2
286,5
0,00
0,00 100,00
0,00
0,00
74,17
Америка
(Центральная
и Южная)
382,2
268,0
0,00
18,75 37,50
18,75
15,63
9,38
70,12
Африка
720,4
222,2
15,38
51,92 21,15
5,77
1,92
3,85
30,84
Европа
750,0
535,7
0,00
6,67 24,44
40,00
20,00
8,89
71,43
Азия
0,00
Распространенная в Украине, ряде стран СНГ и Восточной Европы практика садоводства и огородничества горожан на индивидуальных участках
как в городской черте, так и за ее пределами, равно как и летние дома
городских жителей Западной Европы в сельской местности, скорее закрепляют городской образ жизни, чем являются возвратом к традиционно сель-
Раздел 1. Город и городская среда
13
скому укладу. Потребности в отдыхе и восстановлении сил горожан удовлетворяются в основном на специально оборудованных для этих целей территориях — парках, садах, лесопарках, спортивных комплексах. Отдых как
времяпровожденир "без цели" является признаком городского уклада, в то
время как для сельского жителя отдых есть своего рода смена вида активности. Туризм и спорт как виды активного отдыха могут также рассматриваться в качестве порождения городского уклада. Политическая жизнь человека
практически всецело сосредоточена в городах. А м е р и к а н с к и й географ
Т.Хартсхорн (1992), характеризуя городской образ жизни, отмечает более
высокие темпы и степень организованности городской жизни, более жесткое планирование деятельности, требования большей определенности и пунктуальности по сравнению с более размеренным, "неопределенным" и менее "жестким" сельским укладом. В целом, по замечанию немецкого социолога прошлого века Тенниса (1887), сельская жизнь проходит в рамках
общины (community), в то время как городской уклад характеризуется жизнью в обществе (society).
С другой стороны, высокая плотность населения и постоянная конкуренция на рынке труда делают жизнь горожанина более насыщенной стрессами.
Кроме того, считается, что вызванный развитием промышленности и транспорта высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и
подземных вод, почв в городах сказывается в изменении частоты и структуры
общих и специфических патологий у городского населения, по сравнению с
сельским. В городах ниже рождаемость, чем в сельских поселениях, что дает
повод рассматривать урбанизацию как фактор регуляции численности населения в глобальном масштабе. В городах Европы и Северной Америки выше
доля женщин и уроженцев других стран, а показатели жизнеспособности
мужской части популяций ниже, чем в сельской местности того же региона.
Среди социальных "болезней", уровень которых выше в городах, — нерешенный жилищный вопрос, преступность, наркомания. С этим, по-видимому, связано большее число самоубийств в городах. Высокая численность и
плотность населения в городе изменяют и характер социальных контактов
городских жителей. Разрушение семейных связей, сужение "ближнего круга"
общения приводят к большей замкнутости и отчуждению личности в городе
по сравнению с жизнью "на виду" в селе, где члены общины связаны тесными соседскими и родственными отношениями. Индивидуализм, рационализм
и прагматизм городской жизни противопоставляются традиционному общинному укладу селян.
Идеализация села и "демонизация" города, равно как и обратная тенденция, находили свое отражение в литературе и произведениях искусства, по
крайней мере, начиная с античности, хотя противников урбанизации всегда
было больше. Тем не менее вряд ли есть основания считать урбанизацию
чем-то противоестественным для человека, учитывая хотя бы тот факт, что
около половины населения Земли уже проживает в городах. Урбанизация
имеет как социально-экономические, так и биологические корни. Среди причин, вызвавших рост городов и их роли в мировом и национальных хозяйствах, называют необходимость:
14
Экология города
1) накопления и распределения природных и человеческих ресурсов, концентрации производства, обмена, управления на небольшой площади
с целью их более эффективного использования;
2) наибольшего удовлетворения разнообразных общественных и индивидуальных потребностей человека — биологических, психологических,
этнических, трудовых, экономических, социальных.
С другой точки зрения, урбанизация — это развитие "видовой программ ы " homo sapiens, а город является одним из типов местообитания человека,
то есть частью его генеральной пространственной экологической ниши. Процесс урбанизации носит глобальный характер и, таким образом, является
фактором преобразования географической оболочки Земли в целом. Несмотря на различные точки зрения на суть урбанизации, а также ее последствия,
бесспорным является то, что в процессе урбанизации происходят существенные изменения как биологических и социальных характеристик человека,
так и среды его обитания (подробнее см. разд. 11).
Окружающая среда города. Город, как феномен социально-экономической активности человека, является вместе с тем и специфической средой его
обитания. Она включает все внешние по отношению к человеку или обществу объекты, обеспечивающие условия его существования и оказывающие
на него то или иное влияние. Термин "окружающая среда" (англ. environment,
нем. Umwelt, т. е. внешний мир, укр. довкыля) принято применять только по
отношению к человеку или человеческому обществу. Применительно к другим организмам используются понятия "внешняя среда", "среда обитания".
Употребление термина "окружающая среда" безотносительно к субъекту (т.е.
окружающая среда может быть только чья-то) также является бессмысленным.
Окружающая среда города (синонимы — городская среда, урбанизированная среда) — это часть географической оболочки (глобальной среды обитания
человека и всех других живых организмов), 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 и их социальные группы.
Природные компоненты представлены физическими телами и полями, являющимися объектами физической среды обитания, и отличными от человека живыми организмами, являющимися объектами биотической среды обитания.
В свою очередь, физическая среда обитания подразделяется на воздушную, водную, геологическую среду. Физическая среда иначе называется абиотической.
Состав биотической среды, а также роль живых организмов в жизни города и аспекты взаимодействия человека с живыми компонентами освещены в
р а з д е л е 5.
Искусственные компоненты — это физические или духовные объекты: предметы, средства и результаты деятельности человека как познающей субстанции. Сюда относятся не только жилища, производственные, деловые и куль-
Раздел 1. Город и городская среда
15
товые 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 (объекты искусственной техногенной среды), но и
объекты духовно-культурной среды — результаты проявления человеческого
духа, как выраженные 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.
Наконец, люди, объединяемые в половозрастные, психологические, социальные, профессиональные и этнокультурные группы, также являются компонентами городской среды и составляют социально-психологическую среду
обитания.
Таким образом, городская среда подразделяется на (1) физическую (абиотическую), (2) биотическую, (3) искусственную техническую, (4) искусственную духовно-культурную и (5) социально-психологическую среду (рис. 1.1).
Урбогеосоциосистема. Города представляют уникальное сочетание места
и населяющих его людей и своим происхождением и развитием обязаны социально-экономической активности человека. Город занимает определенную
часть земной поверхности, имеет в составе популяцию человека с высоким
показателем плотности, производственный комплекс, инфраструктуру и специфическую природную, искусственную и социально-культурную среду обитания и, таким образом, представляет собой урбогеосоциосистему, или, сокращенно, урбосистему (Голубец, 1994, рис. 1.2). Социальный блок в такой
системе выполняет системообразующую и управляющую функции.
Города являются открытыми системами, элементы которых связаны между
собой и со своей внешней средой потоками энергии, вещества и информации. Город потребляет ресурсы энергии в виде ископаемого топлива и пищи,
воды, использует поступающие извне информационные ресурсы, "вбирает" в
себя новых обитателей. Результат функционирования городской системы выражается не только в производстве материальных и духовных благ, новой
информации, но и значительного количества твердых, жидких и газообразных отходов, являющихся загрязнителями окружающей природной среды, и
разного рода воздействий, изменяющих местный климат (рис. 1.3).
Природная подсистема урбогеосоциосистемы, через которую город "вмонтирован" в структуру биогеоценотического покрова Земли и через которую
он 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), климатических условий, количества поступающих загрязнений.
16
Экология
Рис. 1.1. Окружающая среда города
города
Рис. 1.3. Город как открытая система — объект экологического исследования
В этой зависимости заложены определенные возможности управления
состоянием урбоэкосистемы путем уменьшения поступления загрязняющих
примесей и соответствующей организацией городского пространства, например, улучшением условий проветривания городской территории за счет рациональных архитектурно-планировочных решений, перенесением транспортных пшено® # дФьёзд города, увеличением площади зеленых насаждений и
fie^w^'-flrb^wiaf^M: и т.д.
18
Экология города
Взаимодействие урбоэкосистемы,
технической
и
социально-экономической
подсистем урбогеосоциосистемы. Город формируется на основе природной экосистемы, которая изменяется и функционирует под влиянием техногенных и
социальных факторов. К техногенным факторам относятся архитектурно-планировочное решение городов, промышленное производство, транспортные
потоки и другие виды хозяйственной деятельности. К социальным — управление функционированием городского комплекса через органы власти и средства массовой информации, демографические процессы и т.д.
Таким образом, город представляется как комплексная система, в состав
которой входит:
• урбоэкосистема, т.е видоизмененная под воздействием человека природная экосистема городской территории;
• социальная подсистема, т.е функционально дифференцированная совокупность людей, или социосфера города;
• промышленный комплекс, или техносфера города.
Причем социосфера берет на себя "представление интересов" природной
экосистемы перед техносферой, соответственно ограничивая негативные воздействия последней.
Урбоэкология как прикладная наука изучает экологические проблемы городов и формирует оптимальные пути их решения.
Объектами урбоэкологии являются урбогеосоциосистемы в их совокупности, а также отдельные биотические и абиотические компоненты городской среды.
Предмет исследований — состояние и прогнозирование путей развития
урбогеосоциосистемы в целом и взаимное воздействие ее отдельных компонентов, а также влияние городской среды на прилегающие к городу территории и их биогеосистемы.
Основными задачами урбоэкологии как науки являются изучение масштаба и интенсивности антропогенного и технического воздействия на урбогеосоциосистему, определение допустимого уровня такого воздействия, разработка мероприятий, обеспечивающих стабильное поддержание допустимого уровня воздействия, прогнозирование возможных отдаленных последствий
этого воздействия и соответствующая корректировка системы средозащитных мероприятий.
1.2. История и перспективы урбанизации
Первые города на нашей планете появились бо^ее 5000 лет назад. Это
были небольшие компактные поселения людей, объединенных общими интересами: безопасность, возделывание земли, скотоводство. Символом древнего города была крепостная стена, которая защищала жителей. Население
этих городов составляло несколько тысяч человек, а их небольшая террито-
Раздел 1. Город и городская среда
19
рия была окружена пастбищами. Размеры этих поселений обычно лимитировались расстоянием, которое человек мог пройти пешком.
Возникали древние города в основном в долинах и поймах рек, таких как
Нил, Тибр, Евфрат, Инд, Хуанхэ, наиболее благоприятных для земледелия и
выпаса скота.
Улучшенные условия жизни в этих поселениях, большая безопасность, возможность общения между людьми постепенно активизировали рост древних
городов. Так начали возникать достаточно крупные города-государства, такие
как Рим, население которого к началу нашей эры достигло 1 млн человек,
Афины, Спарта и некоторые другие. Эти города дали человеческой цивилизации фундаментальные основы государственного устройства и юриспруденции,
культуры и искусства, военного мастерства и воспитания молодежи.
Однако это еще не были города в современном понимании, поскольку
представляли собой просто очень разросшиеся деревенские поселения с отдельными крупными строениями, хотя условия жизни в них, во всяком случае для элиты, по уровню удобств были достаточно комфортными.
Процесс формирования городов можно условно подразделить на три стадии. На первой стадии урбанизации, которая длилась до XVI—XVII века,
горожане в основном использовали местные источники питания и воды, энергию водяных и ветряных мельниц, лошадей и других домашних животных, в
производстве преобладал ручной труд. Отходы, поступающие в окружающую
среду, представляли собой в основном продукты жизнедеятельности людей и
домашнего скота. Экологические проблемы древних городов были связаны с
загрязнением этими отходами источников водоснабжения и, как следствие,
периодическими вспышками инфекционных заболеваний.
Вторая стадия урбанизации совпала с развитием сухопутного и водного
транспорта, дорог, открытием возможностей использования тепловой энергии для транспортных и производственных целей.
В XVI веке отмечается крупный рост количества городов и численности
их населения. На этой стадии уровень воздействия промышленной составляющей города на окружающую природную среду в основном не превышал
пределов ее самоочищающей способности.
Начало третьей стадии урбанизации относится к XIX веку и связывается
с промышленной революцией, ознаменовавшейся резким увеличением воздействия на природную среду.
К 1900 г. первой урбанизированной страной в современном понимании
стала Великобритания, а ко второй половине XX столетия практически все
индустриальные страны превратились в урбанизированные.
Ускоряющийся темп урбанизации на современном этапе связан с дальнейшим расширением энергетических потребностей общества, появлением и
развитием новых типов транспорта, увеличением системы коммунальных услуг, высоким уровнем комфорта жизни, интеллектуального общения.
На рубеже XX и XXI веков население Земли, по данным ООН, достигло
6 млрд человек (рис. 1.4). При этом темпы роста населения резко усилились
20
Экология
города
во второй половине XX столетия. К этому же периоду приурочено резкое
увеличение городского населения, численность которого на рубеже веков приблизилась к 3 млрд человек, что составляет половину населения Земли.
Рис. 1.4. Рост численности населения мира
Доля крупных городов с населением 1 млн человек и более в общей численности городского населения промышленно развитых стран составляет
около 30%, а в развивающихся — менее 10%. По состоянию на 1.01.1997 в
мире насчитывалось 94 города с население свыше 2 млн человек. При этом
число крупных городов растет во всех странах.
Особенностью современного этапа урбанизации является укрупнение городов, слияние близко расположенных городов и поселков в единый гигантский городской комплекс — мегаполис. Примерами их являются Большой НьюЙорк, Бостон и Вашингтон, образовавшие гигант с населением более 30 млн
человек, так называемый «дельта-полис» в треугольнике Амстердам — Брюссель — Кельн с численностью населения около 50 млн человек, Большая Калькутта (30—40 млн человек), Иокогама — Кобэ — Нагоя — Осака — Токио,
занимающие площадь размерами 50x70 км, с населением около 60 млн человек
и др. В Украине подобные городские объединения сформировались в Донбассе: Горловка — Донецк — Макеевка, Краматорск — Константиновка — Славянск и др. Эти сверхгорода получили название конурбаций.
Каковы же перспективы процесса урбанизации? Ч'гобы ответить на этот
вопрос, необходимо рассмотреть современную структуру урбанизированных
территорий и попытаться выявить основные тенденции. Прежде всего, процесс урбанизации развивается весьма неравномерно. Интенсивность урбанизации в странах существенно зависит от уровня их промышленного развития.
Раздел
1.
21
Город и городская среда
В наименее индустриально развитых странах уровень урбанизации едва достигает 10%, а в наиболее развитых составляет 60—70%. По мере промышленного роста развивающихся стран степень их урбанизации будет стремиться к
уровню развитых § промышленном отношении государств. Это первый крупный резерв роста урбанизации. Второй резерв — это дальнейший рост городов промышленно развитых стран.
По некоторым прогнозам, в перспективе практически все население планеты будет жить в городах. В то же время во многих странах среди наиболее
зажиточных слоев населения наблюдается устойчивая тенденция селиться далеко за пределами городской черты, на благоприятных в экологическом отношении территориях, используя город в основном как место приложения труда
и затрачивая на ежедневные поездки туда и обратно по несколько часов.
Далее рассмотрим территориальный аспект урбанизации — современное
состояние и перспективы размещения городов на планете.
На рис. 1.5 показаны территориальные возможности урбанизации. Если
представить себе поверхность земного шара в форме квадрата А площадью
510 млн км , то общая площадь суши, равная 146 млн к м , может быть условно обозначена квадратом Б со сторонами около 12,1 тыс. км. Площадь суши,
пригодная к жизни по климатическим условиям, — квадрат В со сторонами
8400 км. При этом площадь, пригодная к городской застройке, отображается
как квадрат Г, стороны которого равны 5300 км. Внутри этого квадрата заштрихован меньший квадрат Д со сторонами около 2000 км, а его площадь
составляет не более 3% от общей площади суши, или 5% от площади суши,
пригодной к жизни по климатическим условиям, и 15% — от площади суши,
пригодной к городской застройке.
2
2
Рис. 1.5. Территориальные возможности развития урбанизации
22
Экология
города
Вот на такой территории в начале XXI века размещаются все города планеты, в которых проживает половина ее населения. При этом средняя плотность населения людей на Земле оценивается в 50 чел./км , а в городах — в
среднем в 10 раз выше, т.е. до 500 чел./км .
2
2
Из того же рис. 1.5 видно, что возможности расширения площади городов значительны. И этими возможностями городское население широко
пользуется. Отмечено, что в последние десятилетия темп роста территории
городов в 2 раза превышает темп роста их населения. При этом расширение
территории городов происходит за счет трансформации пригородных зон.
Город наступает на пригород, а пригород — на сельскую местность, поглощая деревни и небольшие поселки.
Территориальный аспект урбанизации, как лимитирующий фактор, очень
важен. Из рис. 1.5 видно, что существует по крайней мере 7-кратный запас
площадей, пригодных к урбанизации. Это создает достаточный резерв роста
городов при снижении плотности их населения.
На рис. 1.6 представлена динамика основных показателей территориальных аспектов урбанизации в период 1990—2010 гг.
годы
Ш
Численность городского населения, млн чел.
•
Площадь городов, тыс. к м
А
Плотность городского населения, чел./км
2
2
Рис. 1.6. Сравнительная динамика численности городского населения, площади городов
и плотности городского населения во второй пол. \Х — нач. XXI вв.
Представленные зависимости наглядно иллюстрируют, что площадь городов растет существенно быстрее численности городского населения, а плот-
Раздел 1. Город и городская среда
23
ность населения, отражая эти процессы в комплексе, падает. По-видимому,
отмеченная тенденция развития урбанизации будет сохраняться и в будущем.
Однако горожане испытывают потребность не только в территории, но и
в других жизненна важных ресурсах и продуктах, таких как вода, пища, энергия и т.д. Наращивание потребления усугубляет экологические проблемы
урбанизации.
1.3. Городское хозяйство
В состав объектов городского хозяйства входят сооружения, а также эксплуатирующие их предприятия и организации, которые обеспечивают функционирование города как сложной социально-эколого-экономической системы. К ним относятся сети водоснабжения, водоотведения, энергоснабжения, связи, газоснабжения и теплоснабжения, благоустройство и санитарная
уборка городской территории, городской транспорт, а также городские водоемы и зеленые насаждения.
Чем крупнее город, тем сложнее система организации его хозяйства и тем
более зависимо от него жизнеобеспечение горожан. Одной из главных задач
городского хозяйства является создание благоприятной экологической обстановки.
Водоснабжение должно обеспечить круглосуточную подачу воды населению и промышленным предприятиям в необходимом количестве и по качеству, соответствующему требованиям государственного стандарта. С этой целью городская администрация и предприятия, эксплуатирующие системы
водообеспечения, постоянно развивают сети водоснабжения, включают в эксплуатацию новые источники питьевой воды, расширяют станции водоподготовки. Заботой городских властей является сокращение использования питьевой воды для производственных нужд, уменьшение непроизводительных расходов воды. Вместе с тем в л е т н и й период н е о б х о д и м о о б е с п е ч и в а т ь
систематическую поливку газонов, зеленых насаждений и проезжей части.
Наряду с централизованным водоснабжением в городах все большее развитие получает децентрализованное снабжение населения водой улучшенного качества, добываемой из глубоких подземных горизонтов, а также из самоизливающихся источников.
Вода, использованная населением и промышленными предприятиями, а
также дождевые, талые и поливомоечные воды по системам водоотведения
после очистки поступают в водные объекты. Очистка сбросных вод производится на общегородских очистных сооружениях. Пропускная способность и
эффективность их работы должны соответствовать общему объему водопотребления города и характеру поступающих на очистку вод. Одной из важных
задач городских властей является развитие системы водоотведения и расширение общегородских очистных сооружений в соответствии с ростом объемов
водопотребления. Наряду с многоэтажной застройкой системы водоотведения должны охватывать и районы индивидуальной застройки, так как тради-
24
Экология города
ционно используемые выгребные ямы, предназначенные для временного накопления жидких бытовых отходов, служат источником загрязнения подземных вод и не соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям.
В целях защиты рек, ручьев и водоемов, находящихся в пределах городской черты, от загрязнения и засорения сброс сточных вод в них должен быть
запрещен, а наиболее загрязненная часть поверхностного стока в начальный
период дождя должна по системам водоотведения подаваться на общегородские очистные сооружения.
Вокруг городских водных объектов должны быть сформированы защитные прибрежные полосы, в пределах которых не допускается размещение
свалок мусора, складов, автостоянок, автозаправочных станций и других объектов, которые могут явиться источником загрязнения поверхностных вод.
Набережные и берега городских водных объектов должны укрепляться и
благоустраиваться. Система водоподпорных и водопропускных сооружений
на водотоках обеспечивает поддержание необходимых с экологических позиций глубин и скоростей течения, а также аэрацию речной воды. Городские
водоемы и водотоки улучшают микроклимат городской среды в летний период и являются, как правило, местом отдыха горожан.
Санитарная уборка проезжей части, тротуаров и внутриквартальных территорий способствует уменьшению загрязненности дождевых вод, снижает
запыленность воздушного бассейна, улучшает общую экологическую обстановку в городе. С санитарной уборкой городских территорий непосредственно связано своевременное удаление твердых бытовых отходов (ТБО).
Для сбора и временного хранения ТБО организуют специальные площадки с твердым покрытием, позволяющим избежать загрязнения почвы. Периодичность удаления накопленных отходов определяется в соответствии с существующими санитарными нормами и правилами и зависит от среднесуточной температуры воздуха, при которой происходит разложение остатков
органических продуктов. Вывоз накопленных ТБО осуществляют организации, имеющие специально предназначенный для этого автотранспорт, снабженный закрытыми емкостями и проходящий с заданной периодичностью
санитарную обработку. Эти организации могут находиться в собственности
как городской администрации, так и в ведении предприятий любых форм
собственности. Складирование ТБО является одной из самых сложных экологических проблем для большинства крупных городов Украины. Полигоны
по захоронению ТБО (свалки), располагаемые обычно в пригородной зоне,
занимают значительные площади земельных участков, требуют обустройства
санитарно-защитных зон размером до 500 м, служат потенциальными источниками загрязнения подземных вод. Гниющие и горящие поверхности свалок создают стойкое загрязнение атмосферного воздуха, что вызывает недовольство жителей ближайших к полигонам населенных пунктов и является
постоянным очагом социальной напряженности.
В ряде крупных городов (Днепропетровск, Киев, Севастополь, Харьков)
имеются специализированные заводы по сжиганию ТБО. Эксплуатация мусоросжигательных заводов, как правило, связана с выделением в атмосферу
Раздел 1. Город и городская среда
25
большого количества продуктов сгорания, что требует дополнительных затрат на строительство и эксплуатацию высокоэффективных систем пылегазоочистки. Высоки энергоемкость и, соответственно, стоимость переработки
единицы объема отходов. Площадки для складирования шлака из-за нерешенности проблемы его использования и переработки постоянно растут. Поверхности шлаковых отвалов практически не закрепляются и являются мощным источником пылевыделения.
В ряде стран решение проблемы утилизации ТБО основано на их сортировке по видам отходов: черные и цветные металлы, стекло, бумага, текстиль
и т.д. — с последующей их утилизацией. По такой технологической схеме
работают мусороперерабатывающие заводы, один из которых создается в окрестностях Харькова.
В большинстве западноевропейских стран раздельный сбор ТБО производится самим населением по нескольким видам отходов в момент их образования. Отходы складируются жителями в разные контейнеры, установленные в жилых кварталах. Таким образом достигается утилизация 92% ТБО,
остальные 8% сжигаются, а шлак используется для наращивания территории
суши.
В городах, где отсутствуют объекты горнодобывающей промышленности,
черной и цветной металлургии, крупные теплоэлектростанции, работающие
на угле, и другие мощные промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха, основным фактором негативного воздействия на состояние воздушного бассейна является автотранспорт. Если движение городского электротранспорта (трамвай, троллейбус) сопровождается только повышенным вторичным пылением, то эксплуатация транспорта, оснащенного двигателями
внутреннего сгорания, приводит к выбросам в атмосферу продуктов сгорания, содержащих такие вредные вещества, как угарный газ, оксиды азота,
соединения свинца, серы, сажа, бенз(а)пирен и ряд других компонентов.
В настоящее время удельный вес автотранспорта в загрязнении воздуха
центральной части крупных городов достигает 70% и более. В целях защиты
воздушного бассейна от выбросов автотранспорта создают объездные автодороги для пропуска транзитного потока, строят транспортные развязки в двух
и более уровнях, формируют зоны проветривания и пешеходные зоны, ограничивают въезд грузового автотранспорта в центральную часть города, ремонтируют и реконструируют проезжую часть, предъявляют повышенные требования к работе автотранспортных двигателей и качеству топлива.
Большое значение для улучшения экологического состояния воздушного
бассейна имеет отказ от использования угля в городских котельных, теплоэлектроцентралях и перевод их на природный газ. Газификация и теплоснабжение жилого фонда и прекращение использования твердого топлива в быту
также способствуют оздоровлению воздушного бассейна города.
Исключительная роль в формировании экологически благоприятной городской среды принадлежит зеленым насаждениям. В городах Украины их
площадь занимает от 15—20% до 50—60% городской территории. Важное экологическое и рекреационное значение имеют зеленые пояса вокруг городов.
26
Экология города
Таким образом, городское хозяйство является исключительно важным
многофункциональным инструментом, направленным на обеспечение экологически благоприятной среды обитания горожан.
1.4. Ресурсопотребление городов
Ускорение процесса урбанизации сопровождается нарастанием потребления природных ресурсов. Растущим городам требуется все больше продуктов питания, воды и энергии.
Потребности современного города обширны, и прежде всего ему нужна
территория. Город отбирает ее у природы путем переустройства естественных ландшафтов, строительства жилых массивов, прокладки улиц и магистралей, сооружения аэропортов, вокзалов и т.д. Это сопровождается вырубкой
лесов, засыпкой болот и оврагов, регулированием стока рек, созданием водохранилищ. Ориентировочно площадь города с населением 1 млн человек составляет 200 км .
2
Естественной потребностью людей является воздух. Город с населением
1 млн человек нуждается примерно в 3 млн т кислорода в год. Поступление
его в атмосферу осуществляется за счет фотосинтеза, осуществляемого фитопланктоном Мирового океана и массивами лесов. Даже при интенсивном
озеленении городской территории и наличии собственных водных объектов
городские возможности воспроизводства кислорода существенно ниже потребности, которая может быть покрыта лишь за счет растительности и водной поверхности неурбанизированных пространств, общая площадь которых
в 20—30 раз превышает городскую территорию.
Потребность миллионного города в воде оценивается в 400—500 млн
м /год. На территории города не может сформироваться такое количество
поверхностного стока, а запасов подземных вод, как правило, недостаточно. Естественно, что город получает воду из рек, водохранилищ и озер,
водосборный бассейн которых в несколько раз превышает его собственную территорию.
3
Миллионный город нуждается в больших количествах пищи. Суточная
потребность человека в ней составляет от 1 до 2 кг. Для города в 1 млн
жителей необходимо ежедневно завозить и производить на месте около
2 тыс. т продовольствия, или 35 железнодорожных вагонов в день. Для производства такого количества пищи необходимо, в зависимости от качества
питания и плодородия почв, в среднем около 0,2 га сельскохозяйственных
земель на человека, или около 2 тыс. к м для миллиона горожан, что на
порядок превышает площадь самого города.
2
Город нуждается в значительном количестве энергии. Ориентировочно эта
потребность может быть оценена в 10 кг условного топлива на человека в
сутки, т.е. для миллионного города — 10 тыс. т, или более 150 вагонов условного топлива ежедневно. Установлено, что рост потребления энергии на производственные и коммунальные нужды опережает рост городского населения
27
Раздел 1. Город и городская среда
и составляет 5—6% в год. Резкий подъем в потреблении энергии совпадает с
пиком урбанизации. Основные источники энергии для города — это тепловые, атомные и гидравлические электростанции. Первые две группы станций
обеспечивают базисную (дневную) потребность города в электроэнергии, а
гидравлические — вечернюю и утреннюю (пиковую) потребность. Однако
ресурсы невозобновляемых (уголь, газ, нефть) и возобновляемых (вода) источников энергии не безграничны. К концу XX столетия стало очевидным,
что запасы традиционных источников энергии приближаются к исчерпанию,
и для выхода из грядущего глобального энергетического кризиса человечеству придется решать проблему освоения новых видов энергии. При этом
должен учитываться опыт, приобретаемый человечеством на путях выхода из
современного экологического кризиса. Это значит, что поиск и разработка
новых технологий получения энергии должны вестись с соблюдением требований защиты окружающей природной среды.
Современный город нуждается в рекреационных ресурсах, т.е. местах и
сооружениях для отдыха горожан. Внутренние рекреационные возможности
города в виде пригородных зеленых зон, скверов, парков, водоемов составляют в разных городах, по имеющимся оценкам, от 10—15% до 50—60% его
общей территории. Однако этой площади совершенно недостаточно для рекреации. По современным представлениям (Кучерявый, 1999), площадь рекреационных зон должна в 5—10 раз превышать собственную территорию города. Обычно это комплексная зеленая зона города.
Таким образом, территория, обеспечивающая минимально необходимые
потребности миллионного города в воздухе в 20, а в воде, пище и рекреации
в 10 раз превышает территорию самого города.
Удовлетворение запросов растущих городов в воде, пище, энергии, рекреации и других ресурсах потребует в ближайшие годы качественного изменения технологий их получения и использования. Это относится в первую
очередь к сокращению забора воды из природных источников путем снижения водопотребления производств и увеличения повторного использования
воды, снижению удельной энергоемкости во всех сферах человеческой деятельности, повышению урожайности сельскохозяйственных угодий и рекультивации, развитию новых форм рекреации и формированию психологии жизни
"без излишеств". Такое направление технологического и социального развития общества диктуется ресурсными ограничениями нашей планеты.
Контрольные
вопросы
1. Что такое город? Как бы вы могли определить город?
2. Современные
тенденции
мировой
3. Тенденции изменения природной
ленной революции.
4. Типичные
урбанизации.
и социальной
подсистем города
в процессе промыш-
черты урбанизации XX в.
5. Какие факторы влияют на размещение городов? Покажите их действие на примерах
различных
городов.
28
Экология города
6. Как
7. Какая
классифицируются
классификация
8. Понятие
9. Тенденции
10. Структура
и
города?
городов
составляющие
используется
в
Украине?
урбогеосоциосистемы.
и резервы развития урбанизации.
городского
11. Урбоэкология как наука
Рекомендуемая
хозяйства.
— цели, задачи,
предмет исследования.
литература
Голубець М.А. Урбашзашя, п сошальна суть та еколопчш наслщки//Урбашзащя як
фактор змш бюгеоценотичного покриву/Редкол.: М.А.Голубець (вщп. ред.) та iH.
— JlbBie: Академ1чний експрес, 1994. — С.З—5.
Кучерявый В.П. Урбоеколопя. — JlbBie: CeiT, 1999. — 346 с.
Мильков Ф.Н. Общее землеведение. — М.: Высш. шк., 1990. — С. 141—234.
Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. — Т.2. — Пер. с англ. — М.:
Мир, 1993. - С. 1 9 9 - 2 3 0 .
Перцик Е.Н. География городов (геоурбанистика). — М.: Высш. шк., 1991. — 319 с.
Розенберг Г. С. Комплексный анализ урбоэкологических систем (на примере городов
Самарской области)//Экология. — 1993. — № 4. — С. 13—19.
Раздел 2
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ГОРОДА
Геологические факторы — формы рельефа, качество почв, свойства горных
пород, наличие полезных ископаемых, а также экзогенные и эндогенные процессы влияют на выбор места заложения города и его последующую судьбу.
С усовершенствованием технической вооруженности человека влияние
хозяйственной деятельности на геологическую среду возрастает. Эффекты антропогенного воздействия на геологическую среду имеют тенденцию к кумуляции. Активизация опасных геологических процессов в городах Украины,
обусловленная техногенной деятельностью человека, привела к ряду катастрофических последствий. Огромный экономический ущерб, связанный с этим,
и сопутствующие им человеческие жертвы свидетельствуют о необходимости
особого внимания к эколого-геологическим факторам при хозяйственном освоении территорий.
2.1. Антропогенные изменения рельефа
В процессе урбанизации рельеф осваиваемой территории подвергается
преобразованиям в соответствии с потребностями определенного этапа развития города.
Сравнение нескольких временных срезов рельефа одного и того же участка
городской территории позволяет установить происшедшие за определенный
исторический период существенные преобразования: исчезновение озера или
речной протоки, оврагов и балок, спрямление русла реки или появление нового водоема, изменения высотных отметок отдельных точек территории.
Основной тенденцией в изменении городского рельефа можно считать
его выравнивание, связанное с планировкой территории в процессе подготовки площадок под строительство.
Отрицательные формы рельефа антропогенного происхождения представлены выемками, образующимися при прокладке транспортных магистралей,
строительными котлованами и карьерами по разработке полезных ископаемых, чаще всего строительных материалов. Отработанные карьеры при наличии в составе пород основания водоупорных слоев наполняются водой и после соответствующих рекультивационных работ могут быть преобразованы в
участки рекреации.
Появление в городах вновь образованных положительных форм рельефа
может быть связано с возведением насыпей при прокладке транспортных
магистралей. В городах, являющихся центрами добывающей или металлургической промышленности, формируются положительные формы рельефа в
результате накопления твердых отходов в виде высоких отвалов конусовидной, гребневидной или платообразной формы.
30
Экология города
После проведения необходимых рекультивационных работ, включающих
озеленение, эти отвалы могут стать своеобразными элементами городского
ландшафта. Примеры подобного ландшафтного решения можно найти в угледобывающих районах Германии или Донецкого угольного бассейна в Украине.
В настоящее время в связи с дефицитом свободных земель на территории
городов, ростом их населения, расширением транспортных сетей и инженерных коммуникаций определилась тенденция заглубления городских строений ниже отметки поверхности земли. В Москве, Нью-Йорке, Париже, Праге под землей расположены современные торговые комплексы и концертные
залы, подземные гаражи и складские помещения. Возможности использования подземного пространства весьма широки.
Подземные сооружения в зависимости от назначения и характера использования включают следующие основные группы:
• транспортные (пешеходные и транспортные тоннели, автостоянки и
гаражи, станции метрополитена);
• предприятия торговли, коммунально-бытового обслуживания, связи,
объекты складского хозяйства, в том числе холодильники;
• зрелищные, административные, спортивные сооружения;
• объекты городской инженерной сети (трубопроводы тепло-, водо-, газоснабжения и канализации, кабели различного назначения и т.д.);
• отдельные цеха, лаборатории и производства.
Глубина заложения городских подземных сооружений достигает 40 и более метров.
В некоторых городах использование подземного пространства связано с
наличием выработок, оставшихся после извлечения полезных ископаемых
(Артемовск, Одесса, Солотвино и др.).
Влияние процессов современного рельефообразования на территории
городов неоднозначно. Уменьшение крутизны склонов и перепада высот благодаря засыпке балок и оврагов, планировке и намыву площадок под строительство снижает энергию склоновых и эрозионных процессов. С другой стороны, при этом уменьшаются дренирующие возможности территории, изменяются естественные области разгрузки подземных вод, что приводит к
формированию верховодки на местных водоупорах, повышению уровня грунтовых вод, а нередко и к подтоплению территории. Кроме того, засыпанные
понижения рельефа могут включать старые свалки, содержащие токсичные
отходы. Такие участки должны выявляться и учитываться для последующей
локализации и обезвреживания.
2.2. Почвы городских территорий*
Разнообразие природных условий на Земле привело к формированию неоднородного почвенного покрова с определенной закономерностью смены типа
почв по природным зонам и в связи с высотной зональностью. В любой точке
31
Раздел 2. Геологическая среда города
местности почва также неоднородна и характеризуется дифференциацией профиля на более или менее четко выраженные генетические горизонты. Пример
дифференцированного почвенного профиля представлен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема строения почвенного профиля:
A j — гумусово-аккумулятивный горизонт; А — элювиальный горизонт;
А В — элювиально-иллювиальный горизонт; В — иллювиальный горизонт;
С — материнская порода
2
2
На формирование определенного типа почвы и почвенного профиля влияют климат, материнские горные породы, которые ее подстилают, рельеф,
характер водообменных процессов, тип природной растительности, характерной для данной климатической зоны, животные и микроорганизмы, обитающие в почве. Типичными для Украины являются черноземы, серые и бурые лесные, каштановые и дерново-подзолистые почвы.
В последние столетия важным фактором почвообразования стала деятельность человека. На урбанизированных территориях, по сравнению с природными, антропогенный фактор в почвообразовании можно считать ведущим. Для городов характерны так называемые техноземы — почвы, создаваемые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов или
хозяйственного освоения участков земли. Техноземы частично наследуют
свойства зональных нарушенных почв и горных пород, частично формируются под влиянием мощной техники, используемой при укладке почвенного
слоя. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, зачастую мозаичный характер окраски, повышенная плотность и, соответственно,
меньшая пористость.
Полнопрофильные почвы, близкие к естественным, могут сохраняться в
городе в зоне лесопарков и старых парковых насаждений.
Вне зависимости от типа почв основным свойством, по которому проводится их оценка, является плодородие. Плодородие почв обусловлено наличием в их составе органических и минеральных питательных веществ, определенными параметрами структуры, поддерживающими нормальный газообмен и
32
Экология города
водообмен, физико-химическими характеристиками (концентрацией водород
ных ионов и солевым режимом), поддерживающими нормальное протекани<
физиологических процессов в растениях. Плодородие почвы обеспечивает оп
ределенную биологическую продуктивность природной растительности и уро
жай сельскохозяйственных культур. Являясь важнейшим звеном биологичес
кого круговорота веществ, почва продуцирует основной пищевой и энергети
ческий материал для остальных обитателей планеты. При этом она выполняет
функции регулятора, поддерживающего естественный состав атмосферы за счет
преобразования отмирающей биоты и продуктов производственной деятельности человека. Именно эта сторона участия почвы в биологическом круговороте веществ делает ее важнейшей составляющей экосистем городов. Использование почв в городах, как правило, имеет несельскохозяйственный характер
Важнейшее направление их использования — создание парков, скверов, газонов, покрытий для спортивных сооружений. Дерновый слой почвенного профиля используют для крепления откосов при строительстве транспортных выемок, насыпей и т.п. Неплодородные почвы наряду с суглинками и другими
грунтовыми материалами применяют для оснований при строительстве зданий. Благодаря высокой поглотительной способности почва выполняет роль
фильтра для очистки поверхностного стока. Глины и суглинки используют для
противофильтрационных экранов полигонов захоронения бытовых и производственных отходов.
Загрязнение почв. 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.
Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ,
изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня,
превышающего норму, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распространенным, долговременным и опасным.
Биологическое загрязнение связано с привнесением 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.
Рассмотрим более детально процессы химического загрязнения почв.
На урбанизированных территориях загрязнение почв обычно происходит
в результате выбросов промышленных предприятий, транспорта, предприятий теплоэнергетики, утечек из канализации и отстойников, воздействия промышленных и бытовых отходов, а также в определенной мере за счет использования удобрений и пестицидов.
33
Раздел 2. Геологическая среда города
Выбросы промышленных предприятий являются источником загрязнения почв городских территорий тяжелыми металлами, канцерогенными веществами, соединениями азота и серы. Однако данных, позволяющих оценить корреляционные связи между содержанием химических элементов в
выбросах, их концентрацией в атмосферном воздухе, в выпадениях на поверхность земли и степенью загрязнения почв, недостаточно. Поэтому оценить
зависимость распределения химических элементов в выбросах и выпадениях
из воздушных потоков можно лишь приближенно.
График на рис. 2.2 отражает количественную связь между концентрацией
свинца в составе выброса предприятия цветной металлургии, в пыли, осажденной снегом из атмосферного воздуха, и в почве.
У
Рис. 2.2. Зависимость между содержанием свинца в атмосферном воздухе
(х, мг/м ), в снежном покрове (у , мг/м ) и в почве (у , мг/м ) (по Саету, 1990)
3
3
3
2
Иловые осадки станций биологической очистки сточных вод и компост
из городских бытовых отходов содержат большое количество органических и
питательных для растений минеральных веществ, поэтому их используют как
удобрение. Однако они, как правило, содержат многие металлы в концентрациях, которые являются токсичными (табл. 2.1).
При внесении в почвы иловых осадков и компоста в дозах, определяемых
по их удобрительной ценности, можно прогнозировать увеличение содержания токсичных элементов в почвах в несколько раз.
Внесение отходов с повышенным содержанием токсичных элементов как
удобрений приводит к концентрации металлов в растениях. На рис. 2.3 показан
уровень накопления химических элементов в салате при выращивании его на
участках с использованием компоста из городских бытовых отходов.
Более предпочтительным является использование удобрений, полученных на основе городских отходов, для повышения плодородия почв городских зеленых насаждений.
Поступление загрязняющих химических веществ из почвы в организм
человека связано с процессом их миграции по биологическим цепям: почва
1
34
Экология города
— растение — человек, почва — растение — животное — человек; почва
вода — человек; почва — атмосферный воздух — человек.
Таблица 2.1. С о д е р ж а н и е х и м и ч е с к и х элементов в иловых осадках городских
сточных вод о ч и с т н ы х с о о р у ж е н и й (по Саету, 1990)
Элемент
Иловые осадки
в промышленных городах
Средняя концентрация, мг/кг
Ртуть
Кадмий
Серебро
Хром
Молибден
Цинк
Медь
Вольфрам
Олово
Никель
Свинец
Стронций
Кобальт
Бор
Фтор
Барий
Висмут
Суммарный показатель загрязнения
(без учета серебра)
1,29-1,7
33,64-60
13,42-36,23
792,14-1260,39
28,2-29,9
258,6-1818,0
503,5-518,3
22,7-25,9
45,29-58,26
91,2-210,5
191,57-235,8
145,2-184,1
2,1-15,0
44,0-76,3
450,0
147,4-302,6
2,5
—
Коэффициент
концентрации
129-177
112-165
134-362
17-27
28-29
5-35
18-19
23-26
9-12
5-11
7-9
5,2-6,6
0,3-2,2
1,2-2,0
2
0,6-1,3
8
370-610
Иловые осадки
в малопромышленных города
Средняя концен- Коэффициен
трация, мг/кг
концентраци]
0,75
3,25
13,03
75
11
130
423,78
14,79
117,3
220-240
9
15
2,3
8-83
23
6
2
6
1,5
0,7
22,8
30,98
391
201,3
42,4
4,8
43,0
—
227,9
1,2
—
0,9
—
—
—
190
Рис. 2.3. Избыточное накопление химических элементов в салате, выращенном на участках
с компостом (в процентах относительно контрольного участка)
35
Раздел 2. Геологическая среда города
Для почв сельскохозяйственного использования оценку уровня загрязнения вредными веществами ведут на базе предельно допустимых концентраций, причем приоритетным является транслокационный показатель вредности, учитывающий поступление в организм человека вредных веществ из почвы
через растения.
*
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. Базой 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.
Геохимическим фоном называют 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 К , которую определяют из соотношения: К — С./С ,
где С — концентрация загрязняющего вещества в почве; С — фоновая концентрация загрязняющего вещества, мг/кг почвы.
с
с
ф
ф
Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчитывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную
сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:
п
Z= X К — (п — 1), где К — коэффициент концентрации элемента; п — чисп
С
С/
v
7
1
ло элементов с К > 1.
г
W
с
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.
36
Экология города
Геохимическое изучение почв в городе на регулярной основе позволяе
получить пространственную структуру загрязнения селитебных территорий
выявить участки, проживание на которых сопряжено с наибольшим риско!
для здоровья населения.
Отрицательное влияние на состояние почвы в городе оказывает исполь
зование поваренной и других солей для борьбы с гололедом в зимний перио
и утечки высокоминерализованных технологических растворов. Это приво
дит к возрастанию количества фитотоксичных соединений в составе ПОЧЕ
Известно, что хлориды натрия и кальция разрушительно действуют на поч
венные коллоиды и вызывают при определенных концентрациях гибель рас
тений. В талой снеговой воде крупного промышленного города может содер
жаться хлор-иона в 150 раз больше, чем в природной речной воде.
Аналогичные последствия может иметь использование сточных вод с вы
соким солесодержанием для полива зеленых насаждений. Поэтому предельна)
величина минерализации воды, используемой для полива, не должна превышать 2—3 г/дм , а концентрация бикарбоната натрия в воде — 2, 5 мг • экв/дм
3
3
Во избежание осолонцевания почв необходимо поддерживать оптимальное соотношение катионов в составе солевого комплекса. Критерием является показатель SAR, который рассчитывают по формуле Ричардсона:
SAR =
Na /^l(Ca
+
2+
+
Mg ) /2.
1+
Предельно допустимая величина SAR составляет 10 при минерализации вод
до 1 г/дм и снижается до 4 при повышении минерализации до 3 г/дм .
3
3
Сохранение почвенного слоя при инженерно-строительной деятельности. Необходимым условием создания в городе благоприятной среды проживания
человека с достаточным количеством зеленых насаждений (по нормам Украины — от 16 до 23 м на человека для разных климатических зон) является
бережное отношение к плодородному слою почвы.
2
Интенсивная инженерно-строительная деятельность в пределах городских
агломераций включает большой объем земляных работ (прокладка дорог, коммуникаций, рытье котлованов под фундаменты, мелиоративные работы и
т.д.), при выполнении которых страдает почвенный слой. Для его сохранения
необходимо проводить обязательное снятие плодородного и потенциально
плодородного слоя почвы отдельно от подстилающих слоев на всех категориях земель.
К плодородным почвам относят такие, у которых содержание гумуса на
нижней границе слоя составляет не менее 1,5—2%, величина рН водной вытяжки не выходит за пределы интервала 5,5—8,2, гидролитическая кислотность по АР не превышает 3 мг • экв на 100 г почвы, а содержание Na в
обменном комплексе — не более 5%. Количество#токсичных солей в почвах
должно быть не более 0,25%, а в гранулометрическом составе почв количество частиц размером менее 0,01 мм должно быть в пределах 10—75%. Если
количество гумуса снижается до 1%, почвы относят к потенциально плодородным.
+
+
Раздел 2. Геологическая среда города
37
Мощность снимаемого слоя почвы определяется уровнем плодородия малопродуктивных угодий, подлежащих землеванию в данном районе. Если
снятый плодородный слой не используется сразу же для землевания или рекультивационных работ, проводят его селективное складирование в виде буртов, откосы и поверхность которых при длительном хранении (сроком более
2 лет) засевают травами.
Если санитарные показатели плодородного слоя соответствуют требованиям, предъявляемым к почвам сельскохозяйственных территорий, снятый
плодородный слой почвы может быть использован для восстановления эродированных почв сельскохозяйственной зоны.
Поскольку почвы в городе часто загрязнены токсикантами, необходимо
производить закрепление их поверхности посевом трав во избежание вторичного загрязнения атмосферы.
Мелиорация загрязненных почв. Для восстановления почв, сильно загрязненных тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, нет
универсальной методики. Действие каждого метода обработки зависит от
особенностей почвы и специфики произрастающих на ней растений. Поэтому для каждого случая необходимы специальные исследования. Самыми распространенными методами восстановления почв, загрязненных металлами, является выщелачивание легкоподвижных элементов из почв путем их промывки и перевод катионов тяжелых металлов и микроэлементов
в трудноподвижные формы внесением извести и фосфатов с добавкой
органических веществ. Однако иммобилизация микроэлементов при этом
достигается не всегда, так как металлы, присутствующие в почве в форме
сложных органических комплексов, даже после сильного известкования могут
сохранять подвижность.
Кроме способов физико-химической обработки загрязненных металлами
почв, используют перемешивание верхнего слоя с незагрязненной почвой
или снятие верхнего загрязненного слоя и засыпку привозным незагрязненным грунтом.
Для восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, используют методы микробиологической очистки и обработку почв негашеной
известью с поверхностно-активными веществами.
Для предотвращения загрязнения почв необходимо сокращать выбросы в
атмосферу от транспортных средств и промышленных предприятий, ликвидировать на территории города неорганизованные свалки бытового мусора, а
захоронение отходов проводить в соответствии с существующими экологическими нормами.
Рекультивация земель промышленных агломераций. Городские агломерации крупных промышленных центров нередко включают участки техногенного ландшафта, т.е. территорий, основные особенности которых, выраженные прежде всего в рельефе, связаны с добычей и переработкой полезных
ископаемых. Пространственно техногенный ландшафт часто сочетается с урболандшафтом. Примерами городов с элементами техногенного ландшафта
38
Экология города
являются промышленные центры Донбасса, Кривой Рог, Марганец, Никополь. При разработке полезных ископаемых и строительстве промышленных
комплексов нарушается растительный и почвенный покров, литологический
разрез толщи и гидрогеологический режим, изменяются рельеф и животный
мир, загрязняются поверхностные воды и атмосферный воздух. После завершения строительства или отработки участка месторождения необходимо провести рекультивацию земель, т.е. комплекс работ, направленных на восстановление их продуктивности и улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. Ценность рекультивированных земель и
почв должна быть не ниже той, что была до их нарушения.
Рекультивация земель должна являться завершающим этапом тех производственных процессов, которые приводят к нарушению почвенного покрова или литогенной основы территории. Составление проектов рекультивации
следует проводить одновременно с проектированием основного производственного объекта и учитывать весь комплекс природных, хозяйственных,
экономических, социальных и санитарно-гигиенических факторов. Они определяют выбор направления рекультивационных работ, например, рекреационного (создание зон отдыха и спорта с парками, водоемами для оздоровительных целей, туристических баз и др.), водохозяйственного, строительного и др.
Многостороннее воздействие техногенеза на природные ландшафты и различная ответная реакция экосистем не позволяют однозначно подходить к
решению вопроса о рекультивации какой-либо территории. Не всегда оказывается целесообразным восстановление прежних комплексов, которые были
до нарушения природной среды. Однако рекультивируемые земли и прилегающие к ним территории после завершения всего комплекса работ должны
представлять собой организованный и устойчивый к техногенному воздействию ландшафт.
2.3. Литогенная основа городских территорий
Литосфера, включающая материки и ложе океанов, не является сплошной твердой оболочкой. Она состоит из ряда литосферных плит, которые
медленно, но непрерывно перемещаются относительно друг друга. Так, плиты, граница между которыми проходит вдоль Западного побережья США по
разлому Сан-Андреас, движутся во встречных направлениях со скоростью
5 см в год, так что города Лос-Анджелес и Сан-Франциско через 10—12 миллионов лет могут оказаться рядом.
Граница между Евразийской, Африканской и Австралийской плитами
проходит через Альпы, Кавказ, Гималаи, включая в пограничную полосу
Карпаты и горный Крым. Зоны контакта между плитами характеризуются
активным тектоническим режимом, т.е. высокой частотой землетрясений,
проявлением вулканической деятельности, современными вертикальными
движениями большой амплитуды. Это находит отражение в особенностях быта,
строительства и других видов практической деятельности жителей городов,
Раздел 2. Геологическая среда города
39
расположенных в этих зонах. В срединной части плит тектонический режим
в современную геологическую эпоху более спокойный, так называемый платформенный.
Основная час1ъ территории Украины относится к структурам платформенного типа. Их геологическое строение в схематическом виде можно представить как трехслойное: поверхностный покров современных и четвертичных отложений залегает на складчатом осадочном основании, которое базируется на кристаллическом фундаменте, представляющем собой массивную
толщу магматических и метаморфических пород (рис. 2.4). Основная инженерно-строительная деятельность в пределах городских территорий связана с
верхним осадочным чехлом, но в зависимости от урболандшафтных условий
и специфики производственной деятельности жизненно важную роль в формировании условий городской среды могут играть и породы более глубоко
залегающих структурных ярусов.
Рис. 2.4. Схема геологического строения территории:
I — чехол современных отложений; II — складчатое основание;
III — кристаллический фундамент
Все горные породы применительно к строительной деятельности можно
рассматривать как основание для строительства здания или сооружения, как
материал для строительства или как среду, в которой размещается сооружение. Горные породы, а также современные отложения естественного и техногенного происхождения, используемые в строительных целях, называются
грунтами.
С инженерно-геологических позиций все горные породы подразделяют
на два класса — скальные и нескальные. Среди нескальных пород выделяют
песчаные и крупнообломочные породы, взаимодействие между частицами
которых определяется лишь трением и зацеплением, и пылевато-глинистые,
или связные, породы. Взаимодействие между частицами связных пород обусловлено наличием водно-коллоидных связей. Различный характер связей, присущий этим породам, определяет различие в их свойствах и поведении в городской среде.
Скальные породы залегают чаще на значительной глубине от поверхности
земли и относительно редко, по сравнению с рыхлыми осадочными породами,
40
Экология
города
служат основанием городских сооружений. Они являются средой, в которой
осуществляется подземное строительство (шахты по добыче полезных ископаемых, тоннели метро, подземные выработки другого назначения). Обнажения
таких пород в черте города можно видеть, например, в Запорожье, Изюме,
Севастополе, в городах предгорной зоны. Характерной особенностью скальных пород является их монолитность, обусловленная прочными связями между частицами. Связи эти носят кристаллизационный или цементационный характер и определяют высокую плотность, малую пористость и высокую прочность пород как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Показатели плотности и пористости некоторых видов твердых пород
Наименование
породы
Габбро
Плотность, г/см
Пористость, %
породы
сухой породы
частиц
2,87-2,95
2,86-2,95
2,99-3,92
0,08-4,5
0,1
3,4-12,4
Мрамор
2,70
2,70
2,71
Доломит
2,68
2,68
2,83
Мел
1,35
Опока
1,71
—
1,42
2,68
—
2,35
44
Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с
развитием в их массивах трещиноватости. Влияние степени трещиноватости
на водопроницаемость пород иллюстрируют данные табл. 2.3.
Таблица 2.3. Показатели в о д о п р о н и ц а е м о с т и для пород различной степени
трещиноватости
Степень трещиноватости пород
Нетрещиноватые
Слаботрещиноватые
Трещиноватые
Сильнотрещиноватые
Коэффициент
фильтрации, м/сут
Удельное
водопоглощение, л/мин
0,01
0,005
0,01-10,0
0,005-5,0
10-30
5-15
30-100
15-50
При величине пористости пород более 5% их прочностные показатели
значительно ухудшаются и их классифицируют как полускальные породы.
Под воздействием движущегося потока воды трещиноватые и пористые породы карбонатного или сульфатного состава могут выщелачиваться с образованием карстовых пустот. Скальные и полускальные ^ороды в условиях воздействия строительных нагрузок ведут себя как упругие твердые тела.
Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементированных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их
роль дренирующих или водовмещающих элементов в осадочном комплексе.
41
Раздел 2. Геологическая среда города
Показателем водопроницаемости породы является коэффициент фильтрации,
величина которого зависит от пористости породы и структуры порового пространства. Пористость обломочных пород колеблется обычно в пределах 20—
45%. Эти характеристики, в свою очередь, определяются диаметром и окатанностью слагающих породу частиц, а также однородностью зернового состава. С увеличением среднего диаметра породообразующих частиц и их
окатанности при неоднородном зерновом составе водопроницаемость породы возрастает.
Величина водопроницаемости пород изменяется в широких пределах.
Диапазоны колебаний коэффициента фильтрации пород различного гранулометрического состава приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4. Ориентировочные значения к о э ф ф и ц и е н т о в ф и л ь т р а ц и и
Наименование породы
Глина
Суглинок
<
1 • ю- 1 • 10" 1 • 10" —
1 • 10~ 1 • 10-3 1 • 10" 1 • ю- 7
Супесь
Песок:
Коэффициент фильтрации, см/с
6
пылеватый
мелкий
средней крупности
крупный
Гравий, галька
5
4
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Ю10"
ЮЮЮ10"
10-'
ю
7
5
3
3
2
2
1
Движение фильтрационного потока в несвязной дисперсной породе создает гидродинамическое давление и может вызвать фильтрационные деформации, которые носят название суффозионных явлений.
Фильтрационные деформации будут развиваться в рыхлой обломочной
породе в том случае, если в ней имеются частицы, диаметр которых меньше
наибольшего фильтрационного хода, и если скорости фильтрационного потока достаточны для перемещения этих частиц.
Собственно суффозия, или механическая суффозия, — явление выноса
фильтрационным потоком из толщи породы мелких частиц. При этом увеличивается пористость пород и размеры пор.
Контактный выпор происходит в случае, если фильтрационный поток
выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в пригружающий его слой более крупнозернистого материала. Задерживаясь в этом
материале, мелкозернистые частицы формируют слой, отличный по составу
и свойствам от исходных пород. Выпор — такое разрушение породы, при
котором приходит в движение некоторый ее объем со всеми слагающими
породу фракциями, что приводит к разрыхлению части породы, увеличению
пористости и размеров пор.
К суффозионным породам относят такие, из которых суффозионным
потоком выносится более 3% частиц. Скорость фильтрации, при которой
42
Экология города
нарушается предельное равновесие суффозионных частиц в породе, называется критической скоростью фильтрации.
Негативные последствия суффозионных деформаций проявляются в формировании зон ослабленной прочности, трещин в связи с изменением гранулометрического состава, плотности и пористости пород, обрушении бортов
котлованов, нарушении кровли перекрывающих пород. Следствием изменения водопроницаемости пород является увеличение водопритоков в подземные выработки и котлованы, кольматация и выход из строя обратных фильтров и дренажей водопонижающих устройств.
Характерной особенностью пылевато-глинистых пород является способность изменять свою консистенцию при изменении влажности. Показателями этих граничных состояний являются предел пластичности и предел
текучести. При влажности ниже предела пластичности глинистая порода
имеет твердую консистенцию и свойства, близкие к свойствам твердых тел.
При влажности выше предела пластичности порода приобретает текучую
консистенцию и свойства жидкости. Содержание физически связанной воды
в такой глине достигает 50%. Высокая водопоглотительная способность глинистых пород связана с преобладанием в их составе частиц, обладающих
коллоидными свойствами. Для глинистых пород характерна слабая водопроницаемость. В геологическом разрезе они выполняют роль водоупорных слоев. Глинистые породы характеризуются такими свойствами, как усадка и
набухание, т.е. уменьшением объема при высыхании и увеличением при
увлажнении. Набухание связано с увеличением толщины гидратных оболочек на поверхности глинистых частиц, при этом в породе возникает давление, величина которого может достигать 0,8 МПа, что оказывает деструктивное воздействие на откосы выработок и основания сооружений. Усадка
сопровождается неравномерной деформацией породы при высыхании, появлением в ней трещин и увеличением водопроницаемости. Это снижает
устойчивость пород на естественных склонах, в бортах карьеров и котлованов. В резупьтате растрескивания на склонах образуются рыхлые продукты
разрушения породы в виде глинистой щебенки, которая, осыпаясь по склонам, образует скопления. При водонасыщении они могут служить материалом для формирования грязевых потоков.
Некоторые тонкообломочные породы в водонасыщенном состоянии обладают специфическим свойством, характерным для коллоидных систем, —
при вибрационном воздействии переходить из геля в золь, т.е. разжижаться.
Это явление носит название тиксотропии и может быть вызвано также электрическими и ультразвуковыми колебаниями. При снятии воздействия система, постепенно застывая, можег снова переходить в гель. Породы, обладающие тиксотропными свойствами и ведущие себя наподобие вязких жидкостей, называют плывунами При разнообразии зернового состава плывуны
обязательно содержат глинистые минералы. Формированию плывунных
свойств способствует наличие гидрофильных глинистых минералов типа монтмориллонита и особых микроорганизмов. Для истинных плывунов характерна низкая водопропускная способность и нулевая водоотдача вследствие коллоидных связей между частицами. Плывуны представляют большую опас-
43
Раздел 2. Геологическая среда города
ность при проходке подземных выработок. Катастрофические последствия
имело вскрытие плывуна при проходке тоннеля ленинградского метро в 1974 г.
На глубине 80 м на незамороженном участке в выработку хлынули тысячи
кубометров плывунной породы. Масштабы перемещения масс были так велики, что даже на поверхности земли образовалась мульда проседания.
Серьезные проблемы при строительстве создает просадочность пород, т.е.
их способность к осадке при замачивании под действием собственного веса
или совместного действия собственного веса и внешней нагрузки. В результате просадок происходит опускание поверхности земли на величину до нескольких десятков сантиметров. Это приводит к деформациям зданий и сооружений, построенных на просадочных породах. Морфологическими признаками, указывающими на возможность просадочных явлений на данной
территории, являются такие формы рельефа, как промоины, просадочные
воронки вдоль берегов рек, просадочные блюдца на террасах и водоразделах.
Типичными для Украины просадочными породами являются лессы и лессовидные породы, образующие в степной и лесостепной зонах почти сплошной
покров на водоразделах и речных террасах мощно:тью от 3 до 40—80 м. Лессы распространены также в Предкавказье, Азово-Кубанской низменности.
Мощные (до 100 м) лессовые толщи характерны для Китая.
Кроме площадного распространения, для лессов характерны высокая пористость (как правило, 42—58%) с большим количеством макропор, вертикальная отдельность и устойчивость крутых откосов в сухом состоянии, содержание водорастворимых солей (преимущественно сульфатов и карбонатов) до 15%, что обеспечивает связность частиц породы, относительно
устойчивый зерновой состав, отвечающий суглинкам (содержание пылеватых
фракций от 50 до 82%, глинистых — от 10 до 30%, песчаных — до 15—20%),
легкая размокаемость при увлажнении. Просадочность лессовидных пород
связана как с их природной разуплотненностью, так и с наличием большого
количества водорастворимых солей.
Количественная оценка просадочности характеризуется величиной начального просадочного давления и относительной просадочностью пород.
Начальное просадочное давление Р — это минимальное давление, при котором проявляется просадочность породы в условиях ее полного водонасыщения. Относительная просадочность породы — отношение дополнительной
осадки (или просадки породы после замачивания) к первоначальной высоте
образца или слоя в его природно напряженном состоянии. К просадочным
относят породы, у которых величина относительной просадочности 8 > 0,01.
п
р
Просадки на территории городов могут происходить при отсутствии регулирования поверхностного стока, при утечках из подземных коммуникаций и подтоплении грунтовыми водами. На просадочность пород влияет инфильтрация из каналов, водохранилищ, подпор рек при их зарегулировании.
Под сооружениями влажность лессовых пород возрастает на 10—15%, что
приводит к увеличению пластичности и снижению прочности. Длительное
пребывание лессовидных пород ниже уровня грунтовых вод, что характерно
для подтопленных городских территорий, приводит к растворению и выносу
44
Экология города
гипса и других растворимых солей, вызывает утрату несущей способности и
приобретение грунтом тиксотропных свойств.
Современные техногенные отложения являются характерным и требующим внимания элементом геологической среды города. Источниками этих
отложений могут быть хозяйственная и строительная деятельность, твердые
отходы промышленности и горнодобывающих производств. Общим для них
является широкое площадное распространение, рыхлое сложение и неоднородный качественный и зерновой состав. Наибольший объем и площадь распространения имеют отходы горнодобывающей промышленности. Например,
в Донецке площадь под терриконами занимает 15 км , не считая других видов
отложений. Кроме насыпных техногенных отложений, выделяют намывные,
представленные перемещенными с помощью гидротранспорта материалами.
В таких городах Украины, как Киев и Харьков, есть жилые районы, построенные на намывных песках. Для районов добычи полезных ископаемых характерны намывные отложения отходов обогащения руд.
2
Недооценка свойств современных техногенных отложений может привести
к развитию опасных геологических процессов, деформации и разрушению
зданий и сооружений, человеческим жертвам.
Антропогенное воздействие на компоненты геологической среды городов
проявляется в:
• возрастании интенсивности выветривания за счет изменения состава
атмосферного воздуха (выпадение кислотных дождей и кислотных рос);
• изменении уровня грунтовых вод и их состава, что приводит к изменению свойств пород несущего основания;
• изменении состава литогенной основы городских территорий за счет
отсыпки и намыва техногенных отложений и аэрозольных выпадений
из атмосферы;
• изменении характеристик физических полей в пределах городских агломераций.
Кислотные осадки воздействуют не только на растительность и водоемы, они повреждают здания и конструкции из различных материалов, в том
числе из известняка, мрамора, песчаника и стали. От разрушительного воздействия загрязненной атмосферы страдают памятники античности в Афинах и Риме, мраморные скульптуры и здания в Англии, Италии, Канаде и
других странах. Изучение геологического спектра воздействия кислотных дождей помогло бы предсказать интенсивность их воздействий в будущем. Динамику скорости растворения горных пород под воздействием кислотных дождей предполагают изучить ученые из США на материале более чем 2,5 млн
памятников погибшим военнослужащим. С 1875 г. эти памятники изготовляют единой формы и размеров, используя камень всего « и ш ь из трех карьеров
на территории страны.
Под влиянием преобразования рельефа, регулирования поверхностного
стока, утечек из водонесущих коммуникаций происходит изменение гидрогеологического режима городской территории. Следствием является повышение
45
Раздел 2. Геологическая среда города
уровня грунтовых вод, а нередко и подтопление определенных участков города. Связанное с этим водонасыщение пород снижает их прочность и приводит к деформации и разрушению зданий и сооружений.
Физическое &>здействие крупного города с развитой транспортной сетью,
большим промышленным и энергетическим потенциалом проявляется в местном изменении температурного, электрического и магнитного полей.
Возникают вибрационные поля. Создается так называемое физическое загрязнение геологической среды города.
Проявляясь на локальной территории, эти техногенные физические поля
по интенсивности значительно превосходят естественные аналоги, создавая
на территории города высокие градиенты характеристик. Сравнительная характеристика естественных и техногенных физических полей дана в табл. 2.5.
Таблица 2.5.
Сравнительная х а р а к т е р и с т и к а ф и з и ч е с к и х полей
городской территории (по К о ф ф у , 1990)
И н т е н с и в н о с т ь
Вид поля
единицы
измерения
Вибрационное
(динамическое)
Тепловое
Электрическое
(плотность блуждающих
токов)
Вт/м
Вт/м
2
2
естественное
отсутст.
10" 2
10"
техногенное
Ю-5 _
1 0
-4
1
более 1
А/м
2
менее 10~
3
до 10
Как видно из представленных данных, техногенное воздействие сообщает геологической среде дополнительное количество энергии через статические (вес сооружений), динамические (вибрация), температурные и электрические поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит основанием фундаментов или вмещает инженерные сооружения и коммуникации,
несет в себе опасность ухудшения качества этой среды.
Воздействие вибрационного поля на литогенную основу городской среды различно в зависимости от типа пород, на которые воздействует вибрация. Скальные и полускальные грунты, обладающие упругими свойствами, передают вибрацию от источника к объекту воздействия без значительного поглощения энергии колебаний. При вибрационном воздействии
на дисперсные породы зачастую происходят необратимые изменения их
структуры, следствием чего является уменьшение прочности, неравномерное уплотнение и т.п. При предрасположении массива пород к проявлению таких геологических процессов, как оползни, обвалы, карст, плывунные явления, воздействие вибрации может вызвать подвижки пород и тем
самым значительно усилить интенсивность и отрицательные последствия
этих явлений.
46
Экология города
Основным источником вибрации по отношению к литогенной осно
территории и инженерным объектам, находящимся в ней, являются тран
портные магистрали. В качестве верхнего предела допустимого вибрацио]
ного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соотве
ствует скорости перемещения частиц породы примерно 225 • Ю м/с. Эт
условия создаются, когда наряду с автомобильным транспортом или незав!
симо от него функционирует рельсовый транспорт с регулярным движение]
- 6
Стимулирует проявление обвально-оползневых процессов в сочетании
вибрацией подрезка склонов при прокладке транспортных магистралей, вь
емка большого количества породы при строительстве и другие изменеш
равновесия в пределах массивов пород и фунтов.
Тепловое загрязнение геологической среды в городах представляет собс
повышение ее температуры относительно естественных значений. На те]
ритории большого города нарушение температурного режима может наблк
даться до глубины 100—150 м и более. При этом на горизонтах 10—30
наблюдается тенденция к расширению по площади геотермических аном;
лий с повышением на 2—6° С фоновых значений температуры горных поре
и подземных вод.
Под влиянием избыточного тепла может происходить локальное прос;
шивание пород с изменением их прочности. С повышением температур
грунтовых вод возрастает скорость химических реакций в зоне их контакта
материалами подземных сооружений. Установлено, что скорость коррози
строительных марок стали линейно возрастает при изменении температур
от 0 до 80° С. Увеличение температуры пород и подземных вод активизируе
деятельность микроорганизмов, являющихся агентами биокоррозии. Наибе
лее распространенными источниками теплового загрязнения геологическо
среды городских территорий являются магистральные теплопроводы и сет
горячего водоснабжения.
На участках промораживания грунтов при строительстве котлованов
обводненных условиях и прокладке трасс метрополитена в сложных инже
нерно-геологических условиях под воздействием хладоносителя с температ}
рой от —10 до —26° С существенно меняются свойства водонасыщенных по
род, нарушаются сложившиеся режимы водо-, массо- и теплообмена, микро
биоценозов.
Электрическое поле блуждающих токов в земле связано с рельсовым элек
тротранспортом. Воздействие его выражается в повышении коррозионно;
активности среды. Опасность коррозии возникает при плотности блуждаю
щих токов 5 — 1 0 А / м , тогда как реально наблюдаемая их плотность в горо
дах в 200 раз выше. При высоком уровне электрического воздействия ско
рость коррозии стали составляет до 2 мм в год, а сроки безаварийной служб!
трубопроводов сокращаются вдвое. Утечки из трубопроводов в свою очеред
служат новыми источниками загрязнения геологической среды городов.
- 2
2
Для избежания критических ситуаций, представляющих угрозу для жиз
ни людей и приводящих к деформации и разрушению зданий и сооружений
важна достоверная оценка современного состояния геологических объекто]
Раздел 2. Геологическая среда города
47
и процессов, прогноз их изменения во времени при взаимодействии с объектами техносферы.
Горные породы являются одним из естественных источников облучения
жителей городов. От содержания в породах радионуклидов радия, тория и
калия зависит как внешнее, так и внутреннее облучение людей. Внутреннее
облучение в наибольшей степени связано с поступлением через органы дыхания газа радона, который является продуктом радиоактивного превращения
элементов урановой цепи. Этот газ обладает способностью эманировать из
пород, проникать через отверстия в полу и стенах, через стыки элементов
конструкций в помещения и накапливаться на первых этажах зданий.
Непосредственным источником выделения радона является радий-226.
По содержанию этого изотопа горные породы сильно различаются. Особенно высокие содержания радия могут быть в некоторых разновидностях гранитов, а из осадочных пород — в глинистых сланцах, обогащенных органическим веществом. Уровень радоновыделения зависит не только от концентрации в них радиоизотопов, но и от структурно-тектонических особенностей
территории. В зонах тектонических разломов и повышенной трещиноватости
пород выделение радона происходит более интенсивно.
В Украине районы с повышенным радоновыделением приурочены в основном к территории Украинского кристаллического щита и северо-западной части
Донецкого бассейна (см. также раздел 4.8.1). В Соединенных Штатах Америки
повышенный уровень радоновыделения связан с участками распространения
темных сланцев, а также трещиноватых гранитов и наблюдается в штатах Вирджиния, Калифорния, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Пенсильвания, Флорида.
Повышенная радиоактивность пород основания и техногенных отложений, на которых построены города и другие населенные пункты, установлена
в Австралии, Германии, Финляндии, Швеции и других странах.
•
2.4. Опасные геологические процессы
на городских территориях
Геологический облик любой территории постоянно меняется, порой быстро, чаще незаметно для человека. Геологические процессы, приводящие к
этим изменениям, называют эндогенными, если они связаны с проявлением
внутренней энергии Земли, и экзогенными, когда вызываются действием внешних факторов — ветра, поверхностных вод и т.д.
Активная хозяйственная деятельность приводит к интенсификации экзогенных геологических процессов, иногда их называют техногенным или инженерно-геологическим.
Геологические и инженерно-геологические процессы, которые оказывают отрицательное воздействие на территории, хозяйственные и промышленные объекты, жизнедеятельность людей, называют опасными геологическими процессами (ОГП).
48
Экология города
Землетрясения и извержения вулканов связаны с глубинными процессами Земли
и по своим последствиям являются одними из наиболее разрушительных природных явлений. С начала XX столетия в результате землетрясений погибло более 1,5 млн человек. Из крупнейших землетрясений этого периода можно назвать толчок в Сан-Франциско в апреле 1906 г. Под обломками зданий и вследствие вспыхнувших пожаров там погибло более 1 тыс. человек. В декабре 1972 г.
два толчка с двухчасовым интервалом унесли жизнь почти 10 тыс. человек в
Манагуа, столице Никарагуа. В декабре 1988 г. в Армении произошло землетрясение, жертвами которого стали 25 тыс. жителей городов Спитак и Ленинакан.
Землетрясения — кратковременные колебания земной коры, связанные
со скачкообразным освобождением энергии в некотором пространстве внутри Земли. При сильных землетрясениях в их очаге — гипоцентре — выделяется энергия до 1 0 Дж. На поверхности Земли, особенно в области эпицентра, находящейся над гипоцентром, возникают трещины длиной до нескольких километров, шириной до нескольких метров и глубиной до Юм, провалы,
поглощающие строения и людей. Землетрясения часто стимулируют развитие оползней, обвалов, наводнений, цунами.
1 8
Наиболее активно и с большой частотой землетрясения проявляются в
областях развития молодой (альпийской) складчатости и опусканий земной
коры. Расположение этих зон в виде двух поясов: широтного АльпийскоИндо-Гималайского и кольцевого — Тихоокеанского показано на рис. 2.5. В
Украине сейсмически опасными зонами являются Карпаты и Крым.
Рис. 2.5. Схема расположения зон сейсмической активности
(широтная — Альпийско-Индо-Гималайская и кольцевая — Тихоокеанская)
Интенсивность землетрясений определяется по 12-бальной шкале Рихтера, учитывающей характер и внешний эффект землетрясения: максимальное
ускорение деформации почвы, степень повреждения и разрушения зданий,
реакцию людей и животных и т.п. Опасными для жизни людей и целостности
сооружений обычно являются землетрясения силой более 5 баллов.
Интенсивность землетрясений зависит от свойств горных пород, в которых распространяются сейсмические волны, глубины залегания подземных
49
Раздел 2. Геологическая среда города
вод, тектонических нарушений и глубины гипоцентра землетрясения. В рыхлых породах, особенно обводненных, интенсивность землетрясения возрастает. Повышению сейсмичности территории способствует высокий уровень
стояния подземных вод, наличие резко очерченных форм рельефа — крутых
склонов, холмов, оврагов.
Перераспределение масс в геологической среде за счет откачки газа, нефти, подземных вод, создание водохранилищ и отвалов горных пород большого объема также повышают сейсмичность территории. Геологические структуры и тектонические нарушения, расположенные поперек движения сейсмических волн, уменьшают интенсивность землетрясения.
Непосредственной причиной разрушения строительных конструкций при
землетрясении является инерционная сила Р , возникающая в массе сооружений в результате сейсмического толчка. Величина ее определяется выражением: Р = К а • М, где К — коэффициент сейсмичности; а — сейсмическое ускорение, м/с ; М — масса сооружения, т.
с
с
с
2
Большая часть современных вулканов, так же, как и места проявления
землетрясений, приурочена к Тихоокеанскому кольцу и Альпийско-Гималайскому поясу. В настоящее время на суше насчитывают около 600 действующих вулканов и несколько тысяч потухших. За месяц в среднем от 5 до 15 из
них проявляют активность, выделяя горячие газы и лаву. Крупные извержения случаются значительно реже, однако их последствия бывают катастрофическими. Несмотря на опасность, люди селятся на склонах вулканов, привлеченные высоким плодородием почв, которые формируются на вулканическом пепле. Примерами могут служить плотно заселенные склоны вулканов
Везувия и Этны, хотя известно, что в 79 году до н.э. пепел, выброшенный
Везувием, уничтожил целый город Помпею.
При извержении вулкана выбрасывается огромное количество пепла, который рассеивается в воздухе, а наиболее легкие частицы остаются в верхних
слоях атмосферы годами.
В июне 1991 г. за время двухнедельного извержения вулкана Пинатубо,
расположенного примерно в 100 км от Манилы, столицы Филиппин, в воздух было выброшено от 2 до 5 к м эффузивного материала и около 20 млн т
серы. При этом столб пепла и газов поднялся на высоту до 25 км. По результатам моделирования эти объемы выбросов должны способствовать глобальному похолоданию на 0,5° С. Обстановка в районе вулкана Пинатубо, не проявлявшего активности на протяжении 600 лет, была столь серьезной, что с
американской военной базы, расположенной поблизости, были вывезены
ядерные боеголовки к ракетам, поскольку возникла опасность разрушения
подземных хранилищ. Жертвами этого извержения стали 136 человек. В тот
же год извержение вулкана Узен вблизи Нагасаки в Японии унесло жизни 38
человек, хотя и было заранее предсказано.
3
Довольно распространенным явлением в нефтегазоносных районах является грязевой вулканизм. Грязевулканические постройки могут иметь диаметр
от сотни метров до нескольких километров, но не всегда достаточно четко
выражены в рельефе. В Украине грязевые вулканы локализуются в Крыму на
50
Экология города
Керченском полуострове, в том числе три из них расположены на территории г.Керчи. Грязевые вулканы начинают действовать, когда пластовое давление в глинистых породах, к которым они обычно приурочены, превысит
гидростатическое. Тогда газы, в состав которых входит метан, оксид углерода, азот, сероводород, аргон, выбрасывают из глубины воду, обломки пород,
перетертый глинистый материал. Во время извержения 1982 г. один из вулканов в г.Керчи выбросил до 100 тыс. кубических метров так называемой сопочной брекчии, что привело к просадкам земной поверхности и разрывам
водоводов. В г.Тамани грязевой вулкан периодически выбрасывает обломки
мраморных колонн храма, место строительства которого во времена греческих поселений в Причерноморье, по-видимому, было выбрано неудачно.
Формирование своеобразного селитебного ландшафта с большим количеством выемок, рыхлых техногенных отложений, освоением склонов и заболоченных участков на территории промышленно-городских агломераций привело к резкой активизации экзогенных геологических процессов, приобретающих очень опасный характер. В Украине насчитывают более 320 городов и
поселков городского типа, которые нуждаются в защите от тех или иных
опасных геологических процессов.
Одним из наиболее распространенных опасных процессов на территории
городских агломераций являются оползни. Оползень — скользящее смещение
масс пород природного склона или искусственного откоса под влиянием силы
тяжести.
Тело оползня представляет собой сползающую по склону массу породы,
ограниченную снизу поверхностью скольжения. Поверхность тела оползня
обычно неровная, с локальными понижениями и одним или несколькими
террасовидными уступами. В месте отрыва тела оползня образуется отрицательная форма рельефа, которую называют цирком оползня. В нижней части
тела оползня наблюдается возвышение, называемое валом выпора.
Схема строения оползневого склона на правом берегу р.Прут у города
Черновцы показана на рис. 2.6.
По форме, объему, типу, скорости движения и другим признакам оползни очень разнообразны. Объем оползней может изменяться от десятков до
сотен тысяч кубических метров, скорость движения — от миллиметров в неделю до десятков километров в час. Кроме действующих оползней, выделяют
замершие, движение которых в течение длительного времени геодезическими методами не фиксируется.
Причиной схождения оползня является нарушение равновесия склона.
Факторы, вызывающие образование оползня, можно подразделить на природные и антропогенные.
К природным факторам относят: ослабление прочности пород, слагающих склон, вследствие переувлажнения атмосферными осадками и выветривания, увеличение крутизны склона вследствие подмыва его водой, сейсмические толчки.
К антропогенным факторам относят: переувлажнение пород за счет утечек, подтопления или полива территории, подрезка склонов при прокладке
Раздел
2.
Геологическая
среда
51
города
дорог, трубопроводов или разработке карьеров, дополнительная нагрузка на
склон вследствие его застройки, вибрационное воздействие транспортных
средств или взрывов.
600—700
мм/год
Условные обозначения:
5-
— лессовидные суглинки
— поверхность скольжения
оползневых масс
— глины с прослоями песков и
песчаников
— зоны разгрузки водоносных
горизонтов
— уровень грунтовых вод
— водоносные горизонты в
песчаных породах
2
их
— атмосферные осадки
Рис. 2.6. Схема строения оползневого склона на правом берегу р.Прут
близ Черновцов (по Адаменко, Рудько, 1998)
Как правило, на территории городов несколько факторов действуют совместно, что приводит к повышению частоты проявлений оползневых процессов.
Разнообразны примеры оползнеобразовния. В Гонконге оползни были вызваны застройкой и подрезкой склонов. В районах угледобычи в Англии оползнеобразование связано с водонасыщением отвальных пород. В 1980 г. схождение оползня на западе США было вызвано сейсмическими толчками, сопровождавшими извержение вулкана Святой Елены (Сент-Хеленс). На протяжении
последних лет активизировались оползневые процессы в Днепропетровске и
Черновцах. Впервые развитие оползневого процесса в центральной части Черновцов наблюдалось в конце прошлого века. Детально описал его немецкий
геолог Бекке в 1895 г. В дальнейшем катастрофическая активизация оползней
в пределах городской территории происходила в 1962, 1963, 1965, 1974, 1979,
1991, 1995 и 1999 годах. Оползень, который произошел в феврале 1995 г., имея
площадь 150 м , захватил жилые дома, инженерные сооружения, складские
помещения. Всего было разрушено около 30 жилых домов, серьезный мате2
52
Экология
города
риальный ущерб нанесен четырем промышленным предприятиям, под угрозой функционирования оказалась городская больница. Основной причиной
оползней в Черновцах является переувлажнение пород склона вследствие
неупорядоченности поверхностного стока, нарушения условий дренирования территории и повышения уровня грунтовых вод в результате утечек из
водонесущих коммуникаций. Эти факторы действуют на фоне естественной
высокой увлажненности территории (количество атмосферных осадков составляет 600—700 мм в год).
В июне 1997 г. катастрофический оползень в Днепропетровске на жилом
массиве "Тополь—1" привел к разрушению многоэтажного жилого дома, школы, двух детских садов, одноэтажных жилых строений, вывел из строя инженерные коммуникации. Основным фактором оползнеобразования явился
подъем уровня грунтовых вод, происходивший на этой территории в последние десятилетия со скоростью 0,5—1 м в год вследствие утечек из водонесущих коммуникаций и нарушения режима подземных вод при застройке склона речной долины (рис. 2.7).
Зона
гтодтопления
AR-PR
Условные обозначения:
— почвенно-растительный слой
— лессовые породы
— глинистые породы
— пески, песчаные
отложения
++
+
— кристаллические породы основания
+
— древняя кора выветривания
Уровни подземных вод:
—*-*-*
~f на 1893 г.
— на 1962 г.
- н а 1982 г.
Рис. 2.7. Схема подтопления правобережной части Днепропетровска
(по "Информ. бюл. Мин. геологии", 1997 г.)
Раздел 2. Геологическая среда города
53
В 1997 г. питание грунтовых вод вследствие атмосферных осадков составило 801 мм/год при среднемноголетней норме 483 мм/год, а за счет
техногенных утечек на участке оползня — 800 мм/год. Процессу оползнеобразования способствовало экранирование участка разгрузки грунтовых вод
делювием и вибрационная нагрузка от проходящих по балке поездов. Особенностью оползня в Днепропетровске была его "молниеносность". Сползание водонасыщенных лессовых пород, сформировавших оползень, произошло в течение 10 часов.
Широко развиты оползни в приморских городах Украины — Керчи, Мариуполе, Одессе, Очакове, Севастополе, где они сочетаются с абразионными
процессами.
Оползни часто являются поставщиками материала для грязевых потоков — селей. Сели — водные потоки, насыщенные твердым материалом.
Формируются чаще всего во время ливневых осадков и снеготаяния в холмистых или горных районах при наличии большого количества рыхлого,
выветренного материала. Сели обладают значительными скоростями движения и большой разрушительной силой. Область питания селя представляет собой обычно верхнюю часть водосборного бассейна, имеющую крутые
склоны. Область транзита — путь движения селя по линии наибольшего падения (с углом падения 25—40°), где скорость движения селя максимальна.
Область разгрузки представляет собой нижнюю часть долины реки или равнину, где сель резко замедляет движение и происходит разгрузка принесенного материала. В зависимости от количественного соотношения в составе
селя воды и твердого материала, а в составе твердого — глинистых, мелкообломочных частиц и обломков пород — их подразделяют на связные, несвязные, грязекаменные и водокаменные. Наибольшая плотность у связных
селей (до 1900 кг/м ), наименьшая — у водокаменных (около 1100 кг/м ).
Широко известны селепроявления в Алматы, расположенном в предгорьях
Заилийского Алатау, в Казахстане. Наиболее разрушительным был сель 1921 г.
Погибло более 400 человек, разрушено большое количество зданий. Территория города была покрыта двухметровым слоем твердого материала, застывшего наподобие бетона. Общая масса вынесенного селем материала составила свыше 3,5 млн м .
3
3
3
В Украине активное селепроявление наблюдается в Карпатах в долинах
рек Днестр, Прут, Тиса, Черемош, в районах с количеством осадков 1000—
1600 мм/год. В Крыму водокаменные сели с периодичностью от 20 до 7 лет
наблюдаются в долинах рек Альма, Бельбек, Кача.
Образование селей часто провоцируется наличием техногенных отложений. В Киеве в 1961 г. при строительстве трамвайно-троллейбусного депо в
районе Бабьего Яра осуществлялась планировка территории методом гидронамыва песка с возведением серии ограждающих дамб. Утром 13 марта 1961 г., в
воскресенье, перенасыщенные водой грунты дамбы превратились в селевый
поток, который обрушился на жилой район города — Куреневку, где преобладали одноэтажные дома. Катастрофа сопровождалась многочисленными человеческими жертвами.
54
Экология города
Подобная трагедия произошла в октябре 1966 г. в пос. Аберран в Англии
на отвалах угольных шахт. Распавшиеся при хранении на мелкие обломки
куски сланцев и других отвальных пород превратились в рыхлую массу, которая при насыщении атмосферными осадками пришла в движение. Образовавшийся на отвале поток со скоростью 32 км/час устремился в долину, поглотив школу, ферму и ряд домов. Погибло 144 человека.
На территории городов Украины широко распространено такое явление,
как подтопление. Оно установлено в 244 городах и поселках, причем площадь
подтопления может достигать 30, а с учетом потенциального подтопления
даже 50% территории города, как, например, в Харькове.
К подтопленным городским территориям относят такие, на которых уровень грунтовых вод расположен выше 2,5 м от отметки поверхности земли.
На территории зеленых насаждений в соответствии с санитарными нормами
допускается повышение уровня грунтовых вод до 1 м от поверхности.
Подтопление в силу большого разнообразия природных условий и состава пород, слагающих территорию городской агломерации, происходит поразному. В одних случаях может происходить повышение уровня грунтовых
вод, в других — формирование техногенной верховодки или техногенного
водоносного горизонта. Наряду с изменением уровня грунтовых вод происходит изменение их состава. Вследствие обводнения снижается несущая способность пород основания сооружений, разрушаются материалы подземных
коммуникаций и конструкций, загрязняются в результате утечек из канализации грунтовые воды. Подтопление провоцирует развитие оползневых процессов, как в Днепропетровске и Черновцах. На подтопленных территориях
возрастает влажность почв и изменяется состав их поглощенного комплекса.
Устойчивая тенденция такого рода приводит к заболачиванию местности,
обводнению подвалов и погребов, смене фито- и зооценозов данной территории. Типичным примером является распространение в домах с затопленными подвалами комаров родов Culex, Anopheles и Aedes.
Основными причинами развития подтопления в городах Украины являются:
• изменение условий поверхностного стока, в частности создание водохранилищ;
• засыпка естественных дрен — оврагов, балок, стариц;
• недостаточное развитие сети ливневой канализации и плохое ее состояние;
• развитие сетей водоснабжения без соответствующего строительства системы водоотведения;
• утечки из сетей водопровода и канализации и аварии на них;
• барражное воздействие дорожных насыпей, свайных полей, коллекторов большого диаметра и тоннелей метрополитена.
Затопление, т.е. образование свободной поверхности воды над земной
поверхностью, является одним из наиболее распространенных природных
Раздел 2. Геологическая среда города
55
процессов, связанных с выходом рек из берегов. Оно наносит большой материальный ущерб и сопровождается человеческими жертвами. По данным
американских исследователей, наводнение на р. Миссисипи в 1973 г. нанесло ущерб в 1 ]^лрд 200 млн долларов, а осенний паводок в Аризоне в том
же году нанес у щ е р б в 413 млн д о л л а р о в и с о п р о в о ж д а л с я г и б е л ь ю
13 человек. Затопление в поймах рек зависит от общего количества и распределения атмосферных осадков, инфильтрационных характеристик и рельефа местности. Затопление может происходить в результате быстрого таяния снега и льда, нагонных явлений в устьях рек, подпора речного стока
или прорыва дамб.
Затопление на урбанизированных территориях характеризуется уровнем
подъема воды и частотой повторяемости. Эти характеристики находятся в
прямой зависимости от площади с водонепроницаемым покрытием (застройка, асфальт и т.п.) и от объема ливневого стока.
Практически все города Украины, расположенные в поймах рек, частично
подвергаются затоплению, особенно в годы с высокой водообеспеченностью.
Периодические затопления нагонной природы характерны для Санкт-Петербурга, где под действием морского ветра многоводная Нева начинает двигаться вспять, заливая городские улицы и строения.
Для защиты городов от временного и постоянного затопления применяют искусственное повышение уровня поверхности территорий или дамбы обвалования, повышение дренирующей способности водосборных площадей,
регулирование ливневого стока на территории городов.
Эрозия почв на территории городов развивается под воздействием сосредоточенного поверхностного стока, а иногда в результате утечек из водонесущих коммуникаций. Наиболее интенсивно эрозия почв происходит при строительных работах вследствие разрыхления и выемки почв и грунтов. Интенсивность эрозии в период строительства в 10 раз выше, чем на землях
сельскохозяйственного использования. Содержание взвешенных частиц в
водных потоках на территории строительства повышается в десятки раз.
Речная эрозия является результатом воздействия водного потока на русло
и заключается в размыве, транспортировке и аккумуляции наносов. Эрозионная работа реки зависит от расхода и скорости потока, петрографического
состава пород, в которых река прокладывает русло. Наибольшая интенсивность эрозии наблюдается при больших расходах реки и малой устойчивости
к размыву пород, в которых сформировано русло. В результате эрозии возникает угроза сооружениям, расположенным на подмываемых берегах. Отложение наносов в реке приводит к ее обмелению, затрудняет судоходство, усиливает угрозу подтопления прилегающих территорий. Зарегулирование речного
стока в пределах городских территорий позволяет снизить негативное влияние этих процессов.
Карстообразованием называют сложный геологический процесс, основным
компонентом которого является выщелачивание растворимых горных пород
подземными и поверхностными водами с образованием крупных пустот в по-
56
Экология города
родах (воронок, пещер и т.д.), выносом дисперсных частиц из перекрывающих
и смежных отложений, а также оседанием и обрушением кровли. Поэтому
чаще говорят о комплексе карстово-суффозионных процессов. По форме проявления различают поверхностный (открытый) карст, характерным примером
которого служит Крымская Яйла, и подземный (скрытый) карст. Подземный
карст образуется в случае, если карстующиеся породы перекрыты толщей нерастворимых, но водопроницаемых пород. Карст может развиваться в карбонатных породах (известняках, доломитах, мело-мергельных толщах), сульфатолитах (гипсах, ангидритах), галолитах (каменной, калийной солях). На интенсивность формирования карста влияет степень трещиноватости пород,
глубина залегания подземных вод, что определяет скорость фильтрации и водообмена, а также гидрохимический состав вод. Естественными факторами,
способствующими карстообразованию, являются пересеченный рельеф, наличие мощного подземного стока, высокие скорости фильтрации, присутствие в
воде свободной углекислоты, трещиноватость пород. На активизацию карстообразования могут оказать влияние техногенные факторы, способствующие
обводнению покровных отложений, понижению уровня трещинно-карстовых
вод, резкому колебанию уровня подземных вод, например, при откачке подземных вод или при сбросе сточных вод и отходов в карстовые пустоты, а
также изменение гидрохимического состава подземных вод.
На территориях городских агломераций развитию карста способствует формирование значительных по размерам депрессионных воронок в районах водозаборов (Краматорск, Луганск, Ровно и др.), а также в районах разработок
полезных ископаемых (Залещики, Стебник, Хотин), где наблюдаются оседания и провалы поверхности. Антропогенная активизация сульфатного карста
создает угрозу застройке юго-западной части Львова, составляющей до 30%
территории города.
В Одессе над подземными пустотами — катакомбами, образовавшимися
в результате разработок известняка-ракушечника, наблюдаются оседание поверхности земли, провалы, деформация фундаментов.
В зоне добычи полезных ископаемых, где наблюдается нарушение земной поверхности над горными выработками, расположены города Белозерск,
Горловка, Донецк, Макеевка и др.
Крупная катастрофа, связанная с процессами карстообразования и подработки, произошла в августе 1964 г. в Трансваале (Южная Африка). Там вблизи
золотодобывающего предприятия образовался провал, куда обрушились здания, 29 человек погибло. Причиной его было нарушение устойчивости кровли
карстующихся пород при понижении уровня грунтовых вод на 300 м.
Просадки поверхности характерны для зон залегания лессовых пород. На
современном этапе развития городов Украины резко увеличилась площадь
застройки на лессовых основаниях. Способность эти* отложений к проседанию при замачивании обусловливает специфику строительства на этих участках. В Днепропетровской и Запорожской областях почти 80% хозяйственных
объектов построено на просадочных лессовых грунтах, из них более чем в 10
тысячах обнаружены существенные деформации.
57
Раздел 2. Геологическая среда города
Просадки лессовых толщ от собственного веса при замачивании достигают
в Днепропетровске 0,3—0,6 м, Никополе — 1,0—1,4 м, Запорожье — 1,4—2,2 м.
Для городов, расположенных на берегах морей, водохранилищ, озер, серьезную проблему представляет переработка берегов и разрушение сооружений в прибрежной полосе. Обрушение берегов происходит в результате волнового воздействия.
Ветровые волны появляются вследствие сил трения между воздушным потоком и поверхностью воды. По Ф. Шепарду, высота Н, м, и длина L, м,
морской волны зависят от скорости ветра W, м/с, его продолжительности D, с,
и длины разгона F, м, т.е. размеров водоема: Н, L —f{W, D, Г).
Сила удара волны достигает, по подсчетам В. Зенковича, 0,06—0,07 МПа
для внутренних морей и 0,30—0,60 МПа для океанов.
Приливные волны имеют небольшую энергию размыва, но высота прилива достигает в некоторых местах 10 м и более и может представлять значительную угрозу для сооружений.
Процессы на границе суши и моря подразделяют на две группы: абразионные и аккумулятивные.
Абразия — процесс р а з р у ш е н и я г о р н ы х пород в о л н а м и и т е ч е н и я м и
в береговой зоне моря, озера или в о д о х р а н и л и щ а . В р е з у л ь т а т е выноса
абразионного материала образуются в ы с о к и е и к р у т ы е а б р а з и о н н ы е берега (рис. 2.8).
t
^
,
о* 1
VI
2
.«ГгЛЛч*.-!!
1
1 "
1 1
i 1
Рис. 2.8. Влияние крутизны берега и условий залегания слагающих его пород
на скорость абразии:
а) накат волны на пологий берег (Н — высота волны); б) крутой берег с горизонтальным залеганием пластов; в) то же, падение пластов в сторону моря;
г) то же, падение пластов в сторону берега
1 — глинистые породы; 2 — песчаники; 3 — известняки
58
Экология города
Интенсивность абразии обусловлена контуром береговой линии, петрографическим составом пород, слагающих берег, условием их залегания, разрушительной силой волны, углом наклона шельфа. В некоторых местах серьезную роль в абразионных процессах играет антропогенный фактор.
Берега, сложенные известняками, конгломератами, являются относительно
устойчивыми к абразии, особенно при падении пластов в сторону моря.
Береговые глинистые отложения не только размываются, но и сползают
вниз при переувлажнении. Сочетание абразии и оползнеобразования характерно для района Одессы. Абразионные формы рельефа развиваются также
на незакрепленных участках побережья Днепровского каскада водохранилищ.
На пологих берегах по мере приближения к надводной части берега волна деформируется, распластывается, в результате чего теряет энергию, а сила
удара уменьшается. Откат волны происходит медленно, масса воды тормозит
следующую волну. В этих условиях аккумуляция наносов преобладает над абразионными процессами. При направлении движения волн или течения перпендикулярно к линии берега образуются береговые валы. При движении
волн под углом к берегу образуются бары, подводные валы, косы и пересыпи,
отделяющие от моря лагуны или лиманы. Перемещение наносов вдоль берега
может идти со скоростью 100—700 м/сут. Строительство в полосе пляжа или
срезка части его при строительных работах может привести к нарушению
динамического равновесия "море — берег", увеличению размыва берега в
одних местах и накоплению наносов в других.
2.5. Защита городских территорий от опасных
геологических процессов
Для городов и вновь застраиваемых территорий прогнозы развития опасных геологических процессов разрабатываются на основе геологической модели среды, которая включает комплект карт и разрезов разной специфики:
геологических, геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геологических. Прогноз реализуется в схеме или плане мероприятий по защите
территорий от опасных геологических процессов.
В последние годы для сбора, анализа и представления информации, относящейся к геологической среде, используют компьютерные технологии,
объединенные в географическую информационную систему (ГИС). Использование этой системы позволяет на базе имеющихся данных быстро получать
новый информационный продукт, в том числе прогнозные карты. При рассмотрении альтернативных вариантов защиты, кроме экологических аспектов, учитывают технические и экономические возможности реализации намеченных мероприятий.
При выборе места строительства будущего сооружения в сейсмическом
районе необходимо учитывать инженерно-геологические факторы, влияющие на возможное усиление собственных колебаний здания породами ос-
Раздел 2. Геологическая среда города
59
нования. Для повышения прочности и устойчивости сооружений и оснований применяют конструктивные меры (жесткие каркасы, анкеры и т.п.) и
укрепительные мероприятия (улучшение свойств пород оснований). Строительство в районах сейсмичностью более 9 баллов не допускается.
*
При защите от распространенных на территории нашей страны оползневых
процессов, а также обвалов обрывистых склонов используют мероприятия по
активной и пассивной защите. Активная защита включает как инженерные, так
и управленческие решения. К инженерным мероприятиям относят:
• изменение рельефа склона в целях повышения его устойчивости;
• регулирование стока поверхностных вод с помощью системы поверхностного водоотвода, предотвращение инфильтрации воды в почву и подстилающие породы, противоэрозионные меры;
• искусственное понижение уровня подземных вод;
• агролесомелиорация;
• закрепление рыхлых и трещиноватых пород, слагающих склоны;
• строительство удерживающих откос сооружений.
К управленческим мероприятиям относят установление охранных зон,
ограничение или запрещение д в и ж е н и я транспорта и другие подобные
решения.
Мероприятия по пассивной защите дополняют группу активных мер или
используются при их нецелесообразности. К пассивным мероприятиям можно отнести приспособление сооружений к обтеканию их оползнем, устройство улавливающих сооружений.
В целях защиты от эрозии почвенного покрова городской территории
выполняются мероприятия по организованному отводу и регулированию выпуска поверхностного стока, что обеспечивается развитием ливневой канализации. На свободных участках производится посев трав и посадка древесно-кустарниковой растительности.
Как уже отмечалось, суффозионные процессы создают в несвязных осадочных породах ослабленные зоны, которые способствуют нарушению устойчивости склонов, развитию карстовых процессов, увеличению водопритоков в горные выработки. Предупреждение фильтрационных деформаций в н е с в я з н ы х о с а д о ч н ы х п о р о д а х о с н о в ы в а е т с я на с н и ж е н и и
градиентов напора, удлинении пути фильтрации, уменьшении фильтрационного диаметра пор и предусматривает проведение следующих инженерных мероприятий: устройство пригрузки водонепроницаемыми породами
в местах выхода на поверхность восходящего фильтрационного потока;
дренажей для понижения уровня грунтовых вод; обратных фильтров между слоями крупно- и мелкозернистого материала; фильтрационных завес
для удлинения пути фильтрации.
Противокарстовые мероприятия разрабатывают для территорий, в строении которых участвуют растворимые горные породы и имеются карстовые
проявления на поверхности или в глубине массива этих пород. Основные
60
Экология города
противокарстовые мероприятия зависят от особенностей карстующихся пород, их залегания, специфики защищаемых сооружений и могут включать
следующие инженерные решения: заполнение карстовых полостей; создание
искусственного водоупора и противофильтрационных завес; водопонижение
и регулирование режима подземных вод; организацию отвода поверхностного стока; устройство оснований зданий и сооружений ниже зоны опасных
карстовых проявлений.
Городское строительство в степной и лесостепной зоне, где широко развиты лессовидные толщи, должно проводиться с использование мер, предупреждающих просадочные явления: предохранение лессовидных пород от замачивания путем отвода дождевых и талых вод, гидроизоляции для предупреждения инфильтрации; устранение просадочных свойств лессовидных
пород на застраиваемом массиве путем мелиорации пород; предварительное
замачивание с доуплотнением лессовых пород; прорезка глубокими фундаментами лессовых пород при строительстве зданий.
Противосвлевая защита территорий включает комплекс технических сооружений и инженерно-технических мероприятий. В состав селезадерживающих и селенаправляющих сооружений входят: плотины, каналы, селеспуски, мосты. Для ослабления динамических характеристик селевого потока и
прекращения его движения используют каскады запруд, дренажные устройства, террасирование склонов и их агролесомелиорацию. Для предотвращения селей сооружают плотины, регулирующие паводок, водосбросы на озерных перемычках, а также дамбы для перехвата селевого потока. Служба наблюдения и оповещения призвана оперативно информировать население
городов, которым угрожают селевые потоки, о прогнозе их образования.
Для территорий, которым угрожает подтопление, проводят инженерную подготовку, обеспечивающую разгрузку подземных вод путем соответствующей
организации рельефа; устраивают водостоки; используют локальные средства
инженерной защиты — дренажи разной конструкции, противобарражные меры
и т.п.; ликвидируют утечки из водонесущих коммуникаций и емкостей.
На подтопленных территориях проводится дренирование иногда в сочетании с повышением отметок территории путем создания искусственного
насыпного или намывного рельефа.
Меры борьбы с меандрированием рек сводятся к спрямлению и углублению русл, а также к укреплению берегов. Спрямление и углубление русл рек
способствует возрастанию транспортирующей силы речного потока, увеличению его скорости. При выходе потока из спрямленного участка возможно
отложение транспортируемых наносов.
Для укрепления берегов строятся струенаправляющие и защитные сооружения. На вогнутых берегах это обычно продольные дамбы, бетонные берегоуглубительные сооружения, набережные. На выпуклых участках при отсутствии набережных создаются сооружения, задерживающие наносы и способс т в у ю щ и е н а р а щ и в а н и ю р а з м ы т о г о берега. С техническими методами
берегоукрепления комбинируют биологические в виде лесонасаждений вдоль
берегов, высева трав на откосах дамб и берегов.
Раздел 2. Геологическая среда города
61
При защите берегов от разрушения в приморских городах создаются
активные береговые сооружения, которые, используя энергию потока по
намыву наносов, способствуют сохранению и расширению пляжной зоны.
К таким сооружениям относят галечниковые и песчаные пляжи в сочетании
с бунами и подводными волнорезами, гасящими энергию волны. Вдольбереговые волногасящие сооружения применяют также в сочетании с использованием широкой железобетонной плиты, представляющей искусственный
пляж. Такая защита прибрежной зоны использована на побережье Черного
моря в Алуште.
К пассивным сооружениям, препятствующим размыву берегов благодаря
прочности своих элементов, относятся волноприбойные стенки, набережные,
насыпи из массивных фигурных блоков. Эти сооружения, несмотря на прочность, все же разрушаются и потому должны использоваться в сочетании с
конструкциями активного типа.
При недостаточной прочности или повышенной деформативности горных пород, на которых или в которых строят сооружение, проводят улучшение их свойств, называемое технической мелиорацией грунтов. При разработке и выборе средств мелиорации исходят из специфики разных типов горных
пород, обусловленной характером внутренних связей между частицами. Для
скальных, полускальных, рыхлых несвязных пород и пород с водно-коллоидными связями применяют различные способы технической мелиорации, подразделяющиеся на физико-механические, физико-химические и химические.
Механические методы состоят в уплотнении пород с целью уменьшения
их пористости и изменения структурно-текстурных особенностей. Уплотнение осуществляется укаткой, трамбованием, грунтонабивными сваями, вибрацией, с помощью направленного взрыва.
Физические методы используют для упрочнения дисперсных пород с помощью обжига или замораживания. Термическое упрочнение получило распространение при ликвидации аварийных просадок сооружений на лессовых
породах. Замораживание широко применяют при проходке трасс метрополитена и тоннелей различного назначения, для упрочения обводненных пород
плывунного типа и для закрепления песчаных, глинистых, лессовых пород.
Физико-химические методы направлены на изменение структуры пород,
увеличение их водоотдачи, изменение обменных характеристик пород и почв,
образование в них новых соединений. К группе этих методов относится электрохимическое закрепление пород путем пропускания постоянного электрического тока, иногда с введением растворов химических веществ, способствующих образованию новых структурных связей, гидрофобизация пород,
глинизация, осолонцевание и т.п. Эти методы применяют в основном для
обработки глинистых пород.
Химические методы предусматривают использование различных веществ
для поверхностного и глубинного упрочнения пород. Поверхностное упрочнение состоит в создании покрытий, гидроизоляции, укреплении поверхностей подземных сооружений. Глубинное упрочнение обеспечивается нагнетанием в толщу пород цементных растворов, жидкого стекла, смол, битумов.
62
Экология города
Контрольные
вопросы
1. Как изменяется рельеф территории в процессе ее урбанизации и как это влияет на
геологические процессы ?
2. Какие геологические процессы
относятся
к опасным ?
3. Какие меры предусматриваются для сохранения
зированных
территориях?
плодородного слоя почвы на урбани-
4. Как оценивают степень загрязнения почв городских территорий
его для населения?
5. Существуют ли
и уровень опасности
ограничения по использованию иловых осадков для удобрения почв?
6. На какие группы подразделяют
геологической
классификацией?
горные
породы
в
соответствии
с
их инженерно-
7. Что такое тиксотропность и для каких пород она характерна?
8. Какие методы используются
зданий и сооружений?
для
улучшения
свойств
пород
в
качестве
основания
9. Каким образом влияют залегающие в основании территории породы на дозу радиоактивного облучения населения?
10. С какими
11. Какие
онных
факторами
инженерные
процессов ?
связано
мероприятия
подтопление?
направлены
на
предупреждение
12. Как предупредить подтопление территории города? Какие меры
уровень подземных вод на подтопленных территориях?
Рекомендуемая
карстово-суффозипозволяют
снизить
литература
Адаменко О., Рудько Г. Еколопчна геолопя. Пщручник для студент!в вищих навч.
закл. — К.: Манускрипт, 1998. — 370 с.
Василенко В.М. и др. Атмосферные нагрузки загрязняющих веществ на территории
СССР. — М.: Гидрометеоиздат, 1991. — 137 с.
Говард А., Ремсон И. Геология и охрана окружающей среды. Пер. с англ. — JI.:
Недра, 1982. — 583 с.
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических
процессов. Основные положения проектирования. СНиП 2.01.15-90. Госстрой
СССР. - М.: АПП ЦИТЛ, 1991. - 32 с.
Кофф Г.Л. и др. Методические основы оценки техногенных изменений геологической среды городов. — М.: Наука, 1990. — 197 с.
Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных
территориях / Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85. — М.: Стройиздат, 1991.
- 277 с.
Радиация: дозы, эффекты, риск. — М.: Мир, 1990. — 78 с.
Сает Ю.Е. и др. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1990. - 335 с.
Чорний 1.Б. Географ1я грунпв з основами грунтознавства. — К.: Вища шк., 1995. — 240 с.
Экологическая геология Украины: справочное пособие. — К.: Наук, думка, 1993. — 407 с.
Раздел 3
ВОДНАЯ СРЕДА ГОРОДА
Городские поселения издавна возникали по берегам рек и озер, которые
служили источником водоснабжения, а зачастую удобным транспортным путем. Одновременно реки использовались для удаления жидких и твердых отходов жизнедеятельности людей и домашнего скота, что приводило к их загрязнению, ограничивая расположенные ниже по течению населенные пункты возможности пользоваться ими для питьевого водоснабжения. Реки
становились разносчиками возбудителей инфекционных заболеваний, таких
как холера, дизентерия, брюшной тиф и др. Понадобилось не одно тысячелетие, пока люди научились предотвращать загрязнение водных объектов, очищать и обеззараживать сточные воды.
С ростом благоустройства городов расположенные в городской черте водоемы и водотоки приобретают все более важное архитектурно-планировочное, рекреационное и эстетическое значение. Благодаря комфортному микроклимату и привлекательной эстетике городские набережные являются наиболее престижным районом расселения, любимым местом прогулок горожан.
Чистота водных объектов, архитектурное обустройство, озеленение берегов и
прибрежной части является важной заботой городских властей.
3.1. Водные объекты городов
К водным объектам, расположенным в городской черте, относятся водотоки, водоемы, моря, подземные воды. Водотоки подразделяются на реки,
каналы, ручьи; водоемы — на озера, водохранилища, пруды. Моря подразделяются на открытые и внутренние. Устьевая область реки, впадающей в море
безрукавным руслом, называется эстуарием, или лиманом.
Подземные воды подразделяются на водоносные горизонты и комплексы,
образуя в пространстве бассейны и месторождения. Подземные воды, изливающиеся на поверхность, называются родниками (истопниками).
Водотоки. Реки подразделяются на малые, средние и большие. Примерные классификационные признаки рек приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Классификация городских рек по размеру
Категория
реки
Общая площадь
водосбора, к м
2
Расход воды*,
м /с
3
Скорость
течения*, м/с
Колебания
уровня*, м
Малая
до 2000
до 5
д о 0,2
ДО 1
Средняя
2000 - 50 000
5 - 100
0,2 - 1
Большая
свыше 50 000
свыше 100
свыше 1
1 - 2
свыше 2
* В непаводковый период.
64
Экология города
В период паводков расходы воды, скорость течения и колебания уровня
существенно увеличиваются, особенно в горных районах.
Городские каналы — искусственные водотоки, прокладываемые для судоходства, переброски стока рек или для предотвращения наводнений при сгонно-нагонных явлениях. Русло канала устраивается из железобетона, реже из
каменной кладки, в отдельных местах канал забирается в трубу.
Ручьи — небольшие водотоки, берущие начало от родников.
Водоемы по размеру подразделяются на 4 категории. Примерные классификационные признаки водоемов приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Классификация водоемов по морфометрическим параметрам
Категория
водоема
Малый
Средний
Площадь
поверхности, к м
2
Объем,
км
3
Максимальная
глубина, м
до 10
до 0,5
до 5
10 - 100
0,5 - 1
5-10
Большой
100 - 1000
1 - 10
10 - 50
Очень большой
свыше 1000
свыше 10
свыше 50
При расчетах, связанных с прогнозированием водности и качества воды
водоемов, используется информация о колебаниях уровня воды и величине
водообмена. Колебания уровня воды и водообмен озер являются результирующей величиной притока впадающих в озеро водотоков, испарения и
расходов водотоков, вытекающих из озера, с учетом расходов воды, забираемой для водоснабжения и орошения. Колебания уровня воды и водообмен
в водохранилищах оценивают величиной притока в верхний бьеф и сбросным расходом в нижний бьеф с учетом отбора воды для хозяйственных
целей. При расчетах учитывают также величину испарения с поверхности
водоема и вероятную фильтрацию воды в подземные горизонты. Величину
колебаний уровня воды озер и водохранилищ определяют по разности между наибольшими и наименьшими уровнями, наблюдающимися за многолетний период. Колебания уровня поверхности водоема до 3 м относятся к
малым, от 3 до 20 м — к средним, свыше 20 м — к большим колебаниям
уровня. Интенсивной считается кратность водообмена за год, равная 5, умеренной — от 5 до 0,1, замедленной — до 0,1.
Моря Украины классифицируются следующим образом: Черное море относится к открытому типу, Азовское — к внутреннему.
Эстуарии к л а с с и ф и ц и р у ю т с я по преобладающему гидрологическому
режиму: стоковые, приливно-отливные, сгонно-нагонные, и по колебаниям уровня: до 0,5 м — малые, от 0,5 до 1 м — средние, свыше 1 м —
большие.
Примерные классификационные признаки подземных вод приведены в
табл. 3.3 и 3.4.
Раздел 3.
65
Водная среда города
Таблица 3.3. Классификация подземных вод по водности
Категория месторождения подземных вод
f
Площадь
бассейна, м
2
Мощность водоносного горизонта, м
Подземный сток,
М3/с
Большое
свыше 1000
свыше 100
свыше 100
Среднее
от 1000 до 100
от 100 до 10
от 10 до 100
Малое
до 100
до 10
до 10
Таблица 3.4. Классификация подземных вод по характеру водообмена
и защищенности
Глубина залегания уровня воды от
дневной поверхности, м
Характер
залегания
вод
Характер
циркуляции
вод
Гидравлическая связь
водоносных
горизонтов
Характер
водообмена
Защищенность
подземных
вод
водоносных
горизонтов
до 50
открытый
трещиноваявная
то-карстовый
активный
слабая
от 50 до 300
наличие
"гидрологических
окон"
трещиноватый
неявная
замедленный
средняя
свыше 300
изолированный
поровый
отсутствует
весьма
замедленный
надежная
Водные объекты в пределах городской черты, как уже отмечалось, служат
градообразующим фактором. Вдоль них и вокруг формируются жилые кварталы, строится ориентация улиц и проездов. Городские водоемы и водотоки имеют
эстетическое значение и используются для рекреации. На судоходных реках и
каналах, в приморских городах в пределах городской черты располагаются порты.
Месторождения подземных вод, расположенные как в пригородной зоне,
так и в пределах городской территории, пригодные по качеству и защищенности для питьевых целей, используются для централизованного водоснабжения
города. Самоизливающиеся источники подземных вод — родники — используются населением для нецентрализованного водоснабжения. Они оборудуются
в соответствии с санитарно-гигиеническими и эстетическими требованиями.
3.1.1. Родники в городской черте
В природных условиях выходы подземных вод на дневную поверхность
проявляются в виде нисходящих источников, приуроченных обычно к склонам горных возвышенностей и долин оврагов, балок, рек и питающихся за
счет безнапорных вод и восходящих источников, образующихся за счет напорных вод, прием которых осуществляется в соответствии с их движением
снизу вверх, через дно каптажного устройства.
66
Экология города
Подавляющее число родников относится к нисходящим. Формирование
изливающихся вод происходит в верхней части зоны активного водообмена,
ограниченной снизу глубиной вреза эрозионной сети. Зоной питания подземных вод, формирующих родники, являются водораздельные участки, а
зоной разгрузки — долины местных рек и балок. Таким образом, для родников, расположенных в городской черте, зоны питания расположены также в
пределах города.
Родниковые, или ключевые, воды по своему качеству соответствуют воде
того пласта, из которого они изливаются.
Поверхность и освоенное подземное пространство городов оказывают
крайне неблагоприятное воздействие на качество грунтовых вод. Восходящие
напорные источники являются более защищенными от загрязнения и им
следует отдавать предпочтение при использовании населением.
По расходу воды источники бывают: малые — с расходом менее 1 л/с,
средние — 1 — 10 л/с и крупные — более 10 л/с. Наибольший интерес представляют родники со значительным расходом. Они обычно располагаются в
трещинах скальных пород и зонах их дробления. К этому типу не относятся
карстовые родники, имеющие иногда вид подземной реки, а также гейзеры.
Средние и крупные родники, вода которых соответствует питьевому качеству, могут быть использованы как источники водоснабжения. Однако, используя родник для постоянного водоснабжения какого-либо объекта, необходимо иметь гарантию длительности функционирования и достаточности
расхода для покрытия всех нужд объекта в воде.
Родники города местные жители широко используют как источник питьевой воды. Они могут быть также альтернативным источником питьевого
водоснабжения в период чрезвычайных ситуаций. Однако, из-за прогрессирующего негативного воздействия городской среды на качество подземных
вод, лишь отдельные источники после тщательных гидрогеохимических, микробиологических и радиологических исследований могут быть рекомендованы для использования населением. В связи с существующим традиционным
положительным отношением к родникам очень важно своевременно информировать население о качестве воды конкретных источников.
Для источников, расположенных в городской черте, в которых сохранилось природное качество воды, необходимо предусматривать специальные
охранные мероприятия: оборудование каптажей и организацию зон санитарной охраны. Такие зоны предназначены для предотвращения загрязнения
подземных вод в месте их выхода. Они состоят из трех поясов. Так как родниковые воды по степени естественной защищенности могут быть приравнены к грунтовым водам, то первый пояс— зона строгого режима — должен
иметь радиус не менее 50 м. Размеры и конфигурации второго пояса — зоны
ограничений, предназначенной для защиты от бактериального загрязнения,
— определяются расчетом. Размеры пояса в зависимости от фильтрационных
свойств водонесущих и перекрывающих пород, а также от дебита источника
могут варьироваться от десятков до нескольких сотен метров. Третий пояс,
относящийся также к зоне ограничений и предназначенный для защиты от
Раздел 3. Водная среда города
67
химического загрязнения, тоже определяется расчетным путем. Размеры его
зависят от срока эксплуатации и при достаточно длительном сроке достигают
границ зоны питания водоносного горизонта.
Каптаж источников представляет собой сооружение для захвата подземных вод и удобства пользования. Конструкция каптажных сооружений выбирается в зависимости от гидрогеологических условий выхода подземных вод
на поверхность земли, морфологии места выхода источника, мощности отложений, покрывающих водоносный пласт, и расхода источника. Примеры конструкций железобетонной и глиняно-каменной камер для каптажей родников приводятся на рис. 3.1 и 3.2.
Рис. 3.1. Железобетонная каптажная камера:
1 — расходная труба; 2 — переливная труба; 3 — кольца; 4 — вентиляционная труба;
5 — растительный слой; 6 — глиняно-щебеночная отмостка; 7 — плотно утрамбованный
глинистый грунт; 8 — железобетонная плита днища; 9 — фильтр из гравия и гальки; 10 —
засыпка песком; 11 — водоприемные отверстия; 12 — водоупорный пласт или нижняя
граница каптируемой части водоносного пласта; 13 — водоносный пласт; 14 — нагорная
канава
Рис. 3.2. Глиняно-каменная каптажная камера:
1 — вентиляционная труба; 2 — утрамбованный глинистый грунт; 3 — крепление растительным грунтом; 4 — каменная наброска; 5 — переливная труба; 6 — латунная сетка; 7 —
расходная труба; 8 — гравийный защитный слой; 9 — насыпной грунт; 10 — нагорная
канава; 11 — водоупорный пласт
68
Экология города
Рекомендуется вести постоянный контроль состава вод родников города.
В случае необходимости возможна очистка воды родников от появившихся
нежелательных примесей непосредственно в месте водоразбора.
Территория в районе источника и подходы к нему должны быть благоустроены.
3.2. Использование водных объектов города
Расположенные в городской черте водотоки и водоемы используются
главным образом для рекреации — купания, отдыха на берегу, катания на
весельных и моторных лодках, ловли рыбы. Судоходные водные объекты —
для прохождения и стоянки в портах судов и других плавсредств. Места
рекреации, а также правила поведения на воде устанавливаются местной
администрацией. Качество воды в районе пляжей должно соответствовать
нормам и требованиям коммунально-бытового водопользования. Контроль
качества воды водных объектов, используемых для рекреации, осуществляет местная санэпидемслужба.
Специальные правила устанавливаются местной администрацией для
пользования маломерным моторным флотом. Они направлены на защиту здоровья отдыхающих и охрану вод от загрязнения.
На судоходных реках, озерах и водохранилищах условия прохождения и
стоянки судов, а также других плавучих средств, включая меры по охране вод
от загрязнения и засорения, определены законодательством.
Сброс сточных вод в водные объекты в пределах городской черты, согласно законодательству, запрещен. Имеющиеся в отдельных городах такие
сбросы сегодня постепенно ликвидируются. Сточные воды отводятся на общегородские очистные сооружения, сброс из которых в реку расположен за
пределами города. В случае сброса сточных вод в городские реки состав
сбросных вод в месте выпуска должен соответствовать качеству воды водных объектов коммунально-бытового водопользования.
3.2.1. Централизованное водоснабжение
Забор воды из поверхностных водных объектов в пределах городской черты
осуществляется, как правило, для технического водоснабжения, поливки городских территорий и пожаротушения.
Для централизованного водоснабжения городов используют водные объекты, отвечающие нормам и требованиям к источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения и находящиеся на экологически благополучных территориях. Так, например, водозабор Киевского водопровода находится на рДесне
за 12 км от Киева, Харьков забирает питьевую воду из р.Северский Донец у
пос.Кочеток, удаленного от города на 24 км, питьевой водозабор Днепропетровска расположен в пос.Аулы за 8 км от города.
Раздел 3. Водная среда города
69
В пределах городской черты забор воды для питьевых целей из поверхностных водных объектов производится в и с к л ю ч и т е л ь н ы х случаях. Это
могут быть искусственные водные объекты — каналы или водохранилища, специально предназначенные для питьевого водоснабжения, в которых другие виды водопользования запрещены. Вокруг них оборудуется
зона санитарной охраны.
Зона санитарной охраны оборудуется в целях обеспечения надежной санитарно-эпидемиологической обстановки. Зона состоит из трех поясов: первого — строгого режима, второго и третьего — режимов ограничения. Границы I пояса для водотока: вверх по течению — не менее 200 м от водозабора,
вниз — не менее 100 м, по берегу — не менее 100 м от уреза воды, к противоположному берегу — не менее 100 м по акватории, а при ширине реки менее
100 м — вся акватория и 50 м от уреза воды вглубь противоположного берега;
для водоема — в радиусе 100 м от водозабора по акватории и берегу. Границы
II пояса определяются: вверх по течению водотока — временем протекания
воды не менее 3 суток до водозабора; вниз — не менее 250 м; боковые границы — от 500 м до 1000 м в зависимости от рельефа; для водоема — в радиусе
не менее 3 км от водозабора, а по берегу — так же, как и для водотока.
Границы III пояса по акватории совпадают с границами II пояса, а по берегу
составляют 3—5 км от уреза воды. Территория I пояса должна быть огорожена, спланирована и озеленена. На акватории устанавливаются предупредительные буи. Территория охраняется, доступ посторонних лиц запрещен. В
пределах I пояса могут находиться только здания и сооружения, связанные с
эксплуатацией водопровода. В пределах II и III поясов принимаются меры
по предупреждению загрязнения источника водоснабжения.
Зоны санитарной охраны водозаборов подземных вод описаны в разд. 3.13.
Контроль качества воды источников централизованного хозяйственнопитьевого водоснабжения осуществляется ежедневно местной санэпидемслужбой и предприятием, эксплуатирующим водозаборные сооружения.
Питьевые водозаборы из подземных водоносных горизонтов обычно располагаются в пределах городской территории. Вокруг них образуется зона санитарной охраны. Подземные воды используются как для централизованного
хозяйственно-питьевого водоснабжения, так и для децентрализованного.
Одна из важнейших частей жизнеобеспечения городов — централизованное водоснабжение — сталкивается в последние десятилетия с большими трудностями. Дефицит водных ресурсов нужного качества приводит к необходимости транспортировать воду на сотни километров. Изношенность и санитарное состояние водоводов и разводящих сетей во многих городах Украины
достигли критического уровня.
Существенным недостатком централизованного водоснабжения является применение хлора для обеззараживания воды, что приводит к образованию и воздействию на население токсичных хлорорганических соединений.
Хлорирование воды эффективно только по отношению к холерному вибриону, возбудителям брюшного тифа и дизентерии. Относительно устойчивыми
к хлорированию остаются возбудители паратифа и микрококки, споровые
Экология города
70
формы, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка и др. Применение других методов обеззараживания воды сдерживается в связи с их
более высокой стоимостью.
Централизованное водоснабжение населения городов находится в зависимости от работы систем водоотведения. Аварии на очистных сооружениях, происходившие в 80-х и 90-х годах в Днепропетровске, Изюме, Первомайске Луганской области, Мариуполе, Харькове приводили к вынужденному прекращению подачи воды в городские водопроводы на продолжительное время.
3.2.2. Децентрализованное водоснабжение
Потребность человека в питьевой воде не превышает 10 л/сут., что составляет менее 5% от общего объема воды, приходящегося на одного городского жителя при централизованном водоснабжении. Качественная питьевая
вода в таком количестве может быть предоставлена горожанам из подземных
источников, в первую очередь кондиционных питьевых подземных вод из
глубоких, надежно изолированных горизонтов. Могут рассматриваться следующие варианты децентрализованного водоснабжения: бутилирование и пакетирование экологически чистой воды, развоз специальными автомашинами и отпуск воды в тару потребителя, организация водоразборных пунктов и
бюветов в жилых кварталах. Опыт использования подземных вод для децентрализованного водоснабжения накоплен в Бердянске, Клеве, Харькове и некоторых других городах Украины. Также могут использоваться поверхностные воды, прошедшие очистку. Так, в Одессе и других южных городах Украины через торговую сеть поступает очищенная на фильтрах речная вода,
забираемая населением в свою тару. В Киеве после Чернобыльской катастрофы в срочном порядке было организовано децентрализованное питьевое водоснабжение из сети артезианских скважин с отбором воды населением через
колонки. В Бердянске водоразборные пункты оборудованы на магистральном
водоводе, подающем кондиционную питьевую воду к головным сооружениям
централизованной системы водоснабжения. Разбор воды осуществляется бесплатно (Бердянск, Киев) или за сравнительно небольшую плату от 3 до 15 коп.
за литр (Одесса, Харьков). Стоимость бутилированной и пакетированной воды
значительно выше — до 1 грн. за литр и выше.
Особый интерес представляет способ децентрализованного водоснабжения из бюветов на базе специальных артезианских скважин, размещенных
непосредственно в жилых кварталах городов. Возможность такого способа
питьевого водоснабжения существует в городах, тяготеющих к ДнепровскоДонецкому, Волыно-Подольскому и частично Причерноморскому артезианским бассейнам. Здесь имеются большие запасы кондиционных питьевых
вод, защищенных от техногенного воздействия.
Скважинные водозаборы оборудуются погружными насосами и накопительными резервуарами. Устраиваются зоны санитарной охраны и удобные
для населения подходы. Водоразборные пункты должны находиться за пределами зоны строгого режима. В расчете на неизбежные потери воды оборудуются системы водоотвода в ливневую систему.
Раздел 3. Водная среда города
71
При наличии в подземных водах сверхнормативных концентраций железа или фтора следует оборудовать скважины обезжелезивающей или обесфторивающей установкой.
В целях повышения надежности работы локальных водозаборов необходимо предусмотреть запасные системы автономного энергообеспечения —
дизельные электростанции, а также запасные накопительные емкости.
Экономические расчеты показывают, что в условиях плотной жилой застройки даже при глубине водозаборной скважины 800 м затраты на строительство бювета при отпускной цене на воду 5 коп. за литр окупятся за 2—2,5
года, а прибыль при последующей эксплуатации одного бювета будет превышать 350 тыс. грн. в год.
Технология децентрализованного питьевого водоснабжения имеет следующие преимущества:
• появляется независимая, надежно защищенная система питьевого водоснабжения на случай аварий и других чрезвычайных ситуаций;
• повышается надежность системы питьевого обеспечения, так как при
выходе из строя одного источника население может пользоваться соседними;
• экономно расходуется артезианская вода высокого питьевого качества,
запасы которой ограничены.
• для питьевых целей используется вода, требующая меньших, по сравнению с поверхностными водоисточниками, затрат на ее подготовку;
• питьевая вода, разбираемая населением в бюветах, на порядок дешевле
бутилированной.
Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные варианты децентрализованного водоснабжения являются лишь дополнением к централизованным системам водоснабжения городов и предлагают альтернативный источник качественной питьевой воды, что повышает устойчивость системы жизнеобеспечения в кризисных ситуациях.
3.2.3. Рациональное использование водных ресурсов
Хотя водные ресурсы относятся к категории возобновляемых, их интенсивное использование в отдельных районах и на некоторых производствах
нередко неоправданно завышено, что приводит к возникновению их дефицита и, как следствие, тормозит экономическое и социальное развитие данной территории. Практически во всех видах водопотребления имеются существенные резервы экономии водных ресурсов. Особенно велики они в промышленности. Для большинства промышленных производств требования к
качеству используемой воды значительно менее жесткие, чем к составу вод,
подлежащих сбросу в водный объект или в городскую систему водоотведения. Поэтому производственные сточные воды гораздо выгоднее направлять
на повторное использование в системах оборотного и последовательного водо-
Экология города
72
снабжения, чем подвергать очистке, удовлетворяющей условиям сброса.
В системах оборотного водоснабжения вода, использованная в технологическом процессе, после соответствующей обработки многократно используется
для производственных нужд. В системах последовательного водоснабжения
вода, использованная в одном технологическом процессе, после обработки
или без таковой направляется для использования в другом технологическом
процессе или на другом производстве. Обработка воды обеспечивает поддержание ее свойств в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса, что достигается охлаждением или очисткой от излишнего содержания взвешенных веществ или плавающих примесей, повышенной мин е р а л и з а ц и и и т.д. Н а и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е оборотные системы
водоснабжения получили в теплообменных циклах, где технологическая вода
используется для отведения излишнего тепла от работающих агрегатов, после
чего сама подается на охлаждение. Охлаждение воды происходит в градирнях
(рис. 3.3) или в брызгальных бассейнах (рис. 3.4). В процессе охлаждения
2—3% воды испаряется или разбрызгивается. Кроме того, из-за негерметичности теплообменной или водопроводной сети имеют место утечки воды.
Поэтому оборотные системы должны постоянно пополняться свежей водой.
За счет испарения в оборотном цикле возрастают минерализация и жесткость
воды, что приводит к отложению солей (карбонатов кальция и магния) на
стенках теплообменной аппаратуры и водопроводных труб. Для снижения
минерализации и жесткости воды в оборотной системе часть технологической воды (8—10%) периодически заменяют свежей. Этот процесс называется
продувочным циклом. Для повторного использования технологической воды,
которая имела контакт с сырьем или готовой продукцией, ее подвергают очистке в соответствии с требованиями технологического процесса. Оборотное
водоснабжение позволяет в десятки раз уменьшить потребление свежей воды.
Так, например, в производстве синтетического каучука при прямоточной
системе водоснабжения на каждую тонну продукции расходуется 2100 м воды,
при оборотной системе добавка свежей воды составляет 165 м на 1 т каучука.
3
3
1 — нагретая вода; 2 — подача воздуха; 3 — охлажденная вода
73
Раздел 3. Водная среда города
5
6
Рис. 3.4. Брызгальный бассейн:
1 — бассейн с охлажденной водой; 2 — водозабор; 3 — здание насосной; 4 — насос;
5 — запасной бак; 6 — конденсатор; 7 — трубопровод нагретой воды; 8 — фонтаны
Эффективность использования воды в производстве оценивается:
Q ~ Q
коэффициентом использования воды
К 8= — _
Q
коэффициентом водооборота
К = „
безвозвратными потерями воды
К =
об
п
с
• 100%;
Qo6
• 100%;
Q - Q
г\ + А ' 100%,
где Q — расход свежей воды, забираемой из источника водоснабжения,
м /сут.; Q — расход сбросной воды, м /сут.; Q — расход оборотной системы водоснабжения, м /сут.
3
3
c
o6
3
Во многих технологических процессах и производствах созданы замкнутые системы водоснабжения, исключающие сброс сточных вод. В состав замкнутых систем водоснабжения входят сооружения для очистки технологической воды, обеспечивающие поддержание ее состава и свойств в соответствии
с требованиями данного технологического процесса.
Для преодоления нарастающего дефицита водных ресурсов, а также с
целью уменьшения платы за забор воды создаются замкнутые системы водного хозяйства промышленных узлов и территориально-промышленных комплексов (рис. 3.5). Пополнение безвозвратных потерь воды в замкнутых системах производится из водных объектов или за счет использования очищенных сточных, дождевых и талых вод. Последние особенно предпочтительны
благодаря их низкой минерализации.
74
Экология города
Рис. 3.5. Замкнутая система водного хозяйства:
1 — водный объект; 2 — водозабор; 3 — водоподготовка питьевой воды; 4 — водопровод;
5 — жилой массив; 6 — коллектор хозяйственно-бытовых сточных вод; 7 — сооружения
механической очистки сточных вод; 8 — сооружения биологической очистки; 9 — земледельческие поля орошения с подземными коллекторами; 10 — метантенки; 11 — подача
ила на земледельческие поля орошения; 12 — промышленные предприятия; 13 — коллектор производственных сточных вод; 14 — повторное использование сточных вод; 15 —
сброс оросительных вод; 16 — накопитель оросительных вод; 17 — повторное использование оросительных вод
3.3. Оценка состояния водных объектов
Разнообразие видов водопользования порождает и разнообразие требований к воде. Исходя из этого, понятие качества воды должно быть увязано
с ее использованием.
Согласно Водному кодексу Украины качество воды есть характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретного
вида
водопользования.
3.3.1. Показатели качества воды
*
Поскольку не существует единого показателя, который характеризовал
бы весь комплекс характеристик воды, оценка качества воды ведется на основе системы показателей. Показатели качества воды делятся на физические,
бактериологические, гидробиологические и химические. Другой формой клас-
Раздел 3. Водная среда города
75
сификации показателей качества воды является их разделение на общие и
специфические. К общим относят показатели, характерные для любых водных объектов. Присутствие в воде специфических показателей обусловлено
местными природными условиями, а также особенностями антропогенного
воздействия на водный объект.
К основным физическим показателям качества воды относятся:
Температура воды. В водных объектах температура является результатом
одновременного действия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой,
переноса тепла течениями, перемешивания водных масс и поступления подогретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на
все процессы, от которых зависят состав и свойства воды. Температура воды
измеряется в градусах Цельсия (°С).
Запах. Запах воды создается специфическими веществами, поступающими в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложения органических веществ, химического взаимодействия содержащихся в воде компонентов и поступления из внешних (аллохтонных) источников. Запах воды
измеряется в баллах.
Прозрачность. Прозрачность воды зависит от степени рассеивания солнечного света в воде веществами органического и минерального происхождения, находящимися в воде во взвешенном и коллоидном состоянии. Прозрачность определяет протекание биохимических процессов, требующих освещенности (первичное продуцирование, фотолиз). Прозрачность измеряется
в сантиметрах.
Цветность. Цветность воды обусловливается содержанием органических окрашенных соединений. Вещества, определяющие окраску воды, поступают в воду вследствие выветривания горных пород, внутриводоемных
продукционных процессов, с подземным стоком, из антропогенных источников. Высокая цветность снижает органолептические свойства воды,
уменьшает содержание растворенного кислорода. Цветность измеряется в
градусах.
Содержание взвешенных веществ. Источниками взвешенных веществ могут служить процессы эрозии почв и горных пород, взмучивание донных отложений, продукты метаболизма и разложения гидробионтов, продукты химических реакций и антропогенные источники. Взвешенные вещества влияют на глубину проникновения солнечного света, ухудшают жизнедеятельность
гидробионтов, приводят к заиливанию водных объектов, вызывая их экологическое старение (эвтрофирование). Содержание взвешенных веществ измеряется в г/м (мг/л).
3
Бактериологические показатели характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К числу важнейших бактериологических показателей относят: коли-индекс — количество кишечных палочек в одном литре воды; коли-титр — количество воды в миллилитрах, в котором может быть
обнаружена одна кишечная палочка; численность лактозоположительных
кишечных палочек; численность колифагов.
76
Экология города
Гидробиологические показатели дают возможность оценить качество воды
по животному населению и растительности водоемов. Изменение видового
состава водных экосистем может происходить при столь слабом загрязнении водных объектов, которое не обнаруживается никакими другими методами. Поэтому гидробиологические показатели являются наиболее чувствительными. Существует несколько подходов к гидробиологической оценке
качества воды.
Оценка качества воды по уровню сапробности. Сапробность — это степень
насыщения воды органическими веществами. В соответствии с этим подходом водные объекты (или их участки) в зависимости от содержания органических веществ подразделяют на полисапробные, а-мезосапробные, (3-мезосапробные и олигосапробные. Наиболее загрязненными являются полисапробные водные объекты. Каждому уровню сапробности соответствует свой
набор индикаторных организмов-сапробионтов.
На основе индикаторной значимости организмов и их количества вычисляют индекс сапробности, по которому определяется уровень сапробности.
Оценка качества воды по видовому разнообразию организмов. С увеличением
степени загрязненности водных объектов видовое разнообразие, как правило,
снижается. Поэтому изменение видового разнообразия является показателем
изменения качества воды. Оценку видового разнообразия осуществляют на
основе индексов разнообразия (индексы Маргалефа, Шеннона и др.).
Оценка качества воды по функциональным характеристикам водного объекта. В этом случае о качестве воды судят по величине первичной продукции,
интенсивности деструкции и некоторым другим показателям.
Физические, бактериологические и гидробиологические
к общим показателям качества воды.
показатели
относят
Химические показатели могут быть общими и специфическими. К числу
общих химических показателей качества воды относят:
Растворенный кислород. Основными источниками поступления кислорода в водные объекты является газообмен с атмосферой (атмосферная реаэрация), фотосинтез, а также дождевые и талые воды, которые, как правило,
перенасыщены кислородом. Окислительные реакции являются основными
источниками энергии для большинства гидробионтов. Основными потребителями растворенного кислорода являются процессы дыхания гидробионтов
и окисления органических веществ. Низкое содержание растворенного кислорода (анаэробные условия) сказывается на всем комплексе биохимических
и экологических процессов в водном объекте.
Химическое потребление кислорода (ХПК). ХПК определяется как количество кислорода, необходимого для химического окисления содержащихся в
единице объема воды органических и минеральных Йеществ. При определении ХПК в воду добавляется окислитель — бихромат калия. Величина ХПК
позволяет судить о загрязнении воды окисляемыми веществами, но не дает
информации о составе загрязнения. Поэтому ХПК относят к обобщенным
показателям.
77
Раздел 3. Водная среда города
Биохимическое потребление кислорода (БПК). БПК определяется как количество кислорода, затрачиваемое на биохимическое окисление содержащихся
в единице объема воды органических веществ за определенный период времени. В Украине на практике БПК оценивают за пять суток ( Б П К ) и двадцать
суток (БПК ). Б П К о б ы ч н о трактуют как полное БПК ( Б П К ) , признаком
которого является начало процессов нитрификации в пробе воды. БПК также
относится к обобщенным показателям, поскольку оно служит оценкой общего
загрязнения воды легкоокисляемыми органическими веществами.
5
2 0
2 0
п
о
ш
Водородный показатель (рН). В природных водах концентрация ионов
водорода зависит, главным образом, от соотношения концентраций угольной
кислоты и ее ионов. Источниками содержания ионов водорода в воде являются также гуминовые кислоты, присутствующие в кислых почвах и, особенно, в болотных водах, гидролиз солей тяжелых металлов. От рН зависит развитие водных растений, характер протекания продукционных процессов.
Азот. Азот может находиться в природных водах в виде свободных молекул N И разнообразных соединений в растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии. В общем азоте природных вод принято выделять органическую и минеральную формы. Основными источниками поступления азота
являются внутриводоемные процессы, газообмен с атмосферой, атмосферные осадки и антропогенные источники. Различные формы азота могут переходить одна в другую в процессе круговорота азота. Азот относится к числу
важнейших лимитирующих биогенных элементов. Высокое содержание азота
ускоряет процессы эвтрофирования водных объектов.
2
Фосфор. Фосфор в свободном состоянии в естественных условиях не
встречается. В природных водах фосфор находится в виде органических и
неорганических соединений. Основная масса фосфора находится во взвешенном состоянии. Соединения фосфора поступают в воду в результате внутриводоемных процессов, выветривания и растворения горных пород, обмена
с донными отложениями и из антропогенных источников. На содержание
различных форм фосфора оказывают влияние процессы его круговорота.
В отличие от азота круговорот фосфора несбалансирован, что определяет его
более низкое содержание в воде.
Поэтому фосфор наиболее часто оказывается тем лимитирующим биогенным элементом, содержание которого определяет характер продукционных процессов в водных объектах.
Минеральный состав. Минеральный состав определяется по суммарному
содержанию семи главных ионов: К , N a , С а , M g , Cl~, S 0 " , Н С 0 \ Основными источниками повышения минерализации являются грунтовые и
сточные воды. С точки зрения воздействия на человека и гидробионты неблагоприятными являются как высокие, так и чрезмерно низкие показатели
минерализации воды.
+
+
2 +
2 +
2
4
3
К наиболее часто встречающимся специфическим показателям качества
воды относят:
Фенолы. Содержание фенолов в воде, наряду с поступлением из антропогенных источников, может определяться метаболизмом гидробионтов и
78
Экология города
биохимической трансформацией органических веществ. Источником поступления фенолов являются гуминовые вещества, образующиеся в почвах и торфяниках. Фенолы оказывают токсическое воздействие на гидробионты и ухудшают органолептические свойства воды.
Нефтепродукты. К нефтепродуктам относятся топлива, масла, битумы и
некоторые другие продукты, представляющие собой смесь углеводородов различных классов. Источниками поступления нефтепродуктов являются утечки
при их добыче, переработке и транспортировке, а также сточные воды. Незначительное количество нефтепродуктов может выделяться в результате внутриводоемных процессов. Входящие в состав нефтепродуктов углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на
живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы.
ПАВ и СПАВ. К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относят органические вещества, обладающие резко выраженной способностью к адсорбции на поверхности раздела "воздух-жидкость". В подавляющем большинстве попадающие в воду поверхностно-активные вещества являются синтетическими (СПАВ). СПАВ оказывают токсическое воздействие на гидробионты
и человека, ухудшают газообмен водного объекта с атмосферой, снижают
интенсивность внутриводоемных процессов, ухудшают органолептические
свойства воды. СПАВ относятся к медленно разлагающимся веществам.
Пестициды. Под пестицидами понимают большую группу искусственных
хлорорганических и фосфорорганических веществ, применяемых для борьбы
с сорняками, насекомыми и грызунами. Основным источником их поступления является поверхностный и дренажный сток с сельскохозяйственных территорий. Пестициды обладают токсическим, мутагенным и кумулятивным
действием, разрушаются медленно.
Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относятся свинец, медь, цинк. Тяжелые металлы обладают мутагенным и
токсическим действием, резко снижают интенсивность биохимических процессов в водных объектах.
Химические показатели измеряются в г/м , мг/дм (мг/л).
3
3
3.3.2. Методика оценки качества воды
В соответствии с Водным кодексом Украины оценка качества воды осуществляется на основе нормативов экологической безопасности водопользования и экологических нормативов качества воды водных объектов.
Оценка качества воды на основе нормативов экологической безопасности
водопользования. Действующие нормативы позволяют оценить качество воды,
используемой для коммунально-бытового, хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного водопользования.
*
К коммунально-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха. К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения и для водоснаб-
Раздел 3. Водная среда города
79
жения предприятий пищевой промышленности. К рыбохозяйственному водопользованию относится использование водных объектов в качестве среды
обитания рыб и других водных организмов. Водные объекты рыбохозяйственного н а з ^ ч е н и я подразделяются на высшую, первую и вторую категории. Разные участки одного водного объекта могут относиться к различным
категориям водопользования.
Нормативную базу оценки качества воды составляют общие требования к
составу и свойствам воды и значения предельно допустимых концентраций
веществ в воде водных объектов.
Общие требования определяют допустимые состав и свойства воды, оцениваемые наиболее важными физическими, бактериологическими и обобщенными химическими показателями. Они могут задаваться в виде конкретной величины, изменения величины показателя в результате воздействия
внешних факторов или в виде качественной характеристики показателя.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) — это установленный уровень
концентрации веществ в воде, выше которого вода считается непригодной
для конкретного вида водопользования. ПДК, как правило, задаются в виде
конкретного значения концентрации.
Все вещества по характеру своего отрицательного воздействия делятся
на группы. Каждая группа объединяет вещества одинакового признака действия, который называют признаком вредности. Одно и то же вещество при
различных концентрациях может проявлять различные признаки вредности. Признак вредности, который проявляется при наименьшей концентрации вещества, называют лимитирующим признаком вредности (ЛПВ).
В водных объектах коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования различают три Л П В — органолептический, общесанитарный и
санитарно-токсикологический. В водных объектах рыбохозяйственного водопользования, кроме названных, выделяют еще два Л П В — токсикологический и рыбохозяйственный.
При оценке качества воды в водоемах коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования учитывают также класс опасности вещества. Его определяют в зависимости от токсичности, кумулятивности, мутагенности и ЛПВ вещества. Различают четыре класса опасности веществ: первый — чрезвычайно опасные; второй — высокоопасные; третий — опасные;
четвертый — умеренно опасные.
При оценке качества воды учитывается принцип аддитивности — однонаправленного действия. В соответствии с этим принципом принадлежность
нескольких веществ к одному и тому же Л П В проявляется в суммировании
их негативного воздействия.
С учетом сказанного оценка качества воды с точки зрения экологической
безопасности водопользования производится по следующей методике.
Водные объекты считаются пригодными для коммунально-бытового и
хозяйственно-питьевого водопользования, если одновременно выполняются
следующие условия:
80
Экология города
• не нарушаются общие требования к составу и свойствам воды для соответствующей категории водопользования;
• для веществ, принадлежащих к третьему и четвертому классам опасности, выполняется условие:
С < ПДК,
где С — концентрация вещества в водном объекте, г/м ;
3
• для веществ, принадлежащих к первому и второму классам опасности,
выполняется условие:
где С и ПДК. соответственно концентрация и ПДК i-ro вещества первого
или второго класса опасности.
Водные объекты считаются пригодными для рыбохозяйственного водопользования, если одновременно выполняются следующие условия:
• не нарушены общие требования к составу и свойствам воды для соответствующей рыбохозяйственной категории;
• для веществ, принадлежащих к одинаковому ЛПВ, выполняется условие:
где С. и ПДК соответственно концентрация и ПДК /-го вещества, принадлежащего к данному ЛПВ.
:
Нормы качества воды должны выполняться:
• для водотоков коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования — на участках от пункта водопользования до контрольного створа, расположенного на расстоянии не менее одного километра
выше по течению от этого пункта водопользования;
• для водоемов коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования — на акватории в радиусе не менее одного километра от
пункта водопользования;
• для водотоков рыбохозяйственного водопользования — в пределах всего
рыбохозяйственного участка водотока, начиная с контрольного створа,
расположенного не далее 500 метров ниже по течению от источника
поступления примесей;
• для водоемов рыбохозяйственного назначения — на всем рыбохозяйственном участке, начиная с контрольного пункта, расположенного в
радиусе не более 500 м от места поступления примеси.
Оценка качества воды на основе экологических нормативов. Экологические нормативы качества воды устанавливаются для оценки состояния водных
объектов на основе экологической классификации поверхностных вод.
Раздел 3. Водная среда города
81
Система экологической классификации качества поверхностных вод включает три классификационные группы: солевого состава, эколого-санитарных
показателей и показателей состава и биологического действия специфических веществ.
t
В зависимости от значений показателей качества воды поверхностные
воды относят к определенным категории и классу качества воды. Классы и
категории, используемые при экологической классификации качества воды,
приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Классы и категории качества поверхностных вод суши
Класс качества
воды
I
Категория
качества воды
1
Названия классов и категории качества
вод по степени
их загрязненности
Трофность
Очень
чистые
Очень
чистые
Олиготрофные
II
III
2
3
Чистые
Чистые
5
Загрязненные
Доста- Слабо Умеренно
точно загряз- загрязненные
чистые ненные
Мезотрофные
ОлиготрофМезо- Мезоные-олитроф- эвтрофгомезоные
ные
трофные
Сапробность
4
Эвтрофные
Эвтрофные
Эвполитрофные
IV
V
6
7
Грязные
Очень
грязные
Грязные
Очень
грязные
Политрофные
Гипертрофные
Политрофные
Гипертрофные
Олигосапробные
(3- мезосапробные
а - мезосапробные
Полисапробные
р- олиго- а-олигосасапробпробные
ные
Р'- ме- Р"- мезосазосапроб- пробные
ные
а ' - мезо- а " - мезосапробсапробные
ные
Полисапробные
Определение класса и категории качества воды осуществляется по методикам, изложенным в соответствующих нормативных документах.
3.4. Источники воздействия на водные объекты
Системный подход к изучению качества воды водных объектов предусматривает рассмотрение их как открытые системы, в которых происходит
обмен энергией и веществом с окружающей средой. Качество поверхностных
вод определяется двумя группами факторов: внешними воздействиями в виде
амохтонных (поступающих извне водного объекта) источников загрязнения
и внутриводоемными процессами, включающими в себя процессы самоочи-
82
Экология города
щения и образования автохтонных (порожденных в самом водном объекте)
источников загрязнения. Внешние источники воздействия классифицируются по происхождению, локализации, продолжительности воздействия, виду
носителя загрязняющих компонентов и виду загрязнения.
По происхождению источники загрязнения делятся на природные и антропогенные. К природным источникам загрязнения относятся атмосферные (атмосферные осадки), гидросферные (озера, притоки, грунтовые и подземные
воды, формирующие сток водного объекта) и литосферные (подверженные
эрозии и выщелачиванию склоны русл). Основными антропогенными источниками загрязнения являются промыиаенные (выпуски производственных сточных вод, загрязненные территории предприятий, свалки промышленных отходов), коммунальные (выпуски хозяйственно-бытовых сточных вод, территории населенных пунктов, свалки бытовых отходов), сельскохозяйственные
(пахотные поля, огороды, животноводческие предприятия) и транспортные
(транспортные средства, автодороги, трубопроводы). Указанные источники
воздействия, за исключением сельскохозяйственных, типичны для городских
водных объектов. Сельскохозяйственные источники загрязнения находятся
в пригородной зоне. Литосферные источники в пределах городов частично
изолированы облицовкой берегов.
По локализации источники воздействия на водные объекты делятся на
точечные, площадь контакта которых с водным объектом существенно меньше площади загрязненной зоны этого объекта; линейные, площадь контакта
которых с водным объектом представляет собой линию, и площадные, влияние которых проявляется рассредоточенно по площади водного объекта. Примером точечных источников загрязнения могут служить выпуски сточных
вод из систем водоотведения или небольшие притоки. Линейные источники
воздействия встречаются в виде стока с поверхности водосбора, выпусков
сточных вод через специальное рассеивающее устройство (рассеивающий
выпуск). Площадные источники воздействия: акватории портов, стоянки
маломерных моторных судов, места донной добычи полезных ископаемых —
песка, гравия, нефти, газа и др.
По продолжительности воздействия источники загрязнения бывают постоянными, периодическими и эпизодическими.
Носители загрязняющих веществ, как правило, сточные, инфильтрационные и подземные воды, возвратные воды орошения и дренажные воды, поверхностный сток с загрязненной территории, атмосферные осадки.
Источники воздействия на водный объект могут приводить к его химическому, физическому и биологическому загрязнению. Химическое загрязнение
проявляется через сверхнормативное содержание веществ в поверхностных
водах. Для физического загрязнения характерно повышение температуры воды
за счет поступления в водный объект подогретых воп (тепловое загрязнение)
или наличие радионуклидов (радиоактивное загрязнение). Биологическое
воздействие на водный объект сопровождается поступлением в него болезнетворных микробов, яиц гельминтов, мелких водорослей, дрожжевых и плесневых грибов (гидрофлорное загрязнение).
Раздел 3. Водная среда города
83
Наиболее существенный вклад в загрязнение водных объектов вносят
аллохтонные источники, особенно антропогенного происхождения. Основными
из них являются выпуски сточных вод промышленных предприятий, выпуски городских сточныхдаод, транспортные источники загрязнения и поверхностный сток с загрязненных территорий.
На протяжении длительного периода выпуски сточных вод промышленных предприятий являлись самой существенной причиной загрязнения водных объектов. В настоящее время природоохранная политика в Украине,
направленная на ограничение сброса промышленных сточных вод в водные объекты, вплоть до запрещения сброса неочищенных сточных вод в
пределах городской черты, несколько изменила соотношение между различными источниками загрязнения. Более существенную роль в загрязнении городских водных объектов приобрел загрязненный поверхностный
сток с урбанизированных территорий и территорий промышленных площадок. Вместе с тем воздействие промышленных сточных вод на качество
воды водных объектов по-прежнему достаточно велико. Количество, состав и содержание загрязняющих веществ в промышленных сточных водах
чрезвычайно разнообразны и определяются характером технологических
процессов, составом очистных сооружений и рядом других факторов. Загрязняющие вещества в них могут содержаться в грубодисперсном состоянии
(крупность частиц более 0,1 мм), в виде эмульсии или суспензии (крупность частиц от 0,1 мкм до 0,1 мм), в коллоидном состоянии (частицы
крупностью от 0,001 до 0,1 мкм) или в растворенном виде. Обобщенная
характеристика п р о м ы ш л е н н ы х с т о ч н ы х в о д д л я о с н о в н ы х о т р а с л е й
промышленности приведена в табл. 3.6. Информация о количестве и составе сточных вод представляется каждым предприятием в формах государственной статистической отчетности.
Городские сточные воды представляют собой смесь хозяйственно-бытовых сточных вод города и производственных сточных вод. Обычно они
проходят очистку на городских очистных с о о р у ж е н и я х . В отличие от промышленных сточных вод хозяйственно-бытовые имеют сравнительно стабильный состав. Для них характерны преобладание органических загрязняющих веществ над минеральными (примерное соотношение органических и минеральных веществ в неочищенных сточных водах составляет
5:1) и устойчивый температурный режим на уровне 15—20° С круглогодично. Примерный состав хозяйственно-бытовых городских сточных вод
при различных способах очистки приведен в табл. 3.7. Количество городских сточных вод зависит от численности населения и может быть
ориентировочно определено по нормам водоотведения бытовых сточных
вод от жилых районов (табл. 3.8). При н а л и ч и и городских очистных
сооружений информация о количестве и составе городских сточных вод
представляется в формах г о с у д а р с т в е н н о й с т а т и с т и ч е с к о й отчетности
очистных сооружений. При отсутствии очистных сооружений для хозяйственно-бытовых сточных вод города или населенного пункта количество
загрязняющих веществ в них определяется по у д е л ь н ы м нормам на одного жителя (табл. 3.9).
84
Экология города
Таблица 3.6. Ориентировочный состав сточных вод
для основных отраслей промышленности
Отрасль
Черная металлургия
Концентрация, г / м
Показатель
200-500
Взвешенные вещества
3 0 0 0 - 2 0 000
Окалина
Цветная металлургия
Нефтепромыслы
Текстильное производство
Железо
300-500
Фенолы
700-1000
Смолы и масла
700-1000
Ж е л е з н ы й купорос
до 700
Серная кислота
до 300
Взвешенные вещества
100-8000
Цветные металлы
1,5-170
Взвешенные вещества
1 5 0 - 1 1 000
Хлориды
5 0 0 - 1 8 0 000
Нефтепродукты
100-5000
Железо
10-150
Сероводород
25-400
Взвешенные вещества
2 5 0 - 4 0 000
8 0 0 0 - 1 2 000
Животный жир
БПК
2
6 0 0 - 2 0 000
0
50-120
ПАВ
Коксохимические заводы
Нефтеперерабатывающие
заводы с н е ф т е х и м и ч е с к и ми производствами
Целлюлозно-бумажные
заводы
М а ш и н о - и автомобилестроение
Взвешенные вещества
300-500
БПК
800-3000
5
Аммиак
200-3000
Фенолы
400-1800
Смолы и масла
300-500
Цианиды и роданиды
100-400
Взвешенные вещества
до 300
Нефтепродукты
1 5 0 - 1 5 000
БПК
150-7000
5
Взвешенные вещества
400-2000
БПК
100-2000
5
Взвешенные вещества
t
100-200
Цианиды
70-120
Хром
40-60
Кислоты
70-100
Нефтепродукты и масла
25-40
3
Раздел 3.
85
Водная среда города
Таблица 3.7. Ориентировочный состав городских сточных вод
Содержание, г / м
Показатель •
до очистки
3
биологическая
очистка
механическая
очистка
Минеральный состав
800
680
530
Взвешенные вещества
250
120
12
Азот аммонийный
30
30
15
Азот общий
45
35
25
Фосфаты
15
15
12
35
35
34
Хлориды
ПАВ
БПК
БПК
П
О
Л
Н
5
10
9
4
280
150
15
200
135
10
Таблица 3.8. Нормы водоотведения хозяйственно-бытовых сточных вод
для населенных пунктов
Норма водоотведения
на одного жителя, л/сут.
Степень благоустройства
районов жилой застройки
Здания, оборудованные водопроводом, канализацией,
без ванн
125-160
Здания, оборудованные водопроводом, канализацией
и ваннами с местными водонагревателями
Здания, оборудованные водопроводом, канализацией
и системой централизованного горячего водоснабжения
160-230
230-350
25
Неканализованные жилые районы
Таблица 3.9. Удельные нормы содержания веществ в неочищенных
хозяйственно-бытовых водах (в расчете на одного жителя)
Показатели
Взвешенные вещества
БПК
БПК
5
2 0
Количество вещества, г/сут.
65,0
54,0
75,0
СПАВ
2,5
Азот аммонийный
8,0
Фосфаты
3,3
Хлориды
9,0
Сульфаты
4,4
Калий
3,0
86
Экология города
Основными транспортными источниками загрязнения являются наземный и водный транспорт. Загрязняющие вещества от наземных видов транспорта поступают в водные объекты с поверхностным стоком с территории
города, от водного транспорта — непосредственно в водный объект. В процессе эксплуатации судов в воду поступают фенолы, соединения свинца,
ароматические углеводороды, основным загрязняющим веществом являются
нефтепродукты. Расчет количества нефтепродуктов, поступающих в воду за
год, производится по формуле:
G= G - Т
• N,
Л
уд
нов
'
где G — количество нефтепродуктов, поступивших в водный объект за год, кг;
G — поступление нефтепродуктов в воду от одного судна за час работы двигателя, кг; Т
— средняя норма работы двигателя за навигацию, час;
N — число единиц флота, включая маломерный.
Для маломерного флота ориентировочно удельное поступление в воду нефтепродуктов за час работы двигателя и время работы двигателя за навигационный период могут быть приняты равными 0,1 кг и 100 часов соответственно.
y
d
н
а
в
3.5. Системы водоотведения и очистки сточных вод
Отходы жизнедеятельности человека, вода, использованная для бытовых
нужд и в технологических процессах, а также дождевые и талые воды с городской территории удаляются через систему водоотведения и подаются на общегородские очистные сооружения. При отсутствии или перегрузке городских очистных сооружений в водные объекты вынужденно сбрасываются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды, что приводит к
загрязнению водного объекта на значительном протяжении. При ограниченной производительности городских очистных сооружений дождевые и талые
воды частично или полностью сбрасываются в водные объекты без очистки,
вместе с ними может сбрасываться и часть общегородских сточных вод.
3.5.1. Системы водоотведения
Система водоотведения, называемая еще канализационной системой,
включает следующие основные элементы: внутренние водоотводящие системы в жилых зданиях или производственных помещениях; внутриквартальные
или внутриплощадочные водоотводящие сети; внешние (внеплощадочные)
водоотводящие сети; регулирующие резервуары; насосные станции и напорные трубопроводы; очистные сооружения; выпуски очищенных сточных вод
в водные объекты; аварийные выпуски сточных вод в водные объекты. Водоотводящие системы подразделяются на общесплавные, раздельные и комбинированные. В свою очередь раздельные системы подразделяются на полные раздельные, неполные раздельные и полураздельные.
Общесплавная система водоотведения имеет одну водоотводящую сеть,
предназначенную для отвода сбросных вод всех категорий: хозяйственнобытовых, производственных и дождевых (рис. 3.6). По длине главного кол-
Раздел 3. Водная среда города
87
лектора общесплавной системы могут устраиваться ливневыпуски для непосредственного сброса в реку части стока, пропускаемого по системе водоотведения. Это делается с целью уменьшения размеров и количества коллекторов в концевой части системы и соответствующего ее удешевления.
1
Рис. 3.6. Общесплавная схема водоотведения:
РНС — районная насосная станция; ГНС — главная насосная станция; ОС — очистные
сооружения; ПП — промышленное предприятие
1 — граница города; 2 — наружная (внешняя) водоотводящая сеть трубопроводов;
3 — ливневыпуски; 4 — дюкер; 5 — напорные трубопроводы; 6 — выпуск очищенных
сточных вод; 7 — линии водоразделов
Ливневыпуски устраиваются таким образом, чтобы исключить возможность переполнения главного коллектора во время сильного дождя. Конструкция и размещение ливневыпусков обеспечивают включение их в работу,
т.е. сброс вод в реку, не ранее, чем через 30 минут после начала интенсивного
ливня. За это время наиболее загрязненная часть поверхностного стока с
городской территории по общесплавному коллектору поступает на городские
очистные сооружения, а менее загрязненная часть при наполнении главного
коллектора начнет поступать непосредственно в реку. Понятно, что выпуск
неочищенных сточных вод в реку связан с ее возможным загрязнением. Поэтому размеры выходных отверстий ливневыпусков и соответственно расход
сбрасываемых через них неочищенных вод определяются исходя из ассимилирующей способности водотока. Применение общесплавной системы водоотведения целесообразно при наличии в городе полноводной реки.
Полная раздельная система водоотведения имеет два или больше коллекторов, предназначенных для отдельного отвода сточных вод определенной
категории (рис. 3.7).
88
Экология города
а)
ОСБПВ
б)
1
гт
N
I
ОСБПВ
и
\
\
—лоспс~
В)
ЦОСПС
ОСБПВ
Рис. 3.7. Полная раздельная система водоотведения:
а — без очистки поверхностного стока; б и в — с очисткой поверхностного стока соответственно на локальных и централизованных очистных сооружениях;
ОСБПВ — очистные сооружения бытовых и производственных вод; ОСПП — очистные
сооружения промышленного предприятия; ЛОСПС — локальные очистные сооружения
поверхностного стока; ЦОСПС — централизованные очистные сооружения поверхностного стока; НС — насосная станция;
1 — бытовая сеть; 2 — ливневая сеть; 3 — граница города; Ч — производственная сеть;
5 — граница промышленного предприятия; 6 — возврат воды на производство после очистки; 7 — подача воды для доочистки на очистные сооружения города; 8 — подача очищенных вод на промышленное предприятие; 9 — напорные трубопроводы; 10 — выпуск очищенных производственных сточных вод в водоем; 11 — разделительные камеры; 12 —
регулирующий резервуар
Раздел 3. Водная среда города
89
Хозяйственно-бытовые сточные воды отводят на общегородские очистные сооружения, где производят их очистку до кондиций, удовлетворяющих
условиям сброса в водные объекты. Очистку производственных сточных вод
осуществляют на специальных очистных сооружениях данного промышленного объекта или группы таких объектов. После очистки производственные
сточные воды могут быть использованы для технического водоснабжения,
поданы на общегородские очистные сооружения для доочистки или сброшены в водный объект. Талые и дождевые воды по коллектору ливневой канализации подаются на очистку и в дальнейшем используются для технического водоснабжения или сбрасываются в водные объекты.
Неполная раздельная система водоотведения предусматривает отвод хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по единому коллектору. Отвод дождевых вод производится отдельно по коллекторам, лоткам или
канавам. Как правило, неполная раздельная система используется для небольших объектов водоотведения и является первоначальным этапом создания полной раздельной системы.
Полураздельная система водоотведения предусматривает отвод смеси хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по одному общему коллектору, а дождевых вод — по другому. Дождевые и производственно-бытовые коллекторы по трассе водоотведения пересекаются (рис. 3.8). В месте пересечения
устанавливаются разделительные камеры, с помощью которых дождевой сток
полностью или частично из дождевого коллектора попадает в главный. При
сравнительно малых расходах дождевых вод они полностью поступают в главный коллектор. При больших расходах дождевых вод в главный коллектор поступает лишь часть дождевого стока, протекающего по нижней (донной) части
дождевого коллектора. Это наиболее загрязненная часть дождевого стока, отводимого с прилегающей территории в начальный период дождя, когда происходит смыв основной массы загрязняющих веществ. Поступающая в последующий период менее загрязненная часть дождевого стока через распределительную камеру отводится в водный объект без очистки. В смеси с дождевыми водами
частично сбрасываются и сточные воды.
Рис. 3.8. Полураздельная система водоотведения:
1 — производственно-бытовая сеть; 2 — ливневая сеть; 3 — промышленное предприятие;
4 — разделительные камеры
90
Экология города
Комбинированная система водоотведения представляет собой совокупность
общесплавной системы с полной раздельной. Такая система формируется по
мере развития и реконструкции канализационной сети города. В старой части города может функционировать общесплавная система водоотведения, а в
районах новостроек создается полная раздельная система.
3.5.2. Общегородские очистные сооружения
Вода, поступающая в городскую систему водоотведения, обычно представляет собой смесь хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод. По
системе водоотведения эти воды подаются на общегородские очистные сооружения. Если позволяет производительность этих сооружений, сюда же поступают частично или полностью дождевые и талые воды. Полный комплекс общегородских очистных сооружений включает блоки: механической и биологической очистки, доочистки, обеззараживания, обработки осадка (рис. 3.9).
Механическая очистка обеспечивает удаление из сточных вод крупных
включений, взвешенных и плавающих примесей. В состав блока механической очистки входят решетки, иногда с дробилками, песколовки, преаэраторы
и первичные отстойники.
Решетки предназначены для улавливания крупных включений, которые при необходимости измельчаются в дробилках. На решетках достигается практически полное извлечение из очищаемых сточных вод крупных
включений. Извлеченные крупные включения вывозятся на полигон бытовых отходов.
В песколовках, представляющих собой емкости определенных размеров,
благодаря резкому уменьшению скорости течения очищаемой жидкости происходит осаждение взвешенных веществ. В песколовках удаляется из сточной
воды примерно 40—60% мелких механических примесей. Из песколовок осадок подается на песковые площадки. После высыхания он может быть использован для планировочных работ.
В преаэраторах происходит первичное насыщение сточных вод кислородом путем подачи сжатого воздуха, что существенно улучшает процесс биологической очистки. В сточных водах, поступающих из систем водоотведения, растворенный кислород практически отсутствует. Смешение очищаемых вод с пузырьками воздуха способствует отделению нефтепродуктов и
других плавающих примесей, которое происходит в первичных отстойниках,
называемых также нефтеловушками. Степень удаления плавающих примесей
составляет 60—80%. Всплывшие нефтепродукты специальными скребками собираются в бочки и направляются на регенерацию или на сжигание.
Из первичных отстойников очищаемые сточные Ъоды поступают в блок
биологической очистки, где происходит деструкция органических соединений,
поддающихся биохимическому окислению. Из сооружений биологической
очистки наибольшее распространение получили аэротенки. Они представляют собой железобетонные, реже кирпичные или металлические удлиненные
1
Поступление сточных вод
Отбросы
Газгольдер
_ZL
" Л
Дробилка
Газ на
исполь• зование
г
На планировку
Песковые
площади
!
Вариант без
матантенков
Избыточный
активн ы й ил_
>Т Сырой
—
осадок
I<
л
| Сброженный оса-'
.док
I
Обезвоживание
сброженного
осадка
[_ _
На
J
удЫэренш^
- —-г
^
I
Сжатый
воздух_
ВОЗД""
^
Иловая вода
Илоуплотнитель
[
]/
Обезвоживание
осадка
Циркуляционный I
активный ил |
Сушка
Аэротенк
I Осадок]
|
_
д
Рис. 3.9. Схема полной биологической очистки городских сточных вод в аэротенках:
РХ — удаление солей фосфора добавкой реагентов; Д - удаление солей азота
в денитрификаторах; ОД — удаление солей азота в отстойниках-денитрификаторах
од
На
• удобрения
92
Экология города
емкости, где происходит контакт очищаемых сточных вод с активным илом
при одновременном насыщении их кислородом воздуха. Активный ил представляет собой специально культивируемое сообщество микроорганизмов,
пищей для которых служат органические вещества, содержащиеся в сточных
водах. Нормальное содержание активного ила в очищаемых сточных водах
составляет 2 г/л (по сухому веществу). Для интенсификации процесса деструкции органических соединений в аэротенки постоянно нагнетается сжатый воздух в соотношении 10:1 — к объему очищаемой жидкости. Аэротенки
в блоке биологической очистки располагаются таким образом, чтобы очищаемая сточная вода, проходя через них последовательно один за другим,
находилась в контакте с активным илом в течение 18—20 часов. Температура
воды в аэротенках должна быть не ниже +5° С и не выше 40° С. Степень
деструкции в аэротенках органических веществ, поддающихся биохимическому окислению, составляет около 90%.
Очищенные в аэротенках сточные воды поступают во вторичные отстойники, где происходит оседание активного ила, который попал сюда из аэротенков вместе с водой. Микроорганизмы активного ила при оседании адсорбируют своей чешуйчатой поверхностью мельчайшие взвеси, оставшиеся в
очищаемых сточных водах после прохождения песколовок и первичных отстойников, а также ионы тяжелых металлов. Степень извлечения металлов
за счет адсорбции микроорганизмами колеблется от 10 до 60%.
После вторичных отстойников городские сточные воды считаются прошедшими биологическую очистку и могут быть сброшены в поверхностные
водные объекты. Перед сбросом в обязательном порядке производится их
обеззараживание путем обработки хлорной водой. Приготовление хлорной воды
производится в хлораторной растворением активного хлора в воде. После хлорирования сбросная вода должна пройти дегазацию, так как попадание активного хлора в водный объект может привести к гибели рыбы. Дегазация
сбросных вод происходит в каналах и быстротоках по пути следования от
места хлорирования до места выпуска в водный объект. В некоторых странах
вместо хлорирования применяют озонирование. И тот, и другой способы
обеззараживания воды имеют свои преимущества и недостатки. В нашей стране
для обеззараживания сточных вод применяют в основном хлорирование.
Если качество очистки сточных вод не удовлетворяет условиям их сброса
в водные объекты (разд. 3.5.6) или сточные воды после очистки предполагается использовать для технического водоснабжения или пополнения городских рек, то в этих случаях организуется их доочистка. При пополнении стока городских рек очищенными сточными водами доочистка должна обеспечить придание им свойств и состава, присущих природным речным водам.
Для доочистки сточных вод используют фильтры с зернистой загрузкой, установки пенной и напорной флотации, коагуляцию ^флокуляцию, сорбцию
(разд. 3.5.4), озонирование, установки для извлечения из воды соединений
фосфора и азота. Для придания очищенным сточным водам качеств природной воды их доочистка проводится в каскаде биологических прудов или на
биоинженерных сооружениях типа биоплато (разд. 3.5.3).
Раздел 3. Водная среда города
93
В процессе биологической очистки сточных вод образуется большое количество осадка, представляющего собой отмерший или избыточный активный ил, который удаляется из аэротенков и вторичных отстойников. Ил имеет влажность 97—98% и очень плохо отдает воду. С целью обезвоживания его
сначала обрабатывают в метантенках или аэробных стабилизаторах, затем
подвергают механическому обезвоживанию в гидроциклонах, центрифугах,
вакуум-фильтрах или фильтр-прессах, после чего направляют на иловые площадки для окончательного высушивания.
В метантенках, представляющих собой герметичные цилиндрические
резервуары, в течение нескольких часов при температуре 33—53° С происходит сбраживание ила. При обработке в метантенке ил теряет свою водоудерживающую способность, его влажность снижается до 92—94%. В процессе
сбраживания выделяется газ, главным образом метан, с теплотворной способностью до 5000 ккал/м . Из 1 кг осадка (по сухому веществу) образуется
около 1 м газа плотностью 1 кг/м . Получаемый газ используется обычно в
котельных сооружений биологической очистки.
3
3
3
В аэробных стабилизаторах, представляющих собой обычные аэротенки,
активный ил подвергается усиленной аэрации в течение нескольких суток.
Расход воздуха при этом составляет до 2 м /час на 1 м вместимости стабилизатора. Влажность ила снижается на 2—3%, он в значительной мере теряет
свою водоудерживающую способность.
3
3
При механическом обезвоживании влажность осадка может быть снижена до 65—70%, а объем его, по сравнению с сырым осадком (влажностью
98%), уменьшен в 15—20 раз.
Окончательное
высушивание осадка происходит на иловых площадках.
Площадки представляют собой выровненные участки (карты) площадью 0,25—
2 га, обвалованные невысокими (0,7—1 м) дамбами. Здесь в природных условиях в течение нескольких месяцев (до года) происходит высушивание и компостирование (перегнивание) илового осадка. Компостированный иловый
осадок является хорошим органическим удобрением. Ограничения в его применении могут быть связаны со сверхнормативным содержанием соединений
тяжелых металлов.
3.5.3. Очистные сооружения небольших населенных пунктов
Очистка сравнительно небольших расходов сточных вод может быть обеспечена на более простых по конструкции сооружениях, принцип действия
которых также основывается на процессах биохимического разложения органических веществ сообществом микроорганизмов.
Наиболее простыми очистными сооружениями, используемыми человеком уже более пяти столетий, являются поля фильтрации. Они представляют
собой спланированные площадки (карты) с уклоном до 0,02, обвалованные
дамбами, площадью от нескольких квадратных метров до 1,5—2 га. Поля фильтрации устраиваются обычно на проницаемых грунтах — песках, супесях,
94
Экология города
легких суглинках. Наряду с биологической очисткой сточных вод, в которое
принимают участие сообщества микроорганизмов как водных, формирующихся на поверхности карт, так и почвенных, развивающихся в толще проницаемых грунтов, в процессе фильтрации воды через породы основания
происходит ее дополнительная механическая и отчасти физико-химическая
очистка. Преимуществами полей фильтрации является простота устройства v
эксплуатации. К их недостаткам следует отнести необходимость занятия больших площадей, возможность загрязнений подземных вод и атмосферного
воздуха газообразными продуктами разложения хозяйственно-бытовых сточных вод, которое ощущается на расстоянии до 200 м от полей фильтрации.
Разновидностью полей фильтрации являются поля подземной фильтрации,
в которых на глубине 0,5—1,8 м укладываются дренажные трубы. По ним
очищенная вода отводится с полей фильтрации и используется для орошения
сельскохозяйственных угодий.
Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки
являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки и доочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкции типа инфильтрационных и поверхностных биоплато (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Очистные сооружения типа биоплато:
А — инфильтрационное биоплато; Б — поверхностное биоплато
1 — подача воды на очистку; 2 — отстойник; 3 — осадок; 4 — распределительный трубопровод; 5 — противофильтрационный экран; 6 — растительный грунт; 7 — песок;
8 — щебень; 9 — дренаж; 10 — высшая водная растительность; 11 — каменная наброска;
12 — очищенная вода
Инфильтрационное
биоплато — инженерное сооружение, размещенное,
как правило, в котловане глубиной до 2 м, на дне которого устраивается
противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Поверх экрана
укладывается горизонтальный дренаж и слой щебня, песка, керамзита или
другого фильтрующего материала. Поверхность своружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видами высшей водной
растительности из расчета не менее 10—12 стеблей на 1 м . По технологии
биоплато в очистке воды принимают участие сообщества водных (на поверхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшая
2
Раздел 3. Водная среда города
95
водная растительность и сам фильтрующий слой. Поверхностное биоплато
также размещается в котловане и имеет противофильтрационный экран. Роль
дренажа выполняет каменная наброска, вместо фильтрующего слоя укладывается грунт котлована, поверхность которого засаживается высшей водной
растительностью. Высшая водная растительность, кроме очистительной функции, обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) очищаемой жидкости в летний период примерно на 10—15%. Транспирационные свойства
высшей водной растительности могут быть использованы также для ускорения подсушивания иловых площадок, повышения пропускной способности
и эффективности очистки полей фильтрации.
Очистные сооружения по технологии биоплато состоят, как правило, из
нескольких блоков, располагаемых каскадом, причем блок поверхностного
биоплато является концевым. В состав сооружений биоплато в качестве концевого может быть включен болотистый участок (естественное поверхностное
биоплато) с наличием достаточных зарослей высшей водной растительности.
Начальным блоком сооружений является отстойник, где происходит удаление крупных включений и взвешенных веществ. По технологии биоплато
обеспечивается очистка хозяйственно-бытовых сточных вод по Б П К до
5—10 мг/л, по взвешенным веществам — до 8—12 мг/л, причем наличие взвешенных веществ в основном связано с выносом их из фильтрующего слоя.
Значительно (на 40—70%) снижается содержание соединений азота и фосфора. Сооружения биоплато, удачно расположенные по рельефу местности, не
требуют применения электроэнергии, химикатов и обеспечивают надежную
работу как в летний, так и в зимний период. Для очистки производственных
сточных вод по технологии биоплато требуется производить их предочистку в
соответствии с особенностями их состава и свойств.
5
3.5.4. Методы очистки производственных сточных вод
Очистка производственных сточных вод организуется с целью использования их в системах оборотного, последовательного или замкнутого водоснабжения, обеспечения условий приема в городские системы водоотведения
или сброса в водные объекты.
Вода, использованная в технологическом процессе, содержит примеси
в виде: взвешенных частиц размером от 0,1 мкм и более, образующих суспензии; нерастворяемых в воде капелек другой жидкости, образующих
эмульсии; коллоидных систем с частицами размером от 1 мкм до 1 нм и
растворенных в воде веществ в молекулярной или ионной форме. Примеси,
содержащиеся в технологической воде, часто являются ценным сырьем или
готовой продукцией.
Методы очистки сточных вод подразделяются на механические, физико-химические и биологические.
Механические методы очистки обеспечивают извлечение из очищаемых вод взвешенных и плавающих примесей. Наиболее простой способ удаления этих примесей — отстаивание, в процессе которого взвешенные ве-
Экология города
96
щества оседают на дно, а плавающие примеси всплывают на поверхность
отстойников. Отстойники устраиваются горизонтальные, вертикальные и
радиальные (рис. 3.11).
А
1
В
I
Рис. 3.11. Отстойники:
А — горизонтальный; Б — вертикальный; В — радиальный
1 — загрязненная вода; 2 — очищенная вода; 3 — осадок (шлам); 4 — скребковый механизм
В горизонтальном отстойнике длина в 8—12 раз больше его глубины.
Отстойники бывают непрерывного или периодического действия. В отстойниках непрерывного действия отделение примесей происходит благодаря
резкому уменьшению скорости движения очищаемой жидкости (до 0,005—
0,01 м/с). Продолжительность прохождения жидкости через отстойник составляет 1—3 часа. Эффективность осветления воды — от 40 до 60%. В отстойниках периодического действия продолжительность отстоя жидкости
составляет несколько часов, после чего происходит удаление всплывших
примесей, осветленной воды и осадка. Затем процесс повторяется.
Глубина (высота) вертикального отстойника в несколько раз превышает
его горизонтальный размер. Разделение твердой и жидкой фаз происходит за
счет уменьшения скорости потока и изменения его направления на 180°. Вертикальные отстойники более компактны, однако их эффективность на
10—20% ниже, чем у горизонтальных.
В конструкции радиального отстойника реализован принцип действия вертикального и горизонтального отстойников. В центральной его части происходит смена направления потока очищаемой жидкости, а от центра к периферии он работает в режиме горизонтального отстойника. Это позволяет получать достаточно компактные сооружения большой производительности.
Эффективность осветления в радиальных отстойниках достигает 60%. Глубина их колеблется от 1,5 до 5 м, диаметр — от 15 до 60 м.
В зависимости от вида удаляемых плавающих 1<римесей отстойники могут называться нефтеловушками, жироуловителями и т.п. Эффективность удаления из воды плавающих примесей составляет 95—96%. Всплывшие примеси удаляются с поверхности специальными приспособлениями и направляются на утилизацию.
Раздел 3. Водная среда города
97
<2
Для удаления из воды волокнистых примесей (частичек шерсти, ниток,
асбеста и др.) используется дисковый волокноуловитель, представляющий собой вращающийся перфорированный диск, по которому тонким слоем стекает очищаемая жидкость.
Для повышения эффективности процесса осветления к очищаемой в отстойниках жидкости добавляют коагулянты — вещества, которые при взаимодействии с водой образуют хлопьеобразные частицы размером 0,5—3 мм с
развитой поверхностью, обладающие также небольшим электрическим зарядом. При оседании эти хлопья захватывают из жидкости взвешенные и коллоидные частицы. В качестве коагулянтов применяются сернокислый алюминий, хлорное железо и др. Расход их составляет от 40 до 700 кг/м очищаемой жидкости. Высокие дозы относятся к физико-химической очистке
технологических вод, обеспечивающей удаление хрома и цианидов, а также
обесцвечивание воды.
3
Интенсификации процесса коагуляции способствует добавка флокулянтов — веществ, обеспечивающих агрегирование пластин коагулянтов и ускоряющих тем самым их осаждение. В качестве флокулянтов применяют клейкие вещества: крахмал, декстрин, силикатный клей. Весьма эффективным
является синтетический флокулянт — полиакриламид (ПАА), широко использующийся также при подготовке питьевой воды. Доза применения ПАА
колеблется от 0,5 до 25 г/м очищаемой жидкости. Внедряются в практику и
другие коагулянты и флокулянты на основе активных полимеров, дозы применения которых в десятки раз меньше.
3
Тонкодисперсные частички, которые не удается извлечь из жидкости в
отстойниках, могут быть удалены с помощью фильтрования. Процесс фильтрования заключается в прохождении жидкости через пористую преграду, на которой осаждаются мелкодисперсные частицы. В качестве фильтрующего слоя
используются зернистые материалы (песок, гранитная или мраморная крошка,
керамзит и др.), ткани и нетканые полотна (хлопчатобумажные, шерстяные,
синтетические, из асбеста, стекловолокна и др.), металлические сетки, перфорированные пластины, пористая керамика. Для ускорения процесса фильтрование производится под давлением или с помощью вакуума. Для извлечения
нефтепродуктов, масел и других эмульгированных примесей применяются
фильтры из полиуретана. Эффективность удаления взвешенных и эмульгированных примесей методом фильтрования достигает 99% и более.
В гидроциклонах и центрифугах разделение жидкой и твердой фаз производится под воздействием центробежных сил.
Для удаления взвешенных веществ используются напорные гидроциклоны (рис. 3.12). Для удаления плавающих примесей применяются открытые гидроциклоны. Гидроциклон представляет собой металлический аппарат, состоящий из цилиндрической и конической частей. Диаметр цилиндрической части — от 100 до 700 мм, высота примерно равна диаметру.
Угол конусности составляет 10—20°. Внутри аппарата имеются струенаправляющие лопасти в виде винтовой спирали. Поданная под давлением жидкость, двигаясь по спирали к сливу, отделяется от взвешенных веществ. Часть
4
о,:
98
Экология города
жидкости с большим содержанием взвесей удаляется из гидроциклона, а
осветленная вода под действием образовавшегося вакуума движется вверх и
изливается через верхнее отверстие. В открытом (безнапорном) гидроциклоне удаление осветленной воды происходит через боковые отверстия, а
всплывающие примеси извлекаются с помощью сифона. Гидроциклоны, по
сравнению с другими устройствами для механической очистки вод, отличаются высокой производительностью, компактностью, экономичны в изготовлении и эксплуатации. Эффективность очистки от взвешенных и плавающих примесей составляет примерно 70%.
Рис. 3.12. Гидроциклоны:
А — вертикальный напорный;
Б — многоярусный открытый
1 — загрязненная вода; 2 — очищенная вода;
3 — осадок (шлам); 4 — плавающие примеси
(нефтепродукты, масла)
Центрифугирование является эффективным методом разделения суспензий и эмульсий. Центрифуги изготовляются периодического и непрерывного
действия с автоматической выгрузкой осадка и осветленной жидкости (фугата). При центрифугировании достигается достаточно высокая степень обезвоживания осадка и получается относительно чистый фугат. Центрифуги потребляют большое количество электроэнергии, создают высокие шумовые
нагрузки и небезопасны в эксплуатации.
Физико-химические методы очистки обеспечивают удаление из воды, как
правило, растворенных веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биологической очистке, а также веществ, которые могут оказать неблагоприятное
воздействие на коллекторы или другие элементы систем водоотведения.
Наиболее простым и распространенным методом физико-химической очистки является нейтрализация, которая заключается в подкислении щелочных
вод (с рН>8,5) и подщелачивании вод с рН<6,5. При наличии на производстве кислых и щелочных вод нейтрализация достигается их смешением. При
отсутствии одной из категорий вод нейтрализация осуществляется путем добавки реагента. Для нейтрализации кислых вод лучше всего использовать
отходы щелочей — гидроокиси натрия или калия, не дающие осадка. При
использовании гидроокиси кальция в виде известкового молока образуется
шлам, который необходимо удалять, обезвреживать и утилизировать. Нейтрализация кислых вод достигается также фильтрованием их через слой известняка, доломита, магнезита, шлака или золы.
Для нейтрализации щелочных вод используется отработанная серная кислота. Высокоэффективным методом нейтрализации щелочных вод является
продувка через них газовых выбросов, содержащих оксиды серы, углерода,
Раздел 3. Водная среда города
99
азота и другие кислотообразующие окислы. Таким образом обеспечивается
одновременно эффективная очистка дымовых газов.
Реагентная обработка применяется для очистки вод от цианидов, роданидов, ионов тяжелых металлов и ряда других примесей. Вид применяемого
реагента определяется составом примесей, подлежащих удалению из воды.
Так, разложение цианидов достигается обработкой воды жидким хлором или
веществами, выделяющими активный хлор, — хлорной известью, гипохлоридом кальция или натрия.
Окислением удается добиться деструкции таких соединений, как альдегиды, фенолы, анилиновые красители, серосодержащие органические вещества
и др. В качестве окислителей применяют кислород, озон, перекись водорода,
пиролюзит. В процессе окисления происходит разложение вредных примесей до простых окислов или образование соединений, поддающихся биохимическому разложению.
Извлечение из воды ионов ртути, хрома, кадмия, свинца, никеля, меди,
мышьяка основано на переводе их из раствора в нерастворимый осадок.
С этой целью очищаемую воду обрабатывают соединениями натрия или кальция — сульфитом, бисульфитом или сульфидом, карбонатами или гидроокисью. Образующийся шлам удаляют, утилизируют или складируют.
Одним из высокоэффективных методов очистки является ионный обмен,
который представляет собой процесс взаимодействия очищаемой жидкости с
зернистым материалом, обладающим способностью заменять ионы, находящиеся на поверхности зерен, на ионы противоположного заряда, содержащиеся в растворе. Такие материалы называются ионитами. Ионитными свойствами обладают природные минералы — цеолиты, апатиты, полевые шпаты,
слюда, различные глины. Синтезировано большое число высокоэффективных ионитов, обладающих селективными свойствами. К ним относятся силикагели, алюмогели, пермутиты, сульфоугли и ионообменные смолы — синтетические высокомолекулярные органические соединения, углеводородные
радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на
ней ионообменными функциональными группами. Иониты не растворяются
в воде, обладают достаточной механической прочностью, обеспечивают возможность их регенерации с получением ценных веществ, извлекаемых из
очищаемых вод. Существуют ионообменные установки периодического и
непрерывного действия (рис. 3.13). Установки периодического действия работают как фильтры с зернистой загрузкой в виде гранул ионитов. При насыщении поверхности гранул ионами вещества, извлекаемого из воды, производится их регенерация слабым раствором (2—8%) щелочи или кислоты.
В установках непрерывного действия гранулы ионитов и очищаемая жидкость
движутся противотоком, постоянно перемешиваясь. В процессе работы часть
гранул подаются на регенерацию и заменяются новыми. Благодаря высокой
механической прочности и способности к регенерации гранулы ионитов имеют довольно продолжительный срок службы. Ионный обмен является, по существу, универсальным методом очистки вод. Для извлечения практически
любого вещества из воды можно подобрать соответствующий ионит или группу ионитов. Эффективность ионообменной очистки достигает 95—99%.
100
Экология
А
города
1
Рис. 3.13. Установки ионообменной
очистки:
А — периодического действия;
Б — непрерывного действия
1 — загрязненная вода; 2 — гранулы
ионита; 3 — раствор для регенерации
ионита; 4 — очищенная вода; 5 — добавка ионита
Другим универсальным и высокоэффективным методом очистки вод является сорбция. Сорбция применяется преимущественно для очистки сточных вод, которые содержат высокотоксичные вещества, неподдающиеся биохимическому окислению. Метод сорбционной очистки основан на адгезии
(прилипании) растворенных веществ поверхностью и порами сорбента — вещества, обладающего разветвленной внешней и внутренней (поры) поверхностью. Наилучшим сорбентом является активированный уголь. Сорбционными свойствами обладают золы, шлаки, опилки, коксовая крошка, торф,
керамзит и др. Конструкции установок сорбционной очистки аналогичны
ионообменным (рис. 3.14). Высокая эффективность очистки достигается в
установках с псевдосжиженным ("кипящим") слоем, когда в полую вертикальную колонну снизу под давлением подается очищаемая вода, проходящая через слой сорбента, который находится во взвешенном состоянии. Отработанный сорбент заменяется новым или регенерируется. При поддержании сорбента в " к и п я щ е м " слое, когда достигаются наилучшие условия
контакта его внешней и внутренней поверхности с очищаемой жидкостью,
эффективность очистки достигает 99%. Если псевдосжиженный слой слеживается, эффективность очистки резко снижается.
Рис. 3.14. Установки сорбционной очистки:
А — одноярусная; Б — трехъярусная
1 — загрязненная вода; 2 — сорбент; 3 — очищенная вода; 4 — отработанный сорбент;
5 — чистый сорбент; 6 — решетка
Раздел 3. Водная среда города
101
Флотационная очистка применяется для удаления из воды поверхностноактивных веществ (ПАВ), нефтепродуктов, жиров, смол и др. Процесс флотации заключается в сорбировании содержащихся в воде примесей поверхностью пузырьков воздуха, нагнетаемого в очищаемую жидкость. В практике
очистки вод используются напорные, безнапорные, вакуумные и электрофлотационные установки. Наибольшее распространение получили напорные
установки (рис. 3.15). В таких установках вода сначала насыщается воздухом
под давлением, а затем подается в открытый резервуар, где происходит выделение пузырьков и сорбирование ими содержащихся в воде примесей. Иногда сжатый воздух подается в нижний слой жидкости, находящейся в резервуаре (флотаторе). Для повышения эффективности очистки воздух подается
через пористые (фильтросные) пластины. При вакуумной флотации в флотаторе создается разряжение, способствующее образованию пузырьков воздуха.
Для безнапорной флотации используются эрлифтные установки, которые
позволяют существенно (в 2—4 раза) снизить затраты электроэнергии на флотационную очистку. Повышению эффективности очистки вод при флотации
способствует наличие синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ).
Образуемая ими густая стойкая пена повышает степень извлечения из воды
эмульгированных и диспергированных примесей. При флотации одновременно
достигается дегазация очищаемых вод и насыщение их кислородом.
Рис. 3.15. Установки флотационной очистки:
1 — загрязненная вода; 2 — сжатый воздух; 3 — газгольдер; 4 — флотатор; 5 — очищенная
вода; 6 — пенный шлам
При электрофлотации образование пузырьков газа происходит вследствие
электролиза воды. На аноде выделяется кислород, на катоде — водород. Однако этот метод очистки из-за больших затрат электроэнергии и роста ее
стоимости практически не используют. По этим же причинам все реже применяют некогда широко распространенные электрохимические методы очистки вод: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция,
электродиализ. Электрохимические методы очистки основаны на пропускании постоянного электрического тока через очищаемую жидкость. Кислород, выделяемый на аноде, окисляет органические примеси. В качестве анодов используют электролитические неразлагаемые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца или рутения, наносимые на титановую
основу. На катодах происходит выделение водорода и оседание ионов метал-
102
Экология города
лов с образованием нерастворимых гидроксидов. Катоды изготовляют из стали или алюминия. В процессе электролиза катионы катодов, взаимодействуя
с гидроксидными группами, образуют гидроокиси в виде хлопьев. Этот процесс называется электрокоагуляцией.
Одной из разновидностей электрохимической очистки является электродиализ, который основан на разделении находящихся в растворе ионизированных
веществ по отсекам, отгороженным проницаемыми мембранами (рис. 3.16).
Высокий эффект достигается при использовании мембран из ионитов. Электродиализ является эффективным методом опреснения вод, в частности морской
воды для последующего использования ее в питьевом водоснабжении. Установки опреснения морской воды успешно используют в Израиле, других странах
Ближнего Востока. С 1973 г. в Казахстане, на полуострове Мангышлак в Каспийском море, эксплуатируется одна из крупнейших в мире установок по опреснению морской воды. Энергией ее обеспечивает построенная здесь АЭС.
Электрохимические методы отличаются универсальностью, обеспечивают высокую эффективность очистки, хорошо поддаются автоматизации. Однако их недостатком, как уже отмечалось, является большой расход электроэнергии.
Л 2
Л 2
Н
Н
А°
Ч
2
©
H so
2
4
И
(Na*
Na S0
2
4
NaOH
h-
ч
—
h
H SO
2
4
Na S0
2
4
NaOH
Рис. 3.16. Принцип работы установок электродиализа:
А — с обычной пористой мембраной; Б — с ионитной мембраной
Другие физико-химические методы очистки вод имеют ограниченное
применение.
Экстракция — извлечение из сточных вод растворенных или эмульгированных веществ с помощью экстрагента — растворителя более сильного, чем
вода. Например, очистка сточных вод от нефтепродуктов путем растворения
их бензином с последующей его отгонкой.
Эвапорация — отгон из воды летучих веществ водяным паром.
Гиперфильтрация (обратный осмос), микрофильтрация — выделение из воды
гидратированных ионов, молекул и других мельчайших частиц путем пропускания ее под большим давлением через мембраны, размеры отверстий которых меньше размеров извлекаемых из воды частиц. Например, обратный осмос используется для обессоливания воды.
При наличии на производстве излишков тепла, например, горячих дымовых газов, можно организовать выпаривание или испарение сточных вод. При
103
Раздел 3. Водная среда города
этом следует применять меры по охране атмосферного
мых вредных веществ, таких как бенз(а)пирен и др.
воздуха от испаряе-
Испарение сточных вод может происходить и в естественных условиях в
накопителях-исгЛарителях, представляющих собой земляные сооружения иногда гигантских размеров — высотой в несколько десятков метров, диаметром в
несколько километров.
3.5.5. Условия приема производственных сточных вод
в городскую систему водоотведения
Производственные сточные воды, как правило, проходят очистку на самом
предприятии и в дальнейшем могут быть использованы этим же предприятием,
переданы для использования другому предприятию, сброшены в водный объект
или по системе водоотведения направлены на общегородские очистные сооружения. Необходимая степень очистки городских сточных вод определяется условиями сброса сточных вод в водные объекты. Однако очистительные возможности общегородских очистных сооружений, основным звеном которых является комплекс биологической очистки, довольно ограничены. На сооружениях
биологической очистки из сточных вод практически не извлекаются ионы тяжелых металлов, не подвергаются деструкции искусственно синтезированные органические вещества. Поэтому в составе производственных сточных вод, подаваемых на общегородские очистные сооружения, содержание веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биохимическому окислению, должно быть
ограниченно или они должны отсутствовать вовсе.
Активный ил, представляющий собой определенным образом сформировавшееся сообщество микроорганизмов и который является главным "рабочим"
инструментом биологической очистки, может быть уничтожен или в значительной мере поврежден под воздействием кислот, щелочей, токсичных веществ или
высокой температуры. Поэтому подаваемые на биологическую очистку производственные сточные воды не должны губительно действовать на активный ил.
Кроме того, сточные воды, подаваемые в систему водоотведения, не должны вызывать разрушение и засорение канализационных коллекторов.
Исходя из этого, запрещается сбрасывать в городские системы водоотведения производственные сточные воды:
• имеющие рН менее 4,0 и более 9,0;
• при показателях ХПК, более чем в 2,5 раза превышающих Б П К или
более чем в 1,5 раза превышающих Б П К , что свидетельствует о значительных концентрациях в сточных водах органических соединений,
неподдающихся биохимическому окислению;
5
п о л н
• содержащие токсичные и радиоактивные вещества, возбудителей инфекционных заболеваний, а также вещества, для которых не установлены ПДК;
• с содержанием взвешенных и всплывающих веществ свыше 500 мг/л;
• с температурой выше 40° С.
Экология города
104
В городские системы водоотведения запрещается сбрасывать:
• концентрированные маточные и кубовые растворы;
• осадки после локальных очистных сооружений, грунт, строительный и
бытовой мусор, производственные отходы;
• кислоты, щелочи, растворители, смолы, бензин, мазут и другие нефтепродукты;
• растворы, содержащие сероводород, сероуглерод, легколетучие углеводороды;
• вещества, способные засорять трубы, колодцы, решетки или отлагаться
на стенках труб;
• горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные
образовывать взрывоопасные смеси, агрессивные газы с разрушающим
коррозионным воздействием на канализационные сети и сооружения.
Сброс сточных вод промышленных предприятий в городскую систему
водоотведения должен производиться равномерно в течение суток. Залповые
сбросы не допускаются.
Сброс сточных вод в водные объекты после очистки на общегородских
очистных сооружениях регламентируется нормативами предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ (ПДС). Учитывая ограниченные очистительные возможности общегородских очистных сооружений, управление
по эксплуатации этих сооружений устанавливает для своих абонентов-предприятий, сбрасывающих сточные воды в городскую систему канализации,
лимиты приема по количеству и составу промстоков. Лимиты устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить нормативные условия сброса очищенных на общегородских сооружениях сточных вод в водный объект. Для
соблюдения установленных каждому предприятию лимитов производится
локальная очистка производственных сточных вод, как правило, на самом
предприятии. Иногда несколько предприятий организуют совместную очистку своих сточных вод.
3.5.6. Условия сброса сточных вод в водные объекты
Сброс сточных вод в водные объекты относится к одному из видов
специального водопользования и осуществляется на основе разрешения,
выдаваемого местными органами экологической безопасности (разд. 10.2).
Отведение сточных вод в водные объекты регламентируется нормами предельно допустимых сбросов веществ (ПДС). ПДС — это максимально допустимая масса вещества, отводимая со сточными водами в единицу времени, которая позволяет обеспечить соблюдение^норм качества воды в
контрольном створе водного объекта для наихудших условий водопользования. ПДС устанавливается для каждого выпуска сточных вод в водный
объект. ПДС для каждого показателя качества воды определяется как произведение максимального часового расхода сточных вод на его предельно
допустимое значение:
105
Раздел 3. Водная среда города
ПДС= Q
cr
- С
п
д
с
,
где С ~ предельно допустимое значение показателя, г/м ; 0
мальный часовой расход сточных вод, м /час.
3
пдс
с
т
—
макси-
3
Расчет С *>базируется на следующих методологических положениях:
пдс
1) С
рассчитывается для наихудших условий водопользования. Они
характеризуются следующими параметрами:
п
—
д
с
расчетный расход водотока соответствует максимальному среднемесячному расходу года 95% водной обеспеченности для незарегулированных водотоков или минимальному гарантированному расходу через плотину — для зарегулированных;
— значение показателя в фоновом створе (фоновая концентрация) определяется расчетным путем как статистически обоснованная верхняя
граница возможных средних значений;
— нормы качества воды в контрольном створе должны соблюдаться в
наиболее загрязненной части потока;
2) в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения
возвратными водами» (1999) ПДС устанавливаются для определения необходимой степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водные объекты при
условии соблюдения нормативов экологической безопасности водопользования (разд. 3.3.2);
3) если фоновая концентрация по каким-либо показателям не удовлетворяет нормам качества воды, то С
должно быть обеспечено непосредственно в сточной воде;
п
д
с
4) расчетная величина С
не должна превышать фактически достигнутую (проектную) величину концентрации;
п
д
с
5) выпуск сточных вод в пределах черты населенного пункта допускается
в исключительных случаях, в этом случае экологические нормы качества воды
должны соблюдаться в самих сточных водах;
6) в соответствии с Правилами (1999) для городских сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, установлены следующие С : БПК —
не более 15 г/м , ХПК — не более 80 г/м , взвешенных веществ — не более
15 г/м ; сброс остальных загрязняющих веществ нормируется исходя из условий соблюдения достигнутой категории качества воды водного объекта;
/ / д с
3
5
3
3
7) если сброс сточных вод происходит в пределах черты населенного пункта, но осуществляется через эффективный рассеивающий выпуск, то ПДС
должен обеспечить соблюдение норм качества воды в зоне начального разбавления рассеивающего выпуска;
8) если природное качество водного объекта (природный фон) по отдельным показателям превышает ПДК, то величины ПДС должны обеспечивать
сохранение фонового состояния водного объекта.
Исходными данными для расчета ПДС являются: тип водного объекта —
приемника сточных вод; расчетное значение фоновой концентрации; кратности разбавления сточных вод, соответствующие наихудшим гидрологичес-
106
Экология города
ким условиям; тип выпуска сточных вод; место расположения выпуска; фактические (проектные) значения концентрации в сточной воде; утвержденный
максимальный часовой расход сточных вод.
В качестве примера рассмотрим методику расчета С
для сосредоточенного выпуска промышленного предприятия, расположенного в пределах черты населенного пункта. Сброс сточных вод осуществляется в водоток.
п
д
с
В соответствии с методическим положением 5) нормы качества воды должны соблюдаться в самой сточной воде. В соответствии с методическим положением 2) эти нормы должны соответствовать требованиям экологической
безопасности коммунально-бытового водопользования. Согласно этим нормам в сточной воде должны выполняться следующие условия:
а) величина Б П К , ХПК, минерализации и концентрации для веществ
3 и 4 классов опасности должны соответствовать нормативным значениям,
приведенным в «Общих требованиях к качеству поверхностных вод» (ОТ) и
в перечне предельно допустимых концентраций веществ, приведенном в
«Санитарных правилах и нормах охраны поверхностных вод от загрязнения»
(СанПиН 4630-88), т.е. С ^с = ОТ или С%™ = ПДК, где С ™с ~ расчетная
концентрация, установленная для ПДС.
п
о
л
н
р
р а
с
п
В соответствии с методическим положением 4) величина С
не должна
превышать фактически достигнутую (проектную) концентрацию ( С ) нормируемого вещества в сбрасываемых сточных водах:
п
д
с
с г
СПДС<—С^СТ•
(3.1)
'
4
Исходя из этого, можно записать:
С
а
д
с
= т т [ П Д К ( О Т ) , С . ];
с 7
б) для веществ 1 и 2 классов опасности нормы качества будут соблюдены
в самой сточной воде, если выполняется соотношение:
У
Г
С
щ
' = 1
пдк.
Очевидно, что для каждого вещества С
С
п
д
с
(3 2)
с
ш
с
составляет долю своего ПДК, т.е.:
(3.3)
= К. • ПДК.,
где К < 1.
Ограничение (3.1) может быть приведено к виду:
_
к
'
С
^ПДС,
<
СС Г/
ПДК - ПДК
(
t
-
4
)
Из (3.2) следует, что
I a ; - 1,
если это условие не противоречит соотношению (3.4).
(3.5)
107
Раздел 3. Водная среда города
Таким образом, значения С
определяются соотношением (3.3), в
котором значения K должны удовлетворять ограничениям (3.4) и (3.5).
С учетом этих ограничений величины К. должны подбираться таким образом, чтобы достижение норм ПДС требовало минимальных затрат.
П
Д
С
i
3.6. Поверхностный сток с городской территории
и территорий промышленных предприятий
Поверхностный сток с территорий городов и п р о м ы ш л е н н ы х площадок является существенным источником загрязнения и засорения водных объектов. Установлено, что в у р б а н и з и р о в а н н ы х зонах с развитым
агропромышленным сектором с поверхностным стоком в водные объекты поступает более 80% загрязняющих веществ. Контроль за отведением
загрязненного поверхностного стока регламентируется Государственным
стандартом Украины Д С Т У 3013—95 " П р а в и л а контроля за отведением
д о ж д е в ы х и снеговых сточных вод с территорий городов и п р о м ы ш л е н ных п р е д п р и я т и й " .
Поверхностный сток включает в себя дождевые, снеговые и поливомоечные сточные воды. Он бывает организованным и неорганизованным. Организованный поверхностный сток собирается с водосборной территории
посредством специальных лотков и каналов и поступает в сети канализации
или прямо в водный объект через выпуски ливневых вод. Неорганизованный
поверхностный сток стекает в водный объект по рельефу местности.
Основными источниками загрязнения поверхностного стока на городских
территориях являются:
• мусор с поверхности покрытий;
• продукты разрушения дорожных покрытий;
• продукты эрозии грунтовых поверхностей;
• выбросы веществ в атмосферу промышленными предприятиями, автотранспортом, отопительными системами;
• проливы нефтепродуктов на поверхности покрытий;
• потери сыпучих и жидких продуктов, сырья, полуфабрикатов;
• площадки для сбора бытового мусора.
Наиболее высокий уровень загрязнения поверхностного стока наблюдается на территориях крупных торговых центров, автомагистралях с интенсивным движением транспорта, территориях промышленных и автотранспортных предприятий, неупорядоченных строительных площадках.
Формирование поверхностного стока происходит под воздействием комплекса природных (атмосферные осадки, испарение, фильтрация, задержа-
Экология города
108
ние влаги растениями) и антропогенных (использование водосборной территории, применение искусственных покрытий, технология мойки искусственных покрытий) факторов. Специфические особенности поверхностного
стока, связанные с эпизодичностью его поступления, резкими изменениями расхода и уровня загрязнения, изменчивостью состава загрязняющих
веществ, значительно затрудняют контроль и регламентацию поступления
его в городские системы водоотведения или в водные объекты.
Контроль состава поверхностного стока осуществляют путем анализа
проб, которые отбирают из дождевой или промышленно-дождевой сети.
Отбор проб производят порционно. Для получения детальной информации о составе поверхностного стока производится анализ каждой отобранной пробы. Д л я дождевых вод интервал между отбором проб в начале
дождя равняется 5—10 мин., а в последующий период 20—30 мин. Ориентировочные данные о составе дождевых вод получают путем анализа усредненной за период дождя пробы. При этом пробы отбирают через равные
промежутки времени, а объемы последовательно отбираемых проб должны быть пропорциональны расходу дождевых вод. Для снеговых вод пробы
отбирают в дни снеготаяния между 12 и 14 часами с интервалом в 30 мин.
Результаты контроля используют для оценки выноса загрязняющих веществ с поверхностным стоком.
Оценку выноса веществ с поверхностным стоком производят на основе
ориентировочных данных о составе и количестве поверхностного стока. Для
организованного поверхностного стока используют данные измерений расхода сбросных вод и результаты анализа проб. Для неорганизованного поверхностного стока, а также при невозможности организовать необходимые измерения расход поверхностного стока определяют расчетным путем, а конц е н т р а ц и и в е щ е с т в в п о в е р х н о с т н о м стоке п р и н и м а ю т на основании
обобщенной количественной характеристики каждой составляющей поверхностного стока.
Ориентировочные обобщенные данные о составе поверхностного стока с
городских территорий приведены в таблицах 3.9 и 3.10.
Таблица 3.9. Осредненные показатели состава поверхностного стока
с территории города
Показатель
Взвешенные вещества
Минеральный состав
ХПК
БПК
5
Нефтепродукты
Концентрация сточных вод, г/м
дождевые воды
снеговые воды
1000 - 2000
300
400 - 600
50 - 100
10 - 15
2000 - 4000
750 - 1500 *
100 - 300
30 - 40
3
поливомоечные воды
3000 - 5000
200 (БПК
)
ПОЛИ'
v
Раздел 3.
109
Водная среда города
Таблица 3.10. Среднее содержание взвешенных веществ
в поверхностном стоке с территории города в зависимости
от характеристики водосборного бассейна
*
Характеристика
водосборного бассейна
Содержание взвешенных веществ, г / м
дождевой сток
3
снеговой сток
Современная жилая застройка
1400 - 1500
2500
Недостаточно благоустроенные
территории с преобладанием
усадебной застройки
1800 - 2500
2000
Центральные благоустроенные
районы города с интенсивным
дорожным движением
1700 - 2200
3000
Жилая застройка с высоким уровнем благоустройства и регулярной
механизированной уборкой дорожных покрытий
300 - 1000
отсутствие за счет
уборки и вывоза
снега
Районы, включающие крупные
промышленные предприятия и
жилые кварталы
1700 - 2500
4000
Строительные площадки, жилые
районы на территории, подверженной эрозии
4000 - 6000
-
Состав поверхностного стока с территории промышленных предприятий определяется характером основных технологических процессов, эффективностью работы систем пыле- и газоулавливания, организацией складирования и транспортирования сырья и отходов производства, санитарным состоянием территории. Для обеспечения нормального производственного процесса на территории промышленных предприятий должны организовываться своевременная уборка и вывоз снега. О с н о в н ы м видом
поверхностного стока в этом случае являются дождевые сточные воды. В
зависимости от состава накапливающихся на территории промплощадок
и смываемых поверхностным стоком веществ промышленные предприятия делят на две группы. К первой группе относят предприятия, поверхностный сток с территории которых не содержит специфических веществ с
токсичными свойствами и близок по своему составу к дождевому стоку с
районов жилой застройки. К этой группе относят предприятия энергетической отрасли, черной металлургии (кроме коксохимических производств),
машиностроения, металлообрабатывающие и нефтеперерабатывающие заводы, приборостроительные заводы, предприятия легкой, пищевой, электротехнической отраслей промышленности. Остальные предприятия относятся ко второй группе и характеризуются наличием в поверхностном стоке со своей территории большого количества органических примесей и
специфических веществ. Ориентировочный состав поверхностного стока с
территории промышленных предприятий приведен в табл. 3.11.
110
Экология города
Таблица 3.11. Усредненные показатели состава дождевого стока
с территорий промышленных предприятий
Показатель
Содержание в дождевом стоке с территории
предприятий, г / м
3
1-й группы
Взвешенные вещества
2-й группы
500 - 2000
2000 - 4000
20 - 30
40 - 90
40 - 60
80 - 180
БПК :
5
• в пересчете на растворенные
вещества
• с учетом диспергированных
веществ
ХПК:
# в пересчете на растворенные
вещества
100 - 200
• с учетом диспергированных
веществ
200 - 600
10 - 30
—
18 - 25
Нефтепродукты:
• при интенсивном движении
автотранспорта
• для нефтяной отрасли
30 - 70
до 500
200 - 500
—
Минеральный состав
В поверхностном стоке с территории предприятий второй группы содержатся также специфические токсические вещества, такие как тяжелые металлы, фенолы, фтор, мышьяк, роданиды, аммиак и другие. Наличие специфических веществ определяется технологией производства.
Для того чтобы определить количество веществ, поступающих в водный
объект с поверхностным стоком, необходимо знать его состав и расход. Кол и ч е с т в о д о ж д е в ы х и с н е г о в ы х вод зависит от количества выпавших
атмосферных осадков и характеристик водосборной территории. Объем поливомоечных вод определяется принятой технологией мойки и площадью
обрабатываемых покрытий. Не все выпавшие атмосферные осадки и воды,
образующиеся после мойки площадей, улиц и автодорог, попадают в водный объект. Часть атмосферных осадков перехватывается верхними ярусами растительного покрова и не достигает поверхности земли. Попавшие на
водосборную площадь осадки и поливомоечные воды стекают по склону
местности в водный объект, по пути, задерживаясь в неровностях рельефа,
испаряются, просачиваются в почву и грунтовые воды. Возможные потери
атмосферных осадков и поливомоечных вод на пути к родному объекту представлены на рис. 3.17. Оставшаяся часть поверхностных сточных вод составляет общий слой поверхностного стока. Для учета потерь поверхностных сточных вод на водосборной площади используется понятие коэффициента стока (i|/). Этот коэффициент численно равен отношению количества
Раздел 3.
111
Водная среда города
воды, стекающей с поверхностным стоком в водный объект с единицы площади в единицу времени, к количеству попавших на единицу площади в
единицу времени осадков и поливомоечных вод. Величина коэффициента
стока для поливомоечных сточных вод принимается равной vj/ = 0,6. Для
дождевых и Снеговых сточных вод эта величина зависит от характеристик
поверхности водосборной территории. Значения коэффициентов стока для
основных типов поверхности приведены в табл. 3.12.
Рис. 3.17. Потери атмосферных осадков и поливомоечных вод
в процессе формирования поверхностного стока
Таблица 3.12. Значения коэффициентов стока
Вид водосборной поверхности
Величина коэффициента стока
дождевой сток
снеговой сток
Застроенные территории
0,6
0,6
Незастроенные территории
0,3
0,6
0,3
0,6
0,6 - 0,8
0,91 - 0,95
Грунтовые поверхности
0,2
0,6
Газоны, зеленые насаждения
0,1
0,2
Парки, гравийные покрытия
Водонепроницаемые поверхности
Значение коэффициента стока для водосборного бассейна рассчитывается как средневзвешенное для всей площади по формуле:
V = I a, V , ,
i
где <*.— весовые коэффициенты, равные по величине отношению площади,
занимаемой данным видом покрытия, к общей водосборной площади; / —
коэффициенты стока для разных видов покрытий.
112
Экология города
При ориентировочных расчетах количества поверхностного стока с территории небольших городов или поселков величина коэффициента стока
для дождевых и снеговых вод может приниматься в пределах 0,3—0,4 и
0,5—0,7 соответственно.
снеговых вод за год рассчитывается по формуле:
Объем дождевых или
W= 10 -у/ • F- Н, м /год,
3
где у/ — коэффициент стока дождевых или снеговых вод; F — площадь водосборной территории, га; Н — слой осадков за теплый или холодный период
года соответственно, мм.
Объем поливомоечных сточных вод определяется по формуле:
W = 10 • т • k ' F • if/, м /год,
3
m
где т — расход воды на мойку единицы площади, л/м ; к — количество моек
в году; F — площадь обрабатываемых покрытий, га; у — коэффициент стока
поливомоечных сточных вод.
2
m
Значения всех параметров, входящих в эту формулу, определяются в соответствии со следующими нормативами:
• на мойку 1 м площади расходуется от 1,2 до 1,5 литров воды;
2
• количество моек для условий города составляет от 50 до 150 за год;
• площадь покрытий, нуждающихся в мойке, составляет 20% от всей территории города;
• коэффициент стока поливомоечных сточных вод принимается равным 0,6.
Если на водосборной территории расположены большие парки или участки лесных массивов, проявляется эффект задержания части атмосферных
осадков растительным покровом. В этом случае объем поверхностного стока
уменьшается. Расчет количества задержанных атмосферных осадков производится по абсолютным нормам задержания, приведенным в табл. 3.13.
Таблица 3.13. Абсолютные нормы задержания атмосферных осадков
древесной растительностью
Слой задержанных атмосферных осадков Нз, мм
Вид
растительности
Хвойный лес
Лиственный лес
Месяцы
за год
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
10
10
10
18
19
20
25
22
17
16
12
10
189
1
1
1
4
10
11
14
12
8
6
4
2
79
Слой выпавших атмосферньГх осадков корректируется на величину задержанных осадков с учетом соотношения площадей, занятых различными
видами деревьев, и всей водосборной площади. Объем дождевых или снеговых сточных вод определяется в этом случае по формуле:
113
Раздел 3. Водная среда города
W=
10 ' у • F' (Н — Н ), м /год,
3
3
где у/ — коэффициент стока; F — водосборная площадь, га; Я и Н — слои
выпавших и задержанных осадков соответственно, мм.
з
Общий оЗъем поверхностного стока с водосборной территории за год
определяется как сумма составляющих:
\у= \у + \у + W
"
"Д
"С
" ПМ '
где WJJ, W и ]V — объемы дождевых, снеговых и поливомоечных сточных
вод соответственно.
c
nM
Суммарное значение годового выноса веществ с поверхностным стоком
рассчитывается как
G— W
д -^дС Л-W
с -^сС Л-W
пм
и
у
у
у
у
у
у
•С '
^пм
где С , С и С — концентрации веществ в дождевых, снеговых и поливомоечных сточных водах соответственно, г/м .
д
с
п
м
3
3.7. Процессы формирования качества
поверхностных вод
Качество воды является следствием двух основных процессов — поступления веществ из внешних по отношению к данному водному объекту
источников и внутриводоемных изменений, происходящих с веществами
вследствие функционирования водных экосистем. Поскольку экосистема
— это единый природный комплекс, образованный живыми организмами
и средой их обитания, живые и косные его компоненты связаны обменом
вещества и энергии. Т а к и м образом, в водной э к о с и с т е м е с о в м е с т н о
функционируют биотическое сообщество и неживая природа, причем неживая природа является источником веществ и энергии, необходимых для
существования биоты. Попадая в водный объект, вещества становятся элементами водных экосистем и включаются в основные процессы, происходящие в них. Прежде всего, это процессы трансформации вещества. Трансформация вещества может осуществляться физическим, химическим и биологическим путем. Поступающие в водные объекты вещества вносят изменения в их газовый и солевой режимы, что может привести к нарушению
равновесия экосистем. В результате процессов трансформации поступивших веществ в водном объекте может происходить восстановление его первоначального состояния или осуществляться переход в другое устойчивое
состояние. Процессы, в результате которых восстанавливается фоновое
состояние водного объекта, называются процессами самоочищения. Самоочищение — это первый из процессов, формирующих качество воды в
водном объекте. Основным поставщиком вещества и энергии является
водная масса. Вторым процессом, влияющим на формирование качества
воды, является перенос вещества и энергии водным потоком. В силу присущих водному потоку физических особенностей в нем происходит непре-
114
Экология города
рывное перераспределение вещества и энергии, обусловленное процессами перемешивания. Процесс формирования качества воды в водном объекте можно представить следующим образом:
1) растворенные и взвешенные вещества поступают в водный объект из
сосредоточенных или диффузных источников;
2) под влиянием гидравлических факторов (перенос и перемешивание)
происходит количественное перераспределение веществ в водном потоке;
3) под влиянием физических, химических и биологических факторов происходит качественная трансформация веществ.
Отметим, что способность подвергаться качественному изменению присуща не всем веществам. Вещества, которые не подвержены процессам химико-биологической трансформации, получили наименование консервативных,
а противоположные им по свойствам вещества называют неконсервативными.
Количественной характеристикой способности веществ подвергаться химико-биологической трансформации является коэффициент неконсервативности (к), который, по определению, является величиной, пропорциональной
скорости изменения концентрации вещества. В зависимости от его величины
все неконсервативные вещества делятся на легко окисляемые биологически
мягкие вещества ( £ > 0 , 1 3 1/сут.), трудно окисляемые биологически жесткие
вещества ( £ < 0 , 0 2 5 1/сут.) и промежуточные вещества (0,025<£<0,13 1/сут.).
Величина коэффициента неконсервативности зависит от свойств вещества,
гидродинамических характеристик потока и условий внешней среды.
3.7.1. Гидравлические процессы формирования
качества воды
Вода является той физической средой, в которой водная экосистема осуществляет круговорот вещества и энергии. Кроме того, для консервативных
веществ гидравлические процессы являются единственными из внутриводоемных, влияющими на их концентрацию.
При расчете переноса веществ и тепла потоками природных вод обычно
исходят из представления о пассивности примеси, то есть предполагают, что
наличие примеси не оказывает влияния на движение воды и интенсивность
перемешивания. Характер переноса вещества потоком зависит от вида движения жидкости, который в свою очередь определяется типом водного объекта
и его гидравлическими характеристиками. В водотоках существенную роль в
формировании качества воды играет конвективный перенос. Для водоемов
этот процесс характерен только при наличии ярко выраженных стоковых течений (водохранилища, проточные озера). В этом случае ход внутриводоемных процессов во многом определяется степенью проточности водоема. Количественной характеристикой степени проточности является время водообмена, т.е. период, за который происходит полная замена воды водоема водами
притоков. Чаще всего в инженерной практике используется понятие условного времени водообмена:
115
Раздел 3. Водная среда города
тТ
—Q
уел
W
где W— объем водоема, м ; Q
3
—
'
— расход вытекающей из водоема воды, м /год.
3
m
m
Условное %ремя водообмена определяет период водообмена при отсутствии смешения вод притоков с водой водоема. В реальных условиях в проточных водоемах происходит не только вытеснение воды, но и частичное
(или полное) перемешивание вод притоков с водой водоемов, поэтому реальное время водообмена больше, чем условное.
Реальные водотоки являются безнапорными турбулентными потоками,
движение воды в которых в установившихся условиях имеет неравномерный
характер. Это объясняется непризматическим характером русл реальных водотоков. Однако расчетные зависимости для неравномерных потоков достаточно сложны и неудобны в практическом использовании. Поэтому в инженерно-экологических расчетах принимают, что на отдельных участках водотоков движение воды имеет равномерный характер. При этом участок
естественного неправильного русла заменяют каким-либо призматическим, а
уклон дна принимают равным уклону свободной поверхности или осредненному уклону дна реального русла. В этом случае для переноса вещества потоком могут быть использованы достаточно простые методы на основе уравнения неразрывности и формулы Шези.
Более сложной задачей является учет эффекта турбулентности. Отличительной чертой турбулентного режима течений является пульсация скоростей, то есть непрерывное их изменение в каждой точке потока по величине и
направлению. Основными источниками возникновения турбулентности являются зоны разрыва скоростей, то есть такие области, где наблюдается резкий скачок скоростей между прилегающими слоями жидкости. Пульсационное движение обусловливает обмен между соседними слоями жидкости. Этот
процесс получил название турбулентного перемешивания. Турбулентное перемешивание всегда направлено на выравнивание концентраций или температур. Поскольку этот процесс по своему результату аналогичен процессу
молекулярной диффузии, то турбулентное перемешивание называют также
турбулентной диффузией. От молекулярной диффузии этот процесс отличается природой (источник молекулярной диффузии — тепловое движение молекул, а турбулентной — пульсации скоростей) и масштабом (масштаб молекулярной диффузии порядка 10" м, а турбулентной — порядка сантиметров).
8
Количественные закономерности переноса вещества турбулентным потоком
описываются с помощью полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:
где С — концентрация вещества, г/м ; v., v, v — проекции средней скорости
на оси координат, м/с; D , D , Д — значения коэффициентов турбулентной
диффузии, м /с; х — координата, направленная вдоль оси потока; у — координата, направленная поперек потока; z — координата, направленная от дна
к поверхности.
3
z
x
2
y
116
Экология города
Приведенное уравнение описывает закономерности турбулентного переноса вещества при неустановившемся режиме течения для любых типов водных объектов. Использование этого уравнения для конкретных типов водных
объектов обычно сопровождается его упрощением за счет отбрасывания малозначащих членов. Например, для нешироких водотоков уравнение турбулентной диффузии сводится к виду:
дС
dt
_
~
дС
дх*
2
п
D
~
V
дС
дх '
Это уравнение получило название уравнения продольной дисперсии, а
входящий в него коэффициент D называют коэффициентом продольной
дисперсии. Его величина определяется на основе экспериментальных данных или по эмпирическим формулам. Концентрация С и скорость v интерпретируются как средние по живому сечению потока значения.
Турбулентная диффузия приводит к перемешиванию загрязненных струй
жидкости со смежными, более чистыми. Результатом этого процесса является разбавление сточных вод основным потоком. Разбавление действует одинаково как на консервативные, так и на неконсервативные вещества. Интенсивность и характер перемешивания сточных вод с водой водных объектов
зависит от гидравлических характеристик водного объекта, количества и способа поступления сточных вод. Способ поступления сточных вод определяется типом выпуска.
Наименее эффективными с точки зрения разбавления являются береговые выпуски. Более эффективны русловые выпуски. Они представляют собой трубопроводы, выводимые непосредственно в русло в местах наиболее
интенсивного течения. Трубопровод оканчивается одним или несколькими
оголовками. Наиболее эффективным типом руслового выпуска является рассеивающий выпуск. Он представляет собой трубу-распределитель, имеющую
несколько оголовков, расположенных вдоль трубы.
Для количественной оценки процесса разбавления используют различные методы. К числу наиболее употребляемых относятся метод ФроловаРодзиллера — для водотоков, метод Руффеля — для водоемов и метод Караушева, имеющий универсальный характер.
Метод Фролова-Родзиллера дает возможность определить концентрацию
вещества в максимально загрязненной струе на заданном расстоянии от выпуска сточных вод по формуле:
С — С
с max
=ф г+— П
где С — концентрация вещества в максимально загрязненной струе, г/м ;
С — концентрация вещества в воде выше выпуска сточных вод (фоновая
концентрация), г/м ; С — концентрация вещества в сточной воде, г/м ; п —
кратность разбавления сточных вод на заданном расстоянии от выпуска.
3
т
а
х
ф
3
3
ст
117
Раздел 3. Водная среда города
Кратность разбавления сточных вод определяется как произведение основного и начального разбавления:
п —п
о
•
п ,
н '
где п — кратности разбавления, п — кратность основного разбавления, п —
кратность начального разбавления.
Кратность основного разбавления определяется по методу Фролова, кратность начального разбавления — по методу Лапшова. Метод Руффеля используется для оценки разбавления сточных вод, сбрасываемых через углубленные сосредоточенные выпуски в водоемы с преобладающим ветровым течением. Метод Караушева базируется на уравнении турбулентной диффузии.
Он позволяет получить пространственную картину распределения концентрации для любых типов водных объектов.
о
н
3.7.2. Самоочищение водных объектов
Между компонентами водной экосистемы в процессе ее ф у н к ц и о нирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен
носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь
трансформацией вещества под воздействием физических, химических и биологических факторов. В ходе трансформации может происходить постепенное разложение сложных веществ до простых, а простые вещества могут синтезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздействия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит
либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочищение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоянию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и качественными показателями биотических и абиотических компонент. В случае,
если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной
экосистемы, может произойти ее разрушение. Самоочищение водных экосистем является следствием способности к саморегулированию. Поступление
веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосистема способна противостоять в определенных пределах посредством внутрисистемных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является
следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в
биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы.
Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов — резервного,
образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и обменного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом
между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты
можно разделить на два основных типа — с резервным фондом в атмосфере
(например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).
Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению
поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие
процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества возвращаются в свой резервный фонд.
118
Экология города
Трансформация веществ есть результат различных одновременно действующих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и
биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит
от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.
Физические механизмы самоочищения. Газообмен на границе раздела "amмосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в водный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих
веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных
случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря которому происходит поступление в водный объект значительной части кислорода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением
концентрации газа в воде от концентрации насыщения С. Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте — температуры и давления. При концентрациях, больших С, газ
улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших С, газ поглощается водной массой.
Сорбция — поглощение примесей взвешенными веществами, донными
отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в недиссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента
пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентрации вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в
сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, являются тяжелые металлы и СПАВ.
Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое количество взвешенных веществ неорганического и органического происхождения. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать
на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отложений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под
действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.
Химические механизмы самоочищения. Фотолиз — превращение молекул
вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фотолиза являются фотохимическая диссоциация — распад частиц на несколько
более простых и фотоионизация — превращение молекул в ионы. Из общего
количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от
5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной
энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наиболее действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной порядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может проникать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества,
подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концентрации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно
быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.
Раздел 3. Водная среда города
119
Гидролиз — реакция ионного обмена между различными веществами и
водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превращения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого
процесса являемся степень гидролиза, под которой понимают отношение гидролизированной части молекул к общей концентрации соли. Для большинства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением
разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические вещества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по
связи атома углерода с другими атомами.
Биохимическое самоочищение является следствием трансформации веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при
угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более
существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация веществ происходит в результате их включения в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и
деструкции.
Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она определяет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом новообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве
водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланктон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформируется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный
кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в
растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.
Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция — две важнейшие
стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах. Характер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следовательно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой
конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в различных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта существуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся сообществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой
условий существования при переходе от поверхности к глубине и от прибрежных зон к открытым частям.
В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин
вертикальная зональность не выражена. По живому сечению потока различают рипаль — прибрежную зону и медиаль — открытую зону, соответствующую стрежню реки. Для рипали характерны невысокие скорости течения,
заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидробионтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие
гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны
перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, население количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характерна обратная картина.
120
Экология города
Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочищения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные
условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ,
процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны интенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ.
В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в
водотоках. В водоемах по горизонтальному профилю выделяют литораль —
зону прибрежных мелководий и пелагиаль (лимническая зона) — зону открытой воды. В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали
выделяют три зоны — эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Металимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и гип о л и м н и о н . Он характеризуется резким снижением температуры воды
(1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион.
Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С
увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной радиации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глубина, при которой продукция становится равной деструкции, называется компенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где
преобладают продукционные процессы, а ниже — трофолитическая, где
преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится
в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион
и гиполимнион.
В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль —
глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, заполненной водами гиполимниона.
Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фотосинтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции веществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто наблюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов самоочищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы
благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.
Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органического вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внутриводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных экологических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвтрофированию подвержены практически любые водные объекты, однако
наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов является природным процессом, его развитие оценивается геологическим масштабом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ
в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого
процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, Является уменьшение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий.
Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизированных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных признаков, присущих городским водным объектам.
Раздел 3.
121
Водная среда города
Трофность водного объекта соответствует уровню поступления органического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и,
таким образом, является выражением совместного действия органического
вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уровню трофности выделяют два крайних типа водных объектов — олиготрофные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов приведены в табл. 3.14.
Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов
Состояние водоема
Характеристика
олиготрофное
эвтрофное
Физико-химические характеристики
Концентрация растворенного кислорода
в гиполимнионе
Высокая
Низкая
Концентрация биогенных элементов
Низкая
Высокая
Концентрация взвешенных веществ
Низкая
Высокая
Проникновение света
Хорошее
Плохое
Глубина
Большая
Небольшая
Биологические характеристики
Продуктивность
Низкая
Высокая
Разнообразие видов гидробионтов
Небольшое
Большое
Фитопланктон:
биомасса
Небольшая
Большая
суточные миграции
Интенсивные
Ограниченные
цветение
Редкое
Частое
характерные группы
Диатомовые,
зеленые водоросли
Зеленые, синезеленые водоросли
Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования является заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследствие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как
результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стимулирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом
этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития альгофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее влияние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их
содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирования. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в достаточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования.
Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для
водотоков — азот.
Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осуществляется по поступлению органического вещества. Поскольку указанный
122
Экология города
параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов трофического уровня используют другие характеристики водной экосистемы,
тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики
называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в качестве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, концентрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кислорода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фитопланктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных
экосистем. Поэтому экологическое состояние большинства водоемов определяется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и биологических факторов среды обитания.
Физические факторы эвтрофирования.
Освещенность. Зависимость первичной продукции от освещенности приведена на рис. 3.18. Проникновение света в толщу воды определяется рядом факторов. Падающий свет
поглощается самой водой и растворенными в ней окрашенными веществами, рассеивается находящимися в воде взвешенными веществами. Глубина, на которой освещенность составляет 5% от освещенности на поверхности, называется эвфотным горизонтом. Выше эвфотного горизонта располагается эвфотная зона. И з м е н е н и е первичной продукции по глубине
зависит от изменения освещенности. В летние месяцы возможно смещение максимума продуктивности в глубину. Это объясняется избыточной
освещенностью на поверхности, приводящей к угнетению фитопланктона, вследствие чего наилучшие условия для его существования создаются
в более глубоких слоях.
Температура оказывает влияние на физические и биологические процессы
эвтрофирования. Она определяет степень насыщения воды кислородом, температурный профиль оказывает влияние на интенсивность вертикальной турбулентности и таким образом влияет на перенос биогенов из придонных областей в эпилимнион. Температура также оказывает влияние на величину
первичной продукции (рис. 3.19). Значение оптимальной температуры меняется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в
диапазоне 20—25° С.
А
м
насыщение
А
t° С
Рис. 3.18. Зависимость валовой
первичной продукции
от освещенности
Рис. 3.19. Зависимость валовой
первичной продукции
от температуры
Раздел 3. Водная среда города
123
Скорость потока. Величина скорости оказывает влияние на жизнедеятельность гидробионтов. При значениях скоростей, равных так называемой
лимитирующей скорости, начинается процесс угнетения гидробионтов, а увеличение скорости до значений больше критических приводит к гибели гидробионтов (рис. 3.20).
Химические факторы эвтрофирования. Растворенный кислород (РК). Низкая концентрация РК в воде приводит к развитию анаэробных процессов. В
этом случае основным источником продуцирования становятся анаэробные
процессы ферментации, которые приводят к выделению в воду метана и сероводорода. Концентрация РК изменяется как с глубиной, так и в течение
суточного цикла. В дневное время в трофогенном слое происходит увеличение концентрации РК. Однако в темное время суток фотосинтетическая деятельность отсутствует и происходит только потребление кислорода. Амплитуда суточных колебаний РК пропорциональна биомассе первичных продуцентов. В эвтрофированных водоемах это может привести к формированию в
темное время суток анаэробных условий.
Биогенные элементы. Гидробионтам требуется множество биогенных веществ в определенной пропорции. При нехватке любого из них скорость
роста популяции замедляется. В целом, скорость роста популяции зависит
от наличия лимитирующего элемента и может быть описана кривой Михаэлиса-Ментен-Моно (рис. 3.21). Как правило, к числу лимитирующих элементов в водных экосистемах относятся фосфор, азот и, значительно реже,
углерод. При повышенном поступлении лимитирующих биогенов скорость
первичного продуцирования может достичь максимальной величины, что
приводит к эвтрофированию.
Рис. 3.20. Зависимость валовой первичной
продукции от скорости потока
Рис. 3.21. Зависимость скорости роста
популяции от содержания биогена
Биологические факторы эвтрофирования. Большинство организмов могут
существовать в определенном диапазоне физических и биохимических воздействий, который называется диапазоном толерантности. В процессе адаптации биологические виды могут расширять свой диапазон толерантности.
Поскольку со временем условия среды обитания в экосистеме меняются, преимущество получают виды, обладающие большей способностью приспосабливаться к новым условиям. Результатом этого является сукцессия сообществ.
С развитием эвтрофирования д о м и н и р у ю щ и м и становятся экстремальные условия по концентрации РК, освещенности, доступности био-
124
Экология города
генных веществ. В этих условиях преимущество получают синезеленые
водоросли (cianobacteria), которые обладают наибольшей способностью к
адаптации благодаря:
• своим относительно крупным размерам, из-за чего они не могут потребляться зоопланктоном;
• способности фиксировать растворенный в воде азот, противодействуя,
таким образом, условиям его лимитирования;
• способности обходиться меньшим содержанием в воде двуокиси углерода по сравнению с другими водорослями;
• интенсивному развитию при более низком, чем другие водоросли, соотношении азота к фосфору;
• выделению в воду продуктов, приостанавливающих рост других водорослей;
• способности регулировать свою плавучесть, противодействуя неблагоприятному влиянию физических факторов.
3.8. Методы защиты и восстановления
поверхностных водных объектов
Самоочищающая способность поверхностных водных объектов, подверженных антропогенной нагрузке, как правило, недостаточна для противостояния высокому уровню внешнего негативного воздействия. В результате водные экосистемы подвергаются перестройке, следствием которой является обеднение видового состава, биологической ценности гидробионтов, ухудшение качественных характеристик воды. По этой причине
для промышленно развитых стран с предельной остротой возникает проблема защиты водных объектов и восстановления деградировавших водных
экосистем. Решение этой задачи возможно только путем совместного воздействия на аллохтонное поступления веществ в водные объекты и внутриводоемные процессы.
3.8.1. Уменьшение внешнего воздействия
на поверхностные водные объекты
Внешнее воздействие на водные объекты проявляется в виде поступления в них посторонних примесей и тепла, что приводит к нарушению норм
качества воды. С целью поддержания самоочищающей способности водных
объектов и обеспечения различных видов водопользования* объем внешних
воздействий не должен превышать установленных нормативов ПДС. Реализация норм ПДС достигается за счет уменьшения количества возвратных вод
или снижения концентрации веществ в них. Основными организационнотехническими мероприятиями, применяемыми в этих целях, являются:
Раздел 4. Воздушная среда города
125
• изменение технологии производства;
• канализование и санитарная очистка городов;
• повторно^ использование сточных вод;
• очистка сточных вод.
Изменение технологических процессов в сторону ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологий является одним из наиболее экономически и экологически эффективных направлений. Однако такой путь,
как правило, характеризуется высокой капиталоемкостью и требует первоначальных инвестиций.
Канализование населенных пунктов позволяет предотвратить загрязнение водных объектов неорганизованным стоком. Организованный сток из канализационных сетей, как правило, направляется на очистные сооружения. При отсутствии очистных сооружений снижение негативного воздействия на качество воды
водных объектов может быть достигнуто за счет использования специальных
конструкций выпусков сточных вод (рассеивающих, в стрежень, глубоководных),
которые обеспечивают более эффективное разбавление сточных вод.
Санитарная очистка территории позволяет снизить поступление веществ
в дождевые и снеговые сточные воды, снизить загрязнение фунтовых вод и
тем самым уменьшить поступление загрязняющих веществ в водные объекты.
Этот метод является достаточно эффективным и относительно малозатратным.
Повторное использование сточных вод может осуществляться путем оборотного водоснабжения в пределах одного предприятия или передачей сточных вод в другие сферы хозяйствования. Например, использование очищенных сточных вод для технического водоснабжения или орошения.
Оборотное водоснабжение может осуществляться как единая система для
всего предприятия или в виде отдельных циклов для цеха или группы цехов.
Предотвращение сброса подогретых вод уменьшает вероятность развития
процессов эвтрофирования водных объектов.
Очистка сточных вод является наиболее традиционным способом снижения нагрузки на водные объекты. Методы очистки сточных вод рассмотрены
в разд. 3.5.2—3.5.4.
3.8.2. Интенсификация внутриводоемных процессов
Управление качеством воды водных объектов на основе целенаправленного вмешательства в ход внутриводоемных процессов достигается в основном
воздействием на абиотические компоненты экосистемы.
Технологии защиты и восстановления для водотоков. В основе этих технологий лежит целенаправленное изменение гидрологических условий или непосредственное воздействие на биотическую часть водной экосистемы. Основными техническими решениями являются изменение скорости течения,
формы поперечного сечения русла, материала крепления береговых откосов
и разработка специальных биоинженерных сооружений.
126
Экология города
Скорость течения является одним из главных экологических факторов в
водотоках. Она оказывает существенное воздействие на все биотические компоненты водной экосистемы — планктон, бентос, перифитон, макрофиты.
Это воздействие имеет прямой и косвенный характер. Прямое проявляется в
непосредственном механическом воздействии течения на гидробионты. Косвенное воздействие осуществляется через изменение физических и химических условий в водотоке, например, скорости процесса атмосферной реаэрации, условий перемешивания, мутности потока. Скорость потока является
комплексным управляющим фактором. Чем больше время пребывания вещества в водотоке, тем сильнее проявляются процессы биохимической трансформации веществ. Чем больше транспортирующая способность потока, тем меньше его прозрачность. В свою очередь прозрачность воды сильно влияет на
продукционные процессы и тепловой режим водотоков. Скорость потока
лимитирует скорость роста различных биотических сообществ. Для каждого
вида водорослей существует так называемая лимитирующая скорость течения, при достижении которой развитие водорослей замедляется, и критическая скорость течения, при которой водоросли перестают развиваться и могут
погибнуть. Значения лимитирующей ( У ) и критической (V ) скоростей течения для фитопланктона представлены в табл. 3.15.
л и м
Таблица 3.15. Величины лимитирующей и критической скоростей
для фитопланктона
Вид доминирующих водорослей
V.™, м/с
V , м/с
Диатомовые
0,7
2,0
Зеленые
0,5
Синезеленые аллохтонного происхождения
0,2
1,5
0,6
Синезеленые автохтонного происхождения
0,5
1,5
р
Форма сечения русла имеет большое значение для трансформации органических веществ. Изменяя форму русла, можно изменять скорость течения и
соотношение трофогенного и трофолитического слоев, добиваясь таким образом необходимого соотношения продукции и деструкции.
При искусственной облицовке береговых откосов, характерной для водных объектов, находящихся в черте города, большое значение имеет используемый облицовочный материал. Его вид во многом определяет интенсивность процессов самоочищения. Например, облицовка берегов щебнем или
бетоном приводит к их усиленному обрастанию и, как следствие — к автохтонному вторичному загрязнению водного объекта за счет увеличения продукции органического вещества.
*
Перспективным направлением развития технологий защиты водотоков
является разработка биоинженерных сооружений типа биоплато. Использование таких сооружений для очистки сточных вод рассмотрено в разд. 3.5.3.
Для защиты и восстановления водных объектов используют естественные или
искусственные биоплато различных типов. Русловые биоплато представляют
Раздел 4. Воздушная среда города
127
собой мелководные расширения русла с развитой высшей водной растительностью. Очистка воды здесь производится высшей водной растительностью
по всему сечению потока. Создание русловых биоплато возможно на участках водотокор глубиной не более 1,5—2 м, со скоростью течения до 0,2—0,3
м/с. Береговые биоплато представляют собой заросли высшей водной растительности вдоль берегов водотока. Очистка воды в этом случае производится
только частью потока. Устьевые биоплато располагаются в местах впадения в
водоток малых притоков. Наплавные биоплато предназначены для очистки
верхнего слоя поверхностных вод. В этом случае высшая водная растительность размещается в специальных плавающих контейнерах, располагаемых
поперек потока.
Биоинженерные сооружения типа биоплато позволяют существенно снизить содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах. Очистку воды
осуществляют все элементы сообщества высшей водной растительности. Взвешенные вещества задерживаются и осаждаются в основном макрофитами. Главную роль в деструкции органических веществ играет бактериоперифитон —
бактериальная пленка, развивающаяся на подводной части высшей водной
растительности. Биогенные элементы ассимилируются высшей водной растительностью, накапливаются в надводной ее части и корневой системе, что
позволяет надолго исключить их из водной среды. Нефтепродукты окисляются бактериоперифитоном и углеводородоокисляющими бактериями, количество которых в зарослях высшей водной растительности существенно
возрастает за счет выделения растениями специфических стимуляторов и
потребления ими ингибиторов роста этих бактерий. Пестициды, тяжелые металлы и радионуклиды извлекаются высшей водной растительностью и накапливаются в ее корневой системе и зеленой массе. Фенолы накапливаются и
трансформируются высшей водной растительностью, летучие фенолы частично выделяются в атмосферу.
Технологии для защиты и восстановления водоемов. В водоемах характер внутриводоемных процессов во многом определяется степенью и характером экологической стратификации. Важнейшей проблемой водоемов является эвтрофирование, поэтому большинство защитных технологий направлены на противодействие этому процессу. Такие технологии называются технологиями
деэвтрофирования. Целью деэвтрофирования является снижение уровня трофности водных объектов. Рассмотрим некоторые технологии деэвтрофирования.
Удаление донных отложений. Содержание биогенных
ных отложениях обычно увеличивается от нижних слоев
му удаление верхних слоев этих отложений приводит к
обедненных биогенными элементами и, следовательно,
носа их в водную толщу.
элементов в донк верхним. Поэтообнажению слоев,
к снижению пере-
Экранирование донных отложений, создающее физический барьер на границе раздела "вода — донные отложения". Как экран могут использоваться
пластиковые пленки, песок, глина.
Отвод воды из гиполимниона, в результате которого из водоема извлекаются богатые биогенами воды. Эта технология эффективна в глубоких водоемах
с большим периодом водообмена.
Экология города
128
Химическая обработка, основанная на использовании веществ, способствующих осаждению биогенных элементов или преобразованию их в менее
доступную для микроорганизмов форму. Наиболее эффективным и экологически безопасным является использование в этих целях сульфата алюминия.
Изменение условий среды обитания. В основе этих технологий обычно лежит
затемнение, приводящее к снижению первичной продукции органического
вещества. Существуют различные технологии затемнения — использование
специальных красителей, избирательно пропускающих солнечный свет, светонепроницаемых плавающих покрытий, посадка высоких деревьев по берегам.
3.9. Прогнозирование состояния поверхностных вод
Прогноз состояния поверхностных вод базируется на математическом
моделировании процессов формирования качества воды с учетом существующих и планируемых внешних воздействий на водный объект. Модели качества воды могут быть разной сложности. Чем сложнее моделируемые процессы, тем большее количество параметров включают в модель. В целом состояние водной среды S можно описать зависимостью типа:
S=f(P, L, Sp G, В, М),
где Р — гидрологические факторы; L — аллохтонное и автохтонное поступление веществ; S — начальное состояние водной среды; G — геометрия водного объекта; В — биохимические и химические реакции, происходящие в водном объекте; М — климатические и гидрометеорологические условия.
0
Для оперативного прогноза обычно используют динамические модели, позволяющие учитывать изменчивость состояния водного объекта во времени.
При среднесрочном и долгосрочном прогнозировании используются статистические и аналитические модели. Статистические модели основаны на
анализе и статистической обработке экспериментальных данных, полученных непосредственно на изучаемом водном объекте. Аналитические модели
позволяют выполнить прогноз качества воды, используя теоретические представления о природе и основных закономерностях моделируемых процессов.
Этот класс моделей отличается большей, по сравнению со статистическими
моделями, универсальностью и получил широкое распространение в прогнозных расчетах.
По уровню сложности модели качества воды делят на 4 основные группы:
• балансовые модели, в основе которых лежит баланс между поступлением,
объемом и изменением в результате внутриводоемных процессов массы
вещества в водном объекте;
• однокомпонентные модели, описывающие трансформацию отдельных веществ в водной среде;
*
• двухкомпонентные модели, описывающие взаимосвязанную трансформацию ВПК и растворенного кислорода в природных поверхностных водах;
• многокомпонентные модели, описывающие
мацию веществ в водной массе.
взаимосвязанную трансфор-
129
Раздел 4. Воздушная среда города
Балансовые модели используют при прогнозировании качества воды в водоемах. В основе этого класса моделей лежит оценка водного баланса и баланса веществ в водоеме. Приходная часть баланса определяется поступлением водных масс и веществ с водосбора, расходная — стоками из водоема,
испарением, обменом с донными отложениями. Внутриводоемные процессы
описываются, как правило, в терминах "черного ящика" (как разница между
приходной и расходной частью) или приближенно оцениваются на основе
баланса масс. Балансовые оценки базируются на систематических измерениях на водосборной территории и в самом водоеме.
При долгосрочном прогнозировании качества воды в водоемах используют балансовые модели, позволяющие рассчитать значения средних концентраций веществ в зависимости от величины антропогенной нагрузки на водоем. В рамках этих моделей средняя концентрация вещества в водоеме, сложившаяся под влиянием постоянной антропогенной нагрузки, определяется
по следующим расчетным зависимостям:
— для консервативных веществ в непроточных водоемах:
Q
Сср =
•Сcm• Т .
W
для неконсервативных веществ в непроточных водоемах:
Q
Сср =
ГШ
•Сг/cm
k . W
— для проточных водоемов:
Сср = Спр - (Спр - С„)
и •ехр
v
р
Д
е
спр
=
q
-с
qcm — суммарный расход сточных вод, поступающих в
————!
Qcm+
/
k W
водоем, м /год; С — средневзвешенная концентрация вещества в сточных
водах, г/м ; W — объем водоема, м ; Т — длительность прогноза, год; к —
величина коэффициента неконсервативности вещества, 1 /год; С —
первоначальная концентрация вещества, г/м ; Q
— расход вытекающей из
водоема воды, м /год; Т — условное время водообмена, год.
3
ст
3
3
0
3
e
u
m
3
у
с
л
Однокомпонентные модели качества воды используются в прогнозных расчетах содержания неконсервативных веществ в водоемах и водотоках. С их
помощью описываются процессы биохимической трансформации веществ.
Зависимость скорости биохимической трансформации веществ от гидродинамических характеристик потока и внешних условий учитывается с помощью коэффициента неконсервативности. Величина коэффициента неконсервативности к = к • к .
cm о
к — статический коэффициент неконсервативности, сут." , характеризующий скорость биохимической трансформации вещества в статических условиях
(при отсутствии течения). Величина этого коэффициента определяет5 ..
Д
1
ст
130
Экология города
ся для каждого вещества экспериментально. Значения статических коэффициентов неконсервативности веществ для нормальных условий (температура воды 20° С и атмосферное давление 1 атм.) приводятся в справочной
литературе.
k — динамический коэффициент неконсервативности, сут." ,учитывающий
интенсификацию процессов биохимической трансформации в водном потоке. Величина этого коэффициента всегда больше или равна 1 и увеличивается при росте скорости потока в диапазоне от 0 до 0,2 м/с.
1
d
При отсутствии информации о величине динамической составляющей
значение коэффициента неконсервативности вещества принимается равным
значению его статической составляющей, т.е. k = 1.
d
Увеличение скорости биохимической трансформации веществ с ростом
температуры воды учитывается при прогнозных расчетах по формулам:
к = к [ 1,12( Т+1 )-° ]
0
3
8
20
к = к ' 1,047
т
_
2
°
при 0 < Т < 5° С,
при Т > 5° С,
т _ 2 0
где к — величина коэффициента неконсервативности вещества при 20° С,
1/сут.; Т — температура воды, °С.
20
При проведении прогноза качества воды водных объектов расчет процессов переноса и трансформации веществ осуществляется на основе уравнения
турбулентной диффузии. При среднесрочном или долгосрочном прогнозировании
используется запись этого уравнения для условий установившегося потока.
Для водотоков обычно используется одномерное уравнение продольной дисперсии, которое получается из трехмерного уравнения турбулентной диффузии
осреднением его по живому сечению потока. Для водоемов в зависимости от
их гидродинамических характеристик могут использоваться одно-, двух- и
трехмерные уравнения турбулентной диффузии. Двух- и трехмерные уравнения турбулентной диффузии, как правило, не имеют аналитического решения и решаются численными методами с применением ЭВМ. Уравнение продольной дисперсии при граничном условии С(0) = С
0
ах
2
y
d C
ах
_
k
.
c
+
f
=
0
имеет аналитическое решение вида:
С(х) = С-ехр(у-х) 4- --£(1 - ехр(у-х));
у =
~ ^ ^ '
V
k
' ^ >
где С — концентрация вещества в начальном створе, г/м ; к — коэффициент
неконсервативности вещества, 1 /с; v — скорость потока, м/с; D — коэффициент продольной дисперсии, м / с ; / — интенсивность алл<5хтонного поступления вещества, г/м • с.
3
0
2
3
Величина коэффициента продольной дисперсии определяется по формуле Караушева:
131
Раздел 4. Воздушная среда города
D
и
=
'&'
,
37п ш •Sh
v
h
2
где g — ускорение силы земного тяготения, м/с ; И — глубина потока, м; п —
коэффициент шероховатости русла; Sh — коэффициент Шези, л/м/с.
2
ш
Одним из основных внешних диффузных (равномерно распределенных
по всему потоку) источников поступления в водный объект веществ является
неорганизованный поверхностный сток. В этом случае интенсивность аллохтонного поступления вещества в водный объект определяется по формуле:
q
^ пов
спов
L-w
где Q и С — расход и
ветственно, м /с и г/м ;
водного объекта, м; w —
диффузного поступления
noe
п
о
в
3
3
'
концентрация вещества в поверхностном стоке соотL — протяженность водосборной территории вдоль
площадь живого сечения потока, м . При отсутствии
вещества извне величина/ принимается равной нулю.
2
Для консервативного вещества прогноз качества воды при наличии его
внешнего диффузного поступления в водный объект производится по формуле:
С(х) = С + -f х .
0
Если в водный объект поступают сточные воды одного или нескольких выпусков, то прогноз качества воды осуществляется на основе баланса масс веществ
с учетом их возможной трансформации в водной среде. Расчет концентрации
вещества в максимально загрязненной струе производится в этом случае по форм
у
л
е
:
С =С -ехр(гх )
тах
ф
ф
+Х
с
N С
'„
-С
г
ехр (ух),
ф
где С — концентрация вещества в фоновом створе, г / м ; С . — концентрация вещества в сточных водах i-ro выпуска, г/м ; n — кратность разбавления
сточных вод i-ro выпуска в контрольном створе; х и х . — расстояния от
фонового створа и выпусков сточных вод до контрольного створа, м; N —
количество выпусков сточных вод.
3
ф
СТ
3
i
ф
ст
Для консервативных веществ расчет ведется по этой же формуле при величине коэффициента неконсервативности к = 0.
Если в водный объект одновременно поступают сточные воды организованных выпусков и неорганизованный поверхностный сток с территории, то
решение определяется в соответствии с принципом суперпозиции для неконсервативных веществ по формуле:
С
т
а
х
=
С ' ехр (г- х ) + I
0
С
с г
ф
'
ф
/
ехр (у х)+f (I - ехр (у х )).
ф
Для консервативных веществ в этом случае используется формула:
N
max
S
J f
С
Г
Т
— С.
n.
t
f
у
Экология города
132
При оперативном прогнозе качества воды учитывается изменчивость процесса его формирования во времени. В этом случае используется уравнение
продольной дисперсии для неустановившихся условий:
|f =
при С(х,0) = 0 .
dt
дх
дх
В общем виде это уравнение не имеет аналитического решения и решается численными методами. Однако в ряде частных случаев такое решение существует. При прогнозе последствий аварийного залпового сброса сточных вод в
водный объект процесс трансформации и переноса веществ водным потоком
описывается зависимостью:
2
w
,
М
( (х-у • t)
1
.
\
где М — масса поступившего со сточными водами вещества, г; w — площадь
живого сечения потока, м .
2
Двухкомпонентные модели качества воды получили широкое распространение при прогнозных расчетах содержания органических веществ, оцениваемого величиной ВПК, и растворенного кислорода в воде водоемов и водотоков. Содержание кислорода в поверхностных водах определяется соотношением его поступления, главным образом, в процессе атмосферной реаэрации
и потреблением его в основном на процессы биохимического окисления органических веществ.
Атмосферная реаэрация представляет собой процесс поступления кислорода из атмосферы в воду через свободную поверхность потока. Поступление
кислорода в водный объект ограничивается его растворимостью в воде. Количественной характеристикой растворимости кислорода является величина
концентрации насыщения, то есть концентрации растворенного кислорода в
воде, при которой кислород находится в состоянии равновесия. Величина
концентрации насыщения зависит от температуры воды и определяется по
таблицам или рассчитывается по эмпирической формуле:
С
= 14,62 - 0,4042- Т+ 0,00842 Т - 0,00009 Т\
2
где Г — температура воды, °С.
Скорость переноса кислорода через свободную границу потока характеризуется коэффициентом реаэрации. Величина этого коэффициента зависит от температуры и солености воды, турбулентности потока, характеристик газообмена между
водой и атмосферой. Экспериментально установлено, что процесс реаэрации
обусловливается явлением молекулярной диффузии на границе сред "вода—воздух". Существует ряд эмпирических формул для определения величины коэффициента реаэрации. Наибольшее распространение получила формула О'КоннораДоббинса, полученная для турбулентного потока при температуре воды 20° С:
^ =
3 , 6 8 ^ '
где к — коэффициент реаэрации, 1/сут.; v — скорость течения, м/с; И —
глубина потока, м.
2
133
Раздел 4. Воздушная среда города
Обычно величина коэффициента реаэрации лежит в диапазоне от 0,1 до
2,0 1/сут. Зависимость величины коэффициента реаэрации от температуры
учитывается по формуле:
к (Т) = к (20) • 1 , 0 2 4 ° .
т - 2
2
2
Величина коэффициента неконсервативности для ВПК может меняться в
диапазоне от 0,05 до 0,7 1/сут. Для природных вод она обычно принимается
равной 0,23 1/сут.
Прогноз величины ВПК и содержания растворенного кислорода в поверхностных водах, как правило, производится на основе математической
модели Стриттера-Фелпса. Эта модель справедлива при следующих ограничениях:
• расход и гидравлические характеристики потока постоянны;
• в водоеме соблюдается режим полного перемешивания.
В общем случае система уравнений Стриттера-Фелпса для турбулентного
потока записывается в виде:
Е —
— v —
— к
-D + к
-L- г = 0,
где Е — коэффициент продольной дисперсии, м /с; L — величина ВПК,
г 0 / м ; D — величина дефицита кислорода, г/м ; ^ и к — величины коэффициента неконсервативности для ВПК и коэффициента реаэрации соответственно, 1/с; / и г — интенсивность внешнего поступления органических
веществ в единицах ВПК и растворенного кислорода соответственно, г/м • с.
2
3
3
2
2
3
Под дефицитом кислорода понимается разность между величиной концентрации насыщения С и концентрацией растворенного кислорода S.
Решением этого уравнения при граничных условиях L ( 0 ) = L и D ( 0 ) = D
является
0
/
L = L -ехр(7, • х) + j- (1 - ехр(у • х));
1
0
к • ехр (7, • х) —
• ехр (у • х)
х
к~
2
2
к
х
0
134
Экология города
Анализ решения при
показывает, что при отсутствии аллохтонного
поступления органических веществ в водном объекте дефицит кислорода
стремится к нулю. Это означает, что в результате процесса самоочищения
содержание кислорода в воде выходит на уровень насыщения. Если в водный
объект поступают органические вещества, например, с поверхностным стоком с прилегающей территории, то дефицит кислорода отличен от нуля и
стремится к величине f / k Содержание растворенного кислорода при этом
устанавливается на уровне S=C—f/k . При большом поступлении органических веществ (если / > С • к ) растворенный кислород полностью расходуется
на биохимическое окисление органических веществ и содержание его в водном объекте приближается к нулю.
r
2
2
Многокомпонентные модели качества воды используют для прогноза содержания в водоемах и водотоках веществ, связанных между собой процессами взаимной трансформации. Особенно важно учитывать взаимную трансформацию веществ в водной среде в случаях, когда в процессе трансформации в водной среде образуются новые нормируемые вещества, то есть
происходит вторичное загрязнение водного объекта. Явление взаимной трансформации веществ достаточно характерно для процессов самоочищения водных объектов. В частности, в основе кругооборота азота, фосфора, углерода
лежат процессы взаимной трансформации веществ, и с этим явлением тесно
связан процесс эвтрофирования водных объектов.
Прогноз содержания азотсодержащих веществ.
Одним из основных циклов взаимной трансформации веществ в водном объекте является кругооборот азота — одного из главных биогенных элементов. В основе трансформации
соединений азота в водной среде лежит процесс нитрификации. Нитрификация представляет собой процесс окисления минеральных форм азота и осуществляется в две стадии. На первой стадии в результате жизнедеятельности
нитрифицирующих бактерий рода Nitrosomonas происходит окисление аммонийных форм азота до нитритных:
NH + ОН" + 1,5 • 0 -> Н + N 0 , + 2 • Н 0 .
+
+
4
2
2
На второй стадии нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter окисляют нитритные формы азота до нитратных:
N 0 + 0,5 - 0
2
2
NO3 .
Краткосрочный прогноз (до 4 суток) содержания в водном объекте минеральных форм азота с учетом процесса нитрификации в условиях турбулентного потока производится на основе математической модели Харлемана. Эта
модель имеет вид:
v ^ ~ k
2
- N
2
= 0,
ДГ(О) = JV ;
20
Раздел 4. Воздушная среда города
135
где D — коэффициент продольной дисперсии, м /с; v — скорость потока,
м/с; N N , N — концентрации азота аммонийного, нитритного и нитратного соответственно, г/м ; к , к — коэффициенты трансформации аммонийной
и нитритной форм азота, 1/с; N , N , N — начальное содержание минеральных форм азота в водной среде, г/м .
2
v
2
3
3
х
2
l0
20
i0
3
Предложенная система уравнений имеет аналитическое решение:
JV,
к
N = Y hc '
N=
3
x
(
(
1
+
N - ехр(у-х);
]0
e x p
' (
z
2
=
(X ' X) ~
e x p
' X >)
к. • exp (7, • x) - k j • exp (y. • x) \
k -k]
J
2
+
+
20 ' ( P (7l ' У>
N
-
ex
Х
exp (y • x)) + N„,
2
где
7, = 2^7) * (v — V v + 4A:, • D)',
2
y = ^ • (v
2
- ^ v + 4k -D ).
2
2
Анализ приведенных зависимостей при х-»«> показывает, что по завершении процесса нитрификации весь азот переходит в нитратную форму.
При этом содержание азота аммонийного в воде постоянно уменьшается, а
азота нитратного увеличивается. Другая картина наблюдается для нитритной формы азота. Это промежуточная, относительно неустойчивая форма
минерального азота. Коэффициент неконсервативности азота нитритного
составляет 10,4 1/сут., что свидетельствует о большой скорости процесса
биохимической трансформации. В процессе нитрификации содержание азота
нитритного сначала увеличивается, а затем снижается до нуля. Максимум
содержания нитритного азота может существенно превышать его предельно
допустимую концентрацию, даже в случае отсутствия его в водном объекте
до начала процесса нитрификации. Это означает, что нитрификация минеральных форм азота может приводить к временному вторичному загрязнению водного объекта.
Такие расчетные зависимости можно использовать только для краткосрочных прогнозных расчетов. Если срок прогноза превышает 4 суток, эти
зависимости дают большое отклонение от натурных данных. Поэтому для
проведения среднесрочных и долгосрочных прогнозов используют более сложные модели, в основе которых лежит кинетика Михаэлиса-Ментен-Моно.
Использование кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, отражающей основные
принципы теории ферментативной кинетики, позволяет учесть роль нитрифицирующих бактерий в процессе нитрификации и описать динамику изменения биомассы бактерий и потребления ими субстратов (минеральных форм
Экология города
136
азота). Основными характеристиками развития биомассы и потребления субстрата (питательного вещества) являются:
• плотность бактерий X — количество сухой массы бактерий в единице
объема;
• удельная скорость роста бактерий ц — величина, численно равная увеличению единицы сухой массы бактерий за единицу времени;
• коэффициент урожайности у — величина, численно равная увеличению
биомассы бактерий за счет потребления единицы субстрата. Величина
коэффициента урожайности показывает, какая доля потребленного субстрата идет на увеличение биомассы, следовательно всегда у < 1;
• константа полунасыщения k — концентрация субстрата, при которой
скорость роста биомассы равна половине максимальной;
s
• коэффициент смертности бактерий
скорость отмирания бактерий.
k
d
—
величина,
характеризующая
В общем виде уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записывают как:
dS _ ^ max
S
.X.
dt
У
' S+kS
dX _ и
~dt~ ~ ^
.
m
a
.v — h . Y
*
'
S+ks
x
где S — концентрация субстрата, г/м ;
d
X — плотность биомассы, г/м .
3
3
В процессе нитрификации минеральные формы азота выполняют роль
субстратов для нитрифицирующих бактерий. Применительно к этому процессу уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записываются в виде:
dN
Д
I
N.
dN
И~шах2
1
N^2
2
-Ж — у Г ' W k
и1,
.
a
dN, _Ц
St
^max2
=
u
,
, ~maxl
И Г '
N1
у .
1
'
»г/г>\ ЛТ •
>
~
'
N
{
)
2
N
' N^k v
тах1
0
2
-
X
s2
~ ^maxl •
dX
-fit
v
-
ft
'\ ~ k\ '
-^i(O) = Х \
X
1
N
+k
2
si
2
d
ю
' X 2 ~ kdl ' X V
s
*
2
=
^20'
где X X — плотность биомассы Nitrosomonas и Nitrobacter соответственно, г / м ; ( X , | i
— максимальные удельные скорости роста этих бактерий, 1/с; y у — коэффициенты урожайности, k
k — константы полуv
2
3
m a x l
v
m
2
a
x
2
s
V
s2
137
Раздел 4. Воздушная среда города
насыщения, г / м ; k , k — коэффициенты смертности для Nitrosomonas и
Nitrobacter соответственно, 1/с.
3
dl
d2
Эта система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения и решается численными методами. Наиболее распространенным методом решения в этом случае является метод Рунге-Кутта. Приведенная модель используется для прогнозных расчетов на период не более 10 суток. При
необходимости проведения прогноза на больший срок используются более
сложные модели на основе кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, учитывающие
процессы минерализации органических форм азота, роль фито- и зоопланктона в круговороте азота в водной экосистеме.
Прогноз качества воды в эвтрофированных водных объектах.
антропогенного эвтрофирования водных объектов являются:
Причинами
• высокий уровень антропогенной нагрузки на водные объекты, часто
превышающий их ассимилирующую способность;
• регулирование речного стока, приводящее к изменениям гидрологического режима водных объектов и нарушению природных условий функционирования водных экосистем;
• увеличение забора воды на нужды населения, промышленности и сельского хозяйства, приводящее, особенно в летний период, к снижению
уровней воды в реках и водоемах.
Особую опасность представляет поступление в водные объекты большого
количества биогенных элементов с сельскохозяйственными, городскими и промышленными стоками. Содержание в водной массе биогенов приводит к гиперпродукции органических веществ, нарушению кислородного режима и основных экосистемных механизмов. Вода приобретает неприятный вкус и запах и
становится непригодной для большинства видов водопользования. Степень эвтрофирования водных объектов зависит от соотношения продукционно-деструкционных процессов в водной массе. Это соотношение во многом определяется
структурой водной экосистемы, общий вид которой представлен на рис. 3.22.
фитозообактерио
Рис. 3.22. Структура водной экосистемы
138
Экология города
Как правило, водная экосистема включает в себя планктонную, бентосную
подсистемы и подсистему высшей водной растительности (ВВР). Каждая из
указанных подсистем в свою очередь включает в себя более простые подсистемы нижнего уровня. В состав планктонной подсистемы входят фито-, зоои бактериопланктон. Бентосная подсистема представлена микрофито-,
макрофито-, макрозоо- и бактериобентосом. Подсистема ВВР включает в
себя собственно растительную часть, а также планктон, бентос и перифитон на ВВР.
Прогноз состояния эвтрофированных водных экосистем может осуществляться на основе математической модели STOOKS, описывающей зависимость показателей качества воды от биотических и абиотических компонент
экосистемы с учетом специфики процессов продукции и деструкции в каждой подсистеме. В качестве основных показателей состояния экосистемы принимаются величина БПК, концентрация растворенного кислорода и величина биомассы фитопланктона. В общем виде математическая модель записывается следующим образом:
• [l-^(-P C )]C J+9
j
4
d
o
b
•[l-^(-P C )]C
i
4
d
o
b
o
d
b
o
d
;
)+k (C
2
s
a
t
-C );
d
o
dR
• [1
где В. — биомасса фитопланктона в i-й подсистеме; C — Б П К ; C —
концентрация растворенного кислорода; C — величина предельного насыщения воды кислородом; С — концентрация взвешенных веществ; ос —
весовой коэффициент i-й подсистемы; & — коэффициент формы, отражающий влияние формы поперечного сечения русла на первичную продукцию
органического вещества для i-й подсистемы; а.„
— максимальное значение
b o d
п о л н
d o
s a t
ш
fi
1 и max
удельной продукционной способности в условиях оптимальной освещенности;
р — коэффициент, отражающий влияние лимитирования биогенами на
первичную продукцию органического вещества; к, — температурный коэффициент; г — коэффициент дыхания водорослей для i-й подсистемы; k —
коэффициент, отражающий влияние рН водной среды на бактериальную деструкцию органического вещества; k — коэффициент бактериальной деструкции в i-й подсистеме; к — коэффициент, отражающий влияние температуры на бактериальную деструкцию органического вещества; ф
— интенсивность аллохтонного поступления органических веществ в единицах Б П К
в водный объект; к — коэффициент атмосферной реаэрации; у — коэффиp
h
ir
т
Ь о с |
п о 1 1
2
139
Раздел 4. Воздушная среда города
циент конструктивного обмена, равный отношению части валовой первичной продукции фитопланктона, идущей на образование новых клеток, к общей валовой продукции сообществ; k — коэффициент, отражающий влияние скорости течения в области лимитирующих и критических значений на
процессы первичного продуцирования и деструкции органического вещества;
ц — кислородный эквивалент фитопланктона; £ — скорость поедания фитопланктона зоопланктоном; 8 — коэффициент, учитывающий воздействие техногенных факторов на смертность фитопланктона.
v
Приведенная система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения и решается методом численного моделирования с использованием ЭВМ.
3.10. Формирование подземных вод
на урбанизированных территориях
Из всех элементов литосферы наибольшей динамичностью и скоростью ответной реакции на воздействие техносферы обладают подземные
воды. К подземным водам относят все виды воды, находящиеся ниже поверхности земли.
По характеру связи с горными породами и степени подвижности подземные воды подразделяют на три группы: химически связанную, включая конституционную, кристаллизационную и цеолитную; физически связанную,
включая прочносвязанную, рыхлосвязанную и капилярную; и свободную воду.
Химически связанная вода удерживается внутри минералов, слагающих породы, силами, значительно превышающими силу тяжести. Удаляется из минералов при нагревании. Полное разрушение кристаллической решетки с удалением
конституционной воды происходит при температурах в несколько сот градусов.
Кристаллизационная вода удаляется при температуре, превышающей 105° С;
цеолитная выделяется постепенно, начиная с температур порядка 40° С.
Физически связанная вода содержится главным образом в тонкодисперсных породах и удерживается на поверхности частиц силами, имеющими электрическую природу. Диполи прочносвязанной воды входят в состав гранулы
коллоидной мицеллы, рыхлосвязанная вода входит в состав диффузного слоя,
располагающегося вокруг адсорбционного слоя, молекулы которого удерживаются силами молекулярного притяжения. Рыхлосвязанная вода может передвигаться в процессе выравнивания толщины гидратной оболочки у соседних частиц, а также под влиянием осмотических и электроосмотических сил.
В глинах количество рыхлосвязанной воды может достигать 30%, а суммарное количество связанной воды — до 50%.
Капиллярная вода является наиболее подвижной из всех видов связанной
воды. Капиллярная вода не подчиняется закону силы тяжести и передвигается в капиллярных порах снизу вверх от уровня подземных вод. Ограничение
подвижности связано с действием сил поверхностного натяжения на границе
раздела "вода—порода".
140
Экология города
Свободная (гравитационная) вода заполняет поры и пустоты в горных породах и передвигается в них под влиянием силы тяжести сверху вниз или в различных направлениях под влиянием перепада давлений (градиента напора).
Научно-технический прогресс неразрывно связан с использованием и
загрязнением подземных вод. Основными стимулами к использованию подземных вод в индустриальную эпоху были потребность в более качественной
и здоровой, чем поверхностная, воде и большее удобство использования
подземной воды, источник которой максимально приближен к объекту водоснабжения. На протяжении столетий человек использует природную систему
очистки и доставки воды к месту использования. Эта природная система,
включающая водоносные горизонты, разделяющие их водоупорные слои,
перекрывающие ненасыщенные грунты и почвы, в силу своей большой емкости и специфических свойств в большинстве случаев обеспечивает более
устойчивое водоснабжение, по сравнению с поверхностными источниками
воды. Однако в пределах практически любого региона ресурсы подземных
вод по объему всегда уступают поверхностным. Так, ресурсы поверхностных
вод, формируемые на территории Украины в маловодный год, составляют 29 700 млн м , а прогнозные ресурсы подземных вод не превышают
7000 млн м , что в четыре с лишним раза меньше. В ряде случаев подземные
воды не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
3
3
В настоящее время основной объем используемой человеком подземной воды — это пресные воды, циркулирующие в зоне активного водообмена, простирающейся от приповерхностных слоев земли до глубин от сотен
метров до 1 км. Питание подземных вод осуществляется в основном из атмосферных осадков, вымывающих из почв, грунтов зоны аэрации и пород
водонасыщенной зоны накопленные там и постоянно пополняемые загрязняющие вещества. Первый от поверхности водоносный горизонт — грунтовые воды, в силу своей приближенности к источникам загрязнения и отсутствию изолирующих слоев повсеместно загрязнен. Загрязнение этих вод в
городах настолько значительно, что их очистка для последующего использования нецелесообразна.
Межпластовые воды, залегающие на глубинах до 100 м, имеют сравнительно большую защищенность от поверхностных загрязнений. Циклы водообмена этих горизонтов составляют от нескольких лет до нескольких десятков лет. Эти воды в настоящее время широко используют для водоснабжения населенных пунктов. Однако в последние десятилетия тенденции к
техногенному загрязнению неглубоко залегающих подземных вод Украины
наметились на трети всех эксплуатируемых водозаборах питьевых вод. Например, в Харькове на водозаборах, расположенных в черте города, в воде
верхнемелового водоносного горизонта, залегающего в интервале глубин
40—80 м, фиксируется сверхнормативное содержание нефтепродуктов, следы фенолов, пестицидов. В пределах Харьковской промьфлленно-городской
агломерации, несмотря на наличие перекрывающего регионального водоупора эоценовых мергелей, в процессе эксплуатации межпластовых вод верхнемелового водоносного горизонта в него проникают загрязненные грунтовые воды. За 80 лет эксплуатации верхнемелового водоносного горизонта
141
Раздел 4. Воздушная среда города
общая минерализация откачиваемых подземных вод возросла от 0,5—0,7 до
1,8—2,2 г/дм , общая жесткость повысилась от 5—7 до 18—20 ммоль/дм ,
что является результатом выщелачивания меломергельных пород под воздействием увеличения скорости фильтрации и растворяющего воздействия
проникающий сверху агрессивных вод.
3
3
Наибольшую защищенность пресные подземные воды имеют в пределах
артезианских бассейнов, зона развития которых простирается до глубины от
нескольких сот метров до 1 км. Полный водообмен в этих горизонтах происходит в течение сотен и тысяч лет.
На первый взгляд, это как будто дает возможность пользоваться чистым
источником воды еще длительное время. Однако на практике в силу специфических гидродинамических и геохимических процессов, происходящих в
подземной гидросфере при интенсивном отборе подземных вод, и поступления загрязняющих веществ через стволы неисправных скважин качественные показатели подземных водоносных горизонтов постепенно ухудшаются.
Математическое моделирование гидрогеологических процессов позволяет прогнозировать количественные показатели этих изменений. Глубокие горизонты пресных вод могут подвергнуться воздействию как вышезалегающих
загрязненных горизонтов, так и нижезалегающих комплексов, содержащих
некондиционные солоноватые воды. Мало изученным остается состав поровых растворов прилегающих слабопроницаемых слоев, отжим которых также
может давать увеличение содержания в эксплуатируемых артезианских водах
нежелательных компонентов — таких как соли жесткости, хлориды, сульфаты, Fe, F, Br, В, Li, Sr, А1, сероводород, нитриты.
Ухудшение качества воды, связанное с поступлением макро- и микрокомпонентов из прилегающих толщ в силу ненасыщенности природных вод всегда
необратимо. При эксплуатации артезианских водозаборов за период амортизационного срока (обычно 25 лет) извлечение подземных вод происходит с участка, имеющего площадь, измеряемую несколькими квадратными километрами.
Приток нежелательных ингредиентов в эксплуатируемый водоносный горизонт
в тот же период происходит на всей площади депрессии, измеряемой многими
десятками квадратных километров. Таким образом, на урбанизированных территориях под воздействием интенсивной хозяйственной деятельности складывается нарушенный (антропогенный) режим подземных вод. Изменение гидродинамических характеристик подземных вод (напора, скорости, расхода), их
состава и температуры происходит не только под воздействием естественных
факторов (атмосферных осадков, температуры, режима поверхностных вод и
др.), но и техногенных, которые часто играют ведущую роль.
При условии сохранения объема элемента гидросферы и емкостных характеристик слагающих его горных пород водный баланс выражается уравнением вида:
_
£ (Qi At) + Av = 0,
i
где Qj — сумма приходных и расходных статей водного баланса элемента,
м /сут.; (+) — приток, (—) — отток подземных вод; At — длительность расчетного периода, сут.; Av — изменение объема (запасов) подземных вод, м .
3
3
142
Экология города
Под запасами подземных вод понимается общий объем воды, содержащейся в рассматриваемом элементе гидросферы. Приток подземных вод к
рассматриваемому элементу, пополнение запасов, приходные статьи водного
баланса называются питанием подземных вод; отток, сработка запасов, расходные статьи баланса — разгрузкой подземных вод.
Для элемента грунтового горизонта уравнение водного баланса выражается зависимостью:
^ -/>±0 ±Д0 П
Н
(?
Ф
\lAHF,
=
э
где W — суммарное питание грунтовых вод с поверхности, м /сут.; Р — разгрузка грунтовых вод на поверхность, м /сут.; ± Q — приток из нижележащих
горизонтов или отток в нижележащие горизонты, м /сут.; ± Д ( ? — разность
притока и оттока по грунтовому водоносному горизонту, м /сут.; Q — отбор
грунтовых вод, м /сут.; F— площадь балансового участка, м ; АН — изменение уровня грунтовых вод в рассматриваемом элементе потока (м) за расчетный период А/; |! — гравитационная емкость, доли единицы.
3
3
H
3
ф
3
3
3
2
Суммарное питание грунтовых вод с поверхности W включает в себя составляющие: W— инфильтрационное питание грунтовых вод; К — конденсация; Q
— поглощение поверхностных вод; W — искусственное питание.
n
n
o
e
u
Составляющими разгрузки грунтовых вод на поверхность Р являются
Z — разгрузка суммарным испарением, включающим транспирацию, и ? разгрузка грунтовых вод на поверхность (родники, мочажины, пластовые
выклинивания).
При неизменной емкостной характеристике горных пород и площади
балансового участка изменение составляющей приходной части водного баланса W и расходной части £> приводит к изменению ДН — подъему или
снижению уровня грунтовых вод.
a
э
Глубина залегания грунтовых вод, обусловленная природными факторами, имеет зональный характер. Глубина залегания грунтовых вод в различных зонах Украины, выделенных на основе особенностей увлажнения и рельефа, показана в табл. 3.16.
Таблица 3.16. Средние зональные характеристики грунтовых вод
Зона
Неглубоких
оврагов
Глубоких
оврагов
Овражно-балочные сети
Зона причерноморских
балок
Глубина залегания, м
Величина питания, мм/год
- 90
Химический
состав
Минерализация, г/л
5-10
45
10 - 15
30 - 4 5
до 0,1
до 20
и более
до 50
и более
10 - 20
1,0 - 3,0
5,0 - 1,0
до 3,0 - 5,0
0,3 - 0,5
НС0 -Са
3
НС0 -Са
HCO,SO.-Ca
3 4
3
л
SO'-Ca(Na)
S 0 HC0 -Ca
S0 -Ca
ClS0 -(Na)Ca
4
3
4
4
Раздел 4. Воздушная среда города
143
Цифры, приведенные в таблице, характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в междуречных пространствах на определенном удалении
от крутых склонов,
уступов речных террас, заболоченных понижений.
*
Для застроенных территорий характерным является подтопление, основная причина которого состоит в высокой территориальной концентрации
водопотребления и поступлении дополнительного питания в подземное пространство. Приходные статьи баланса увеличиваются прежде всего за счет
искусственного питания ( W J из многочисленных источников дополнительной инфильтрации: водопроводной и канализационной сети, отстойников,
градирен и т.д. Увеличивается также доля атмосферных осадков, идущая на
питание грунтовых вод
вследствие перепланировок поверхности, препятствующих отведению поверхностного стока. На застроенных территориях
возрастает внутригрунтовая конденсация, поскольку фундаменты зданий обладают более высокой теплопроводностью, по сравнению с почвами и грунтами. Накоплению конденсата способствуют и открытые в зимний период
подвальные помещения, котлованы и т.п.
Подъему уровней грунтовых вод может способствовать также уменьшение порового пространства, в котором содержатся гравитационные воды Qи).
Это может происходить под насыпями, фундаментами, где уменьшение порового пространства является следствием увеличения статических нагрузок.
При забивке свай под фундаменты объем порового пространства грунтов
уменьшается на величину объема свай. Это приводит к резкому ухудшению
проницаемости грунтов, особенно в горизонтальном направлении, и формированию в пределах свайных оснований своеобразного барража на пути фильтрации грунтовых вод. Компенсирующего водоотбора ( 0 ) грунтовых вод на
территории городов, как правило, нет. Поэтому уровни грунтовых вод на
урбанизированных территориях имеют тенденцию к подъему, что коррелируется с возрастанием территориальной концентрации водопотребления. Баланс между притоком и оттоком устанавливается при достижении грунтовыми водами глубин, где резко возрастает испарение и транспирация (Z ). Обычно
эти факторы разгрузки грунтовых вод существенны при глубинах воды от
поверхности до 1—1,5 м, что по нормативам для застроенных территорий
соответствует подтопленным территориям (табл. 3.17).
э
p
Таблица 3.17. Нормы осушения или глубины залеганий грунтовых вод
Характер застройки
Территории крупных промышленных зон и комплексов
Территории городских промышленных зон, коммунально-складских зон, центры крупнейших, крупных и
больших городов
Селитебные территории городов и сельских населенных
пунктов
Территории спортивно-оздоровительных объектов и
учреждений обслуживания зон отдыха
Норма осушения, м
до 15
5
2
1
144
Экология города
При подъеме уровней грунтовых вод должен увеличиваться их отток в
естественные дрены (—A Q) вследствие увеличения градиента уклона потока.
Однако на практике в пределах урбанизированных территорий базис стока,
как правило, имеет тенденцию к подъему вследствие затопления, сужения и
зарегулирования рек и ручьев, засыпки оврагов и балок, что, наоборот, способствует уменьшению градиентов уклона потоков и уменьшению таким образом расходных составляющих грунтовых вод.
Существенным фактором, влияющим на расход грунтовых вод, является
эксплуатация неглубоко залегающих межпластовых горизонтов. Например, для
Харькова, где подтоплено более 5 тыс. га, по результатам гидрогеологического
моделирования установлено, что в результате длительной откачки подземных
вод, залегающих в интервале 40—80 м от поверхности земли, уровень грунтовых вод на подтопленной территории может быть понижен на 1—5 м. Такой
эффект может быть получен при определенной проницаемости водоупора, разделяющего фунтовые и межпластовые водоносные горизонты.
Явление подтопления городов рассмотрено в разд. 2.4.
Истощение межпластовых вод происходит при их интенсивной эксплуатации для коммунального и промышленного водоснабжения.
Основными источниками загрязнения грунтовых и межпластовых вод в
городах являются: промплощадки и отстойники жидких отходов промпредприятий; утечки из канализационных сетей, очистные сооружения, свалки
бытовых отходов; рассеянное загрязнение нефтепродуктами, органическими
веществами и тяжелыми металлами на городской территории.
Меры по охране подземных вод от загрязнения должны носить упреждающий характер и реализовываться в период проектирования и строительства
промышленных и коммунальных объектов.
3.11. Охрана подземных вод от истощения
и загрязнения
Сохранение высокого качества и запасов подземных вод может быть обеспечено прежде всего путем разработки и организации щадящих режимов эксплуатации подземных водоносных горизонтов. Соблюдение этих режимов
возможно на основе надежной системы контроля как за количественными
показателями объемов подземных вод, так и, в особенности, за изменением
их состава на уровне макро- и микроэлементов. Наблюдения за составом
подземных вод на уровне микроэлементов позволяет не только зафиксировать ухудшение их качества, но и своевременно внести коррективы в режим
эксплуатации водозаборов. В результате изучения и систематизации материала по составу артезианских вод появляется возможность объективного определения допустимых уровней эксплуатации этих вод, при котором гарантируется приемлемое качество на длительную перспективу.
Другим направлением охраны подземных вод от загрязнения является
локализация, ликвидация и предотвращение появления новых техногенных
Раздел 4. Воздушная среда города
145
источников загрязнения водоносных горизонтов. Это касается накопителей
жидких и твердых отходов, канализационных систем и очистных сооружений, нефтепроводов и хранилищ нефтепродуктов.
Существующие тенденции расширения техногенного воздействия на всю
глубину зоны активного водообмена ведут к быстрому сокращению объема
кондиционных для питьевых целей подземных вод. Поэтому необходимо
ограничить использование кондиционных подземных вод на непитьевые нужды
и отделить собственно питьевое водоснабжение из подземных источников от
остального хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения.
3.12. Методы пополнения запасов подземных вод
Увеличение отдачи подземных водоносных горизонтов может быть достигнуто за счет искусственного пополнения запасов подземных вод.
Искусственное пополнение запасов подземных вод — это комплекс инженерных мероприятий, направленных на увеличение питания подземных
вод, увеличение или сохранение эксплуатационных ресурсов водоносного горизонта или месторождения подземных вод, а также на улучшение или сохранение качества получаемой воды. В ряде случаев таким способом удается
продлить срок работы существующих водозаборов.
Основным источником восполнения запасов подземных вод является
речной сток. Другими источниками могут служить воды временных водотоков, ливневые и талые воды, воды шахтного водоотлива, вертикальных и
горизонтальных дренажей при условии, если они удовлетворяют существующим требованиям к качеству воды.
Существуют два основных метода искусственного пополнения — распределение и нагнетание — с различными модификациями. Метод распределения
используется для пополнения запасов подземных вод безнапорных горизонтов в условиях, когда зона аэрации сложена хорошо проницаемыми отложениями или же залегающий с поверхности слабопроницаемый слой суглинков
или глин имеет мощность не более 4 м. В этих случаях инфильтрационные
сооружения называются открытыми. Метод нагнетания применяется для закачки воды в напорные водоносные горизонты или же в условиях, когда с
поверхности земли залегают мощные (более 10 м) слои слабопроницаемых
пород. Метод распределения может выполняться различными способами:
устройством инфильтрационных бассейнов, каналов, траншей, котлованов;
затоплением участков естественной поверхности или специально подготовленных (например, устройством борозд) площадок; расчисткой русл постоянных и временных водотоков с целью усиления инфильтрации из реки (русловой метод). При толщине слабопроницаемого покровного слоя 5—20 м используются многочисленные засыпаемые гравием фильтрующие колодцы
диаметром 1 и более метров. Метод нагнетания предусматривает применение
нагнетающих скважин и галерей, в которые воды подаются под давлением —
так называемые закрытые инфильтрационные сооружения. Своеобразным
способом искусственного пополнения можно считать усиление питания эксплуатируемого водоносного горизонта смежными, залегающими выше или
146
Экология города
ниже эксплуатируемого, путем бурения и оборудования скважин, соединяющих питающий и пополняемый водоносные горизонты при условии, что напоры в питающих горизонтах выше.
Отрицательным фактором, влияющим на снижение производительности
инфильтрационных сооружений во времени, является кольматация фильтрующих поверхностей взвешенными в воде частицами. Кроме взвесей, существенными факторами кольматапии могут быть бактериологическое заиление, связанные газы, воздух, повышенное содержание железа и т.д. Вследствие этого инфильтрапионные сооружения приходится периодически чистить
от 3—4 раз в год до одного раза в несколько лет, чаще 1—2 раза в год. Полный
период работы между двумя расчистками называется фильтроциклом.
В отдельных случаях с целью получения осветленной воды для технического водоснабжения могут устраиваться скважинные, галерейные и лучевые
водозаборы вблизи водоемов. В случае разделения городских систем водоснабжения на питьевой и хозяйственно-технический водопроводы, что в ближайшем будущем представляется вполне реальным, подобные водозаборы,
размещенные в пригородах (скажем, на входе рек в город) могли бы поставлять воду непитьевого назначения и составили бы серьезную конкуренцию
поверхностным источникам. Преимущество их состоит в более высоком качестве воды: отсутствии взвешенных частиц, водорослей, меньшем бактериальном загрязнении, что упрощает и удешевляет водоподготовку. Такие инфильтрационные сооружения можно разместить ближе к потребителю и снизить тем самым затраты на транспортировку воды. Кроме того, такой способ
водоснабжения практически не зависит от климатического фактора и имеет
большую защищенность источника водоснабжения, по сравнению с открытыми водоемами.
3.13. Зоны санитарной охраны скважинных
водозаборов
Организация зон санитарной охраны (ЗСО) имеет целью защиту подземных вод от загрязнения. ЗСО состоят из трех поясов. Первый пояс — зона
строгого режима — предназначен для защиты устья скважины и водопроводных сооружений. Эта территория ограждается забором. Любая деятельность
и размещение объектов, не связанных напрямую со скважиной и водопроводным хозяйством, в ее пределах запрещается. Радиус зоны строгого режима составляет не менее 50 м для скважин, вскрывающих незащищенные подземные воды, и не менее 30 м для скважин, эксплуатирующих защищенные
подземные воды. В благоприятных гидрогеологических и санитарно-технических условиях по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы радиусы могут быть уменьшены вдвое — 25 м в случае незащищенных и 15 м в случае защищенных водоносных горизонтов.
При эксплуатации инфильтрационных сооружений (искусственное пополнение подземных вод) границы ЗСО устраиваются на расстоянии не ме-
Раздел 4. Воздушная среда города
147
нее 50 м от каптажных сооружений закрытого типа (скважины, шахтные колодцы) и не менее 100 м от сооружений открытого типа (каналы, бассейны).
Для береговых водозаборов (инфильтрационных) в зону строгого режима
включается территория между водозабором и поверхностным водоемом, если
она имеет протяженность не более 150 м.
Для подрусловых водозаборов зона строгого режима устанавливается такой же, как и для водозаборов из поверхностных водоемов.
Второй пояс ЗСО предусматривается для защиты водозаборов от микробных загрязнений. Границы этого пояса определяются расчетным путем
и не ограждаются. На территории 2-го пояса ограничивается любая деятельность, которая может повлечь бактериальное загрязнение подземных
вод, — в первую очередь размещение свалок, туалетов, выгребных ям, органических удобрений и т.п. При расчете размеров 2-го пояса ЗСО исходным
является время, необходимое для утраты патогенными организмами жизнеспособности и вирулентности, которое для условий грунтовых вод составляет 400 суток, а для межпластовых вод — 100—200 суток. При этом адсорбция микроорганизмов в водонесущих породах не учитывается. Методика
расчетов подробно разработана и приводится в специальной литературе.
Размеры 2-го пояса зависят от величин водоотбора, проницаемости и активной пористости пород. Возможны случаи, когда размеры этого пояса
меньше, нежели размеры зоны строгого режима. В этом случае 2-й пояс не
выделяется, поскольку ограничения в зоне строгого режима включают все
требования, предъявляемые для 2-го пояса ЗСО.
Третий пояс ЗСО также представляет собой зону ограничений, предназначенную для предотвращения химического загрязнения подземных вод на
весь срок работы водозабора. Если срок специально не установлен, то при
расчетах размеров 3-го пояса время действия водозабора принимается равным 25 годам. На территории 3-го пояса ограничивается деятельность, связанная с хранением, использованием и внесением в грунт химических веществ, которые могут ухудшить качество подземных вод.
3.14. Прогнозирование состояния подземных вод
3.14.1. Прогноз состояния подземных вод в связи с их
эксплуатацией
Основным видом гидрогеологических прогнозов в связи с охраной подземных вод и их эксплуатационных ресурсов от истощения является определение величины эксплуатационных запасов подземных вод как предела их
рациональной эксплуатации. При расчете запасов подземных вод должна быть
показана возможность их эксплуатации наиболее рациональной системой
водозаборных сооружений с расчетной величиной водоотбора в течение определенного расчетного срока или неограниченно долгого времени при уело-
148
Экология города
вии удовлетворения качества подземных вод заданному назначению в течение всего эксплуатационного периода. Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод устанавливается величина допустимого понижения уровня в водозаборных сооружениях. Прогнозирование уровенного режима эксплуатируемого водозабора производится гидродинамическим, гидравлическим,
балансовым методами и методом гидрогеологических аналогий. Эти методы
подробно освещены в специальной литературе.
Рассмотрим вопросы изменения качества подземных вод на эксплуатируемом водозаборе.
При наличии области загрязненных или некондиционных вод на определенном расстоянии х, от эксплуатационной скважины и группы скважин
("большой колодец") время подтягивания загрязненных вод в плоско радиальном потоке в любую точку, находящуюся на расстоянии х (по линии тока)
от водозабора, определяется по формуле:
2
К-т -П
2Ч
2
Q
'сут =
( * . - *2 ) .
где Q — дебит водозаборного сооружения, м /сут.; т — мощность водоносного горизонта, м; п — пористость водоносных пород.
3
Если требуется найти время поступления к водозаборному сооружению
первых порций загрязненной воды, то х ~ 0, и тогда
2
_ л•т•п•х
2
q
Если же рассматривать любую точку фронта загрязнения, перпендикулярного к линии тока водозабор — х,, отстоящую на расстоянии >>, от этой
линии, то время движения от этой точки будет равно:
где г, и г — соответственно начальное и конечное положения точки.
2
г, = V v
;
2
+
V
2
г, = V x + у } .
2
В условиях "потока" время движения загрязненных вод внутри области
питания по главной линии тока от границы загрязненных вод до участка
водозабора определяется по формуле:
х.—Х
1 А ' In
А
(Ы-
Q
•
,
,
Y
где х = 2л-т - v '
Р
по кратчайшей линии от границы загрязненных вод до водозаборного сооружения, м; v. — скорость естественного
потока подземных вод, м/сут.
Знак " + " или "—" соответствуют движению по потоку или против потока; в последнем случае х, абсцисса имеет отрицательное значение.
а
А
с
с
т
о
я
н
и
е
149
Раздел 4. Воздушная среда города
Время движения от любой другой точки границы загрязненных вод определяется зависимостью:
у.
X. .
c o s - ^ + y ^ sin i ) ] , с у ,
где х, и у — абсцисса и ордината начального положения.
{
Рассмотренный подход к прогнозу продвижения фронта загрязнения
предполагает простой — "поршневой" характер вытеснения одной жидкости
другой. Однако это лишь грубая модель реального процесса. Другой подход
учитывает случайный характер строения микропористой среды, неодинаковые размеры поровых каналов, процессы молекулярной диффузии и сорбции, вследствие чего "поршневое" вытеснение нарушается, жидкости на границе раздела смешиваются, образуя языки. Происходит рассеяние, или дисперсия, границы раздела двух жидкостей.
Длина зоны дисперсии
где D — коэффициент фильтрационной диффузии (дисперсии), м /сут.; t —
время, сут.; а' = 6,6 для плоскопараллельного потока и а' = 4,7 для плоскорадиального потока.
2
Пресные и загрязненные воды в общем случае различаются по своим
плотностям. При движении жидкостей с разными плотностями происходит деформация границы раздела, выражающаяся в формировании "языка" более тяжелой жидкости в подошве пласта. Если принять, что первоначальная граница пресных и загрязненных (соленых) вод была вертикальной и что загрязненная вода характеризуется большей плотностью, то
в дальнейшем эта граница раздела становится наклонной вследствие того,
что более плотная (загрязненная) вода " п о д п и р а е т " более легкую (пресную) воду и в подошве пласта образуется " я з ы к " загрязненных вод. Если
же, наоборот, загрязненная жидкость обладает меньшей плотностью, чем
пресная вода, то " я з ы к " загрязнения будет формироваться в кровле пласта. Длина зоны деформации границы раздела пресных и загрязненных вод
вследствие различия их плотности равна:
где кип — соответственно коэффициент фильтрации и пористость водоносных пород; т — толщина водоносного горизонта, м; р и р — плотности
пресных и загрязненных вод, кг/м ; t — время, сут.; а — А — для плоскопараллельного потока и а - 2,8 — для радиального потока.
п
с
3
Общая длина пути движения более плотных вод складывается из пути L ,
определенного по схеме поршневого вытеснения, длины зоны дисперсии L,
и длины зоны деформации L , т.е.
0
2
150
Экология города
L = L + 0,5 (L, +L ) .
0
2
Прогноз изменения показателей качества подземных при подтягивании
некондиционных вод из выше- и нижезалетающих водоносных горизонтов
может быть выполнен в следующей последовательности. Вначале производится расчет балансовых составляющих для объема воды, привлеченной к
водозаборному сооружению за определенный период эксплуатации. Вертикальный переток через разделяющие слабопроницаемые слои происходит под
воздействием градиента давлений АН в питающем и эксплуатируемом водоносных горизонтах со скоростью:
у—
к
, с/сут.,
п•т
где k, т, п — коэффициент фильтрации, мощность и пористость разделяющего слоя.
При известной площади депрессии в эксплуатируемом водоносном горизонте объем перетока воды из смежных горизонтов может быть определен из
соотношения:
W=
V-F-t,
где W — объем перетока воды за время t, сут.; F — площадь участка перетока, м .
2
Зная темпы понижений в эксплуатируемом и смежных водоносных горизонтах, можно оценить балансовые составляющие подземных вод, отобранных за любой срок. Искомые величины концентрации различных компонентов в откачиваемой воде оцениваются как результат смешения исходных объемов воды из основного и смежных водоносных горизонтов, имеющих заданные
параметры качества, по формуле:
Q,C, + Q C + Q C
2
2
3
3
q{+q2+qз
где С — прогнозная концентрация компонентов в подземных водах, г/м ;
Q Q 'Qi~ приток подземных вод по эксплуатируемому водоносному горизонту, из вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, м /сут.; С,,С ,С — концентрация компонента в подземных водах основного эксплуатируемого водоносного горизонта, вышезалегающего
и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, г/м .
3
v
2
3
2
3
3
Для прогноза состояния подземных вод служат и расчеты размеров поясов зоны санитарной охраны.
3.14.2. Прогноз загрязнения грунтовых вод вблизи
хранилищ жидких отходов
•
Время смыкания уровня грунтовых вод со сточными водами, фильтрующимися с поверхности, для условий однородного строения зоны аэрации и
постоянного уровня сточных вод в хранилище определяется по формуле:
151
Раздел 4. Воздушная среда города
где Н — глубрша слоя сточных вод в хранилище, м; к, т' — коэффициент
фильтрации и мощность пород зоны аэрации, м; п — пористость.
0
Как следует из приведенной формулы, время проникновения фильтрата
до уровня грунтовых вод зависит от фильтрационных свойств пород зоны
аэрации. Обычно это очень небольшой период. Так, при к > 0,5 м/сут. он не
превышает нескольких суток даже при относительно больших мощностях зоны
аэрации {т' > 10 м); при к < 0,01 м/сут. он возрастает до нескольких сотен
суток.
При многослойном строении зоны аэрации и значительном различии слоев
по проницаемости для расчетов применяются более сложные формулы. Однако во всех случаях время проникновения загрязнения в грунтовые воды
определяется движением в наиболее проницаемом слое.
Если при сбросе сточных вод с постоянным расходом Q на поверхность
площадью F приведенный расход q = Q/F меньше или равен коэффициенту
фильтрации к пород подстилающего слоя, то сбрасываемые сточные воды
полностью фильтруются, не образуя на поверхности земли столба сточных
вод. В этом случае время достижения сточными водами уровня грунтовых
вод может быть определено по формуле:
t =
п•т
V
q -k
2
Если пропускная способность подстилающего слоя меньше приведенного расхода сбрасываемых сточных вод q > к, то на поверхности земли образуется слой воды. В этом случае время фильтрации сточных вод с поверхности
земли до уровня грунтовых вод определяется по формуле:
t =
т'
(1 - п)-к ^ J( 1 ~ пУ-к + qk
2п
4л
п
2
2
+
После попадания сточных вод в водоносный горизонт они движутся по
пласту, смешиваясь с грунтовыми водами. Скорость движения загрязненных
вод вниз по потоку при их фильтрации из хранилища вытянутой формы оценивается по формуле:
a
v
v = - - + —>
2тп
п
где q — фильтрационные потери на единицу длины хранилища, м /сут.; v —
скорость фильтрации естественного потока подземных вод, определяемая из
соотношения v, = к • i, где к — коэффициент фильтрации водоносного горизонта, /' — градиент уклона потока.
2
e
Для хранилища круглой или изометрической формы расстояние х, на
которое произойдет перемещение загрязненных вод по пласту за время t под
152
Экология города
влиянием фильтрационных потерь из хранилища 0 и естественного движения подземных вод со скоростью v., определяется по формуле:
ф
х=
где
/д I
I
2
+
+
У
п
R
Л'
— радиус хранилища.
3.14.3. Самоочищение подземных вод
Кроме ведущего процесса — фильтрации, определяющего продвижение загрязняющих веществ в подземные воды, в породах проявляются процессы их сорбции, диффузии в слабопроницаемые отложения, деструкции
органических загрязнителей и некоторые другие, которые ведут к снижению их концентрации, обусловливая тем самым как бы самоочищение
подземных вод.
Под самоочищением природных вод понимают всю совокупность природных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление
их первоначального состава и свойств. В подземных водах к их самоочищению приводят химическое и биохимическое окисление в водной массе и водовмещающих породах, процессы сорбции и ионного обмена, которые как
бы локализуют очаги загрязнения.
Для количественной оценки процесса самоочищения в подземных водах
используют уравнение:
К=
l//ln(C /C ),
0
t
где К — суммарная константа скорости самоочищения, 1/сут.; t — время
очищения, сут.; С , С — начальная и конечная концентрация загрязняющего
вещества.
0
(
При наличии сети наблюдательных скважин и статистически обеспеченных результатов гидрохимического анализа оценку интенсивности процессов самоочищения проводят балансовым методом с использованием
уравнения
dm/dt — А — km ,
где т — общая масса загрязняющего вещества в зоне загрязнения, кг; А —
скорость поступления загрязняющего вещества, кг/сут., (оценивается расчетным методом или по данным предприятия — источника загрязнения); к —
суммарный коэффициент скорости самоочищения, с у т . .
- 1
Расчет коэффициентов самоочищения для ряда веществ-трассеров различных источников загрязнения подземных вод дает величину в пределах
0,00020—0,00045 1/сут. Таким образом, интенсивность процесса самоочищения в подземных водах на три порядка ниже, чем в поверхностных.
Особенно важны контроль и изучение кинетики самоочищения подземных вод в районах городских свалок и полигонов складирования отходов.
Раздел 4. Воздушная среда города
153
3.14.4. Моделирование гидрогеологических процессов
Прогнозирование изменения гидродинамического и гидрохимического
режима территории может осуществляться разными методами, с использованием разных моделей.
Для приближенных оценок или при отсутствии данных, необходимых для
использования более точных методов прогноза, прибегают к методу аналогий.
Метод аналогий основан на переносе на прогнозируемый объект результатов
анализа гидрогеологических данных, получаемых на территории с близкими
гидрогеологическими условиями и характером техногенного воздействия.
Методы физического моделирования используют в случаях, когда отсутствуют математические модели (например, фильтрация сопровождается суффозией и т.п.) или недостаточны гидрогеологические данные для использования математического аппарата. Физическое моделирование может быть
лабораторным и проводиться на моделях, сохраняющих природу явлений (например, трубка Дарси), либо натурным. Натурное моделирование заключается в проведении экспериментов на специально оборудованных скважинах в
производственных условиях.
Группа методов математического моделирования предполагает замену
физической сущности гидродинамического процесса его математическим
описанием. Здесь могут быть выделены несколько направлений. Метод гидравлических аналогий предусматривает замену природной области фильтрации гидравлической моделью и основан на математическом выражении закона Дарси. Метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) основан на математической аналогии процесса движения жидкости в пористой среде и тока
в проводнике. Близкие математические выражения закона Дарси и закона
Ома позволяют проводить аналогии между напором и потенциалом тока,
фильтрационным и электрическим сопротивлением, расходом воды и силой
тока. С учетом рассчитанных масштабных коэффициентов набирают по трем
координатам электрическую модель фильтрационной среды с заданными границами фильтрационного поля. Моделирование проводят на сеточных моделях либо на сплошной среде, которой служит электропроводная бумага. Основными недостатками методов ЭГДА являются необходимость построения
новой модели для каждого конкретного объекта и внесение дополнительных
погрешностей в результаты за счет побочных эффектов модели (неоднородность электропроводной бумаги, шаг сетки и т.п.).
Метод численного моделирования с использованием ЭВМ основан на решении основного гидрогеологического уравнения баланса вод, которое преобразуется для определенных гидрогеологических условий. Так, для установившегося гидрогеологического режима водоносного пласта выражение баланса будет иметь вид:
где Я — напор, м; W — объем инфильтрации, м /сут.; Т — водопроводность
пласта, м /сут.; х н у — пространственные координаты, м .
3
2
154
Экология города
Т= К -т, где К— коэффициент фильтрации, м/сут.; т — мощность слоя, м.
При у = const уравнение приобретает вид:
что позволяет решать линейные задачи, связанные с фильтрацией, по гидрогеологическому профилю.
Принципиально большие возможности методов моделирования на ЭВМ
трудно реализуемы в большинстве случаев из-за недостаточной гидрогеологической информации и неуниверсальности модели, которая может подходить лишь для конкретного объекта.
Наиболее эффективно используется компьютерное моделирование для
построения постоянно действующих гидрогеологических моделей крупных
территориальных комплексов. Так, например, разработана гидрогеологическая модель Бердянска, отражающая взаимосвязь поверхностных и подземных
вод, в том числе интрузию морских вод в подземные. Аналогичные модели
разработаны для Днепровско-Донецкого артезианского бассейна, горнорудных районов, крупных городских водозаборов и хозяйственных объектов.
Контрольные
вопросы
1.
Виды водных объектов
1.
Показатели и нормативы качества воды.
3. Источники
загрязнения
4. Городские
системы
5. Принцип работы
6. Виды
очистных
7. Основные
в городской черте и их использование.
водных
водоотведения.
и
состав
сооружений
методы
городских
для
9. Требования к
очистных
небольших
физико-химической
8. Требования к производственным
водоотведения.
10. Формирование,
объектов.
сточным водам,
отведение и
11. Механизм
самоочищения
12. Процессы
эвтрофирования
очистки
сточным
сооружений.
населенных
пунктов.
производственных
водам,
сбрасываемым
сточных
вод.
в городскую систему
сбрасываемым в водные объекты.
очистка
поверхностного
поверхностных
стока
с городской
территории.
вод.
поверхностных
водных
объектов.
13. Методы и средства охраны водных объектов от загрязнения и истощения.
14. Методы
и
средства
15. Основные
типы
16. Причины
истощения
интенсификации
внутриводоемных
математических моделей
подземных
вод
качества
процессов.
воды.
урбанизированных
территорий.
17. Методы и средства охраны подземных вод от загрязнения и истощения.
18. Характеристика зон санитарной
питьевого
водоснабжения.
19. Моделирование
процессов
охраны
формирования
поверхностных
подземных
вод.
и
подземных
источников
155
Раздел 4. Воздушная среда города
Рекомендуемая
литература
Алимов А.Ф. Введение в продукционную гидробиологию. — JL: Гидрометеоиздат,
1989. - 154 ».
Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин JI.C.
Вища шк., 1989. — 407 с.
Оценка запасов подземных вод. —
К.:
Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных
вод и водозаборов от загрязнения. — М.: Недра, 1972. — 129 с.
Гидрогеологические основы охраны подземных вод. Отв. ред. Гольдберг В.М. - М.,
1984. Т.1. - 219 с.
Дикаревский B.C., Курганов A.M., Нечаев А.П., Алексеев М.И. Отведение
поверхностных сточных вод. — JI.: Стройиздат, 1980. — 224 с.
и
очистка
Йоргенсен С.Е. Управление озерными системами: Пер. с англ. — М.: Агропромиздат,
1985. - 160 с.
Караушев А.В. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного
влияния на качество поверхностных вод. — JL: Гидрометеоиздат, 1987. — 175 с.
JIaniuoe Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. — М.: Стройиздат, 1977. — 87 с.
Методика еколопчно1 оцшки якост1 поверхневих вод за в^дповщними категор1ями. —
К.: Держмшекобезпеки УкраУни, 1998. — 28 с.
Пааль JI.JI. Инженерные методы расчета формирования качества воды. 4.1,2. — Таллинн: ТПИ, 1976. - 146 с.
Рациональное использование водных ресурсов: Учебн. для вузов/Яковлев С.В., Прозоров И.В. и др. — М.: Высш. шк., 1991. — 400 с.
Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. — М.:
Стройиздат, 1984. — 236 с.
Романенко В.Д., Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Стольберг Ф.В., Лаврик В.И. Экологическая оценка воздействия гидротехнического строительства на водные объекты.
— К.: Наук, думка, 1990. — 256 с.
Справочник по водным ресурсам/Под ред. Б.И.Стрельца. — К.: Урожай, 1987. — 304 с.
Справочник по гидравлике/Под ред. В.А.Большакова. — К.: Вища шк., 1984. — 343 с.
Справочник по охране водных ресурсов/В.А.Львов, В.Н.Ладыженский и др. — К.:
Урожай, 1983. — 176 с.
Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология: Пер. с англ. — Л.: Гидрометеоиздат,
1987. - 335 с.
Экологическая геология Украины: Справ. пособие/Шнюков Е.Ф., Шестопалов B.M.,
Яковлев Е.А. и др. — К.: Наук, думка, 1993. — 407 с.
Раздел 4
ВОЗДУШНАЯ СРЕДА ГОРОДА
4.1. Атмосферный воздух. Основные понятия,
определения и характеристики
Атмосфера — внешняя газовая оболочка Земли, механическая смесь различных газов, водяных паров и твердых (аэрозольных) частиц.
Атмосферный воздух необходим для дыхания живых организмов (существ),
используется в технологических процессах горения и плавки как сырье для
получения кислорода, азота, инертных газов, оксида углерода. Атмосфера
является средой для размещения газообразных отходов производства. Под
воздействием атмосферных осадков, солнечной радиации и в результате переноса воздушных масс атмосферный воздух избавляется от посторонних
примесей. Этот процесс называется самоочищением атмосферы.
4.1.1. Состав, строение, свойства и функции атмосферы
Атмосфера выполняет следующие функции:
• содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;
• является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;
• защищает живые организмы от космических излучений;
• сохраняет тепло Земли и регулирует климат;
• трансформирует газообразные продукты обмена веществ;
• переносит водяные пары по планете;
• является средой обитания летающих форм организмов;
• служит источником Химического сырья и энергии;
• принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.
Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия,
поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воздушных масс (ветер и конвекция) и атмосферные осадки, жизнедеятельность
животного и растительного миров, особенно лесов и планктфга мирового
океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений
и хозяйственной деятельности человека.
Примерный химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах в пересчете на сухой воздух) приведен на рис. 4.1.
157
Раздел 4. Воздушная среда города
78,1
А, %
Рис. 4.1. Химический состав атмосферного
воздуха (в объемных процентах):
азот (N) — 78,1%; кислород (О) — 20,85%; аргон
(Аг) - 0,93%; диоксид углерода (С0 ) - 0,033%; на
долю остальных компонентов — неон (Ne), гелий (Не), криптон (Кг), ксенон (Хе), озон ( 0 ) ,
водород (Н ) и др. приходится не более чем
0,087%; содержание водяных паров колеблется в
пределах 0,01-4%.
60 •
2
40 •
3
20 9
•—
20 -
2
0,93
N
2
0
2
|
АГ
0,03
С0
2
I
0,04
I
прочие (Не; Ne; Кг; Хе; О ; Н )
э
2
Общая масса атмосферы составляет 5,14-10 т. Около 50% массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км. Масса слоя толщиной 30 км составляет 99% всей массы атмосферы.
1 5
По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Выделение отдельных
зон (табл. 4.1) основано на изменении температуры с высотой.
Таблица 4.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере
Зона
Верхняя и нижняя границы
Температура, °С
нижняя граница
верхняя граница
зоны
зоны
атмосферы
зоны от уровня моря, км
тропосфера
0-11
+ 15
-56
стратосфера
11-50
-56
-2
мезосфера
50 - 85
-2
-92
термосфера
85 - 500
-92
+ 1200
Верхняя граница атмосферы четко не выделяется. Она переходит постепенно в космическое пространство.
Осредненная температура атмосферы на средних широтах у м е н ь ш а ется линейно с высотой до отметки 11 км. При этом средняя температура
на уровне моря принимается равной 288 К, а на высоте 11 км — 216,7 К
(рис. 4.2).
Исходя из этого стандартный, или нормальный температурный градиент равен:
—(dT/dH)
craim
= (28 8 - 2 1 6,7)/10,8-10 = 0,00 66 К/м.
3
Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.
158
Экология города
t, С
0
Р, к П а
+50
0
-50
20
40
60
80
100
120
Н, км
Рис. 4.2. Распределение давления и температуры атмосферного воздуха по высоте
(при некоторых средних условиях)
При условиях, соответствующих среднему давлению на уровне моря и
многолетней среднегодовой температуре атмосферного воздуха на уровне моря,
равной 15° С, распределение давления с высотой определяется по международной барометрической формуле:
Р(Н) = 101,3(1 - 6,5#/2 8 8 ) - ,
5
2 5 5
где Р — давление, кПа; Н — высота над уровнем моря, км.
Различия в нагревании воздуха приводят к горизонтальным градиентам
давления, которые, в свою очередь, являются причиной конвекций горизонтальных перемещений воздушных масс.
На перемещение воздушных масс воздействуют также сила Кориолиса, возникающая вследствие вращения Земли; центробежное ускорение, возникающее
в районах, прилегающих к областям высокого и низкого давления; силы трения,
замедляющие движение воздуха вблизи земной поверхности. В северном полушарии движение воздушных потоков вокруг центров высокого давления осуществляется по часовой стрелке с отклонением наружу и вниз от кругового движения. Этот поток получил название нисходящего и является одним из возможных
препятствий для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.
При движении воздушных потоков вокруг центров низкого давления вектор
скорости направлен внутрь и вверх от кругового движения против часовой
стрелки. В этом случае загрязняющие вещества из нижних слоев атмосферы
переносятся вверх и рассеиваются в больших объемах воздуха.
При движении воздуха в северном полушарии против часовой стрелки
вокруг центра низкого давления формируется циклон, при движении в направлении часовой стрелки вокруг центра высокого давления — антициклон.
Раздел 4. Воздушная среда города
159
4.1.2. Характеристика загрязняющих атмосферу веществ
и классификация источников загрязнения
Загрязнение атмосферы — изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей.
Примесь в атмосфере — это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе.
Загрязняющее воздух вещество — это примесь в атмосфере, оказывающая
неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.
Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.
Первичная примесь в атмосфере — примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства.
Превращения примесей в атмосфере — процесс, при котором примеси в
атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влиянием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодействия между собой.
Вторичная примесь в атмосфере — это примесь в атмосфере, образовавшаяся в результате превращения первичных примесей.
По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подразделяют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактивное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, электромагнитные поля. К химическому — наличие химических веществ и их
соединений.
Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 признакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и
массовому расходу выброшенного вещества.
Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смеси пыли,
дыма, тумана, пара и газообразных веществ.
Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обусловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), являющиеся результатом деятельности человека.
К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками:
• пыль растительного, вулканического, космического происхождения,
продукты эрозии почвы, частицы морской соли;
• туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;
• газы вулканического происхождения;
• продукты растительного, животного, бактериального происхождения.
Экология города
160
Естественные источники обычно бывают площадными (распределенными) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с
течением времени.
Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов (рис. 4.3).
1
4
6
8
—
—
—
—
Рис. 4.3. Источники загрязнения атмосферы:
высокая дымовая труба; 2 — низкая дымовая труба; 3 — аэрационный фонарь цеха;
испарения с поверхности бассейна; 5 — утечки через неплотности оборудования;
пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 — выхлопная труба автомобиля;
направление движения потоков воздуха
Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационарными (источники 1—6), когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 — автотранспорт).
Источники выбросов в атмосферу подразделяют на:
площадные.
точечные, линейные и
Каждый из них может быть затененный и незатененный*
Точечные источники (на рис. 4.3 — 1, 2, 5, 7) — это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные
шахты, крышные вентиляторы.
161
Раздел 4. Воздушная среда города
Линейные источники (3) имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы.
Площадные Источники (4, 6). Здесь удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.
Незатененные (1), или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных поблизости зданий и других препятствий.
Затененные источники (2—7) расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого препятствия.
Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют
на организованные и неорганизованные.
Из организованного источника. (1, 2, 7) загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и
трубы.
Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ (5, 6) образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или
неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах
загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам
относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и
другие площадные источники.
Наиболее распространенными з а г р я з н я ю щ и м и веществами, поступающими в атмосферный воздух от т е х н о г е н н ы х источников, являются: оксид углерода СО; д и о к с и д серы S 0 ; оксиды азота N O ; углеводороды
С Н ; пыль.
2
x
m п'
Оксид углерода (СО) — самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Содержание СО
в естественных условиях от 0,01 до 0,2 м г / м . Основная масса выбросов СО
образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Содержание СО в воздухе крупных городов
колеблется в пределах 1— 250 мг/м , при среднем значении 20 мг/м . Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концентрация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организме
человека, а концентрация более 750 м г / м — к смерти. СО — исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя
карбоксигемоглобин. Состояние организма при дыхании воздухом, содержащим угарный газ, характеризуется данными, приведенными в табл. 4.2.
3
3
3
3
Экология города
162
Таблица 4.2. Действие угарного газа на организм человека
Содержание
карбоксигемоглобина, %
Симптомы
0,4 - 2
1. Ухудшение остроты зрения и способности оценивать
длительность интервалов времени
2 - 5
2. Нарушение психомоторных функций головного мозга
5 - 1 0
3. Изменение деятельности сердца и легких
10 - 80
4. Головные боли, сонливость, спазмы, нарушение
дыхания, смертельные исходы
Степень воздействия СО на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека. Например,
при содержании СО в воздухе 10—50 мг/м , которое наблюдается на перекрестках улиц больших городов, при экспозиции ~ 60 мин отмечаются нарушения,
приведенные в п.1, а при экспозиции от 12 часов до 6 недель — в п.2. При
тяжелой физической работе отравление наступает в 2—3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина — процесс обратимый, через 3—4 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза. Время пребывания СО в атмосфере
составляет 2—4 месяца.
3
Диоксид серы ( S 0 ) — бесцветный газ с острым запахом. На его долю
приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в
атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов S 0 образуется
при сжигании угля, мазута — порядка 15%.
2
2
При концентрации диоксида серы 20—30 мг/м раздражается слизистая
оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к S 0 хвойные леса. При концентрации S 0 в воздухе 0,23—0,32 мг/м
в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2—
3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях S 0 0,5—1 мг/м .
3
3
2
2
3
2
Основной техногенный источник выбросов углеводородов ( C H — пары
бензина, метан, пентан, гексан) — автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива
происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в
саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием
его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в
течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 м*/м возникают
головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.
m
n
3
Оксиды азота (NO ) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе.
Под общей формулой N O обычно подразумевают сумму NO и N O Основx
x
r
Раздел 4. Воздушная среда города
163
ные источники выбросов N O : двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи.
x
N 0 — газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый
оттенок. Отравляющее действие N O начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте N O с водяным паром, поверхностью слизистой
оболочки образуются кислоты H N 0 и H N 0 , что может привести к отеку
легких. Продолжительность нахождения N 0 в атмосфере — около 3 суток.
2
x
x
3
2
2
Размер пылинок колеблется от сотых долей до нескольких десятков мкм.
Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе — 7—8 мкм. Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, поглощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим
атмосферы и земной поверхности. Частицы пыли служат ядрами конденсации при образовании облаков и туманов. Основные источники образования
пыли: производство строительных материалов, черная и цветная металлургия
(оксиды железа, частицы Al, Си, Zn), автотранспорт, пылящие и тлеющие
места складирования бытовых и производственных отходов. Основная масса
пыли вымывается из атмосферы осадками.
Выбросы, содержащие примеси в виде частиц пыли, дыма, тумана или
пара, называются аэрозолями. Общее число разновидностей загрязняющих
атмосферу аэрозолей составляет несколько сотен.
4.1.3. Нормирование качества атмосферного воздуха
Для количественной оценки содержания примеси в атмосфере используется понятие концентрации — количества вещества, содержащегося в единице объема воздуха, приведенного к нормальным условиям.
Качество атмосферного воздуха — это совокупность его свойств, определяющая степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферного воздуха может
считаться удовлетворительным, если содержание примесей в нем не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК — это максимальная
концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени
осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей
жизни человека не оказывает на него и на окружающую среду в целом прямого или косвенного воздействия, включая отдаленные последствия. Под
прямым воздействием понимается нанесение организму человека временного
раздражающего действия, вызывающего ощущение запаха, кашель, головную
боль. При накоплении в организме вредных веществ выше определенной дозы
могут возникать патологические изменения отдельных органов или организма в целом. Под косвенным воздействием понимаются такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая вредного влияния на живые организмы, ухудшают обычные условия обитания: поражаются зеленые насаждения,
увеличивается число туманных дней и т.д.
а*
164
Экология
города
Основным критерием установления нормативов ПДК для оценки качества атмосферного воздуха является воздействие содержащихся в воздухе загрязняющих примесей на организм человека.
Для оценки качества атмосферного воздуха установлены две категории
ПДК: максимально разовая ( П Д К ) и среднесуточная ( П Д К ) .
м
р
С С
П Д К р — основная характеристика опасности вредного вещества. Установлена для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение
запаха, световой чувствительности, биоэлектрической активности головного
мозга) при кратковременном воздействии атмосферных примесей. По этому
нормативу оцениваются вещества, обладающие запахом или воздействующие
на другие органы чувств человека.
М
П Д К — установлена для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Вещества, оцениваемые по этому нормативу, обладают способностью временно
или постоянно накапливаться в организме человека.
Сс
К началу 1999 г. по нормативам ПДК оценивалось около 1000 веществ,
которые могут попадать в атмосферный воздух. ПДК наиболее распространенных загрязняющих веществ приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. ПДК наиболее распространенных веществ
Наименование
загрязняющего вещества
ПДК
м
р
, мг/м
3
ПДК
с с
, мг/м
3
Азота диоксид
0,085
0,04
Азота оксид
0,4
0,06
Ангидрид серный
0,5
0,05
Аммиак
0,2
0,04
Бенз(а)пирен
—
0,1 мкг/ЮОм
Взвешенные вещества
0,5
0,15
Ртуть металлическая
—
0,0003
Свинец и его соединения
—
0,0003
Углерода оксид
5
3
Угольная зола ТЭС
0,05
0,02
Формальдегид
0,35
0,003
Хлор
0,1
0,03
3
Перечень веществ, содержание которых в атмосферной воздухе нормируется, постоянно пополняется. Установлены временные нормативы ПДК
загрязняющих веществ в воздухе для древесной растительности (ПДК )
(табл. 4.4).
л
Раздел 4. Воздушная среда города
165
Таблица 4.4. Нормативы ПДК , мг/м
3
л
Наименование примесей в атмосферном воздухе
ПД лм.Р.
К
ПДК . .
л
с
с
*
Азота оксид (в пересчете на N 0 )
0,04
0,02
Аммиак
0,1
0,04
Бензол
0,1
0,2
0,05
2
Метанол
Пары серной кислоты ( H S 0 )
0,1
0,03
Сернистый ангидрид
0,1
0,3
Сероводород
0,008
0,008
Твердые частицы (пыль)
0,2
0,05
2
4
0,02
Циклогексан
0,2
0,2
Формальдегид
0,2
0,003
Фтористые соединения (в пересчете на фтор)
0,02
0,005
Если вещество оказывает на окружающую природную среду вредное действие в меньших концентрациях, чем на человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на окружающую природу. Воздействие веществ, для которых не установлены ПДК, оценивается по ориентировочному безопасному уровню воздействия загрязняющего атмосферу
вещества (ОБУВ). ОБУВ — временный гигиенический норматив для загрязняющего атмосферу вещества, устанавливаемый расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов.
Нормативы ПДК для атмосферного воздуха являются едиными для всей
территории Украины. Установленные в других странах ПДК могут отличаться
в большую или меньшую сторону. Например, в США установлена ПДК .
для S 0 — 0,75 мг/м , а в Украине — 0,5 мг/м . Для зон санитарной охраны
курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также для
зон отдыха городов ПДК установлена на 20% меньше, чем для жилых районов.
мр
3
3
2
Некоторые вещества при одновременном присутствии в атмосферном
воздухе обладают однонаправленным действием, т.е. эффектом суммации. В
этом случае при оценке качества атмосферного воздуха должно выполняться
следующее условие:
С
,
С
— +
ПДК,
2
С
— +...+
пдк 2
„
—
ПДК
<1,
где С,, С , ..., С — концентрация каждого из веществ, обладающих эффектом суммации, мг/м ;
2
п
3
П Д К ПДК , ..., П Д К — предельно допустимые концентрации этих веществ.
р
2
я
Перечень веществ, обладающих эффектом суммации, постоянно дополняется и на сегодня насчитывает 51 группу веществ однонаправленного действия.
166
Экология города
Для каждого проектируемого и действующего объекта, являющегося стационарным источником загрязнения воздушного бассейна, устанавливают
нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в
атмосферный воздух. ПДВ устанавливают из условия, что выбросы вредных
веществ от данного источника в совокупности с другими источниками не
создают приземную концентрацию, превышающую ПДК за пределами санитарно-защитной зоны:
С + С < ПДК,
ф
где С — концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника при
сохранении норматива ПДВ, С — фоновая концентрация этого же вещества.
ф
Если на данном предприятии или группе предприятий, расположенных в
одном районе, значения ПДВ по объективным причинам не могут быть немедленно достигнуты, устанавливают временно согласованный выброс (ВСВ).
Норматив ВСВ устанавливают на период разработки и реализации воздухоохранных мероприятий, обеспечивающих достижение нормативов ПДВ. Срок
действия норматива ПДВ, как правило, не превышает 5 лет. При появлении
новых производств, реконструкции действующих, изменении технологического процесса или вида используемого сырья и в других аналогичных случаях
нормативы ПДВ подлежат пересмотру.
Для каждого города на основании нормативов ПДВ предприятий и фонового состава атмосферного воздуха разрабатывают общегородские нормативы ПДВ, в соответствии с которыми индивидуальные ПДВ предприятий могут быть пересмотрены в сторону уменьшения.
Расчет нормативов ПДВ производится на ЭВМ по специально разработанным программам, утверждаемым Министерством охраны окружающей
природной среды и ядерной безопасности Украины.
Соблюдение установленных нормативов качества атмосферного воздуха
обеспечивает благоприятную экологическую обстановку в данном районе в
соответствии с требованиями закона Украины об охране атмосферного воздуха (разд. 10.1).
4.2. Основные источники образования и выбросов
загрязняющих атмосферу веществ
Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в
результате следующих процессов:
• механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование,
резание);
• транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, перемешивание);
• тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);
• износ и разрушение веществ (тормозные колодки автомобиля, абразивный K D v r заточного станка).
167
Раздел 4. Воздушная среда города
Пыль, содержащаяся в атмосфере, классифицируется по времени и форме ее образования:
• первичное пыление — пыль, образующаяся в результате какого-либо
естественного или антропогенного процесса и выбрасываемая в атмосферу;
• вторичное пыление — пыль, образуемая в атмосфере из находящихся в
ней жидких или газообразных веществ в результате химических или физических преобразований;
• поверхностное пыление — переход пыли, сформировавшейся на поверхности земли, в атмосферу.
Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении или разливе жидкостей, в результате химических или фотохимических реакций. Конденсация паров происходит в результате охлаждения
их окружающим атмосферным воздухом. В зависимости от точки плавления
сконденсированные пары при низких температурах могут переходить в твердые частицы.
Газообразные загрязняющие вещества образуются в результате химических
реакций окисления, восстановления, замещения, разложения, а также в процессе электролиза, выпаривания, дистилляции.
Наибольшую часть газообразных выбросов составляют продукты окисления, образовавшиеся в процессе горения. При окислении углерода образуется СО и С 0 , при окислении серы — S 0 , азота — N0 и N O
2
2
r
При неполном сгорании в результате неполного окисления образуются
альдегиды или органические кислоты.
4.2.1. Источники образования и выбросов в атмосферу
загрязняющих веществ по отраслям промышленности
Тепловые электростанции. Ожидаемое в ближайшие десятилетия истощение запасов нефти и газа ставит перед энергетиками задачу расширения доли
использования твердого топлива, в особенности углей и сланцев низкого качества, запасов которых хватит на длительное время.
Эти виды топлива имеют пониженную теплотворную способность, повышенные зольность и содержание серы.
Отсюда следует, что в энергетике намечается тенденция увеличения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (см. разд. 7).
При сжигании углей средняя запыленность дымовых газов составляет
1 0 - 5 0 г/м .
3
Химический состав пыли (золы) зависит от месторождения угля, толщины пласта, содержания в угле пустой породы. Пыль состоит, как правило, из
S i 0 , А 1 0 , F e 0 , CaO, MgO, К 0 , N a 0 и содержит микропримеси соединений ванадия, ртути, свинца, мышьяка, радиоактивные и канцерогенные ве2
2
3
2
3
2
2
168
Экология города
щества. Дисперсный состав пыли зависит от способа помола и марки угля.
Размер частиц колеблется от 5 до 60 мкм.
В состав дымовых газов входит S 0 , образующийся в результате окисления серы, которая содержится в угле в пределах от 0,3 до 8%. Концентрация
S 0 в дымовых газах зависит от содержания серы в угле, коэффициента избытка воздуха в топке котла, технологии сжигания и определяется по материальному балансу.
2
2
Оксиды азота N O образуются при высоких температурах в топке котла в результате взаимодействия азота и кислорода, содержащихся в воздухе. Концентрация N O в дымовых газах зависит от максимальной температуры в топке.
x
x
Дымовые газы содержат СО, который образуется в результате неполного
сгорания топлива.
При сжигании мазута запыленность дымовых газов составляет 20—50 мг/м .
3
Дымовые газы содержат S 0 , концентрация которого зависит от содержания серы в мазуте, которое колеблется в пределах от 0,3 до 2,8%. Так же, как
и при сжигании угля, происходит образование и выброс N O и СО.
2
x
При сжигании природного газа выбросов золы не происходит, выбросы соединений серы незначительны. Имеют место образование и выбросы СО и N O .
x
Вредные примеси продуктов сгорания по происхождению классифицируют на 3 группы:
• примеси, образование которых зависит от состава топлива: S 0 , зола, V 0 ;
2
2
5
• примеси, образование которых зависит от технологии сжигания: N O ,
СО, бенз(а)пирен;
x
• другие источники, не связанные с сжиганием: пыление золоотвалов,
испарение углеводородов при хранении и перевозке жидкого топлива.
Расчет выбросов загрязняющих веществ от котлов тепловых электростанций производится следующим образом.
Количество летучей золы:
М
=
тв
0,0\В(а А
р
ун
+
т/год,
q "Q /326S0)-(\-ri ),
y
p
i
3
где В — расход топлива, т/год; а — доля золы в уносе; А — зольность
топлива, %; q — потери теплоты с уносом от механической неполноты сгорания, %; Qf — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; г\ — степень
очистки газов в золоуловителе, в долях единицы.
р
ун
y
H
ъ
Количество выбросов
оксидов серы:
где S — содержание
серы в топливе, %; л
г/
M=
so
p
v
n
т/год,
0,02BS ([-ri ^ )-(\-ri "),
P
so
so
' — доля оксидов серы, связан-
2
ных в котле; r \
— доля оксидов серы, уловленных в золоуловителе попутно
с твердыми частицами.
*
s o
Количество оксида углерода: М
где С
с
о
с
о
— 0 , 0 0 1 С В{1 - q J\№), т/год,
с о
y
— удельный выход СО при сжигании топлива, кг/т. С
= q RQ /10\3;
р
с
о
<7 — потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
3
3
Раздел 4. Воздушная среда города
169
R — учитывает долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, обусловленную содержанием в продуктах неполного сгорания окиси
углерода;
q
— потери теплоты от механической неполноты сгорания.
Количество оксидов азота: М
= 0 , 3 4 - 1 0 k B Q " ( l - q Т00) Д (1 - е ^ Д Д е . , ,
7
т
4
H
где к — коэффициент, характеризующий выход N 0 , , кг/тут.
Для котлов:
паропроизводительностью > 70 т/час к = 1 2 Д . Д 2 0 0 + Д)\
паропроизводительностью от 30 до 70 т/час к = 0,05Д ;
ф
паропроизводительностью
<30
т/час
к
=
К -29,309(Д /Д) ,
025
б
ф
где Д и Д — номинальная и фактическая паропроизводительность;
ф
К — базовый коэффициент выхода N O , зависит от типа котла;
x
б
Д — коэффициент, учитывающий качество топлива.
Для твердого топлива Д = 0,178 + 0,47TV,
где N — содержание азота в топливе.
r
Для газа и мазута Д зависит от а — коэффициента избытка воздуха в
топке котла:
а
>1,05
_ (газ)
Д
Г
"
0,9
1
1,03+1,05 < 1,03,
0,8
0,7,
0,9
0,75,
Д — коэффициент, учитывающий конструкцию горелок;
Д — коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления;
£ 2 — коэффициент, учитывающий условия подачи газов в топку.
е, = V / ,
где/— безразмерный коэффициент, зависящий от паропроизводительности котла;
е, — коэффициент, зависящий от вида топлива и способа ввода газа рециркуляции; величина е, колеблется в пределах 0,002—0,025 и выбирается по
справочной литературе;
е — коэффициент, учитывающий подачу воздуха помимо основных горелок
(двухступенчатость сжижения); г — степень рециркуляции дымовых газов, %.
2
Выброс оксидов ванадия (определяется только для котлов, сжигающих
жидкое топливо с содержанием серы не менее 0,4%):
Му о = (95,4 Sp - 31,6> В ( 1 - r j J • ( l - r j ) • 10" , т/год,
2
2
5
z
где г\ — коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева
ж
Экология города
170
котлов в долях единицы; г\ — степень очистки дымовых газов от твердых
частиц, в долях единицы.
г
Все необходимые для расчета коэффициенты содержатся в справочной
литературе.
Добыча минерального сырья осуществляется в шахтах или открытых разработках. Источниками загрязнения атмосферы являются терриконы, отвалы,
открытые разрезы, участки погрузки, разгрузки и транспортировки сыпучих
материалов. Выбросы в атмосферу происходят в результате поверхностного
пыления. Тлеющие угольные отвалы и терриконы выделяют в атмосферу газы,
содержащие СО, С 0 , S 0 , H S , N O При проведении взрывных работ образуется пылегазовое облако, содержащее пыль измельченной породы, СО, N O
2
2
2
r
r
Расчет выбросов загрязняющих веществ предприятиями угольной промышленности осуществляется следующим образом.
Количество газов, выделяющихся из действующих тлеющих терриконов и
отвалов: Я = 0,001 тНД, т/сут., где т — коэффициент, зависящий от качества
угля; Я — высота отвала, м; Д — количество породы, подаваемой в отвал, т/сут.
Количество пыли из действующих терриконов и отвалов, т/сут:
Я, = 0,00\кНД, где к — коэффициент, зависящий от высоты отсыпки и
количества породы; к ~ 0,01.
Пыль с ленточного конвейера (кг/с с 1 пог. м): Я = (O Ly, где С0 — удельная сдуваемость пыли, (О ~ 3 T 0 кг/м с; L — ширина конвейерной ленты, м;
у — коэффициент измельчения горной массы.
2
5
c
с
2
с
Над местом взрыва образуется пылегазовое облако, характеризуемое объемом, высотой подъема, температурой, концентрацией загрязняющего вещества.
Объем пылегазового облака, м : V = 44 000/1
взорванного взрывчатого вещества, т.
3
А
0
Q
8
, где А — количество
Высота подъема пылегазового облака, м: Я = в (164 + 0,258/4), где в —
безразмерный коэффициент, зависящий от глубины скважины.
0
Черная металлургия. Предприятия черной металлургии оказывают крайне негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха таких крупных городов и промышленных центров Украины, как Алчевск, Днепропетровск, Донецк, Запорожье, Кривой Рог, Мариуполь и другие.
Основными источниками образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ являются следующие технологические процессы: подготовка
сырья (обогащение, агломерация), производство кокса, доменное производство, производство стали, производство проката.
Доля неорганизованных выбросов в общем объеме выбросов предприятия достигает 10—26%.
Для аглофабрики производительностью (10—11)Т0 т/сут количество агломерационных газов, выбрасываемых в атмосферу, составляет - 1,83-10 м /ч, их запыленность 8 - 1 0 г/м , содержание С 0 - 4,2%, СО - 0,6 - 0,9%, S 0 - 0,05%.
3
6
3
3
2
2
171
Раздел 4. Воздушная среда города
В процессе производства кокса имеют место выбросы в атмосферу коксового
газа. Примерный состав коксового газа: С 0 — 1,6—3%; 0 — 0,4—0,8%; C H —
2 - 2 , 5 % ; С О - 5 - 6 , 5 % ; С Н - 24,5-26,5%; Н - 5 8 - 6 2 % ; N - 2 - 3 , 5 % .
2
2
4
2
m
n
2
В доменной производстве имеют место выбросы в атмосферу продуктов
сгорания из доменной печи (колошниковых газов) в процессах загрузки шихты, выпуска чугуна, охлаждения шлака.
Колошниковый газ содержит: пыль — до 30 г/м ; СО — 23—40%; С 0 —
1 5 - 2 2 % ; Н - 1 , 5 - 6 % ; следы S 0 , H S .
3
2
2
2
2
В общем балансе пылегазовых выбросов сталеплавильных агрегатов на долю
мартеновского производства стали приходится 75% пыли, 85% оксидов азота,
90% диоксида серы. Запыленность дымовых газов составляет 0,5—2 г/м .
3
Применение кислорода для интенсификации процесса в печи повышает
запыленность отходящих газов до 10—15 г/м . Пыль на 85—88% состоит из
оксидов железа, являющихся частично продуктами возгонки металла в реакционной зоне ванны, а частично — продуктами механического уноса дымовыми газами капель расплава.
3
Количество частиц < 1 мкм достигает 70—85%. Из вредных примесей газы
содержат: СО — до 1%, образующегося в результате неполного окисления углерода, содержащегося в чугуне; S 0 — окисление серы, содержащейся в чугуне; N O — окисление при высоких температурах N , содержащегося в воздухе.
2
x
2
В прокатном производстве выделение загрязняющих веществ в атмосферу, по сравнению с другими цехами заводов черной металлургии, значительно меньше. Основными источниками образования выбросов являются прокатные станы, машины огневой зачистки, травильные отделения.
Цветная металлургия. Существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна предприятиями цветной металлургии вносят заводы по производству
алюминия. Алюминий производят в 2 стадии: рафинирование бокситов (горная порода, состоящая в основном из гидратов глинозема) до оксида алюминия А 1 0 (глинозема); восстановление оксида алюминия в электролизерах.
2
3
Производство глинозема сопровождается выделением большого количества запыленных газов. Содержание пыли в газах может достигать: в дробилках, мельницах — 5—20 г/м ; в сушилках — до 80 г/м ; в обжиговых печах —
20—30 г/м . Кроме пыли, отходящие газы содержат: НС1, HF, СО, S 0 .
3
3
3
2
Электролиз осуществляется в расплаве оксида алюминия (при температуре > 658° С) и криолита. Требуемый состав электролита поддерживается за
счет добавок солей фтора. В ходе электролиза имеются потери из-за термодиссоциации криолита на его составляющие: фториды Na и А1, которые частично испаряются.
Удельный объем отходящих газов из электролизера может достигать
( 4 — 6 ) 1 0 м / т алюминия.
5
3
Удельный выброс загрязняющих атмосферу веществ: соединения фтора —
до 20 кг/т; сернистые соединения — до 10—12 кг/т; смолистые вещества — до
11 кг/т; пыль — 30—85 кг/т.
Примерная концентрация вредных веществ в газах: HF — 65 мг/м ; соединения серы — 40 мг/м ; смола — 55 мг/м ; пыль — 100 мг/м .
3
3
3
3
172
Экология города
Машиностроение. На машиностроительных предприятиях основными источниками загрязнения атмосферы являются следующие виды производства:
сварка и тепловая резка металла; литейное производство; механическая обработка металлов; нанесение лакокрасочных покрытий.
При выполнении сварочных работ и тепловой резке металла в воздух выделяется сварочный аэрозоль, в составе которого в зависимости от вида сварки, марок электродов и флюса содержатся оксиды металлов (железа, марганца, хрома, ванадия, алюминия, цинка, меди и др.) в виде твердых частиц и
газообразные соединения (фтористый водород, оксид углерода, оксиды азота, озон). Образующийся аэрозоль характеризуется мелкой дисперсностью —
скорость витания частиц не превышает 0,1 м/с.
Количество образующихся при сварке пыли и газов характеризуется валовыми выделениями в воздух веществ, отнесенными к 1 кг расходуемых
электродов, а при резке — к 1 м длины разреза в соответствии с толщиной
материала. Удельное выделение в воздух загрязняющих веществ при:
ручной дуговой сварке электродами с покрытием газозащищенного типа
(ОМА-2 или ВСЦ-4а): пыли — 9,2—24 г/кг;
полуавтоматической сварке стали: пыли — 7—15 г/кг;
HF — 0,53 г/кг;
газовой резке листа стали толщиной 10 мм: пыли — 4,5 г/кг; СО - 2,2 г/кг;
N O ~ 2,2 г/кг;
x
плазменной резке листа стали толщиной 10 мм: пыли — 4,1 г/кг; СО ~ 1,4 г/кг;
N O ~ 6,8 г/кг.
x
Основными источниками загрязнения атмосферы в литейном производстве являются плавильные агрегаты, шихтовый двор, участки подготовки
формовочных и стержневых смесей, разлива металла и очистки литья. Расчет выбросов плавильного агрегата производится по формуле:
П=дДР(\-г ),
1
где q — удельное выделение вещества на единицу продукции, кг/т; Д— расчетная производительность агрегата, т/ч; /3 — поправочный коэффициент для
учета условий плавки; г\ — эффективность средств по снижению выбросов (в
долях единицы).
Закрытые чугунолитейные вагранки производительностью 5—10 т/ч при
плавке чугуна выделяют в среднем на тонну выплавляемого металла: пыли —
11,5 кг/т; СО - 193 кг/т; S 0 - 0,4 кг/т; C H — 0,7 кг/т.
2
m
n
Открытые чугунолитейные вагранки производительностью 2—25 т/ч в среднем в ы д е л я ю т на тонну выплавляемого металла: пыли — 17—20 кг/т;
СО - 1 8 5 - 2 0 0 кг/т; S 0 - 1 , 3 - 1 , 5 кг/т; C H - 2 , 1 - 2 , 6 кг/т, N O - 0 , 0 1 2 0,014 кг/т. Химический состав пыли вагранки: S i 0 — 2 0 — 5 0 ^ ; СаО — 2—
12%; А 1 0 - 0 , 5 - 6 % ; MgO - 0 , 5 - 4 % ; F e 0 + F e 0 - 1 0 - 3 6 % ; С - 3 0 - 4 5 % .
Размер частиц пыли находится в пределах 5—150 мкм.
2
m
n
x
2
2
3
2
3
При разливе из вагранок в ковши 1 т чугуна в атмосферу выделяется около
125—130 г СО и 18—22 г графитовой пыли.
173
Раздел 4. Воздушная среда города
При разливе чугуна в формы в атмосферу выделяется в среднем 0,7—1,2 кг
СО на 1 т отливки.
Удельные выделения на 1 т готовой продукции загрязняющих веществ в
электродуговых пёчах при выплавке стали или чугуна составляют: пыль ~ 7,6—
9,9 кг/т; СО ~ 1,2—1,5 кг/т; N O ~ 0,26—0,29 кг/т; диоксид серы — 1,6 г/т;
цианиды — 28,4 г/т; фториды — 0,56 г/т.
x
При плавке нержавеющих, жаропрочных и кислотоупорных сталей удельное выделение пыли в отходящих газах следует увеличить в 1,4—1,5 раза.
При продувке кислородом выделение пыли принимается 0,5 кг на 1м кислорода.
3
В процессе приготовления формовочных смесей в процессах сушки, дробления, помола и смешения их компонентов выделяется пыль до 0,15 кг/т.
Дополнительное выделение загрязняющих веществ имеет место в случае применения для сушки стержней и форм жидкого или твердого топлива. При
использовании формовочных смесей холодного твердения, содержащих фенолформальдегидную смолу, выделяются: СО, бензол, фенол, формальдегид,
метанол. Из карбамидной смолы выделяются: СО, формальдегид, метан, цианиды, аммиак. Извлечение отливок из песчано-глинистых форм и освобождение их от отработанных формовочных смесей производится с помощью
специального оборудования и сопровождается выделением пыли, горелой
земли и окалины в количестве до 30 кг/т отлитого металла.
Механическая обработка металлов (резание и абразивная обработка) сопровождается выделением в атмосферу пыли, стружки, туманов масел и эмульсий. Объем выбросов определяется исходя из нормо-часов работы станочного парка. Интенсивность пылеобразования при резании зависит от вида и
мощности установленного оборудования, скорости резания, величины подачи режущего инструмента, геометрических параметров режущего инструмента, состава материалов обрабатываемого изделия. Интенсивность пылеобразования при абразивной обработке зависит от мощности станка, глубины
резания, диаметра шлифовального круга. Размер частиц пыли — 15—60 мкм.
В качестве исходных данных для расчета выделения загрязняющих веществ при различных способах нанесения лакокрасочного покрытия принимаются: фактический или плановый расход окрасочного материала; доля содержания в нем растворителя; доля компонентов лакокрасочного материала,
выделяющихся из него в процессе окраски и сушки.
Масса аэрозоля краски, выделившаяся при нанесении лакокрасочного
покрытия на поверхность материала: П " — т 8 ТО , кг, где т — масса краски, используемой для покрытия, кг, 8 — доля краски, потерянной в виде
аэрозоля, %.
2
ок
к
а
к
а
Масса паров растворителя, выделившаяся при нанесении лакокрасочного покрытия на поверхность материала: П
= m f 8 ТО , кг, где f — доля
летучей части (растворителя) в лакокрасочном материале, %; 8 — доля растворителя, выделившегося при нанесении покрытия, %.
п
о
к
а
4
р
K
p
p
p
р
174
Экология города
Масса паров растворителя, выделившегося в процессе сушки окрашенного изделия: П" — mJ8 Т О , кг, где 8 — доля растворителя, выделившегося при сушке покрытия, %.
4
ар
p
р
Считается, что в процессе формирования лакокрасочного покрытия происходит практически полный переход легколетучей части растворителя в парообразное состояние.
Строительная промышленность. Производство кирпича включает: добычу,
дробление, просеивание сырьевых компонентов и составление шихты, формование кирпича, резку, сушку и обжиг.
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют:
частицы мелкодисперсной сухой глины и ее примесей при погрузочноразгрузочных работах, транспортировке, дозировке, хранении;
выбросы из печей от сгорания топлива, озоления и испарения примесей,
находящихся в глине, зависящие от вида топлива, примесей, рабочих температур в печи.
Они содержат аэрозоли, S 0 , N O , СО, фториды.
объем выбросов — 30—40 кг/т кирпича.
2
x
Средний удельный
Процесс производства цемента включает добычу, дробление и смешение
исходных материалов, обжиг и дробление клинкера, охлаждение и фасовку
готовой продукции. Сырьем для производства цемента является смесь известняка, глины или глинистых сланцев с добавками доменных или котельных
шлаков. Смесь сырьевых компонентов (клинкер) обжигается во вращающихся печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр диаметром до
2 м. Топливо (уголь, нефть или газ) сжигают в нижнем торце печи. Сырье
подается в верхний торец и, вращаясь, движется вниз. В процессе обжига
клинкера осуществляется его извлечение. После охлаждения готовая продукция фасуется в бумажные мешки, отгружается в автоцементовозы или вагоны
для перевозки цемента. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу происходят в процессе добычи, хранения, дробления, дозировки и транспортировки исходного сырья, при обжиге клинкера и его измельчении, при фасовке и
погрузке цемента.
В атмосферу выбрасываются пыль и продукты сгорания, содержащие N O
и S 0 в количествах, зависящих от вида используемого топлива и особенностей процесса обжига.
x
2
Удельный выброс пыли при производстве извести на 1 т продукции составляет 190,9 кг.
Производство стекла включает подготовку сырьевых компонентов, получение шихты, ее варку в печи и формование. Р а с п р о с т р а н и т е получили
стекловаренные печи с прямым сжиганием газа или угля. В атмосферу
выбрасываются:
аэрозоли, возникающие при подготовке исходного сырья в количестве
0 , 0 1 8 - 0 , 0 2 7 кг/т;
175
Раздел 4. Воздушная среда города
аэрозоли из стекловаренных печей — 0,45—1,3 кг/т со средним размером
частиц — 0,1—0,13 мкм, объем выбросов которых зависит от содержания
летучих компонентов в исходном сырье;
S 0 — Образуется при сгорании серы, содержащейся в топливе, и при
разложении сульфатов в стекольной шихте, в основном сульфата натрия;
2
N 0 — образуется путем термического связывания атмосферного азота
в печи;
2
фтористые соединения и мышьяк — из минеральных примесей в исходном сырье.
Исходной горной массой при производстве нерудных строительных материалов являются граниты, известняки, доломиты, песчаники, мраморы, а
также гравий и песок гравийно-песчаных и песчаных месторождений. Наиболее интенсивным пылеобразованием сопровождаются процессы дробления,
сортировки (грохочения), перегрузки и транспортировки.
В процессе тепловой обработки керамических изделий загрязняющие атмосферу вещества выделяются в результате реакций, происходящих между
основными компонентами сырья и при сжигании топлива в тепловых агрегатах. Из компонентов сырья выделяются соединения серы, хлора и фтора,
водорастворимые соли соляной и серной кислот, оксид углерода, сернистый
и серный ангидрид, фтористый водород.
Основными источниками загрязнения атмосферы в минераловатном производстве являются вагранки и камеры волокноосаждения.
Ваграночные газы содержат пыль, оксид углерода, сернистый газ, оксиды азота. Одна вагранка диаметром 1250 мм выбрасывает 3—12 тыс. м / ч
газов, которые содержат: 100 г / м СО; 0,2 г / м S 0 ; 0,05 г/м N O ; 0,2 г / м
пыли. В качестве связующих веществ при производстве минераловатных
изделий применяют фенолы, спирты и битумы. При этом из камеры волокноосаждения выбрасывается в атмосферу от 0,6 до 14,1 кг/ч фенола и от 0,2
до 24 кг/ч формальдегида, из камеры теплообработки — 0,3—11,6 кг/ч фенола и 0,5—14,8 кг/ч формальдегида.
3
3
3
3
2
3
x
Бетон производят путем смешивания отмеренных доз песка, цемента,
заполнителя и воды.
В атмосферу выбрасывается пыль, образующаяся при погрузке, разгрузке, транспортировке материалов, особенно цемента, так как цемент на 10—
20% состоит из частиц размером менее 5 мкм.
Основными источниками загрязнения атмосферы при производстве железобетонных изделий являются места разгрузки железнодорожных вагонов с
цементом, песком и щебнем, места загрузки цемента в емкости пневмотранспортером, расходные бункера, бетоносмесители, емкости для приготовления и хранения смазочных материалов, посты ручной и полуавтоматической
сварки арматуры.
Количество пыли, выделяющейся при складировании инертных материалов, г/с:
176
Экология города
щебня - Я = 0,018(3,2(7 + F)\ песка - Я = 0,015G,
где (7 — производительность узла пересыпки, т/ч; F — площадь складирования материала, м .
2
Переработка нефти и хранение нефтепродуктов.
ляющиеся источниками загрязнения атмосферы:
Основные процессы, яв-
каталитический крекинг, при котором из регенератора и дожигателя СО
выделяются S 0 , N O , аэрозоли, углеводороды, аммиак;
2
x
каталитический гидрокрекинг — при регенерации катализатора в короткие промежутки времени могут выделяться СО, N H , H S ;
3
2
обогрев аппаратов — аэрозоли, S 0 , СО, углеводороды, альдегиды, N O ;
2
x
сжигание в факеле — СО, S 0 , N O ;
2
x
складирование и хранение — все резервуары, в которых находятся жидкости, содержащие легкие углеводороды, включая сырую нефть, являются потенциальными источниками утечки углеводородов в атмосферу. При
изменении атмосферного давления резервуар " д ы ш и т " . Выбросы углеводородов происходят при наполнении и опорожнении резервуаров, через
уплотнение крышки.
Склады нефтепродуктов являются одним из наиболее распространенных
источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие склады имеются во всех населенных пунктах. Они сосредоточены на автозаправочных
станциях, в автотранспортных предприятиях, гаражах, постах технического
обслуживания автомобилей.
Количество выбросов в атмосферу загрязняющих веществ (кг/ч) из резервуаров с однокомпонентными жидкостями за счет испарения рассчитывается по формуле:
П = 2,52V' P
р
x
s
m
M {K
n
5
X
+ К )К К {\ - 77)10 »,
5Т
6
7
где
— объем жидкости, заливаемой в резервуар в течение года, м /год; М
— молекулярная масса паров жидкости; гу — степень очистки газоулавливающего устройства в резервуарах (в долях единицы); Р
— давление насыщенных паров жидкости при температуре 38° С, гПа; К , К — поправочные
коэффициенты, зависящие от давления насыщенных паров P
и температуры в холодное и теплое время года; К — коэффициент, зависящий от давления
насыщенных паров и годовой оборачиваемости резервуаров; К —коэффициент, зависящий от технической оснащенности и режима эксплуатации.
3
п
3
5
Х
5Т
S
O
i
)
6
7
Значения коэффициентов находят по таблицам, приведенным в рекомендуемой литературе.
•
Химическая
промышленность,
производство
минеральных удобрений.
На
химических предприятиях производится более 70 ООО видов готовой продукции. Вместе с побочными продуктами в производстве используется 500—600
тыс. химических соединений. "Часто в качестве сырья для получения хими-
Раздел 4. Воздушная среда города
177
ческих продуктов используются отходы других производств. Основные выбросы химических предприятий: аэрозоли, оксиды серы, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода.
Большинства выбросов аэрозолей в химической промышленности образуются в процессах дробления, размола, синтеза (разложения), погрузки, упаковки и транспортировки готовой продукции.
Производство серной кислоты — основной источник выбросов оксидов
серы; производство аммиака — оксидов азота; пластмасс — углеводородов;
газовой сажи — оксида углерода.
Главным загрязняющим атмосферу веществом при производстве удобрений являются аэрозоли, содержащие соединения азота, фосфора и фтора.
Выбросы при производстве мочевины содержат твердые частицы — до
150 кг/т, аммиак — до 14 кг/т, формальдегид — до 10 г/т.
Суперфосфат получают путем обработки фосфоритовой руды кислотой.
Главное загрязняющее атмосферу вещество — фтористые соединения в газообразном состоянии и в виде аэрозолей. Газообразные фториды могут выделяться и из готовой продукции в течение 3—5 дней после изготовления. Соответственно, здание склада является источником выбросов фторидов. Выбросы фторидов составляют в процессе производства до 100 г/т Р 0 , при
хранении — до 0,25 г/ч на 1 т Р 0 .
2
2
5
5
Деревообработка. При деревообработке в воздух выделяются: при механической обработке древесины — опилки, стружка, шлифовальная пыль; при
горячем прессовании, склеивании и сушке шпона — пары формальдегида,
фенола, аммиака; при отделке изделий — пары ароматических углеводородов. Количество опилок, стружек и пыли при механической обработке древесины зависит от вида деревообрабатывающего станка и коэффициента использования машинного времени. Количество пыли (d < 200 мкм) определяется по формуле: G = G К , где G — среднечасовое количество отходов,
получаемое от рассматриваемого оборудования; К — коэффициент содержания пылевидных отходов.
g
п
0
п
Складирование и сжигание бытовых отходов. Источниками загрязнения
воздушного бассейна служат: мусорные свалки и мусоросжигательные заводы, где мусор сжигается в специальных котельных установках с утилизацией
тепла. С продуктами сгорания в атмосферу попадают пыль в количестве 150—
250 мг/м , S 0 — 5 0 - 2 0 0 мг/м , НС1 - 200—1000 мг/м , СО — до 0,3%, альдегиды и органические кислоты — 0,3—1,5%, канцерогенные вещества —
6,5—7 мг/т мусора, присутствуют следы HF и диоксинов.
3
3
3
2
Пищевая промышленность. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу
на предприятиях пищевой промышленности существенно меньше, чем в других видах производств. Выбросы обусловлены обработкой сухих сыпучих продуктов (зерно, соль, сахар, крупа, крахмал) и термической обработкой продуктов (копчение, варка).
Выделение аэрозолей при переработке сыпучих материалов происходит
при производстве крахмала около 3,65 кг/т готовой продукции; на мельницах
178
Экология города
при помоле пшеницы и ржи — до 3,2 кг/т; при помоле соевых бобов — до 2,2
кг/т; при переработке зерна на пиво и водку — 1,4 кг/т. Поскольку пылевые
частицы образуются в основном за счет дробления, они имеют относительно
крупные размеры в пределах от 2 до 500 мкм.
Дымы и выбросы жидких частиц, образующихся в процессе термической
обработки, содержат частицы субмикронного размера — от 0,05 до 5 мкм.
Одновременно эти процессы сопровождаются выделением запахов.
Автомобильный транспорт. В автомобиле существует три вида выбросов
загрязняющих веществ: отработанные газы двигателей, картерные газы, топливные испарения. Наиболее объемными из них являются отработанные газы.
Основными токсичными компонентами отработанных газов являются оксид
углерода, оксиды азота, несгоревшие углеводороды, диоксид серы, сажа, соединения свинца (при этилированном бензине), полициклические ароматические углеводороды, бенз(а)пирен.
Оксид углерода образуется в результате неполного сгорания топлива в
камере сгорания в обогащенной смеси из-за неполного окисления, а в сильно обедненной смеси — из-за неполного распространения пламени. Этому
способствует также переохлаждение топливно-воздушной смеси на стенках
камеры сгорания.
Количество оксидов азота, образующихся в камере сгорания, зависит от
температуры, времени и коэффициента избытка воздуха. Обедненные топливно-воздушные смеси дают наивысшие концентрации N O , поскольку в
них имеется некоторое количество избыточного кислорода при относительно
высоких значениях температуры горения.
x
Основной причиной неполного сгорания углеводородов является охлаждение топливной смеси стенками камеры сгорания, неравномерное смешивание топлива и воздуха во время впрыска и сгорания, низкая летучесть дизельного топлива. При этом в атмосферу поступают более 400 видов углеводородных соединений.
Существенные выбросы S 0 в дизельных двигателях обусловлены высоким содержанием серы в дизельном топливе.
2
Сажевый аэрозоль состоит из частиц углерода и тяжелых (жидких) углеводородов. При больших нагрузках на двигатель сажевый аэрозоль в основном составляют частицы углерода, при малых — увеличивается количество
тяжелых углеводородов.
Токсичность выбросов двигателей внутреннего сгорания обусловлена адсорбированными на поверхности частиц углерода полициклическими ароматическими углеводородами, из которых многие являются канцерогенами. При
использовании этилированных сортов бензина в атмосферу пепадают тетраэтилсвинец и другие его соединения, являющиеся сильно действующими токсичными веществами.
Количество выбросов загрязняющих веществ от двигателя внутреннего
сгорания определяется по формуле: £) = QTB., т/год,
— количество выбро-
179
Раздел 4. Воздушная среда города
сов загрязняющего вещества; Q — количество сгоревшего топлива, т/год;
В. — удельное количество выбросов при сгорании 1 т бензина или дизельного
топлива (табл. 4.5).
T
*
Таблица 4.5.
Удельный выброс загрязняющих веществ
при сгорании топлива, т/т
Удельный выброс, т/т
Наименование
загрязняющего вещества
дизельное топливо
бензин
0,1
0,04
0,6
Диоксид азота
Оксид углерода
0,04
Углеводороды
0,03
Диоксид серы
0,02
0,1
0,002
Сажа
0,0155
0,00058
Соединения свинца
—
Бенз(а)пирен
0,31-Ю
0,0003
6
0,2310-
6
Удельные выбросы токсичных веществ зависят от мощности и типа двигателя, режима его работы, технического состояния автомобиля, скорости
движения, состояния и уклона дороги, качества топлива.
Выбросы загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания автомобилей при работе в режиме стационарных источников (внутригаражные
разъезды, посты технического обслуживания и мойки) определяются в количестве 0,5% от выбросов при расходовании заданного количества топлива, в
том числе на гаражные разъезды приходится 70%, на техническое обслуживание - 30%.
4.3. Процессы формирования состава
атмосферного воздуха в населенном пункте
4.3.1. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере
Рассеивание в атмосфере выбрасываемых из дымовых труб и вентиляционных устройств загрязняющих веществ подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс их рассеивания существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические
свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов,
расположение источников, рельеф местности. Распределение концентрации
загрязняющих веществ в атмосфере под факелом точечного источника показано на рис. 4.4.
180
Экология города
С, м г / м
3
2
К
:х,м
Рис. 4.4. Распределение концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы
под факелом точечного источника:
а — зона переброса факела; в — зона задымления; с — зона постепенного снижения уровня
загрязнения; d — зона загрязнения неорганизованными выбросами
Зона задымления является наиболее опасной и не должна попадать на
территорию селитебной застройки. Размеры зоны задымления в зависимости
от метеоусловий находятся в пределах 10—50 высот дымовой трубы.
Внутри зоны переброса факела высокие концентрации загрязняющих веществ имеют место за счет неорганизованных выбросов.
Рассеивание в атмосфере газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц (диаметром менее 10 мкм), имеющих незначительную скорость
осаждения, подчиняется одним и тем же закономерностям. Для более крупных частиц пыли эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает.
Поскольку в пылегазоочистных аппаратах крупные частицы улавливаются более эффективно, чем мелкие, в выбросах, прошедших очистку, остаются
только мелкие частицы. Их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же,
как и рассеивание газообразных примесей.
Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере. Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация.
Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от типа источника и характеристики вы&росов. Если
отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается
поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обусловливает уменьшение концентраций приме-
Раздел 4. Воздушная среда города
181
сей у земли. Эта концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако
это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном
слое формируются яри некоторой скорости, которую называют "опасная".
При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень
загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (и> = 0—1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое. Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение
концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.
Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые
струи воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными.
Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (температура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток становится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия
называются инверсионными.
Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высоты над
поверхностью земли — приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный
воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере.
Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация "застоя воздуха".
Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи
подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных
слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в
слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях
тумана приводит к образованию серной кислоты.
Осадки очищают воздух от примесей. После длительных интенсивных
осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются.
Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более
токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов. Таким образом, происходит окисление сернистого газа с образованием
сульфатных аэрозолей.
В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно меняются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные характеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества тепла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повышению температуры воздуха и образованию так называемых " о с т р о в о в
182
Экология города
т е п л а " (см. разд. 4.7). Повышение температуры над крупным городом по
сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до
высоты в несколько сотен метров.
Основы прогноза загрязнения атмосферного воздуха. Развитие методов прогноза основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей, выбрасываемых источниками загрязнения атмосферы.
Основное направление изучения распространения примесей состоит в
разработке теории атмосферной диффузии на основе математического описания процесса с помощью уравнения турбулентной диффузии. Оно позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа
при разных характеристиках среды.
В общем виде задача прогноза загрязнения воздуха математически может
быть описана дифференциальным уравнением при определенных начальных
и граничных условиях:
dq
v
i=l
dq
v
•
d
i=i
.
dq
,,
<
,
ч
<
где t — время; х. — координаты; и. — составляющие средней скорости перемещения примеси; k — составляющие коэффициента обмена; i — 1, 2, 3 —
направления осей координат; а — коэффициент, определяющий изменение
концентрации за счет превращения примеси.
j
Применив декартову систему координат, обозначим горизонтальные оси
х, и х через х и у, вертикальную ось х через z, соответственно скорости
иj — и; и = у; и — w; коэффициенты обмена к, = к ; к = k ; к = k .
2
3
2
3
х
2
v
3
z
Тогда уравнение (4.1) приобретает вид:
dq
dq
dq
dq
d
,
dq
d
,
dq
d
,
dq
При решении практических задач вид уравнения (4.2) упрощается.
Если ось х сориентирована по направлению средней скорости ветра, то v = 0.
Вертикальные перемещения в атмосфере над горизонтальной однородной поверхностью малы и можно считать w = 0, если примесь легкая и не
имеет собственной скорости перемещения.
Если рассматривается тяжелая примесь, постепенно оседающая в атмосфере под воздействием гравитационных сил, то w представляет собой скорость осаждения, которая входит в уравнение со знаком минус.
При наличии ветра можно пренебречь членом с к , учитывающим диффузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток примеси значительно меньше кпнве.кгтиннпгп
х
183
Раздел 4. Воздушная среда города
Изменения концентраций в атмосфере со временем носят обычно квазистационарный характер и поэтому можно принять dq/dt = 0.
Таким образом,
уравнение (4.2) можно свести к виду:
•
и
dq
dx
— w
dq
dz
=
d
dz
,
да
д
dz
dy
,
к -=Л- +
1
В случае легкой примеси:
dq
y
к ~— aq.
dy
dq
d , dq
и -=•— = — к
dx
dz
dz
z
1-
d
, dq
—к
dy
dy
aq.
y
При рассмотрении сохраняющейся консервативной примеси:
dq
d , dq
и -=г— =
—к
dx
dz
dz
d , dq
—к
dy
dy
+
z
y
При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций в приземном слое И — 1,5—2 м.
Как показали исследования, в приземном слое воздуха до уровня z — h
коэффициент обмена возрастает пропорционально высоте; скорость является логарифмической функцией высоты.
При z — 0 (на уровне поверхности земли) можно приближенно принять в
качестве предельного значения к, = v — коэффициент молекулярной диффузии для воздуха.
Аналитическое решение уравнения диффузии можно записать для случая, когда и и k заданы степенными функциями от z (и = u z!", k = k,z) для
легкой сохраняющейся примеси (w — а = 0).
z
t
z
Наземная концентрация (при z = 0):
и Н »
, +
J
q =
2
М
,
е
2(1 - п)к,л1 я к х >
(1+п) кх
у
2
4 к0х
,
0
где М— выброс вещества от источника в единицу времени мг/с; Я — высота
источника выброса, м.
Характерной особенностью распределения наземной концентрации q по
оси х является наличие максимума ее q на расстоянии х от источника.
m
т
Он находится из условия: dq/dx = dq/dy = 0.
Результаты расчета распределения концентрации примесей от одиночного точечного источника можно проиллюстрировать графически (рис. 4.5).
184
Экология города
q, мг/м
3
1
X, м
Рис. 4.5. Распределение концентраций примеси в воздухе от одиночного точечного
источника различной высоты Н. Н, < Н < Н
2
3
Расчеты показывают, что при одинаковых параметрах выбросов максимальная приземная концентрация примеси от более высокого источника меньше и наблюдается на большем расстоянии от источника.
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Методика предназначена
для решения практических задач, связанных с прогнозом загрязнения
а т м о с ф е р н о г о воздуха. Она позволяет производить расчеты рассеивания
примесей, выбрасываемых в атмосферу одиночными точечными, линейными и группой источников, с учетом влияния рельефа местности, определять предельные концентрации загрязняющих веществ в двухметровом
слое над поверхностью земли, а также вертикальное распределение концентраций.
Степень загрязнения атмосферного воздуха определяется наибольшим
расчетным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным
метеорологическим условиям, опасной скорости ветра.
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией вредного действия, рассчитывается суммарная концентрация q в долях ПДК:
q =
С /ПДК
Х
Х
+
С /ПДК + ...+
2
2
С /ПДК .
п
п
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С , мг/м
при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях
на расстоянии х и определяется по формуле:
3
м
м
См
AMFmm/
н
2
л / VjtT
(4.3)
где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в едини-
185
Раздел 4. Воздушная среда города
цу времени, г/с; F — коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе; т, п — коэффициенты, учитывающие условия выхода
газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н — высота источника выброса над уровнем земли, м; (для наземных источников принимается Н— 2 м);
т\ — коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае равной или слабопересеченной местности с перепадом высот меньше 10 м/км
принимается ц = 1); V, — объемный расход газовоздушной смеси, м /с; А Т—
разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха, °С.
3
Максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое
атмосферы прямо пропорциональна массовому расходу загрязняющего вещества М и обратно пропорциональна квадрату высоты источника Н .
2
Повышение температуры и момента количества движения струи выбрасываемых газов приводит к увеличению высоты дымового факела и снижению приземной концентрации загрязняющих веществ.
Коэффициент/1 при неблагоприятных метеорологических условиях, обеспечивающих максимальные значения концентраций загрязняющих веществ
в приземном слое атмосферы, имеет следующие значения на территории
Украины: севернее 50° с.ш. А = 160; для источников в зоне от 50 до 52° с.ш.
А - 180; южнее 50° с.ш. - 200.
При определении А Т температуру окружающего атмосферного воздуха
принимают равной средней температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года в 1 3 по местному времени.
0 0
Значения коэффициента F:
для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость оседания которых близка к нулю, F = 1;
для прочих мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки газов в
пылеуловителе г| > 0,9 F = 2; при 0,75 < т| < 0,9 F = 2,5; при т) < 0,75 F = 3;
при наличии данных о дисперсном составе пыли в зависимости от соотношения V/U
g
м при V/U
g
м< 0,015 F= 1; при 0,015 < V/U
g
м < 0,03 F= 1,5;
/'определяется, как указано выше, для прочих мелкодисперсных аэрозолей, где V — скорость витания частиц такого диаметра d , что масса всех
частиц диаметром больше
составляет 5% от общей массы частиц, м/с; U —
опасная скорость ветра, м/с.
g
M
Для получения значений коэффициентов т и п определяются следующие
промежуточные коэффициенты:
/
=
\000w D/H A т2
o
2
V=
m
0,65Л/ VA Т/Н \
F/=
1,3 w Z)/#;
0
f=
t
800(К')\
где D — диаметр устья дымовой трубы, м; w — скорость выхода газовоздушной смеси из дымовой трубы, м/с.
0
186
Экология города
Коэффициент т определяется по формуле:
т =
г—
при / < 100; т = 1,47/ \ f f п р и / > 100;
0,67 + 0 , 1 ^ 7 + 0 , 3 4 ^ 7
п р и / < / < 1 0 0 при расчете т принимают, что f — f . При f < 100 п определяется
в зависимости от V .
e
u
n = 1
при F > 2;
п = 0 , 5 3 2 ^ - 2 , 1 3 F +3,13
при 0,5 < К < 2;
п = 4,4 F
при К <0,5.
(
4
4
)
П р и / > 100 или А Т ~ 0 и V ' > 0,5 (холодные выбросы) при расчете С
вместо формулы (4.3) применяется:
M
AMFnri
D
м
1
п определяется по формулам (4.4) с подстановкой вместо V значений У .
M
м
Аналогично п р и / < 100 и К < 0,5 и л и / > 100 и V ' < 0,5 (случаи предельно
малых опасных скоростей ветра) расчет С вместо формулы (4.3) ведется по
формуле:
M
м
М
=
AMFmr\ ^
Н^
1
г
д
е
m
'
=
2
g
6
m
п
р
у<
и
1
(
Ю
у <
0
j
5
;
'=
т
0
j
9
п
р
и
/ > юо, V ' < 0,5.
"
м
Расстояние х , м, на котором приземная концентрация С, мг/м , при неблагоприятных метеоусловиях достигает максимального значения С , определяется по формуле: х = (5 — F)d H/4, где d — безразмерный коэффициент;
3
ч
и
м
п р и / < 100
d = 2,48( 1 + 0,28 4 f )
при Г < 0,5;
d = 4,95К (1 + 0 , 2 8 л / 7 )
при 0,5 < V < 2 ;
d = 7л/Т^(1 + 0,28 л/Л )
при У > 2.
e
M
м
При / > 1 0 0 или А Т~ 0 значение d находится по формулам: d = 5,7 при
F ' < 0 , 5 ; J = 11,4К/ при 0,5 < F ' < 2 ; d = 1 6 л / 1 ^ п р и К / > 2 .
Значение опасной скорости ветра
И,
м
при которой достигается наибольшее
значение приземной концентрации вредных веществ: п р и / <
К
и
100:
V — 0,5 V при
v
v
* = К при 0,5 <V <2-U = V {\ + 0 , 1 2 д 7 ) при F > 2.
M
M
M
П р и / > 100 или А Г ~ 0 : £7 = 0,5К/ при К ' < 0 , 5 ; £/ = К/ при 0,5 < V < 2;
£/„ = 2,2 Г при Г > 2 .
187
Раздел 4. Воздушная среда города
При опасной скорости ветра U , м/с, приземная концентрация вредных веществ С, мг/м , в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии х от источника определяется по формуле: С = S,C , где S — безразмерный коэффициент.
M
3
M
t
S, = 3 ( x / x J - Цх/х У + 6 ( х / х У
при х/х < 1;
4
м
м
м
0ЛЗ(х/х]у+ 1
при 1 < х/х < 8;
м
х/х
s
- - 3 , 5 8 Ы Х . Г - 35,2<х/х„> + 120
S, =
J
« 1,5
1
. х / х . > 8;
при F > 1,5 и х/х > 8.
*
0,1 (х/х,) - 2,47(x/xJ - 17,8
2
Р
Для низких и наземных источников при 2м < Н < 10 м и х/х < 1 величина
S, заменяется на S : S = 0,125(10 - Н) + 0 , 1 2 5 ( Я - 2)5,.
м
I
H
w
Значения приземной концентрации вредных веществ в атмосфере С
, мг/м ,
3
на расстоянии у м, по перпендикуляру к оси факела выброса определяются по
г
формуле: С = S C, где S — безразмерный коэффициент.
2
~
2
(1 + 5t
+ 12,81
+ \lt
+ 45,1
ty
у
1
у
у
•> у /
2
3
\
t — uy /x
2
2
при и < 5; / = 5у /х
2
2
'
при w > 5.
Для источника с прямоугольным устьем расчет С производится по вышеприведенным формулам с использованием значений средней скорости w , м/с,
эквивалентного диаметра D , м и эффективного расхода К , м / с , которые
определяются следующим образом:
м
Q
3
| э
3
w = VJLe, м/с, где L — длина устья, м; в — ширина устья, м;
0
А
=
2 Le
Y T 7 '
м
;
^
=
л D*
• o- MVC.
4
w
Радиус зоны влияния источника определяется как наибольшее из двух расстояний от источника х, и х , где х, = 1 0 х ; х — расстояние от источника, на
котором концентрация загрязняющего вещества с = 0,05 ПДК.
2
и
2
Разработка нормативов ПДВ и ВСВ для стационарных источников. ПДВ
устанавливается для каждого стационарного источника из расчета, что совокупный выброс от всех источников загрязнения атмосферного воздуха города с
учетом перспективы развития не приведет к превышению норматива ПДК
в приземном слое. ПДВ устанавливается для условий полной нагрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы. ПДВ не
должен превышаться в любой 20-минутный период времени. Для мелких источников целесообразно установление ПДВ от их совокупности с предварим р
188
Экология города
тельным объединением их в площадной или условный точечный источник.
ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в случае
суммации вредного действия нескольких веществ.
По результатам расчета нормативов ПДВ для каждого стационарного источника выбросов устанавливается суммарный предельный выброс предприятия в целом.
ПДВ устанавливают с учетом фоновых концентраций (разд. 4.5.3).
Для реконструируемого предприятия расчеты выполняют по фактическому положению и на перспективу.
Для одиночного источника с круглым устьем в случае С < ПДК ПДВ
определяют по формуле:
ф
—
*AFmnri
ПДВ =
л1у,А т , г/с.
'
В случае /> 100 или А Т ~ 0:
ПДВ =
(ПДК - С ) Н
ф
AFnri
А
/
г
8V
D
{
'
Для источника с прямоугольным устьем ПДВ определяют по тем же формулам при D = D , V = V .
3
x
l
3
Установлению ПДВ для источника предшествует определение его зоны
влияния.
Для предприятий и источников, зоны влияния которых целиком расположены в пределах города, где суммарная концентрация от всех источников
С < ПДК, значения выбросов, используемых при расчетах, принимаются в
качестве ПДВ.
Если С >ПДК (фоновая концентрация, из которой исключен вклад рассматриваемого источника), то увеличение объемов выбросов от реконструируемого объекта и строительства на предприятии новых объектов с выбросами тех же веществ или веществ, обладающих с ними эффектом суммации,
может быть допущено только при одновременном обеспечении снижения
выбросов на остальных объектах рассматриваемого предприятия или на других предприятиях города.
ф
Наряду с максимальным разовым значением ПДВ в г/с устанавливаются годовые значения ПДВ в т/год для отдельных источников и предприятия в целом.
4.3.2. Трансформация примесей в атмосфере^
Первый от поверхности Земли слой атмосферы — тропосфера является неравновесной химически активной системой. В ней непрерывно идут
процессы, вызывающие изменение концентрации примесей в атмосферном воздухе.
189
Раздел 4. Воздушная среда города
Знания о механизмах и скорости процессов поступления выбросов из
природных и антропогенных источников, переноса в другие сферы (воду,
почву) или трансформации в атмосфере позволяют составить баланс атмосферной части глобального кругооборота веществ в природе.
Большинство газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу, находятся в восстановленной форме или в виде окислов с низкой степенью
окисления (сероводород, метан, оксид азота). Анализ атмосферных осадков
показывает, что возвращенные на поверхность земли примеси представлены
в основном соединениями с высокой степенью окисления (серная кислота,
сульфаты, азотная кислота, нитраты, диоксид углерода).
Таким образом, тропосфера играет роль глобального окислительного резервуара.
Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать по трем
различным направлениям:
окисление непосредственно в газовой фазе;
окислению предшествует адсорбция примесей частицами воды, в дальнейшем процесс окисления протекает в растворе;
окислению предшествует адсорбция примесей на поверхности взвешенных в воздухе частиц.
В роли окислителя могут выступать молекулы кислорода, перекись водорода, озон. Основную роль в процессах окисления, протекающих в атмосфере, играют свободные радикалы, прежде всего гидроксильный радикал ОН'.
Он образуется в верхних слоях атмосферы путем фотодиссоциации воды и
при других реакциях.
Трансформация соединений углерода в атмосфере. В большинстве случаев
СО можно рассматривать как химически неактивный компонент воздуха.
Однако в стратосфере и при фотохимическом смоге СО может окисляться до
С 0 , взаимодействуя со свободным радикалом О Н ' :
2
СО + ОН'
С0 + Н .
+
2
Фотохимическое окисление метана в тропосфере протекает в основном
по радикальному механизму:
R- СЯ + ОН'
R — С0 + Н 0.
3
2
2
Образовавшийся на первой стадии метильный радикал при столкновении с молекулой кислорода дает другую неустойчивую частицу — метилпероксидный радикал.
Метилпероксидный радикал в атмосфере разлагается с образованием метоксильного радикала:
СН 0 + N0 -> СН О + N0 ,
ъ
2
ъ
2СН 0
ъ
2
->0 +
2
2
2СН О.
ъ
При взаимодействии метоксильного радикала с кислородом происходит
образование формальдегида:
С Я 0 + 0 - > C H 0 + HOJ-.
3
2
2
190
Экология города
Молекулы СН 0 подвергаются фотолизу при поглощении света в ближайшей ультрафиолетовой области:
2
+
СН 0 ->НСО~
2
СН 0
Н,
+
СО + Н .
2
2
Формильный радикал НСО образуется также при взаимодействии формальдегида с гидроксилрадикалом:
СН 0 + ОН'
НСО ' + Н 0.
2
2
Реагируя с ОН' радикалом, формильный радикал образует оксид углерода, который является конечной стадией окисления органических соединений
в атмосфере:
НСО +
ОН' ->СО + Н 0.
2
Трансформация соединений серы в тропосфере. До настоящего времени детальный механизм трансформации соединений серы не установлен. Наиболее вероятным представляется протекание реакций окисления с участием свободных радикалов:
HS +
2
HS+
ОН' -> Н 0 + HS,
2
0 -> ОН'
2
SO + Н0
+ SO,
S0 + он-.
2
2
Полученный из сероводорода диоксид серы (как и S0 , поступающий из
антропогенных источников) окисляется далее:
2
S0 +
2
HS0
2
3
+
3
50
ОН ~ -> HS0 ,
Н0
2
+ Н0
->S0
+2ОН',
3
S0 + ОН~.
2
3
Скорость трансформации диоксида серы при средних значениях концентраций свободных радикалов в воздухе составляет примерно 0,1% в час, что
соответствует времени пребывания S0 в атмосфере, равному 5 сут. Процесс
трансформации диоксида серы в воздухе резко ускоряется в промышленых
регионах, где имеет место увеличенное содержание свободных радикалов.
2
Триоксид серы (серный ангидрид) легко взаимодействует с частицами
атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты:
50
3
+
Н0
2
->H S0 .
2
4
Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в частицах атмосферной влаги, серная кислота частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, ^альция.
Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. В этом случае стадии окисления
предшествует адсорбция, сопровождающаяся химическими реакциями с образованием сульфитов:
191
Раздел 4. Воздушная среда города
S0 + Са О -> СаБО ,
2
г
S0 + MgO
MgS0 .
2
3
В дальнейшем при взаимодействии с молекулярным кислородом сульфиты переходят в соответствующие сульфаты.
В дождливую погоду возможен процесс окисления S0 после предварительной адсорбции их каплями атмосферной влаги. В процессе окисления
S0 в жидкой фазе активное участие принимают ионы ОН' и Н0 ~, которые
образуются в результате фотохимических превращений в слое облаков. Конечными продуктами окисления S0 как в растворе, так и в газовой фазе,
является серная кислота, которая образуется в виде мелкодисперсных аэрозолей. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками и адсорбируются на
поверхности земли. Такие явления называются кислотными дождями. Водородный показатель (рН) воды кислотных дождей менее 5,6.
2
2
2
2
В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля S0
в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде H S0 и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя
10 часов после выброса, а сульфатов — через 30—40 часов.
2
2
4
Трансформация соединений азота в тропосфере. Соединения азота в атмосфере в основном представлены оксидами азота, аммиаком и солями аммония, а также азотной кислотой и нитритами.
Большинство естественных и антропогенных выбросов содержат оксид
азота N0. В тропосфере N0, взаимодействуя с гидропероксил-радикалом,
переходит в диоксид азота:
NO + Н 0 -> N0 +
2
ОН'.
2
Окисление оксида азота происходит также при взаимодействии с озоном:
NО+Оз
N0 + 0 .
2
2
Под действием солнечного излучения происходит обратная реакция — часть
диоксида азота разлагается с образованием оксида азота и атома кислорода:
N0
->N0+
2
0\
Атомарный кислород приводит к образованию в атмосфере озона.
В результате взаимодействия диоксида азота с гидроксильным радикалом
происходит образование азотной кислоты:
N0 +
2
ОН'
HNO
y
Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде растворов HNO и ее солей.
3
Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида или триоксида азота, которые вновь включаются в атмосферный цикл его соединений:
HN0
3
HN0 +
3
ОН' + N0 ,
2
ОН'
Н 0 + Ж> .
2
3
192
Экология города
Среди нитратов, присутствующих в атмосфере, основное количество составляет азотнокислый аммоний NH NO , который образуется при взаимодействии аэрозолей соответствующих кислот с NN и его аэрозолями. Соединения аммония выводятся из атмосферы с атмосферными осадками и в результате процессов сухого осаждения.
4
}
}
4.3.3. Смоги
Смог (от английского smoke — дым, fog — туман) — атмосферное явление, наступающее при совпадении определенных метеорологических условий и высокой степени загрязненности воздушного бассейна. Различают следующие виды смогов: фотохимический, лондонский и ледяной.
Фотохимический смог образуется в ясную солнечную погоду, при низкой
влажности, температуре выше +30° С, полном отсутствии ветра и высокой
загрязненности воздуха. При фотохимическом смоге наблюдается появление
голубоватой дымки или беловатого тумана и связанное с этим ухудшение
видимости. Основными химическими соединениями, обеспечивающими вышеперечисленные свойства смога, являются озонид углерода и пероксиацилнитраты (ПАН), образующиеся в результате химических реакций находящихся в воздухе углеводородов с оксидами азота и углерода под воздействием
солнечной радиации (фотохимический эффект).
Смог вызывает у людей раздражение органов чувств, химически действует как окислитель (усиливает коррозию металлов, приводит к растрескиванию резины).
Фотохимический смог характерен для таких городов, как Днепропетровск,
Донецк, Запорожье.
Лондонский смог формируется при влажности воздуха около 100%, температуре 0°С, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов
сгорания твердого и жидкого топлива ( S 0 , сажа, NO и СО). Наблюдается
чаще в осенне-зимний период, характерен для умеренных широт с влажным
морским климатом. Смог получил свое название после происшедшей в столице Великобритании в декабре 1952 г. катастрофы, связанной с высокой
загрязненностью воздуха и длительным штилем в течение двух недель. В этот
период резко повысилось число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, смертность увеличилась более, чем в 10 раз. Подобные ситуации повторялись в декабре 1956 и январе 1957 г. Благодаря принятым мерам по ограничению пылегазовых выбросов загрязнение атмосферного воздуха в Лондоне
значительно снизилось. Так, в период 1952—1970 гг. выбросы сажи при отоплении жилых домов сократились с 130 тыс. т в год до 10 тыс. т, а от промышленных предприятий с 50 тыс. т до 5,0 тыс. т в год. Сильный туман, который
образовался в декабре 1972 г., висевший над городом на протяжении двух
недель, на этот раз не вызвал серьезных последствий для населения.
2
x
Смог типа лондонского характерен для Мариуполя, Одессы и других приморских городов.
Раздел
4.
Воздушная
193
среда города
Ледяной смог характерен для городов, расположенных в высоких (северных)
широтах. Он образуется при температурах ниже — 30° С, полном штиле, высокой влажности воздуха и наличии мощных источников загрязнения атмосферы.
При низкой температуре капельки водяного пара превращаются в кристаллики
льда (размером 5—10 мкм) и повисают в воздухе в виде густого белого тумана,
видимость уменьшается до 8—10 м. На кристалликах льда адсорбируются частички и молекулы пылегазовых выбросов. Утяжеляясь, кристаллики льда опускаются в приземный слой. Дыхание в таком тумане становится невозможным.
Для Украины ледяной смог не характерен.
4.4. Мероприятия по защите воздушного бассейна
Мероприятия по обеспечению охраны атмосферного воздуха городской
среды можно условно разделить на следующие группы:
• организация санитарно-защитных зон;
• архитектурно-планировочные решения;
• инженерно-организационные мероприятия;
• безотходные и малоотходные технологии;
• технические средства и технологии очистки выбросов.
4.4.1. Санитарно-защитные зоны
Объекты, являющиеся источниками выделения в окружающую среду вредных и с неприятным запахом веществ, следует отделять от жилой застройки
санитарно-защитной зоной (СЗЗ).
Размеры нормативной СЗЗ до границы жилой застройки устанавливают в
зависимости от мощности предприятия, особенностей технологического процесса производства, характера и количества выделяемых в атмосферу вредных и с неприятным запахом веществ. В соответствии с санитарной классификацией промышленных предприятий размеры санитарно-защитных зон устанавливаются в пределах от 50 до 3000 м в зависимости от класса опасности
предприятия (табл. 4.6).
Таблица 4.6. Нормативные размеры санитарно-защитных зон
Класс опасности предприятия
Размер защитной зоны, м
I.A
1.Б
II
III
IV
3000
1000
500
300
100
V
50
194
Экология города
Предприятия с технологическими процессами, не приводящими к выделению в атмосферу загрязняющих веществ, допускается размещать в пределах жилых районов.
СЗЗ нельзя рассматривать как резервную территорию и использовать ее
для расширения промышленной площадки. На территории СЗЗ допускается
размещение объектов более низкого класса вредности, чем основное производство, — складов, гаражей, автостоянок и т.д.
Размер СЗЗ до границы жилой застройки следует устанавливать:
— для предприятий с технологическими процессами, являющимися источниками загрязнения атмосферного воздуха — непосредственно от
источника загрязнения (трубы, шахты, аэрационные фонари зданий,
места погрузки — разгрузки сырья);
— для предприятий с технологическими процессами, являющимися источниками шума, вибрации, электромагнитных волн, радиочастот — от зданий, сооружений и площадок, где установлено это оборудование;
— для электростанций, котельных — от дымовых труб.
Территория СЗЗ должна быть благоустроена и озеленена. При проектировании благоустройства СЗЗ необходимо сохранять существующие зеленые
насаждения. Со стороны селитебной территории надлежит предусматривать
полосу древесно-кустарниковых насаждений шириной не менее 50 м, а при
ширине зоны до 100 м — не менее 20 м.
Вблизи предприятий с большим количеством выбросов вредных веществ
санитарно-защитная зона формируется в виде аэродинамической системы,
состоящей из зеленых защитных полос и открытых пространств между ними.
Полосы целесообразно размещать под углом 80—90° к основному направлению ветра. При этом зона проветривается по многочисленным каналам в
горизонтальном направлении. Завихрение воздуха за полосами способствует
образованию восходящих потоков и рассеиванию выбросов в наиболее высоких слоях атмосферы. Одновременно защитные полосы и газонные покрытия задерживают пыль и аэрозоли, поглощают вредные газы.
Размеры СЗЗ уточняются при расчетах рассеивания пылегазовых выбросов (см. разд. 4.3.1) и могут оказаться больше или меньше нормативных.
Если расчетный размер СЗЗ больше нормативного, то принимаются меры
для снижения объема пылегазовых выбросов или размер СЗЗ устанавливается в соответствии с расчетным.
При нахождении промышленного предприятия внутри жилой застройки
и невозможности обеспечить соблюдение размеров СЗЗ в соответствии с нормативами необходимо обеспечить степень очистки пылегазовых выбросов до
уровня ПДК на границе предприятия.
Полученные по расчету размеры СЗЗ должны уточнятся для различных
направлений ветра в зависимости от результатов расчета загрязнения атмосферы
и среднегодовой розы ветров района расположения предприятия по формуле:
, .
Р
195
Раздел 4. Воздушная среда города
где / — расчетный размер СЗЗ, м; L — расчетный размер участка местности в
данном направлении, где концентрация веществ (с учетом фоновой) превышает ПДК с.е., м ; р — среднегодовая повторяемость направления ветров рассматриваемого румба, %; р — повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %. Например, при восьмирумбовой розе ветров
0
0
4.4.2. Архитектурно-планировочные мероприятия
К архитектурно-планировочным относятся мероприятия, связанные с
выбором площадки для строительства промышленного предприятия, взаимным расположением предприятия и жилых кварталов, взаимным расположением цехов предприятия, устройством зеленых зон.
Промышленный объект должен быть расположен на ровном, возвышенном, хорошо проветриваемом месте (рис. 4.6).
а)
Рис. 4.6. Пример размещения промышленного объекта: а — разрез; б — план
1 — жилая застройка; 2 — цеха предприятия; 3 — точечный высокий источник (дымовая
труба); 4 — линейные источники (аэрационные фонари); 5 — граница населенного пункта; 6 — средняя роза ветров теплого периода года; 7 — факелы выбросов загрязняющих
веществ при направлении ветра в сторону жилой застройки
7»
196
Экология города
Площадка жилой застройки должна быть размещена ниже предприятия
(Н <Н,), в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания
вредных выбросов сводится на нет.
2
Источники загрязнения атмосферы желательно располагать за чертой
населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов по средней розе ветров теплого периода года, чтобы выбросы уносились в сторону от
жилых кварталов.
Расстояние между производственными зданиями при удалении вредных
веществ через аэрационные фонари должно быть больше восьми высот впереди отстоящего здания, если оно широкое (/ >8h), и десяти, если оно узкое
(/ >10h). В этом случае загрязняющие вещества не будут накапливаться в
межкорпусной зоне.
Цехи, выделяющие наибольшее количество загрязняющих веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.
Расположение цехов должно быть таким, чтобы при направлении ветра в
сторону жилых кварталов их выбросы не объединялись.
Важное место занимают методы фитомелиорации с использованием зеленых
насаждений (подробнее см. разд. 5.3), облесение и задернение территорий.
Зеленые насаждения являются эффективными биофильтрами. При прохождении запыленного воздуха через кроны деревьев и кустарников, а также
через травянистую растительность он очищается от пыли благодаря осаждению аэрозольных частиц на поверхности листьев и стеблей растений.
Кроме того, зеленые насаждения могут поглощать и газообразные примеси. Например, 10 кг листьев дерева (в пересчете на сухую массу) за период с
мая по сентябрь поглощают следующее количество сернистого газа: тополь —
180 г, липа — 100 г, береза — 90 г., клен — 20—30 г. Для лесостепи поглотительная способность зеленых насаждений составляет 700—1000 кг/га. В районах, где выпадает большее количество осадков, поглотительная способность
зеленых насаждений возрастает.
Если концентрация загрязняющих веществ превышает предельно допустимую, она становится вредной для жизнедеятельности растений и может
привести к их гибели. Наиболее газоустойчивые деревья — гледичия (акация), дуб, ива, клен.
4.4.3. Инженерно-организационные мероприятия
Основные виды инженерно-организационных мероприятий состоят в
следующем.
Снижение интенсивности и организация движения автотранспорта. Для
этого ведется строительство объездных и окружных дорог вокруг городов и
населенных пунктов, устройство развязок пересечений дорог на разных уровнях, организация на основных городских магистралях движения по типу
"зеленая волна".
Раздел 4. Воздушная среда города
197
Увеличение высоты дымовых труб. Чем выше труба, тем лучше рассеивание пылегазовых выбросов в атмосфере. Если дымовая труба высотой 100 м
позволяет рассеивать вредные вещества в радиусе до 20 км, то труба высотой
250 м увеличивает радиус рассеивания до 75 км. Самая высокая в мире дымовая труба высотой более 400 м построена на медно-никелевом комбинате в
Садбери в Канаде.
Следует учитывать, что при выбросах через высокие дымовые трубы повышается общее фоновое загрязнение воздуха. С увеличением высоты трубы
резко возрастает ее стоимость, поэтому на практике не рекомендуется строительство труб более 150 м.
Повышение скорости движения газов в дымовой трубе. Это способствует увеличению начального подъема выбросов, улучшению условий их рассеивания.
С другой стороны, при этом возрастает гидравлическое сопротивление дымовой
трубы и соответственно удельные энергозатраты на транспортировку газов.
4.4.4. Малоотходные и безотходные технологии
Внедрение безотходных и малоотходных технологий является наиболее
перспективным мероприятием, позволяющим коренным образом снизить
уровень загрязнения воздушного бассейна.
Наиболее перспективными направлениями в области снижения газообразных отходов предприятий являются:
• переход предприятий теплоэнергетики с твердого топлива на природный газ, что позволяет существенно снизить уровень загрязнения атмосферного воздуха пылью и сернистыми соединениями;
• отказ от применения этилированного бензина и внедрение в качестве
автомобильного топлива природного газа;
• совершенствование топочного пространства и топливных горелок энергетических котлов, оптимизация процесса сжигания топлива, что позволит снизить выбросы оксидов азота в атмосферу;
• снижение энергоемкости производства и использование вторичных энергоресурсов в виде горячей воды и горячих газов.
4.4.5. Технические средства и технологии очистки выбросов
Очистка пылегазовых выбросов является основным мероприятием по защите и восстановлению воздушного бассейна.
Существуют различные методы очистки выбросов от твердых, жидких и
газообразных примесей. На основе этих методов разработано большое количество устройств и аппаратов, при комплексном использовании которых может быть достигнута высокоэффективная очистка пылегазовых выбросов. В
целях экономии производственных площадей эти устройства и аппараты раз-
198
Экология города
мещают, как правило, в верхних ярусах цехового пространства. Извлеченные
из пылегазовых выбросов вещества обычно являются либо готовым продуктом, либо ценным видом вторичного сырья.
Для очистки газов от твердых и жидких частиц применяют технологии
сухой инерционной очистки газов, мокрой очистки газов, фильтрации, электростатического осаждения.
Для очистки газов от газо- и парообразных компонентов применяют методы абсорбции, адсорбции, термическую и термокаталитическую очистку,
биохимические реакторы.
К основным требованиям, предъявляемым к аппаратам пыле- и газоочистки, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность. Следует учитывать, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче
улавливаемые частицы, тем большими оказываются удельные капитальные
затраты на сооружение установок и расходы на их эксплуатацию.
Для обеспечения оптимального выбора технологии и конструкции аппарата очистки выбросов проводится технико-экономическая оценка.
Газоочистные установки, как правило, не дают прямой прибыли. Возможность использовать улавливаемый продукт покрывает только незначительную часть
затрат. Поэтому в числе технико-экономических показателей следует учитывать
предотвращенный ущерб от возможного загрязнения атмосферного воздуха в случае отсутствия очистки, что создает предпосылки установления рентабельности и
ожидаемой прибыли от внедрения систем и аппаратов очистки выбросов.
Технико-экономическая оценка проводится путем сравнения показателей
внедряемого объекта пылегазоочистки с лучшими действующими аналогами.
Оценка эффективности систем пылегазоочистки проводится с использованием следующих показателей:
Степень или эффективность очистки газов — это отношение количества
уловленного загрязняющего вещества к количеству, поступающему в аппарат, определяется по формуле:
М ул
7
~ ~М~
~
вх
7
М вх - М
М
вх
С вх Q
вых
~~
- С
Q
вых *-вых
Свх~^0в х
Л
~
1
Свых Q
*^вых
С вхQ
вх
'
где М , М , Л / — соответственно количество уловленного в аппарате, входящего и выходящего из аппарата загрязняющего вещества, кг/с; С , С —
концентрация загрязняющего вещества в единице объема сухого газа соответственно на входе и выходе из аппарата, г/м ; <2 , ( ? — расход газа соответственно на входе и выходе из аппарата, м .
нх
ы х
в х
в
ы
х
3
ВХ
в ы х
3
При работе газоочистного аппарата без утечек и подсосов воздуха, существенного изменения температуры, давления и влажности Очищаемого газа
степень очистки определяется следующим образом:
,
С вых
?7 - 1 - - 7 7 -
'
199
Раздел 4. Воздушная среда города
Коэффициент проскока — отношение количества загрязняющего вещества, выходящего с выбросами из аппарата пылегазоочистки, к количеству,
поступившему в него:
Степень (эффективность) очистки и коэффициент проскока выражаются
в долях единицы или в %.
Эффективность улавливания частиц пыли (степень очистки) зависит от
ее дисперсного состава. В первую очередь улавливаются крупные частицы
пыли. Эффективность пылеулавливающего оборудования характеризуется достигаемой фракционной или парциальной степенью очистки.
Фракционная степень очистки — отношение количества пыли данной фракции, уловленной в аппарате, к количеству входящей пыли той же фракции.
Парциальная степень очистки — отношение количества частиц данного
размера, уловленных в аппарате, к количеству частиц данного размера на
входе в аппарат.
Наиболее широко в практике применяются аппараты сухой инерционной
очистки газов. Принцип действия этих аппаратов состоит в осаждении пыли
в результате изменения направления и скорости движения счищаемого газового потока и ударения частиц пыли о стенки и поперечные преграды. Эти
аппараты отличаются простотой конструкции и изготовления.
Простейшими установками для улавливания крупнодисперсной пыли, работающими по принципу гравитационного осаждения, являются пылеосадительные камеры. Они используются в качестве первой ступени очистки газов для
улавливания наиболее крупных частиц (30—100 мкм), позволяют избежать осаждения пыли в газоходах и снижают нагрузку на последующие ступени очистки.
Устройство и принцип действия пылеосадительной камеры показаны на
рис. 4.7. Степень очистки зависит от времени пребывания частиц в камере.
Частицы, движущиеся в газовом потоке, опускаются под действием силы тяжести на дно бункера. Скорость газового потока в пылеосадительной камере
не должна вызывать уноса осевших частиц пыли. В зависимости от плотности, формы и размера частиц она составляет 1,7—7,0 м/с.
2
Рис. 4.7. Пылеосадительная камера:
1 — входной патрубок; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — бункера для пыли
200
Экология города
К числу сухих инерционных пылеуловителей относятся жалюзийные, вентиляторные и радиальные пылеуловители. Они эффективно улавливают частицы размером от 20—30 мкм. Более тонкая очистка от пыли обеспечивается
с помощью циклонов. Циклон — один из широко распространенных пылеулавливающих аппаратов, предназначенный для улавливания частиц размером 5—20 мкм и более.
Устройство и принцип действия циклона показаны на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Циклон:
1 — входной патрубок; 2 — цилиндрическая часть корпуса; 3 — коническая часть корпуса; 4 — пылевыпускное отверстие; 5 — бункер для пыли; 6 — пылевой затвор;
7 — выхлопная труба; 8 — раскручивающая улитка; 9 — выходной патрубок; 10 — наклонная крышка
Вращение газового потока достигается путем его тангенсиального ввода
в циклон или путем использования специального завихрителя. В результате
действия центробежных сил частицы пыли, взвешенные в потоке газа, отбрасываются на стенки корпуса циклона и выпадают из потока. Очищаемый
поток газа, освобожденный от пыли, продолжая вращаться, изменяет направ-
Раздел 4. Воздушная среда города
201
ление движения на 180° и выходит из циклона через расположенную на оси
выхлопную трубу. Частицы пыли, достигшие стенок корпуса, опускаются под
действием силы тяжести и поступают в бункер. По мере наполнения бункера
пыль через пылевой затвор отгружается на утилизацию или захоронение.
Очищенный воздух через выходной патрубок отводится из циклона.
Рекомендуемая скорость газа в цилиндрической части циклона — 2,5—
4,5 м/с.
Диаметр циклона не следует задавать более 1000 мм. Для повышения
эффективности очистки циклоны компонуют в группы с общим подводом
и отводом очищаемого воздуха. Такие циклоны называют батарейными.
Этим достигается существенная экономия капитальных и эксплуатационных затрат.
К высокоэффективным типам аппаратов сухой очистки газов относятся
фильтры.
В основе работы фильтров всех видов лежит фильтрация запыленного
воздуха через пористую перегородку, в процессе которой частицы пыли, взвешенные в газе, задерживаются перегородкой, а газ беспрепятственно проходит через нее.
Пористые перегородки могут представлять собой ткани, бумагу, волокнистые материалы, керамику, металлические сетки, зернистые слои.
В отличие от аппаратов и н е р ц и о н н о й очистки фильтры могут с достаточной эффективностью задерживать частицы л ю б о г о размера. Наиболее целесообразно использовать фильтры для улавливания частиц пыли
размером менее 5 мкм.
Скорость процесса фильтрования определяется перепадом давления на
пористой перегородке. По мере накопления на фильтре частиц пыли скорость прохождения газа постепенно снижается. Перегородку необходимо периодически подвергать регенерации путем освобождения от уловленной пыли.
Это существенно осложняет эксплуатацию фильтров.
Степень очистки газа в фильтре зависит от пористости фильтрующего
материала, толщины фильтрующего слоя, объема фильтровального материала в единице объема фильтра и суммарного коэффициента захвата частицы
пыли фильтрующим волокном, величина которого в свою очередь зависит от
механизма процесса фильтрования.
Тканевые фильтры предназначены для очистки их от твердых частиц
отходящих газов плавильных печей предприятий черной и цветной металлургии, печей обжига в стекольной и керамической промышленности и
котельных. В качестве фильтрующего материала применяют бельтинг, лавсан, капрон и др.
Наиболее распространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр (рис. 4.9).
202
Экология города
1 — вход запыленного газа; 2 — рукава; 3 — корпус фильтра; 4 — воздуховод очищенного
газа; 5 — воздуховод продувочного воздуха; 6 — механизм встряхивания; 7 — клапаны;
8 — бункер для сбора пыли
Запыленный газ, поступающий через входной патрубок в нижнюю часть
корпуса фильтра, подводится внутрь рукавов. После прохождения через фильтрующую ткань очищенный воздух удаляется из аппарата.
Частицы пыли оседают на фильтрующей поверхности рукава, в результате чего его сопротивление постепенно увеличивается. Когда оно достигает
некоторого предельного значения, фильтр переводится в режим регенерации.
Наиболее часто регенерация осуществляется обратной продувкой. Для повышения эффективности регенерации рукавов их могут встряхивать при помощи специальных механизмов.
Камеры фильтра переводят в режим регенерации по очереди и таким
образом обеспечивают его непрерывную работу.
Степень очистки от мелкодисперсной пыли в рукавном фильтре может
достигать 99,9%. Скорость прохождения очищаемого газа через фильтрующую ткань составляет 0,5—1 м/с.
*
Волокнистые фильтры предназначены для очистки от пыли слабозапыленных потоков воздуха с концентрацией пыли не более 5 мг/м . Они представляют собой пористые перегородки, составленные из беспорядочно расположенных равномерно распределенных по сечению волокон (рис. 4.10).
3
203
Раздел 4. Воздушная среда города
2
1 — вход газа; 2 — выход газа; 3 — боковая стенка; 4 — фильтрующий материал
Из-за глубокого проникновения улавливаемых частиц пыли вглубь пористого материала регенерация волокнистых фильтров затруднена. По окончании
срока службы отработавший фильтрующий материал обычно заменяется новым.
В волокнистых фильтрах используются как естественные, так и специально изготовленные волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм (отходы текстильного производства, шлаковая вата, стекловолокно и др.). Степень очистки при улавливании мелкодисперсной пыли может достигать 99%. Рекомендуемая скорость фильтрации — 0,01 — 0,1 м/с.
Зернистые фильтры применяются при очистке газов с высокими температурами (до 500—800° С) в условиях агрессивной среды при резких изменениях
давления и температуры. Они представляют собой емкость, заполненную фильтрующим материалом, в качестве которого могут быть применены песок, щебень, шлак, опилки, крошка руды, угля, графита, пластмасс и др. В качестве
фильтрующего слоя в зернистых фильтрах используются насыпные материалы.
Зернистые фильтры применяются для улавливания слипающихся и абразивных пылей в тех случаях, когда затруднено применение аппаратов
другого типа.
В некоторых случаях в зернистых фильтрах возможен возврат фильтрующего слоя в технологический процесс, если в качестве зерен используется
исходное сырье (частицы угля, используемые в качестве зерен фильтра при
очистке воздуха от угольной пыли, можно возвращать в топку котла).
Разновидностью зернистых фильтров являются фильтры сорбционной
очистки, где в качестве фильтрующей загрузки используются катализаторы и
сорбенты. Сорбционные фильтры предназначены для улавливания газообразных примесей.
В зависимости от вида улавливаемой пыли и зерен фильтра степень очистки может достигать 95—99,5%, скорость фильтрации — 1 5 — 3 5 м/с.
204
Экология города
Электрофильтры предназначены для очистки промышленных газов от
твердых частиц, выделяющихся при различных технологических процессах.
Эти аппараты незаменимы при очистке выбросов цементных, известковых,
гипсовых и других производств, где содержатся пылевидные частицы, подверженные схватыванию при контактах с влагой. Уловленная в электрофильтрах пыль является ценным готовым продуктом или вторичным минеральным сырьем.
К преимуществам электрофильтров относится высокая степень очистки,
достигающая 99%, возможность улавливания частиц широкого диапазона размеров, стабильная работа при высокой запыленности и температуре газа, высокая
производительность и возможность полной автоматизации процесса очистки.
К недостаткам электрофильтров следует отнести высокую чувствительность к параметрам очищаемого газа (температура, влажность, электрическое
сопротивление), невозможность использования для очистки взрыво- и пожароопасных смесей, относительно высокую стоимость аппарата и повышенные требования к технике безопасности при эксплуатации.
Установка для электростатической очистки выбросов состоит из электрофильтра, агрегатов питания, системы транспортировки уловленной пыли.
Электрофильтр (рис. 4.11) монтируется в металлическом корпусе прямоугольного сечения. Внутри него располагаются осадительные и коронирующие электроды. На входе в электрофильтр устанавливается газораспределительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение газа в активной зоне аппарата. В нижней части корпуса установлены бункера для сбора
и системы для транспортировки пыли.
Рис. 4.11. Электрофильтр:
1 — корпус; 2 — осадительные электроды; 3 — коронирующие электроды; 4 — газораспределительное устройство; 5 — бункера для сбора пыли; 6 — система транспортировки пыли
Раздел 4. Воздушная среда города
205
Основой процесса очистки является ионизация пылевидных частиц и
молекул газа под воздействием электростатического поля. Заряженные частички оседают на поверхность электрода с противоположным электрическим зарядом. Осажденные частицы удаляются с электродов встряхиванием или промывной водой. Уловленная пыль (шлам) поступает в бункер
электрофильтра и далее в систему удаления.
В зависимости от конструкции электрофильтра скорость прохождения
очищаемых газов колеблется в пределах 0,8—1,7 м/с.
Мокрая очистка выбросов является одним из наиболее эффективных и
широко распространенных методов пылегазоулавливания. При мокрой очистке достигается высокая степень извлечения твердых, жидких и газообразных примесей.
Основой процесса мокрой очистки является осаждение частиц пыли
на каплях или на слое жидкости. В качестве орошающей жидкости чаще
всего используется вода. Иногда, в зависимости от особенностей состава
очищаемых выбросов, воду подщелачивают или подкисляют.
Аппараты мокрой газоочистки отличаются простотой конструкции и
эксплуатации, относительно невысокой стоимостью. В них можно очищать выбросы любой влажности, а также пожаро- и взрывоопасные смеси.
К недостаткам мокрого способа пыле- газоочистки следует отнести: образование сточных вод и шлама, которые требуют дальнейшей обработки;
коррозию оборудования при воздействии агрессивных увлажненных газов и
жидкости; относительно высокие удельные затраты электроэнергии.
Простейшим аппаратом мокрой очистки выбросов является форсуночный скруббер. Он предназначен для улавливания частиц размером более
10—15 мкм, а также для охлаждения и увлажнения очищаемых выбросов.
Форсуночный скруббер (рис. 4.12) представляет собой цилиндрическую емкость, оснащенную патрубками для подвода и отвода очищенного
воздуха. В верхней части корпуса расположены один или несколько ярусов форсунок для распыления орошающей жидкости. Жидкость в виде
дождя с диаметром капель 0,6—1 мм как бы промывает очищаемый газ,
движущийся противотоком, т.е. снизу вверх, со скоростью 0,7—1,5 м/с.
При больших скоростях происходит вынос влаги и отложение пыли на внутренних поверхностях выходного патрубка скруббера. Удельный расход воды
в скрубберах составляет 1—6 л / м .
3
В механическом скруббере распыление ж и д к о с т и производится с помощью вращающегося диска. В скруббере Вентури распыление ж и д к о с т и
происходит за счет турбулентного д в и ж е н и я очищаемого потока газа через конфузор трубы Вентури (рис. 4.13). Проходя далее через инерционный каплеуловитель, поток газа освобождается от капель жидкости, которые удерживают частицы пыли, откуда ж и д к о с т ь отводится через гидрозатвор.
206
Экология
Z
/
города
\
/1 \/, \
/1\,%'It'll
Рис. 4.12. Форсуночный скруббер:
1 — цилиндрический корпус; 2 — входной патрубок; 3 — патрубок для отвода
очищенного газа; 4 — подвод воды на орошение; 5 — контрольно-измерительные
приборы параметров воды; 6 — регулирующая задвижка; 7 — форсунки верхнего и
нижнего яруса орошения; 8 — гидрозатвор
Рис. 4.13. Скруббер Вентури:
1 — вход очищаемого газа; 2 — выход очищенного газа; 3 — орошающее устройство;
4 — конфузор трубы Вентури; 5 — горловина; 6 — диффузор; 7 — каплеуловитель;
8 — гидрозатвор
207
Раздел 4. Воздушная среда города
Размер частиц, улавливаемых в скруббере Вентури, — от 0,2 мкм и выше.
При этом степень очистки может достигать 96—99%. Скорость газа в горловине трубы Вентури достигает 100—180 м/с, удельный расход орошающей
жидкости — 0,^—1,5 л / м .
3
Принцип действия и конструкция центробежного скруббера аналогичны
циклону (рис. 4.14). Под воздействием центробежных сил, возникающих при
вращении газового потока в аппарате, частицы пыли отбрасываются на спираль скруббера, откуда смываются жидкостью, подаваемой
через сопла, расположенные по окружности в
верхней части корпуса.
Рис. 4.14. Центробежный скруббер:
1 — тангенциальный патрубок для входа очищаемого
газа; 2 — выход очищенного газа; 3 — система подачи
воды; 4 — цилиндрический корпус; 5 — гидрозатвор
Скорость газа в цилиндрическом сечении
корпуса достигает 4—5 м/с; степень очистки
довольно высокая и зависит от размера и плотности частицы пыли, а также диаметра центробежного скруббера.
Аппараты мокрой газоочистки ударно-инерционного действия — пылеуловитель вентиляционный мокрый (ПВМ), ротоклон применяются при отсутствии
достаточного количества чистой воды и относительно невысоких температурах
очищаемого газа для очистки от частиц пыли размером не менее 5 •+• 10 мкм.
Принцип действия этих аппаратов основан на резком повороте на 180°
газового потока, направленного с большой скоростью перпендикулярно к
поверхности жидкости (рис. 4.15). Взвешенные в газе частицы, ударяясь о
поверхность жидкости, улавливаются
ею. Вода, увлекаемая газовым потоком,
движется до верхней кромки перегородки, а затем сепарируется в каплеуловителе. Очищенный газ с помощью вентилятора выбрасывается наружу.
Рис. 4.15. Пылеуловитель вентиляционный
мокрый (ПВМ):
1 — корпус; 2, 3 — перегородки; 4 — каплеотбойник-каплеуловитель; 5 — отверстие для
входа очищаемых газов; 6 — патрубок для выхода очищенных газов; 7 — скребковый конвейер
208
Экология города
Аппарат со щелевым каналом сложной конфигурации (импеллером) называется ротоклон.
Уловленная пыль оседает на дне корпуса аппарата и удаляется скребковым конвейером.
Расход воды на орошение газа не превышает 0,03 кг/м . Степень очистки
при диаметре частиц пыли до 10 мкм составляет 98—99%. Скорость газа в
щели между перегородками достигает 15 м/с.
3
Барботажные пенные аппараты предназначены для очистки
расходов газа от частиц пыли размером не менее 5 мкм.
небольших
Процесс барботажа состоит в прохождении очищаемого газа через слой
жидкости.
Барботажный пенный аппарат (рис. 4.16) представляет собой корпус, перегороженный горизонтальной решеткой с равномерно расположенными мелкими отверстиями. Запыленный газ подается под решетку и отводится из верхней части аппарата.
Рис. 4.16. Барботажный пенный аппарат:
1 — корпус; 2 — вход очищаемого газа; 3 — выход очищенного газа; 4 — ороситель; 5 — отвод жидкости в переливной отсек; 6 — решетка; 7 — отвод жидкости, прошедшей
через решетку
При скорости газа до 1 м/с наблюдается барботажный режим, при котором воздух проходит через
слой жидкости в виде отдельных пузырьков. При
повышении скорости барботажный режим переходит в пенный.
Диаметр корпуса барботажного аппарата обычно составляет 2—2,5 м, диаметр отверстий решетки
— 4—8 мм, скорость газов при прохождении решетки — 6—10 м/с.
Методы очистки промышленных выбросов от газо- и парообразных примесей
по характеру протекания физико-химических процессов подразделяется на
следующие группы:
• промывка выбросов растворимых примесей (адсорбция);
• промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);
• поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами
(адсорбция);
• термическая нейтрализация вредных примесей отходящих газов (процессы сжигания);
• каталитическая очистка газов;
• биохимическая очистка газов.
209
Раздел 4. Воздушная среда города
4.5. Контроль уровня загрязнения атмосферного
воздуха в городах
*
4.5.1. Система контроля
Мониторинг атмосферного воздуха — слежение за его состоянием и предупреждение о критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья
людей и других живых организмов.
Для обеспечения мониторинга в развитых странах созданы автоматизированные системы контроля загрязнения воздуха (АС КЗ В).
Задачи, решаемые АСКЗВ:
• автоматическое наблюдение и регистрация концентраций загрязняющих веществ;
• анализ полученной информации с целью определения фактического
состояния загрязнения воздушного бассейна;
• принятие экстренных мер по борьбе с загрязнением;
• прогноз уровня загрязнения;
• выработка рекомендаций для улучшения состояния окружающей среды;
• уточнение и проверка расчетов рассеивания примесей.
АСКЗВ рассчитаны на измерение концентраций одного или нескольких
ингредиентов и з следующего ряда: S 0 ; СО; N O ; 0 ; C H ; H S ; N H ; взвешенных веществ, а также определения влажности, температуры, направления и скорости ветра.
2
x
3
m
n
2
3
АСКЗВ оснащаются приборами на основе сенсоров. Различают электрохимические, амперометрические, полупроводниковые, пьезокварцевые,
фотометрические сенсоры с использованием волоконной оптики и индикаторных трубок, биосенсоры, сенсоры на поверхностно-активных волокнах и др. АСКЗВ функционируют на уровне отдельных предприятий, города, региона, а также на национальном и межгосударственном уровнях.
Центральная станция системы укомплектована вычислительным комплексом. Система имеет обратную связь с предприятиями-источниками загрязнения атмосферного воздуха.
Частота фиксации результатов измерений — от 3 раз в сутки до 60 раз в
час. Для передачи информации используются телефонные линии, УКВ-радиоканалы или телеграфный канал.
Станции, как правило, работают без обслуживающего персонала, все виды
контроля осуществляются автоматически.
Развитие АСКЗВ происходит путем увеличения числа стационарных станций и применения передвижных постов наблюдений. Дальнейшее совер-
210
Экология города
шенствование систем наблюдений осуществляется путем применения более
современной техники, объединения отдельных локальных систем в региональные, общегосударственные, интернациональные.
В Украине наблюдение за уровнем загрязнения атмосферы осуществляют
с помощью постов.
Посты наблюдения размещаются в павильоне или на автомобиле, оборудованном соответствующими приборами.
Установлено 3 категории постов наблюдений: стационарный, маршрутный и передвижной (подфакельный).
Стационарный пост предназначен для непрерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего анализа. Выделяются опорные стационарные посты — для выявления долговременных изменений содержания основных и наиболее распространенных загрязняющих веществ.
Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха в
фиксированной точке местности при наблюдениях, которые проводят с помощью специально оборудованного автомобиля-лаборатории.
Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под
дымовым факелом с целью выявления зоны влияния данного источника.
Наблюдения под факелом производятся с помощью лаборатории, смонтированной в автомобиле. Подфакельные посты располагаются в определенных
точках на фиксированных расстояниях от источника. Они перемещаются в
соответствии с направлением факела обследуемого источника выброса.
Стационарные и маршрутные посты размещаются в местах, выбранных
на основе предварительного исследования загрязнения атмосферы, как правило, в центральной части населенного пункта, в жилых районах с различным типом застройки, в первую очередь в наиболее загрязненных, на территориях, прилегающих к магистралям наиболее интенсивного движения транспорта, а также в зонах отдыха.
К числу наиболее загрязненных районов относят зоны наибольших максимальных разовых и среднесуточных концентраций, создаваемых выбросами промпредприятий (в радиусе 0,5—2 км от низких источников и 2—3 км от
высоких).
Подфакельные посты размещают с учетом ожидаемых наибольших концентраций на расстояниях 0,5; 1; 2; 3; 10 км от границы санитарно-защитной
зоны или источника загрязнения атмосферы с подветренной стороны от него.
Направление факела определяется визуальными наблюдениями за очертаниями облака дыма или по направлению ветра, если дымовое обл^со отсутствует.
Каждый пост независимо от категории размещается на открытой, проветриваемой со всех сторон площадке с непылящим покрытием (асфальт,
твердый грунт, газон) таким образом, чтобы исключить искажение результатов измерений из-за наличия зеленых насаждений, зданий и других объектов.
211
Раздел 4. Воздушная среда города
Необходимое количество постов устанавливается в зависимости от численности населения, площади населенного пункта, рельефа местности, особенностей размещения и уровня развития промышленных предприятий, расположения магистралей с интенсивным движением, расположения мест отдыха и курортных зон, метеоусловий.
Оптимальное количество постов, обеспечивающих минимальные затраты
при заданной погрешности наблюдений в зависимости от численности населения города, следующее: до 50 тыс. жителей — 1 пост; до 100 тыс. — 2 поста;
100—200 тыс. — 2—3 поста; 200—500 тыс. — 3—5 постов; более 500 тыс. — 5—10
постов; более 1 млн жителей — 10—20 стационарных и маршрутных постов.
Расстояние между стационарными постами составляет от 0,5 до 5 км.
Уровень загрязнения атмосферы оценивается по данным наблюдений за
год. При этом количество наблюдений должно быть не менее 200. Чтобы учесть
колебания метеорологических условий и получить более достоверные сведения об уровне загрязнения используются данные наблюдений за период 2—5
лет. Общее число наблюдений за рассматриваемый период — не менее 800.
Перечень веществ, подлежащих контролю, определяется по составу выбросов предприятий города. Далее оценивается возможность превышения ПДК
этих веществ. Окончательно список веществ, подлежащих контролю, уточняется по величине параметра потребления воздуха (ПВ). Этот показатель характеризует расход воздуха, необходимый для разбавления выбросов z'-го вещества Л/, до уровня концентрации q или до уровня П Д К
t
Г
Реальный ПВ: ПВ = MJq
[
Требуемый ПВ:
r
ПВ = М./ПДК,
Л
где М. — суммарное количество выбросов /-ой примеси от всех источников,
расположенных на территории города, т/год; q — концентрация /-ой примеси, установленная по данным расчетов или наблюдений, мг/м .
i
3
Если ПВ . > ПВ. , то ожидаемая концентрация примеси в воздухе может
быть равна ПДК или превысит ее и, следовательно, /-ая примесь должна
контролироваться.
Т
Дополнительно в обязательный список контролируемых веществ включаются: бенз(а)пирен растворимые сульфаты — в городах с населением более
100 тыс. жителей; формальдегид и соединения свинца — в городах с населением более 500 тыс. жителей; металлы — в городах с предприятиями черной
и цветной металлургии; пестициды — в городах, расположенных вблизи сельскохозяйственных территорий. Перечень контролируемых веществ пересматривается не реже одного раза в 3 года.
При подфакельных наблюдениях выполняется контроль за специфическими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данного предприятия.
212
Экология города
4.5.2. Методы контроля и приборы для измерения
концентрации примесей в атмосфере
и в промышленных выбросах
Контроль концентрации примесей сводится к отбору пробы воздуха или
дымового газа, подготовке и проведению анализов отобранных проб, обработке и обобщению результатов анализов.
Используются следующие режимы отбора проб:
• разовый, продолжительностью 20—30 мин;
• дискретный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр
через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько
разовых проб;
• суточный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр производится отбор проб в течение суток непрерывно.
Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сорбентом для улавливания газообразного вещества, или аэрозольный фильтр,
задерживающий твердые частицы. Тип поглотительного прибора, расход воздуха и продолжительность его аспирации устанавливаются в зависимости от
контролируемого вещества.
При определении приземной концентрации примеси в атмосфере отбор
проб проводится на высоте 1,5—2 м от поверхности земли.
Для отбора проб используются электроаспираторы (рис. 4.17), снабженные автономным источником питания.
3
Рис. 4.17. Принципиальная схема электроаспиратора:
1 — ротационный насос; 2 - ротаметры; 3 - регулирующие вентили; 4 - реле времени
*
Для контроля содержания твердых частиц и аэрозолей используются гравиметрический (весовой) и оптический методы анализов.
Гравиметрический (весовой) метод заключается в выделении частиц пыли
из пылегазового потока путем прокачивания его через фильтр. Масса пыли,
Раздел 4. Воздушная среда города
213
находящаяся в исследуемом потоке газа, определяется как разница веса фильтра
до и после анализа.
К о н ц е н т р а ц и я пыли о п р е д е л я е т с я по ф о р м у л е : С = m/Qx, м г / м ,
где т — масса п^обы пыли, мг; Q — расход воздуха, пропущенного через
пробоотборное устройство, м /с; т — время отбора пробы, с.
3
3
Весовой метод позволяет получить концентрацию пыли без учета ее химического и дисперсного состава.
Оптический метод основан на определении непрозрачности (дымности)
воздуха или дымовых газов. Метод основан на просвечивании газов с последующим преобразованием оптического сигнала в электрический, проведении
коррекции показателя по заданному алгоритму ослабления светового луча и
преобразования его в показатель непрозрачности (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Принципиальная схема измерителя непрозрачности:
1 — источник света; 2 — электрическая лампочка; 3 — объектив; 4 — защитное стекло;
5 — светоприемник; 6 — фотодиод; 7 — линза; 8 — блок преобразования информации;
9 — цифровой вольтметр; 10 — блок питания
Непрерывный контроль содержания вредных примесей в воздухе производится с помощью газоанализаторов типа УГ-2, ГХ-2 и др., принцип работы
которых основан на линейноколористическом методе анализа.
При просасывании воздуха через индикаторные трубки газоанализатора,
заполненные твердым веществом-поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна
концентрации исследуемого вещества. Газовый анализатор УГ-2 позволяет
определять концентрацию 16 различных газов и паров с погрешностью, не
превышающей ± 10% от верхнего предела каждой шкалы.
В термокондуктометрическом газоанализаторе используют отличие теплопроводности анализируемого компонента от теплопроводности других компонентов. При наличии в дымовых газах примесей, близких по теплопроводности к определяемой, их удаляют из анализируемой пробы путем поглощения или сжигания.
Термохимические газоанализаторы применяются для анализа горючих
компонентов газовой смеси. С их помощью определяют более 100 наименований горючих газов, паров и их смесей.
214
Экология города
Работа термомагнитных газоанализаторов основана на движении в неоднородном магнитном поле при наличии температурного градиента парамагнитных частиц — молекул кислорода и оксидов азота. Это явление
называется термомагнитной конвекцией. Изменения температуры, давления и расхода анализируемой газовой смеси могут оказывать влияние на
результаты измерения.
Принцип действия оптических газоанализаторов основан на особенностях поглощения — излучения отдельных компонентов газовой смеси. К ним
относятся газоанализаторы оптико-акустические, фотоколометрические, хемилюминесцентные и лазерные.
В оптико-акустических газоанализаторах, предназначенных для анализа
многоатомных газов, используются свойства газов поглощать лучистую энергию при определенных длинах волн, соответствующих их полосам спектра
поглощения. Амплитуда колебаний зависит от концентрации анализируемого компонента в измерительной камере.
В хемилюминесцентных газоанализаторах используется зависимость интенсивности люминесцентного излучения, возникающего в результате химической реакции анализируемого компонента с реагентом, от концентрации
этого компонента. Применяются для измерения очень малых концентраций
0 , N O и других веществ.
3
x
Лазерный газоанализатор использует особенности поглощения метаном
излучения при длине волны, совпадающей с одной из длин волн спектра
излучения метана.
В электрохимических газоанализаторах выходной сигнал зависит от
электрохимических явлений, протекающих в электродных системах при
наличии анализируемого компонента. Из электрохимических наибольшее
распространение получили вольтамперометрические и кулонометрические
газоанализаторы.
В вольтамперометрических газоанализаторах значение тока в электродной
цепи зависит от содержания деполяризующего компонента, например, кислорода, в щелочном гальваническом элементе.
В кулонометрических газоанализаторах содержание анализируемого компонента определяется по количеству электричества, израсходованного при
электролизе вещества, вступающего в реакцию с анализируемым. Значение
тока, при котором обеспечивается нейтрализация раствора с анализируемым
компонентом, и служит величиной концентрации этого компонента.
К электрохимическим может быть отнесен и плазменно-ионизационный
газоанализатор, в котором концентрация анализируемого комплекса определяется по ионизационному току, образующемуся в водородном пламени вследствие ионизации молекул органических соединений.
*
Хроматографы относятся к анализаторам, которые могут проводить одновременно качественный и количественный анализ газообразных и жидких
сред. Принцип действия основан на разделении газовых смесей на отдельные
компоненты при движении вдоль поверхности сорбента, последующей иден-
215
Раздел 4. Воздушная среда города
тификации компонентов и определения их содержания в смеси. Этот метод
может быть использован для определения содержания любых газов с концентрацией до 10" — 10" %. Хроматографы — приборы периодического действия
с временем анализа 10—20 минут.
5
6
Качественный и количественный анализ может одновременно проводиться
на масс-спектрометрах с разделением ионов по времени пролета. Эти более
сложные, чем хроматографы, приборы обеспечивают непрерывное измерение состава газовоздушной смеси.
4.5.3. Статистические характеристики загрязнения
атмосферы населенных пунктов
Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пунктов определяются на основе систематизации и обработки наблюдений.
Среднее арифметическое значение концентрации примеси ~q — среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, средние многолетние концентрации примесей, которые определяются по данным стационарных постов,
подфакельных наблюдений, по совокупности точек отбора проб города и
группы городов:
п
q = X q /n , мг/м ,
i=l
c
3
c
t
где п — число разовых концентраций, измеренных за соответствующий
период.
Среднее квадратичное отклонение а результатов измерений от среднего
арифметического: среднегодовых концентраций на постах от среднегодовой
и средней многолетней концентрации по городу; разовых концентраций от
среднегодовой концентрации по городу (району); среднегодовых концентраций для города от среднегодовой концентрации для группы городов; максимальных концентраций примеси для города за год от средней из максимальных концентраций примеси за год; разовых (среднесуточных) концентраций
от среднемесячной и среднегодовой, среднемесячной — от среднегодовой и
средней многолетней; среднегодовой — от средней многолетней:
Коэффициент вариации, показывающий степень изменчивости концентраций примеси: V = o/q, где q — средняя концентрация.
Максимальное значение концентрации примеси. Определяется максимальная из разовых, среднемесячных, среднесуточных, среднегодовых концентраций из малого числа наблюдений, а также максимальная из разовых концентраций по данным подфакельных наблюдений.
216
Экология города
Выбираются наибольшие значения из убывающего вариационного ряда
соответствующих концентраций за рассматриваемый период.
Средняя из максимальных концентраций за год по группе городов:
1
Ям = у X q
1
L
ь
,
u
где L — количество рассматриваемых городов.
Максимальная концентрация примеси с заданной вероятностью ее
превышения определяется из предположения логарифмически нормального распределения концентраций примесей в атмосфере для заданной вероятности ее
превышения:
qj = qexp z л/ln (1 +
У )/л\\ +
2
V
2
,
где ~q — средняя концентрация; при Р=0,1% z=3,08; P = l % z=2,33; Р=5% z=l,65.
Индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) — количественная характеристика
уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая различие
в скорости возрастания степени вредности веществ, приведенной к вредности диоксида серы, по мере увеличения превышения ПДК: /. = ( q / П Д К ) ,
где С — константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 для соответственно 1, 2, 3 и 4-го классов опасности веществ, позволяющая привести
степень вредности /-го вещества к степени вредности диоксида серы.
а
С
а
(
Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) — количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого п веществами, присутствующими в атмосфере города (или района города):
п
I
п
= Х1 /
/=/
,
I '
где п — количество рассматриваемых примесей (может включать в себя все
загрязняющие вещества, присутствующие в атмосфере города, или только
приоритетные вещества, определяющие состояние атмосферы).
Используется для сравнения степени загрязнения атмосферы в различных городах и регионах.
Фоновая концентрация — статистически достоверная максимальная концентрация, С , мг/м . Она является характеристикой загрязнения атмосферы
и определяется как значение концентрации, которое превышается не более
чем в 5% случаев от общего количества наблюдений.
3
ф
Фоновая концентрация характеризует суммарную концентрацию, создаваемую всеми источниками, расположенными на данной территории.
При отсутствии необходимых данных наблюдений фоновая концентрация может быть определена расчетным путем. Определение С для каждого
поста наблюдений производится по данным за период от 2 до 5 лет.
ф
217
Раздел 4. Воздушная среда города
С целью повышения достоверности расчета С необходимо выбрать такой
период наблюдений, в течение которого существенно не изменялся характер
застройки в районе наблюдательного поста, не происходило существенных
изменений в характеристиках промышленных выбросов в радиусе 5 км от поста, не менялось расположение самого поста, а отбор и анализ проб производился по одним и тем же методикам. При этом, как уже отмечалось, число
наблюдений в течение года должно быть не менее 200 по каждому веществу,
а общее число наблюдений за выбранный период — не менее 800.
ф
Для определения С могут быть использованы данные как стационарных,
так и подфакельных постов наблюдений. В результате обработки данных для
каждого поста по всему массиву результатов наблюдений находят величины
С , где /= 0; 1; 2; 3; 4, соответствующие различным градациям направления
а и скорости ветра w (табл. 4.7).
ф
ф1
Таблица 4.7. Значения / в зависимости от скорости и направления ветра
а
Румбы
десятки градусов
любой
любые
W, м/с
0-2
/
0
С
32-4
В
Ю
5-13
14-22
3
23-31
3 -- w'
1
2
3
4
Верхняя граница скорости ветра w' определяется из условия, что скорость ветра в данном месте w> w* встречается в 5% случаев.
При определении для каждой из пяти градаций скорости и направления
ветра значения концентраций q (к — номер концентрации в /-ой градации)
вписываются в таблицу, после чего определяется число наблюдений в каждой
градации л., которое для дальнейшей обработки должно быть не менее 100.
k
Если л. <100, то значение С . считается ориентировочным.
ф
Данные подфакельных наблюдений группируются по зонам соответственно
расстояниям от источника выбросов. Количество наблюдений в каждой зоне
должно быть не менее 200. Данные для каждой зоны делятся на две градации
по скорости ветра. При скорости ветра 0—2 м/с i = 0. При скоростях ветра от
3 до w' м/с / равно от 1 до 4.
Отдается предпочтение С , полученным по подфакельным измерениям,
для тех участков города, где их величины больше, чем С , рассчитанные по
данным наблюдений на стационарных постах.
ф
ф
Фоновая концентрация С может определяться одним из статистических
расчетных методов либо графически.
ф1
Для проведения оценки величины различий С для пяти градаций рассчитываются значения С и С — соответственно среднее по всем градациям и
среднее по всем градациям значение фоновой концентрации, кроме i = 0:
ф
218
Экология города
_
4
/4
с = X c^njYu п.
/=0
/ =0
,
7
_
4
где С =
/ =о
л. — сумма пяти произведений С^. для каждой градации на
количество измерений в данной градации п.;
4
/4
с = X
/=1
л./Х
' /=1
.
Если максимальное и минимальное значения
удовлетворяют неравенству:
при / = 0; 1; 2; 3; 4
- С| < 0,25С,
(4.5)
то для такого поста в качестве С принимается значение С независимо от
направления и скорости ветра.
ф
Если условия (4.5) не выполняются, но минимальное и максимальное
значения С . при /' = 0; 1; 2; 3; 4 удовлетворяют неравенству:
ф
\С , ~С\< 0,25С,
(4.6)
ф
то для данного поста детализация С по направлениям ветра не производится
ф
и в качестве С в градации
ф1
скорости ветра 0-2 м/с принимаются значения
С , а в градации скорости ветра от 3 м/с до w' — значение С.
фо
Когда условия (4.5) и (4.6) не в ы п о л н я ю т с я , ^ представляется пятью значениями.
Для учета суммации вредного действия нескольких загрязняющих веществ
допускается определение единой величины С по этим веществам. При этом
для каждого пункта наблюдения и момента времени концентрация п веществ
приводится к концентрации наиболее распространенного из них вещества.
Например, при суммации воздействия S 0 и N 0
ф
2
V
+
ж>
2
=
+
V o
N
n
2
M
2
so
2
м
.
р
м
р
.
Дальнейшая обработка результатов проводится так же, как и в случае
одного вещества.
При проектировании промышленных предприятий и установлении ПДВ
данные о распределении фоновой концентрации по территории населенного
пункта представляются в табличной форме.
В отдельных случаях можно ограничиться средним значением С по городу. Для этого вычисляется среднее значение С . по городу для каждой градации скорости и направления ветра. Для тех постов, на которых в рассматриваемой градации С отличается от среднего по городу менее, чем на 25%,
оно заменяется на среднюю по городу величину С...
ф
ф
ф:
219
Раздел 4. Воздушная среда города
При установлении ПДВ для реконструируемых или действующих предприятий исключение из С вклада рассматриваемого предприятия производится по формуле:
ф
€> = С (\-0,4С/С )
ф
С' =0,2С
ф
ф
ф
ф
при С < С \
ф
при
С>
С,
ф
где С ' — фоновая концентрация без учета рассматриваемого предприятия;
С — максимальная концентрация, создаваемая предприятием в точке размещения поста.
ф
4.6. Выполнение требований международных
конвенций по защите атмосферы
Защита озонового слоя. Озон, содержащийся в атмосфере преимущественно
на высоте 10—50 км, служит своеобразным щитом, предохраняющим живые
организмы от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Установлено,
что концентрация озона над отдельными территориями Земли периодически
уменьшается. Такие явления получили название "озоновые д ы р ы " . Существует две гипотезы образования "озоновых д ы р " . Согласно первой, которая
в настоящее время получила наибольшее признание, уменьшение содержания озоновых частиц в атмосфере связано с воздействием так называемых
озоноразрушающих веществ, к которым относятся хлорфторуглероды (ХФУ),
бромфторуглероды (БФУ), а также оксиды азота и углерода. В разрушении
озонового слоя подозревается еще целый ряд веществ. По второй гипотезе
мерцание озоносферы вызвано природными еще непознанными процессами.
Такой точки зрения придерживается небольшое число исследователей. В этом
направлении ведутся интенсивные поиски, которые в случае успеха могут
дать колоссальный экономический эффект.
Поскольку первая гипотеза в настоящее время является превалирующей,
усилия международного сообщества направлены на замену озоноразрушающих веществ "озонобезопасными", что связано со значительными затратами
на изменение технологии производства группы химических продуктов, используемых в качестве хладагентов в холодильной промышленности, в качестве пропелентов в аэрозольных баллончиках и для пожаротушения.
В соответствии с Венской конвенцией об охране озонового слоя (1985), к
которой Украина присоединилась в 1986 г., а также ряда Протоколов к этой
конвенции к 2000 году все страны-участницы Конвенции должны прекратить
производство и использование практически всех озоноразрушающих средств.
Собственного производства ХФУ Украина не имеет. Потребности промышленности в этих веществах обеспечиваются поставками из России. Основными
потребителями ХФУ являются Донецкий и Симферопольский заводы бытовой
химии, которые выпускают продукцию в аэрозольных упаковках (годовое
220
Экология города
потребление ХФУ — 3060 т), а также предприятия по выпуску холодильной
техники (годовое потребление ХФУ — 4200 т). ХФУ используются также при
пожаротушении — потребление 40 т/год. На Донецком и Симферопольском
заводах взамен ХФУ в качестве распылителя (пропелента) применяется смесь
пропана и бутана. В дальнейшем предполагается переход на беспропелентный тип упаковок с распылением при помощи встроенных мининасосов.
Наблюдение за состоянием озонового слоя ведется в Украине на шести
озонометрических станциях, расположенных в городах Борисполе, Киеве,
Львове, Прилуках, Симферополе, Тернополе.
Предотвращение глобального изменения климата. Как уже отмечалось
(разд. 4.1.1), одной из функций атмосферы является защита планеты от охлаждения и регулирование климата. Пропуская солнечную радиацию, атмосфера задерживает отражение тепла от поверхности земли. Установлено (Аррениус, Кирхгоф и др.), что углекислый газ в значительной мере поглощает
инфракрасное тепловое излучение.
Научно-технический прогресс способствовал нарастанию содержания углекислого газа в атмосфере за последние 100 лет на 20—30%, что привело, по
мнению ученых, к повышению глобальной средней температуры в приземном
слое на 0,3—0,6° С. В связи с дальнейшим накоплением в атмосфере углекислого и других парниковых газов (оксиды азота, водяной пар и др.) к середине
XXI ст. ожидается повышение глобальной температуры на 1,5—2,5° С.
В 1992 году Украина присоединилась к Рамочной конвенции ООН об
изменении климата. Одним из требований конвенции является разработка и
осуществление мероприятий, направленных на приостановление потепления
путем сокращения использования топливно-энергетических ресурсов и широкого внедрения установок солнечной и ветровой энергии, а также других
видов энергетических ресурсов, не загрязняющих атмосферу. Это должно
обеспечить сокращение выбросов оксида углерода и других парниковых газов в первом десятилетии XXI века на 10—11%.
Украина присоединилась к международным Протоколам по сокращению
выбросов серы (1995 и 1999), действие которых направлено на ограничение
выпадения кислотных дождей. Это достигается тем же комплексом мер, направленных на сокращение вредных выбросов в атмосферу. Страны-участники этих международных соглашений обязались сократить выбросы соединений серы в ближайшие десятилетия примерно на 30%.
4.7. Микроклимат городской среды
Архитектурно-планировочные и техногенные особенности городской
территории способствуют формированию местного климата, отличного от
климата пригородной территории (табл. 4.8). В промзон&х, на отдельных
улицах, кварталах, площадях, парках и т.п. создаются свои особые микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, наличием
промышленных предприятий, почвенным покрытием, распределением зеленых насаждений и водоемов.
221
Раздел 4. Воздушная среда города
На формирование городского климата оказывают влияние:
• прямые выбросы тепла и изменения режима солнечной радиации;
• пылегазовые выбросы промышленных предприятий и транспорта;
*
• изменения теплового баланса за счет уменьшения испарения, малой
проницаемости подстилающей поверхности, способствующей быстрому стоку воды и значительной теплопроводности покрытий (крыш, стен
зданий, мостовых и т.д.);
• пересеченность местности, создаваемая городской застройкой, большая
доля вертикальных поверхностей, что приводит к взаимному затенению
домов и образованию котловинных условий на фоне равнинного рельефа.
Нередко сами города располагаются в естественных котловинах.
Таблица 4.8. Различия климата в крупных городах и прилегающей сельской
местности в средних широтах
Метеорологические факторы
В городе, по сравнению с сельской местностью
Радиация общая
на 15—20% ниже
Ультрафиолетовое излучение зимой
на 30% ниже
Ультрафиолетовое излучение летом
на 5% ниже
Продолжительность солнечного
сияния
на 5—15% ниже
Температура среднегодовая
на 0,5—1,0° С выше
средняя зимняя
Продолжительность отопительного
сезона
на 1—2° С выше
на 10% меньше
Примеси
— ядра конденсации и частицы
в 10 раз больше
— газовые примеси
в 5—25 раз больше
Скорость ветра среднегодовая
на 20—30% ниже
штормовая
на 10—20% ниже
штили
на 5—20% чаще
на 5—10% больше
Осадки суммарные
в виде снега
на 5% меньше
Число дней с осадками меньше 5 мм
на 10% больше
Количество облаков
на 5—10% больше
Повторяемость туманов зимой
летом
Относительная влажность зимой
летом
иногда
Грозы (частота)
на 100% больше
на 30% больше
на 2% меньше
на 8% меньше
на 11—20% меньше
в 1,5—2 раза меньше
222
Экология города
Перечисленные факторы действуют комплексно, хотя и неодинаково в
разных условиях климата и погоды.
Солнечная радиация в условиях крупных промышленных центров оказывается пониженной вследствие уменьшения прозрачности из-за большого количества пылевых частиц и аэрозолей. Поступление ультрафиолетовых лучей сильно ослабляется за счет мутности атмосферного воздуха и
высокой застройки в узких улицах. С другой стороны, в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и мостовыми. Этим обстоятельством обусловлено чувство зноя и духоты, характерное для городов летом.
Из-за загрязненности воздушного бассейна в городах снижается эффективное излучение и, соответственно, ночное охлаждение. Изменение радиационного баланса, дополнительное поступление тепла в атмосферу при сжигании топлива и малый расход тепла на испарение приводят к повышению
температуры внутри города, по сравнению с прилегающей местностью.
Указанные выше факторы являются причиной образования так называемого "острова тепла" над городом. Размер "острова тепла" и его показатели
изменяются во времени и пространстве под влиянием фоновых метеорологических условий и местных особенностей города. Закономерности изменения
температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральной части города показаны на рис. 4.19.
Рис. 4.19. Сечение "острова тепла" над городом
На границе раздела "город — сельская местность" возникает значительный горизонтальный градиент температуры, соответствующий "утесам острова тепла", достигающий иногда 4° С/км. Большая часть города представляет собой "плато" теплого воздуха с повышением температуры по направлен и ю к центру города. Термическая о д н о р о д н о с т ь " п л а т о " нарушается
"разрывами" общего характера поверхности в виде областей холода — парки,
Раздел 4. Воздушная среда города
223
водоемы, луга и областей тепла — промышленные предприятия, плотная застройка зданиями. Над центральной частью больших городов располагается
"пик острова тепла", где температура воздуха максимальна. В крупных агломерациях может наблюдаться несколько таких " п и к о в " , обусловленных наличием промышленных предприятий и плотной застройкой.
По данным метеорологических исследований, тепловое влияние городов
проявляется в пределах 100—500-метрового слоя атмосферы, а иногда и 1 км.
Большая аэродинамическая шероховатость подстилающей поверхности и наличие "островов тепла" определяют особенности ветрового режима города.
Ветровой режим города характеризуется существованием местной циркуляции. Например, при слабых ветрах до 2—3 м/с у поверхности земли может
возникнуть поток холодного воздуха, направленного к "острову тепла", а у
вершины "острова тепла" формируется поток теплого воздуха к окраинам города. В самом городе различия в нагреве освещенных и затененных частей
улиц и дворов также обусловливает местную циркуляцию воздуха. В ней восходящий поток образуется над поверхностью освещенных стен, а нисходящий
— над затененными стенами и частями улиц или дворов. Наличие водоемов
способствует формированию дневной местной циркуляции, подобной бризам,
от водоема к застройке, что весьма желательно жарким летом. Одновременно
такая циркуляция может способствовать захвату загрязняющих примесей.
Зеленые насаждения снижают скорость ветра и способствуют осаждению примесей.
Скорость ветра в городе, как правило, снижается по сравнению с открытой
территорией. Но в некоторых случаях возможно усиление ветра, например, в
городах, располагающихся на холмистой местности или при совпадении направления ветра с направлением улицы ("эффект аэродинамической трубы").
Влажность воздуха в крупных городах ниже, чем в окрестностях, что связано с повышением температуры и общим снижением содержания влаги в
атмосфере над городом как результат уменьшения испарения (табл. 4.8).
Наибольший контраст влажности в системе город — окрестности наблюдается летом, а в суточном — в вечернее время.
В климатических зонах, где зимой выпадает снег или поверхность земли
замерзает, воздух в городе может быть более влажным за счет техногенных
источников пара.
Влияние города на выпадение жидких и твердых осадков различно. Зимой отмечается снижение до 5% в выпадении снега, летом наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центре, а на окраине.
При высокой влажности воздуха повышенная конвективная неустойчивость и загрязненность воздушных масс над городом благоприятствуют образованию облачности. В процессе преобразования облаков из кучевых в мощные кучевые и кучево-дождевые происходит их смещение под влиянием преобладающего переноса воздушных масс. Осадки выпадают преимущественно
в подветренных районах города и за его пределами. Если влажность воздуха
недостаточна для образования облаков, мощные конвективные потоки, обра-
224
Экология города
зующиеся над центром города, являются препятствием для горизонтальных
воздушных потоков, поступающих в наветренную часть города. Приходящие
массы воздуха испытывают дополнительный вынужденный подъем, вследствие чего образуется облачность и выпадают осадки.
Различия в температурно-влажностном режиме города и прилегающих
окрестностей влияют и на распределение атмосферных явлений. Так, туманов в городе может быть больше при ослаблении скорости ветра или
значительной загрязненности воздуха. С повышением температуры и понижением относительной влажности воздуха туманов в городе становится
меньше, чем за городом.
С учетом реально сформировавшихся климатических условий города и условий природно-климатической зоны проводят мероприятия по улучшению городского климата, которые условно могут быть разделены на следующие группы:
• мероприятия по регулированию скорости ветра и вентиляции города
(планировка городской застройки и улиц, ориентация зданий, создание
древесно-кустарниковых и травянистых насаждений различного типа,
систем водоемов и т.д.);
• мероприятия по уменьшению потерь тепла зданиями (конструкция окон,
ориентация зданий, планировочные решения, касающиеся взаимного
расположения зданий и групп зеленых насаждений);
• мероприятия по регулированию относительной влажности воздуха (создание водоемов и водотоков, увеличение площади поверхности с естественным проницаемым покровом, полив зеленых насаждений, мойка
улиц и площадей и т.п.);
• мероприятия по борьбе с загрязнением воздушного бассейна путем расположения загрязняющих объектов вне городской черты или в подветренной части городов, созданием высоких дымовых труб (до 250 м),
способствующих рассеиванию примесей, эффективным использованием газоочистного оборудования, переходом на менее токсичные виды
топлива, использованием более экономичных установок для сжигания
топлива, регулированием или прекращением выбросов вредных веществ
при неблагоприятных метеоусловиях вплоть до приостановки работы
предприятий, переходом на безотходные или замкнутые циклы производства, предотвращением пыления в промышленности, строительстве,
транспорте;
• мероприятия по регулированию поступления солнечной радиации (планировка улиц и кварталов, зеленых насаждений, использование разноуровневой застройки, окраска стен, крыш и мостовых, конструкция зданий и их элементов и т.п.).
Все эти мероприятия должны использоваться интегрировано. Использование лишь отдельных элементов не может значительно улучшить условия
проживания людей в городах. Решение проблем улучшения микроклимата
городской среды позволит сделать города привлекательными и безопасными
для жизни и деловой деятельности, подлинными центрами развития современной цивилизации.
Раздел 4. Воздушная среда города
225
4.8. Вредные физические воздействия
К числу вредных
физических воздействий относят:
*
• ионизирующие излучения — радиационные воздействия высокого уровня
энергии (потоки а-, (3- и у-частиц, образующиеся при радиоактивном
распаде или в ускорителях), электромагнитные излучения длиной волны менее 10~ см;
7
• неионизирующие излучения — часть электромагнитного спектра длиной волны более 10" см в диапазоне от низких до лазерных частот,
малые дозы радиоактивного излучения;
7
• акустические воздействия — шум, ультразвук и инфразвук;
• вибрация.
Ионизирующие излучения характеризуются высокой степенью биологического воздействия на уровне молекул и клеток, отдельных органов и организма в целом. При этом происходит поглощение биосубстратом энергии излучения, ионизация атомов и молекул, повреждение молекулярных соединений и образование активных свободных радикалов. Реакции организма,
которые включают как соматические, так и генетические изменения, зависят
от вида излучения, скорости поглощения энергии, поглощенной дозы излучения, распределения энергии облучения в организме, индивидуальных особенностей организма.
Неионизирующие излучения не оказывают столь быстрого разрушающего
действия на живые организмы, однако отдаленные последствия его воздействия часто оказываются достаточно опасными.
4.8.1. Радиационное воздействие
При облучении людей от источников радиоактивных излучений в дозах
до 1 грея (Гр) повышается вероятность развития онкологических заболеваний и проявления генетических дефектов. Эти последствия значительно удалены во времени от момента облучения. При воздействии больших доз облучения последствия проявляются быстро в форме острой лучевой болезни,
причем чем выше полученная доза облучения, тем быстрее и острее проявляется ее губительный эффект.
Воздействующее на живой организм излучение подразделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение предполагает, что источник воздействия находится вне организма. Оно связано в основном с бета- и гаммаизлучением, имеющими высокую проникающую способность. В случае, если
радиоактивные вещества с пищей или вдыхаемым воздухом попадают внутрь
организма, появляется источник внутреннего облучения. При внутреннем
облучении на клетки организма воздействуют альфа-частицы.
8
»-З
2
226
Экология города
Радиоактивное облучение связано с воздействием источников как естественного происхождения, так и созданных человеком. Основная часть получаемой жителями Земли дозы облучения обусловлена естественными источниками. Средняя годовая индивидуальная эквивалентная доза от них составляет для землян 2 миллизиверта (мЗв). Для жителей Украины этот показатель
выше и равен, по данным Министерства здравоохранения Украины, 4,46 мЗв.
Дозы облучения населения от естественных источников радиации зависят от высоты городов над уровнем моря, геологического строения и планировочно-архитектурных особенностей территории.
Для жителей горных местностей возрастает доля космического излучения в полученной за год эквивалентной индивидуальной дозе. Так, при
подъеме от уровня моря до 2000 м облучение от космических лучей возрастает в несколько раз.
Повышение дозы облучения может быть вызвано использованием при
строительстве зданий, дорог или планировке территорий материалов с высоким содержанием радионуклидов.
Опасным естественным источником внутреннего облучения человека является газ радон. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, не имеет цвета и запаха. Радиоактивными свойствами обладают радон-222 и радон-220, которые являются продуктом распада радия-226. Радон эманирует из горных пород через
почву и скапливается в помещениях первых этажей зданий, особенно при их
недостаточной вентиляции. Определенный вклад в поступление радона в
жилые помещения вносят материалы, из которых они построены, и вода,
поступающая из скважин. Радон скапливается в ванных комнатах особенно
при пользовании душем.
Проведенные в 18 областных городах Украины замеры активности радона-222 в различных помещениях показали, что на первых этажах многоквартирных домов она составляет в среднем 48 Бк/м , для этажей выше первого —
22 Бк/м , а в одноэтажных строениях — 92 Бк/м . В одном и том же городе
концентрации радона могут отличаться на два порядка в зависимости от архитектурно-планировочных решений зданий.
3
3
3
Действующие в Украине нормативы допускают предельную среднегодовую концентрацию радона-222 в помещениях домов 50 Бк/м . Проектами
детских дошкольных учреждений и школ должны обязательно предусматриваться противорадоновые меры.
3
Источники радиоактивного излучения, созданные человеком, от светящихся
циферблатов и аппаратов медицинской диагностики до атомного оружия и
атомной энергетики, привели к возрастанию как индивидуальных, так и коллективных доз облучения.
По оценкам международных организаций, основную *дозу, получаемую
человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры. Рентгенологическое обследование получило в мире очень широкое
распространение и составляет в развитых странах от 300 до 900 обследований
в год на 1000 жителей, не считая "обязательной" флюорографии. Дозы облу-
Раздел 4. Воздушная среда города
227
чения, получаемые пациентами, во многом зависят от квалификации персонала и состояния оборудования. Нормы диагностического медицинского облучения в Украине предусматривают непревышение индивидуальной дозы,
получаемой от этого источника, 1 мЗв в год. Большие дозы могут быть получены при леченйи с использованием радиационного облучения.
Источники ионизирующего излучения используют во многих приборах,
предназначенных для контроля качества продукции, в исследовательских целях и т.п. Возможность сверхнормативного облучения в этих случаях связана
в основном с недостаточной квалификацией или безответственностью персонала. Годовой лимит индивидуальной дозы для персонала, работающего с
источниками радиации, составляет в Украине 20 мЗв. Для населения доза
облучения, связанная с влиянием техногенных производственных источников, не должна превышать 1 мЗв в год.
Несмотря на то, что объем испытаний атомного оружия существенно сократился, по сравнению с 50—60 годами XX ст., на поверхность Земли с
атмосферными осадками продолжают поступать из стратосферы долгоживущие радионуклиды, способствуя повышению радиационного фона. Так, в Харькове индивидуальная эквивалентная доза в 1962 г. составляла 1,83 мЗв, в 1982
г. — 4 мЗв, а в 1992 г. — уже 6,1 мЗв.
Атомный энергетический цикл вносит существенный вклад в повышение
радиационного фона, в частности при складировании объемных радиоактивных отходов, образующихся в процессе добычи и обогащения урановых руд и
при захоронении отработанного ядерного горючего и отслужившего срок эксплуатации оборудования АЭС. Однако наибольшую опасность представляют аварии на атомных электростанциях.
В 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции, расположенной в
80 км от Киева, произошла авария, которую оценивают как крупнейшую
техногенную катастрофу в истории человечества. В результате многотонного
выброса радиоактивных веществ произошло загрязнение атмосферы над всей
планетой, причем в составе материала выброса было установлено присутствие более 500 радионуклидов с различными периодами полураспада. Радиационный фон вблизи места аварии составлял тысячи рентген в час, что привело к необходимости отселения жителей Чернобыля и Припяти.
В Киеве в 1986 г. радиационный фон в течение нескольких месяцев в
сотни раз превышал естественный. Произошло загрязнение поверхностных
источников водоснабжения города, в связи с чем был срочно обеспечен переход на использование подземных источников. В первые недели после аварийного выброса основную роль в распространении радиоактивного загрязнения играли воздушные потоки. В дальнейшем миграция радионуклидов из
зоны загрязнения определялась преимущественно гидродинамикой грунтовых и поверхностных вод. Поступление радиоактивных веществ в Киевское
водохранилище в первый период ликвидации последствий аварии привел к
радиоактивному загрязнению донных отложений. Как показывают данные
мониторинга, происходит неуклонное продвижение к югу фронта повышенной концентрации радионуклидов в донных отложениях, сопровождающее
8*
228
Экология города
естественное перемещение осадков вниз по каскаду Днепровских водохранилищ. Это угрожает ухудшением радиационной обстановки в Днепропетровске, Запорожье, Черкассах и других городах Приднепровья.
Для обеспечения защиты населения от воздействия радиоактивного излучения в Украине принят ряд законодательных актов и ведомственных нормативных документов. В соответствии с ними, в частности, предусмотрен обязательный радиационный контроль в строительстве и производстве строительных материалов для обеспечения допустимых уровней регламентированных
параметров: эффективной удельной активности естественных радионуклидов в
строительных материалах, мощности поглощенной дозы радиации в помещении, среднегодовой эквивалентной равновесной объемной активности радона222 в воздухе помещений. Под строгим контролем должна находиться медицинская аппаратура, используемая для рентгенодиагностики.
Неотложной проблемой является создание в Украине постоянного хранилища отходов атомной энергетики, строительство которого планируется
осуществить в ближайшее десятилетие.
В рамках международного сотрудничества необходимо добиваться отказа
всех стран от проведения испытаний и использования ядерного оружия, а
также усиления контроля за безопасностью сооружений ядерной энергетики.
4.8.2. Магнитные, электрические и электромагнитные
поля и излучения
Организм человека, как показывают проведенные в последние годы исследования, реагирует на изменение напряженности магнитного поля. Так,
магнитные бури, возникающие в период солнечной активности, вызывают
нарушения сердечно-сосудистой системы.
Искусственные магнитные поля, создаваемые постоянным электрическим
током большой силы, характеризуются напряженностью до нескольких тысяч ампер на метр.
Нормативная величина напряженности постоянного магнитного поля,
образующегося вблизи установок и линий электропередач постоянного тока,
в течение рабочего дня составляет 8000 А/м, предельно допустимый уровень
напряженности не установлен.
При контактной сварке, где величина тока достигает 1000 А и более, возникает магнитное поле до 10 кА/м.
Наряду с магнитным постоянный электрический ток создает электрическое поле, называемое электростатическим. Электростатическое поле высокой
напряженности оказывает негативное воздействие на организм*человека, в частности вызывает расстройства нервной системы, отрицательно влияет на репродуктивную функцию организма, особенно у мужчин. Нормативная величина напряженности электростатического поля в течение рабочего дня составляет 20 кВ/м, предельно допустимый уровень напряженности — 60 кВ/м.
229
Раздел 4. Воздушная среда города
Источником электромагнитных полей является переменный ток. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью (В/м) и плотностью потока мощности (Вт/м ). Создаваемые электромагнитным полем электромагнитные волны характеризуются частотой колебаний (Гц).
*
Переменный ток промышленной частоты (50 Гц) передается по линиям
электропередач напряженностью 330, 500, 750 и 1150 кВ. Источниками низкочастотного (50 Гц) электромагнитного излучения являются также открытые распределительные устройства и электроустановки переменного тока. При
частоте 50 Гц опасным считается электромагнитное излучение при напряжении тока свыше 400 кВ.
Для защиты населения от воздействия поля, генерируемого воздушными
линиями электропередач, устанавливаются санитарно-защитные зоны по обе
стороны трассы (табл. 4.9).
2
Таблица 4.9. Размеры санитарно-защитной зоны вдоль
воздушных линий электропередач
Напряжение в сети
Размер санитарно-защитной зоны
линий электропередач, кВ
от оси линии электропередач, м
330
20
500
30
750
40
1150
55
Источниками электромагнитных излучений являются также радиотехнические и электронные устройства: связь, локация, радио и телевидение. Электромагнитные излучения этих установок находятся в диапазоне радиочастот
от 10 до 1 0 Гц.
3
1 2
Вокруг любого источника электромагнитного излучения образуются три
зоны воздействия: ближняя (индукции), промежуточная (интерференции) и
дальняя (волновая).
Зона индукции простирается от источника на расстояние R < "k Hit,
где X — длина волны, м. Зона интерференции находится в пределах от Х/2л
до 2к "К. Волновая зона начинается от R > 2кХ.
По мере удаления от источника излучения интенсивность воздействия
электромагнитного поля затухает.
В зоне индукции, где электрическое и магнитное поля существуют как
бы независимо друг от друга, напряженность электрического поля (Е) уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния от источника излучения,
а напряженность магнитного поля (Н) — обратно пропорционально квадрату
расстояния от источника. В волновой зоне, где существует строгое соотношение между электрической и магнитной составляющими электромагнитно-
230
Экология
города
го поля: Е=377Н, напряженность электромагнитного поля снижается пропорционально расстоянию от источника излучения.
Интенсивность электромагнитного излучения характеризуется плотностью потока энергии — количеством энергии, падающей на единицу поверхности: П=Е Н/2, Вт/м .
2
Для радиочастот: П = PQ/AkR , Вт/м , где Р — мощность излучателя, Вт;
Q — коэффициент усиления антенны; R — расстояние между антенной и
точкой наблюдения, м.
2
1
Воздействие электромагнитного излучения на жителей населенных пунктов зависит от мощности источника и частоты.
В табл. 4.10 приведены допустимые уровни воздействия электромагнитного излучения.
Таблица 4.10. Предельно допустимые уровни воздействия электромагнитных
излучений для населенных пунктов
Диапазон электромагнитных волн
Длина
волны, м
Средние радиоволны
Короткие волны
Ультракороткие
радиоволны
Сверхчастотные
радиоволны
при непрерывном
режиме генерации
Сверхчастотные
радиоволны при
импульсном режиме
генерации
по напряженности
электромагнитного
поля, В/м
Гц
Электрический ток
промышленной
частоты
Длинные радиоволны
Предельно допустимый уровень
облучения
Частота,
50
св. 1000
менее 10
1000-100
10 — 1,5- 10
s
100-10
610 —310
10-1
310 —310
6
7
0 , 1 - 0 , 0 0 1 3-Ю —3-Ю
9
1 - 0 , 0 0 1 3-10 —3-10
9
5
б
7
8
1 0
1 0
по плотности
излучения,
Вт/м
2
1000
не нормируется
не нормируется
не нормируется
10
не нормируется
4
не нормируется
2
не нормируется
не нормируется
0,01
не нормируется
0,05
*
Для защиты населения от воздействия электромагнитного поля высокой
частоты радиостанции, телецентры, ретрансляторы и другие источники радиоволнового излучения мощностью свыше 100 кВт должны размещаться за пределами населенных пунктов. Если источники радиоволнового излучения распо-
Раздел
4.
Воздушная
231
среда города
лагаются в городской черте, то вокруг них в обязательном порядке должна быть
создана санитарно-защитная зона (СЗЗ), состоящая из зоны строгого режима и
зоны ограниченного пользования. На внешней границе зоны строгого режима
напряженность электромагнитного поля не должна превышать 20 В/м, а на внешней границе зоны ограниченного пользования — 2 В/м. В зоне строгого режима
находится источник радиоволнового излучения. Она, как правило, ограждена и
охраняется. В пределах СЗЗ не допускается расположение жилых домов. Размеры СЗЗ определяются расчетом, исходя из суммарной мощности передатчиков,
типа, высоты и коэффициента усиления антенны, рельефа местности. Расчетные размеры СЗЗ составляют от нескольких сот метров до 1—2 км. С увеличением высоты антенн, в частности для локаторов непрерывного действия, напряженность создаваемого электромагнитного поля возрастает по вертикали, что
необходимо учитывать при установлении границ СЗЗ и этажности застройки в
зоне влияния источника радиоволнового излучения (рис. 4.20 и 4.21).
3
2
Рис. 4.20. Схематическая диаграмма направленности излучения радиолокатора:
1 — направление максимального излучения, совпадающего с главным лепестком (2);
3 — боковые лепестки; 4 — задний лепесток
Рис. 4.21. Контуры вертикального сечения санитарно-защитной зоны
и зоны ограниченной застройки, построенные по уровню АМП,
равному предельно допустимому:
1-8 — номер луча: А — контур постоянного уровня ЭМП, равного предельно допустимому, от
источника СВЧ диапазона; Б — то же от источника ВЧ и СЧ диапазона
232
Экология города
4.8.3. Акустические воздействия и вибрация
Акустическое воздействие — шум представляет собой беспорядочные колебания сложной спектральной структуры, часто смешанные с периодическими акустическими колебаниями. Интенсивность и спектральный состав
шума определяют качественные особенности восприятия его органами слуха
человека и степень воздействия на организм в целом.
Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяются на
ультразвук, звук и инфразвук. При частоте от 16 до 20 ООО Гц акустические
колебания воспринимаются органами слуха человека. Колебания с частотой
более 20 ООО Гц относят к ультразвуковым, с частотой менее 16 Гц — к инфразвуковым колебаниям. Выделяется также диапазон частот от 2 Т 0 до 10 Гц,
который получил название гиперзвуковых.
4
9
Громкость звука зависит от амплитуды звуковых колебаний, а сила (или
интенсивность) звука / характеризуется мощностью звука, приходящейся на
единицу площади, и выражается в Вт/м .
2
Звуковое воздействие оценивают относительной интенсивностью звука
L , для числового выражения которой принята единица децибел (дБ).
p
Относительная интенсивность звука определяется выражением:
L = 10 1 g ( I / I ) , где / — стандартный порог слышимости, которому соответствует пороговое стандартное давление Р = 2 Т 0 Па.
p
0
0
-
5
0
Источники шума в городах разнообразны. Основной источник, ответственный примерно за 80% общей акустической нагрузки, — транспорт.
На крупных транспортных магистралях уровень шума составляет 85—92 дБ
с максимумом звукового давления в диапазоне частот 400—800 Гц. Интенсивный шум создает железнодорожный транспорт. Даже на расстоянии 200 м
от железнодорожной линии его уровень составляет примерно 60 дБ.
Мощными источниками шума, с которыми связано акустическое загрязнение среды на большой территории, являются аэропорты. Особенно интенсивный шум создается самолетами при взлете. Так, например, уровень
шума на расстоянии 1 км от взлетной полосы при взлете самолета АН-24
достигает 107—110 дБ.
Уровень шума в городах за счет роста населения, увеличения скоростей и интенсивности движения транспортных средств возрастает примерно на 0,5—1 дБ в год, а в некоторых крупных городах рост акустической
нагрузки достигает 2 дБ в год.
Жилые помещения, особенно расположенные в многоэтажных домах,
имеют большое число "внутренних" источников шума: работающие лифты,
вентиляторы, насосы, телевизоры, магнитофоны могут создавать шум интенсивностью от 70 до 95 дБ. Громкий разговор по телефону является источником акустического воздействия интенсивностью до 70 дБ.
Сильный шум отрицательно воздействует на органы слуха человека, причем в первую очередь ухудшается восприятие высоких звуков, а затем и низ-
Раздел 4. Воздушная среда города
233
ких. Постоянное его воздействие снижает трудоспособность, может стать
причиной неврозов и многих других заболеваний. Наиболее чувствительны к
воздействию шума люди старших возрастов. Если в возрасте до 27 лет на шум
реагируют примерно 46% людей, то в возрасте от 58 лет и старше — 72%.
Более восприимчивы люди к акустическому воздействию в ночные часы.
Однако человек постоянно жил и живет в мире звуков, и абсолютная
тишина его угнетает. Попытки создать "рабочую обстановку" в производственных помещениях путем их полной звукоизоляции приводили к нервным
срывам и потере работоспособности. Звуки определенной силы стимулируют
процесс мышления. Эффект "тихого уличного шума", создаваемого музыкой
и негромкими разговорами, наиболее благоприятствует рабочей обстановке.
Санитарные нормы, принятые в Украине, при определении допустимого уровня звука на территории жилой застройки учитывают специфику
помещений (жилые дома, больницы, общежития и т.п.) и время суток,
когда проявляется воздействие звуков. Для жилых домов средний допустимый уровень интенсивности звуков (£ ) в дневное время составляет
55 дБ, в ночное — 45 дБ, максимальный уровень ( Ь
) соответственно 70
и 60 дБ. Для территорий, прилегающих к санаториям и больницам, значение допустимого шумового воздействия на 10 дБ ниже, а для гостиниц и
общежитий — на 5 дБ выше. Регламентации подлежат также условия застройки в зоне воздействия аэропортов.
Аэкв
А
м
з
к
с
Вибрация представляет собой механические колебания материальных систем с частотой обычно больше одного герца и с малой амплитудой.
Вибрационные воздействия связаны с акустическими колебаниями низких частот и инфразвуковыми колебаниями. Инфразвуки генерируются многочисленными природными источниками (ураганами, п р е д ш т о р м о в ы м и
явлениями на море, действующими вулканами и т.д.) и способны распространяться на огромные расстояния, огибая препятствия. Мощность инфразвуковых колебаний естественного происхождения невелика.
Города являются сосредоточием техногенных источников инфразвуковых
колебаний и связанной с ними вибрации. К ним относятся компрессорные
станции, вентиляторы, виброплощадки, кондиционеры, градирни, турбины
дизельных электростанций, внутридомовые технические устройства. Уровень
инфразвукового давления достигает мощности от 80 дБ при работе небольших компрессоров до сотен децибел при испытаниях реактивных двигателей.
Вибрация и инфразвук негативно воздействуют на состояние людей, вызывая
ощущение учащенного колебания внутренних органов и болевые ощущения,
синдром морской болезни, а также чувство тревоги, страха, затрудняют интеллектуальную деятельность.
Нормирование уровня вибрации в жилых помещениях по показателям
виброскорости, виброускорения и вибросмещения (в дБ) производится в
диапазоне частот от 2 до 63 Гц с учетом времени суток, характера вибрации
и ее продолжительности.
Меры по защите от акустического загрязнения среды и вибрации могут
быть подразделены на те, которые связаны со снижением шума в самом ис-
Экология города
234
точнике, и те, которые обеспечиваются использованием определенных архитектурно-планировочных решений и специальных звукопоглощающих материалов при строительстве.
При реконструкции городов одним из важнейших мероприятий по улучшению экологической обстановки является вынос аэропорта за пределы города, перевод на специальные автодороги грузового и транзитного автотранспорта. Для акустического комфорта жилых районов устраивается шумозащитное озеленение.
Акустический эффект снижения уровня шума зависит в основном от конструкции и ширины зеленой полосы и ее дендрологического состава. Наиболее эффективной формой поперечного сечения шумозащитной полосы является форма треугольника с пологой стороной, обращенной к источнику шума.
В условиях плотной застройки не всегда удается разместить зеленую полосу требуемой ширины. В этих случаях создаются шумозащитные экраны в
виде вертикальных и наклонных стен из армированного бетона, профилированного листового металла, пластика или стекловолокна.
Аэропорты следует выносить за пределы города, используя специальное акустическое озеленение их окрестностей и рациональную планировку самого аэропорта.
В пределах города защита от транспортного шума обеспечивается внутриквартальными зелеными насаждениями, функциональным зонированием
застройки и специальной планировкой домов с ориентацией окон спален и
большинства общих комнат в сторону дворового пространства.
Защита от внутридомового шума связана с использованием звукопоглощающих материалов, звуконепроницаемых окон и четкой работой коммунальных служб, обеспечивающих исправную работу оборудования.
Защита от вибрационного и инфразвукового воздействия должна быть ориентирована на совершенствование и регулирование источников воздействия.
Влияние на человека акустических колебаний ультра- и гиперзвукового
диапазона нормируется только для рабочей зоны производственных помещений: допустимые уровни звукового давления на расстоянии 0,5 м от контура
источника колебаний и не менее 2 м от отражающих поверхностей — стен, а
по высоте — 1, 5 м от пола не должны превышать 100 дБ при частоте 2-10 Гц
и 110 дБ при частоте 10 Гц. Нормативы допустимого воздействия ультразвуковых колебаний для населенных мест не установлены.
4
5
Контрольные
вопросы
1. Состав атмосферного воздуха. Как изменяются его температура и давление с высотой ? Какие функции выполняет атмосфера ?
2. Нормативы
качества
3. Классификация
атмосферного
источников
4. Влияние метеоусловий
на
воздуха.
выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.
перенос
и рассеивание примесей
в атмосфере.
235
Раздел 4. Воздушная среда города
5. Расчет рассеивания примесей в атмосфере от одиночного
круглым устьем при неблагоприятных метеоусловиях.
6. Разработка
нормативов
7. Трансформация
8. Мероприятия
9. Методы
и
10. Контроль
ПДВ,
Лримесей
по защите
средства
качества
11. Статистические
пунктов.
в
воздушного
с
стационарных источников.
бассейна
городской
среды.
пылегазоочистки.
атмосферного
характеристики
12. Глобальные
и локальные явления,
влияющие
вредных
источника
атмосфере.
13. Факторы,
14. Виды
ВСВ для
точечного
на
физических
воздуха.
загрязнения
связанные
атмосферного
с загрязнением
формирование микроклимата
воздуха
населенных
атмосферы.
города.
воздействий.
15. Шум в городской среде.
16. Защита
от
вредных физических
Рекомендуемая
воздействий.
литература
Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. — JI.: Гидрометеоиздат, 1985. — 272 с.
Владимиров А.М., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды.
— Л.: Гидрометеоиздат, 1991. — 423 с.
Державш саштарш правила планування та забудови населених пунктов. / Затверджено наказом М ш к т е р с т в а охорони здоров'я У к р а ш и вш 19.06.96 №173. — К.,
1996.
Заварина М . В . Строительная климатология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976. — 312 с.
Закон Украши "Про захист людини вщ впливу юшзуючих випромиповань" вщ 14
Ычня 1998 р. №15/98 BP.
Климатология: Учебник / О.А.Дроздов, В.А.Васильев, Н.В.Кобышева и др. — Л.:
Гидрометеоиздат, 1989. — 568 с.
Норми рад1ацшно1 безпеки Украши: НРБУ-97.
Кшв, 1998 р.
Охрана и оптимизация окружающей среды / Под ред. А.А.Лаптева. — К.: Лыбидь,
1990. - 256 с.
Радиация. Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 79 с.
Справочник по пыле- и золоулавливанию. / М.И.Биргер, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков
и др. Под общ. ред. А.А.Русанова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 312 с.
Сытник К.М., Брайон А.В., Гордецкий А.В. Биосфера, экология, охрана природы.
Справочное пособие. — К.: Наук, думка, 1987. — 523 с.
Тшценко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их
распределение в воздухе: Справочник. — М.: Химия, 1991. — 362 с.
Шаприцкий B.H. Справочник. Разработка нормативов ПДВ для защиты атмосферы.
— М.: Металлургия, 1990. — 416 с.
Щербань М.И. Микроклиматология. — К.: Вища шк., 1985. — 240 с.
Раздел 5
ГОРОДСКАЯ ФЛОРА И ФАУНА
5.1. Пути и особенности формирования флоры
и фауны городов
5.1.1. Роль растительного и животного мира
в урбоэкосистеме и жизни городского населения
Город является не только местообитанием популяции человека, но и предоставляет условия для существования различных других видов животных,
растений, грибов, простейших, прокариот, являющихся неотъемлемыми элементами среды обитания горожанина.
Часть этих видов (первая группа) существуют только в одомашненном (животные) или окультуренном (растения) состоянии и используются человеком
для удовлетворения его жизненных потребностей — в лекарственных препаратах, материалах для строительства и отделки жилищ, средствах передвижения (как, например, лошадь, осел), общении (как, например, собаки и кошки). Значение последних в жизни городского человека намного выше, а значение сельскохозяйственных видов животных и растений в городах намного
меньше, чем в жизни сельского жителя.
Вторая группа — животные и растения, не одомашненные или окультуренные в полном смысле этих слов, а обитающие в неурбанизированной среде
иных природно-климатических зон, отличных от данной, в городах могут
жить только в жилищах человека или в специальных сооружениях (оранжереи,
теплицы, террариумы, аквариумы, вольеры и т.п.), где искусственно создаются и поддерживаются условия существования и размножения организмов
этих видов. К этой группе относятся экзотические растения и животные, составляющие основу научных (зоологические парки, ботанические сады, питомники) и частных коллекций — комнатные и оранжерейные растения, аквариумные рыбы, обитатели террариумов, инсектариев, комнатные и декоративные птицы и млекопитающие. Более того, именно в городах — начиная с
Древнего Египта и Месопотамии, пройдя через эпоху античности, испытав
"новое рождение" в эпоху Возрождения и особенно в новое время — и зародилась традиция выращивания таких растений и содержания таких животных
с целью удовлетворения исключительно эстетических
коммуникативных
потребностей человека (а позже — и потребностей в "душевном комфорте").
В настоящее время эта тенденция не ослабевает, и с каждым поколением все
больше и больше горожан вводят в свои жилища на правах постоянных жителей и даже своего рода "членов семей" животных и растений из этой группы
видов, не считая уже упомянутых выше собак и кошек, превращая города в
237
Раздел 5. Городская флора и фауна
подобие Ноева ковчега. В жизни сельских жителей декоративные экзотические виды играют незначительную роль, поскольку, с одной стороны, их место уже занято одомашненными животными и культурными растениями, а с
другой — "среднестатистический" сельский житель имеет больше, чем горожанин, возможностей разнообразных утилитарных и неутилитарных контактов с дикими видами животных и дикорастущими видами растений в непосредственном окружении его поселений. Для большинства же городских жителей именно виды растений и животных первых двух групп являются порой
единственным (к сожалению!) "окном в природу" (В. Песков).
Третья группа видов — это также неодомашненные животные и неокультуренные растения, которые человек сознательно (преднамеренно) расселяет или
выращивает в городах, но уже не в жилищах, а в природно-антропогенных или
антропогенных местообитаниях. В этой группе выделяют две подгруппы: 1)
новые для региона виды (интродуценты) и 2) аборигенные (автохтонные) виды,
обитающие в новых или измененных условиях среды. Интродуцированные виды
в новых условиях проходят процесс акклиматизации, после чего они либо натурализируются, т. е. могут существовать, сохраняя жизнеспособность без вмешательства человека, либо для их существования (размножения) необходима
постоянная поддержка со стороны человека в виде системы агротехнических
(для растений) или биотехнических (для животных) мероприятий. В последнем случае растения называются интродуцентами открытого грунта (в отличие от тепличных или оранжерейных видов — интродуцентов закрытого грунта), а для обозначения животных вольного или полувольного содержания особого термина не существует (можно говорить о них как акклиматизированных,
но не натурализированных: например, дальневосточные пятнистые олени (Cervus
nippon Temm.) в парках Европы или лани (Dama dama L.) в парках Украины
или странах Балтии). С видами из этой группы горожане также сталкиваются в
повседневной жизни — на городских улицах, в парках, усадьбах, — но в большинстве случаев не знают их названий.
]
Четвертая группа видов — это непреднамеренные интродуценты, "видыпришельцы ", появление которых в данном регионе или городе не предусматривалось человеком, но которые распространились и натурализовались благодаря человеку как агенту переноса организмов или их покоящихся стадий и
в результате антропогенных преобразований ландшафтов, сопутствующих
урбанизации.
Пятая группа видов — синантропные, т.е. виды, живущие в селитебном
ландшафте, в непосредственном соседстве с человеком: в жилищах и других
сооружениях, вблизи жилья и временных построек и распространяющиеся
по мере распространения ландшафта данного класса. Сюда входят: а) виды,
эволюция которых, по крайней мере, с неолита, проходила в контакте с человеческими популяциями (например, полевые сорняки, некоторые тараканы,
Правильнее было бы называть их интродуктами, т.е. введенными в культуру (от лат.
introductio — введение), поскольку интродуцент — это "тот, кто вводит" их в культуру или
способствует натурализации, но в большинстве отечественных и русскоязычных источников в первом смысле используется именно слово интродуцент (Реймерс, 1990).
1
238
Экология города
вши, мышь домовая (Mus musculus L.), и б) виды, лишь в новое и новейшее
время освоившие экологические ниши, параметры которых определяются жизнедеятельностью человека, его домашних животных и окультуренных растений, например, воробей домовый (Passer domesticus L.), голубь сизый (Columba
livia Gm.), стриж черный (Apus apus L.), крыса серая (Rattus norvegicus L.). Тем
не менее более молодые синантропные виды не "порывают" полностью связь
со своими исходными природными местообитаниями и используют их в зависимости от конкретных ситуаций наряду с антропогенными.
Наконец, шестая и, пожалуй, самая многочисленная группа видов — это
дикорастущие растения и дикие животные (англ. wildlife), живущие в городах
в различных местообитаниях — от слабо нарушенных и трансформированных природных до антропогенных. Здесь мы находим большое разнообразие
видов — от сохранившихся в виде малых остатков некогда существовавших
жизнеспособных популяций, а ныне обреченных на вымирание, до активно
или пассивно проникающих в города и процветающих в них. То есть все те
виды растений, животных, грибов — "союзники", "нежелательные соседи"
или "вредители", которые, наряду с видами из пятой, четвертой и отчасти
третьей групп формируют флору и фауну городов, эту "жизнь среди жизни"
(А. Гапченко), развивающуюся рядом с человеком, помимо его воли и даже
вопреки его желанию.
Так, невозможно переоценить роль зеленых насаждений в улучшении
городского климата, свойств почв, очищении воздуха от загрязняющих примесей и болезнетворных агентов, шумопоглощении, т.е. во всем том, что составляет сущность фитомелиорации (подробнее — раздел 5.3). С другой стороны, растения выделяют в окружающую человека среду вещества или свои
части, вызывающие у человека аллергические реакции (то же самое относится и к животным). Сорные растения также являются нежелательным, хотя и
неотъемлемым элементом урбоэкосистемы, а многие виды животных и микроорганизмов, обитающие в городах, являются возбудителями или переносчиками заболеваний. В то же время некоторые из них выполняют санитарные функции, участвуя в процессах разложения органического вещества производственных и бытовых отходов (см. разд. 8). Трудно себе представить
современный город, лишенный шума деревьев и прохлады, которую они дают
в жаркий летний день, запахов цветущих растений, пения птиц, стрекотания
насекомых — всего того, что формирует дружественную человеку среду обитания, прежде всего в эстетическом смысле, и благодаря чему можно воспитывать подрастающее поколение в духе гармонии с природой. С другой стороны, неухоженные, засыхающие насаждения, заросли сорных растений во
дворах горожан и по обочинам дорог, громкие крики и помет птиц или, например, обезьян (в городах тропических стран) в местах их скоплений являются явными признаками ухудшения именно эстетической IJ санитарно-гигиенической составляющих окружающей среды города. Кроме того, живые
организмы, взаимодействуя с объектами искусственной среды обитания человека, могут повреждать их. Приведенные аспекты взаимодействия человека и других живых организмов, составляющих флору и фауну городов, отображены на рис. 5.1.
239
Раздел 5. Городская флора и фауна
Биологическое и биохимическое загрязнение
Фитомелиорация
Санитарные функции
Улучшение акустической
и визуальной составляющих эстетических
свойств городской среды
Формирование "дружественной" биотической
среды обитания
ФЛОРА
ФАУНА
Санитарно-эпидемиологические проблемы
Ухудшение акустической
и визуальной составляющих эстетических
свойств городской среды
Биологические
повреждения
Рис. 5.1. Роль флоры и фауны в урбоэкоеиетеме
При анализе любых взаимодействий человека с объектами биотической среды города необходимо помнить, что как позитивные, так и негативные (с точки зрения человека) последствия таких взаимодействий являются закономерной реакцией биоты на все те изменения, которые он
вносит в природные ландшафты и экосистемы в процессе создания и развития городов.
Таким образом, рассмотрены аспекты взаимодействия "биота ->• город",
часть из которых более подробно обсуждаются в разделе 5.3.
5.1.2. Роль городов в динамике ареалов видов флоры
и фауны
Прежде чем приступить к рассмотрению аспектов взаимодействия "город -»• биота", необходимо ввести базовые для данного раздела определения:
"растительный мир", " ф л о р а " , "растительность", которые в массовом сознании являются синонимичными, так же, как и "животный м и р " , "фауна", "животное население".
Флора (от лат. Flora — богиня цветов и весны) — это исторически сложившаяся совокупность видов растений, приуроченная к определенному географическому пространству, связанная с его современными природными условиями и геологическим прошлым. Растительность — это совокупность всех растительных сообществ и сопутствующих им группировок растений, населяющих
Землю или определенную область земной поверхности (Миркин и др., 1989).
Растительный мир — это совокупность всех растительных организмов (под-
240
Экология
города
разделяемых или не подразделяемых на таксоны , жизненные формы, экологические группы и т.д.) на некоторой территории или на Земле в целом.
1
Аналогично растительному миру определяется животный мир.
Фауна (от лат. Fauna — богиня животных и охоты) — это исторически
сложившаяся совокупность видов животных, приуроченная к определенному
географическому пространству, связанная с его современными природными
условиями и геологическим прошлым. Животное население — это совокупность всех популяций животных, входящих в состав биотических сообществ
определенной области земной поверхности или Земли в целом.
Следовательно, в понятиях "флора" и "фауна" отражены качественные
аспекты, в то время как понятия "растительность" и "животное население"
отражают количественные аспекты понятий "растительный" и "животный
мир" соответственно (табл. 5.1).
Таблица 5.1. С о о т н о ш е н и е п о н я т и й " ф л о р а " , " ф а у н а " , " р а с т и т е л ь н о с т ь " ,
"животное население"
Часть биоты
Качественный аспект
понятие
методы изучения
Количественный аспект
понятие
методы изучения
Растительный
мир
Флора
Методы стацио- Растительнарных и экскур- ность
сионных флористических исследований
Методы количественного описания на площадках, маршрутах,
сплошного и
выборочного
картирования
Животный
Фауна
Методы стацио- Животное
нарных и экскур- население
сионных фаунистических исследований
Методы количественных учетов
на площадках,
маршрутах,
сплошного и
выборочного
картирования
мир
Изучение флоры и фауны состоит в полном выявлении их видового и
родового состава, а изучение растительности и животного населения предполагает получение количественных характеристик (численность, плотность
населения, проективное покрытие и т.п.) всех видов, входящих в состав сообществ на территории, имеющей какие-либо природные (например, ландшафтно-географические) или административные границы. Следовательно,
введенные понятия можно употреблять применительно к целбму региону и к
Таксон — это базовое понятие биологической (и не только) систематики, достаточно обособленная конкретная группа организмов, связанных той или иной степенью родства, выделяемая в ту или иную таксономическую категорию (вид, род, семейство, отряд, класс и т.д.).
1
241
Раздел 5. Городская флора и фауна
отдельному городу. В последнем случае предпочтительнее использовать понятие "урбанизированная", а не "городская" флора и фауна, если в работе
исследуется растительный и животный мир на всей территории города в административных пределах или на территории городской агломерации. Термины "городская''флора и фауна следует употреблять только в случаях, когда исследуется растительный и животный мир именно городского класса антропогенных ландшафтов (подробнее — раздел 5.2).
Также необходимо отметить, что разделение биоты на растительный и
животный мир (Царство Растений (Plantae) и Царство Животных (Animalia)),
возникшее в эпоху античности, в настоящее время устарело . Тем не менее, в
научной литературе термин " ф л о р а " устойчиво употребляется по отношению
не только к высшим сосудистым растениям, но и к мохообразным, водорослям, грибам и даже микроорганизмам (т.е. всему тому, что "не животное"), в
то время как "фауна" используется для качественной характеристики животного мира территорий (табл. 5.2).
1
Таблица 5.2. У п о т р е б л е н и е терминов, с о д е р ж а щ и х слова " ф л о р а " и " ф а у н а "
для характеристики избранных таксонов на о т д е л ь н ы х т е р р и т о р и я х
Животные
"Растения"
Таксон
1
Термин
2
Таксон
Термин
4
3
Высшие сосудистые
растения (Cormophyta)
Позвоночные
(Vertebrata):
— Покрытосеменные
(Magnoliophyta)
— Млекопитающие Териофауна
(Mammalia)
— Голосеменные
(Pinophyta)
— Папоротникообразные (Pterydiophyta)
Флора высших
(сосудистых)
растений
— Плаунообразные
(Lycopodiophyta)
- Птицы (Aves)
Фауна позвоночных
Орнитофауна,
авифауна
— Пресмыкающиеся (Reptilia)
Герпетофауна
— Земноводные
(Amphibia)
Батрахофауна,
брахифауна
Ихтиофауна
— Хвощеобразные
(Equisetophyta)
1
Мохообразные
(Bryophyta)
Бриофлора
— Рыбы (Pisces)
Группа отделов Водоросли (Algae, seu
Phycota)
Альгофлора
Насекомые (Insecta) Энтомофауна
Группа отделов Грибы
(Fungi, seu Mycota)
Микофлора
Паукообразные
(Arachnea)
Арахнофауна
Лишайники (Lichenes)
Лихенофлора
Моллюски
(Mollusca)
Малакофауна
Современные исследователи выделяют от 5 до 18 царств живой природы.
242
Экология города
Продолжение
1
2
Микроорганизмы в
целом
Микрофлора
Прокариоты (Бактерии) Бактериофлора
(Bacteria)
табл.
5.2
4
3
Паразитические
черви (Plathelminthes, Nemathelminthes и др.)
Подцарство Простейшие (Protozoa)
Ге л ьми нтофауна
Протистофауна
Флора, растительность, фауна и животное население характеризуются структурой, т.е. количественным соотношением элементов, обладающих определенными свойствами. Наиболее часто выделяют следующие аспекты структуры:
• таксономическая структура — соотношение различных таксонов более
высокой, чем вид, категории;
• хорологическая структура — соотношение элементов (таксонов), группируемых по признакам общности ареалов и географического происхождения;
• биоморфологическая структура — соотношение элементов (таксонов),
группируемых по признакам общности жизненных форм (биоморф);
• экологическая структура — соотношение элементов (таксонов), группируемых по признакам общности их экологических характеристик — требования к местообитанию, отношение к избранным экологическим
факторам, особенности кормодобывания и питания и т.д. (т.е. в одну
группу — гильдию — попадают таксоны со сходными параметрами экологических ниш);
• ценотическая структура — соотношение элементов (таксонов), группируемых по признакам общности их функций в составе биоценозов.
Структура флоры, фауны, растительности или животного населения несет в себе информацию о специфике как растительного или животного мира,
так и об экологических условиях на данной территории, т.е. обладает потенциальной индикаторной ценностью. В экологических исследованиях городов
во всем мире флористические и фаунистические характеристики занимают
значительное место и имеют, пожалуй, самую длительную историю изучения, по сравнению с другими компонентами урбоэкосистемы.
Совокупность особей любого вида, сгруппированных в популяции, занимает определенную область земной поверхности — ареал, в пределах которого проходят все этапы жизненного цикла особей на протяжении всей истории существования вида.
Различают
следующие
эволюционно-исторические
типы ареала:
первичный (автохтонный) ареал — область происхождения, изначального
формирования вида (таксона);
вторичный ареал — область, занятая таксоном в процессе расширения
или смены первичного ареала;
Раздел 5. Городская флора и фауна
243
современный ареал — ныне существующая область обитания вида;
потенциальный ареал — область, пока незаселенная видом (таксоном),
имеющая подходящие экологические условия и предпосылки для последующего заселения видом (таксоном);
В зависимости от конфигурации различают следующие пространственные типы ареала:
сплошной ареал — без существенных перерывов в области распространения таксона; в зависимости от характера пространственного распределения
пригодных для существования вида (таксона) условий сплошной ареал бывает ленточным (например, приуроченный к долинам рек) и мозаичным — состоящим из многих небольших участков подходящих местообитаний (например, ареалы европейских видов роющих ос, обитающих в комплексах песков,
распространение которых носит мозаичный характер);
дизъюнктивный ареал — разъединенный в силу причин исторического характера, связанных с геологическими процессами, на несколько значительных, удаленных друг от друга участков современный ареал таксона (например, европейско-дальневосточные разрывы ареалов видов широколиственных лесов, американо-австралийский разрыв ареала отряда Сумчатых);
прерывистый ареал — современный ареал вида (таксона), разъединенный
в результате антропогенных изменений на значительные изолированные участки (например, ареалы большинства видов крупных хищных птиц Палеарктики);
пятнистый ареал — современный ареал вида (таксона), разъединенный в
результате антропогенного воздействия на небольшие изолированные участки или образованный небольшими участками антропогенных местообитаний
(например, ареалы видов-синантропов).
Даже в пределах сплошных ареалов особи видов распределены далеко
не всегда равномерно, а чаще демонстрируют случайный или пятнистый
(агрегированный) характер пространственного распределения — в зависимости от распределения условий существования и действия суммы экологических факторов в различных частях ареала. Так, воспользовавшись данными Атласа гнездящихся птиц Европы (Hagemeijer, Blair, 1997), где впервые в
масштабах континента были привлечены данные о численности видов для
растрового картирования их ареалов, можно увидеть, что даже численность
такого распространенного и массового вида, как воробей домовый (Passer
domesticus L.), распределена неравномерно по континенту и демонстрирует
хорошую положительную корреляцию с плотностью населения человека.
В связи с тем, что в отдельные фазы жизненного цикла особи некоторых
видов могут использовать различные части ареала в определенных целях (в
особенности совершающие сезонные миграции животные), выделяются такие сезонные и экологические модификации современного ареала:
репродукционный ареал, в пределах которого осуществляется размножение
особей;
244
Экология города
трофический ареал, не совпадающий с репродукционным и используемый только во время сезонного нагула мигрирующими или кочующими особями;
зимовочный ареал — часть современного ареала, населяемая особями вида
только во время зимовок, например, территория Украины входит в зимовочный ареал нескольких десятков видов птиц европейско-сибирского (гусь белолобый (Anser albifrons L.), казарка краснозобая (Rufibrenta ruficollis Pall.),
циркум-аркто-бореального (лебедь-кликун (Cygnus cygnus L.), турпан (Melanitta
fusca L.), циркумполярного (пуночка (Plectrophenax nivalis L.), лапландский
подорожник (Calcarius lapponicus L.) распространения и др.;
летовочный ареал — часть современного ареала, населяемая особями вида
только во время летних кочевок за пределами репродукционного ареала (например, территория Украины для некоторых гнездящихся в Субарктике видов куликов).
На протяжении времени существования вида границы его ареала претерпевают изменения, что позволяет выделять такие динамические типы:
расширяющийся
ареал;
сокращающийся
ареал;
пульсирующий (флуктуирующий) ареал — область, на которую ареал распространяется периодически, в наиболее благоприятные для существования
вида годы (Реймерс, 1990).
К настоящему времени уже накоплены многочисленные данные об изменении ареалов видов растений и животных, детальный обзор которых приведен, в частности, в монографии Б. Клаусницера (1990). Поэтому в общих
чертах можно сделать следующие выводы.
1. Наиболее подверженными негативному воздействию урбанизации являются ареалы эндемичных видов (видов, которые могут быть обнаружены только в конкретных, чаще всего небольших по площади ограниченных областях земной поверхности). Чем меньше площадь ареала видаэндемика и чем более специфическими являются требования к местообитаниям, тем больше вероятность сокращения видового ареала под
воздействием урбанизации, вплоть до исчезновения. Однако урбанизация, в большинстве случаев, является лишь завершающей в ряду причин сокращения ареалов. Как правило, ей предшествует интенсивное
сельскохозяйственное освоение земель, сопровождающееся коренной
перестройкой природных ландшафтов и уничтожением специфических
местообитаний видов-эндемиков. Известны и обратные примеры сохранения популяций эндемичных и неэндемичных сокращающихся в
численности видов растений, насекомых и птиц на урбанизированных
территориях в тех случаях, когда земли с местообитаниями таких видов
были выведены из-под интенсивного использования для застройки и
сохранялись в малоизмененном виде.
2. Сокращение ареалов или, по крайней мере, снижение численности
внутри ареала под действием комплекса связанных с урбанизацией
Раздел 5. Городская флора и фауна
245
факторов наблюдается и у широко распространенных видов-"специалистов" в результате фрагментации, нарушения или уничтожения местообитаний самих видов или их пищевых жертв, а также прямого уничтожения. ©то в полной мере относится к большинству видов дневных
хищных птиц и совообразных, крупным млекопитающим, рыбам (например, создание водохранилищ, загрязнение водных объектов в урбанизированных регионах, приводящее к исчезновению нерестилищ
или ухудшению кормовой базы отдельных видов). Подобные изменения касаются не только репродукционных, но и зимовочных и трофических ареалов.
3. Ареалы широко распространенных видов-"генералистов" и видов-космополитов являются менее подверженными изменениям и даже могут
расширяться под воздействием урбанизации. Расширение охватывает
как репродукционные, так и сезонные (трофические, зимовочные) части ареалов посредством освоения и "включения" урбанизированных
местообитаний во вторичный ареал.
4. Рост городов, приводящий к формированию новых условий обитания (место жизни и пища) в конкретной области Земли, способствует проникновению в города из соседних областей видов со специализированными требованиями к местообитаниям, например, скальных видов, видов-троглобионтов (обитающих в пещерах), условия
жизни которых в городах максимально приближены к условиям жизни в первичном ареале. В данном случае урбанизация является фактором формирования и расширения (как правило, в масштабах континента) вторичных ареалов. Большинство из этой группы видов становятся синантропами.
5. Наконец, города играют ведущую роль в интерконтинентальном и трансконтинентальном расширении и формировании пятнистых современных ареалов видов, которые осваивают новые области распространения
только благодаря преднамеренной и непреднамеренной деятельности
человека (интродуценты и адвентивные виды). Большинство видов данной группы также являются синантропными.
5.1.3. Пути формирования флоры и фауны городов
Флора и фауна любого города состоит из местных видов, обитавших в
конкретной местности как минимум с нового времени (архефиты), и из видов, вселившихся в данную местность в новое (неофиты) и новейшее (адвентивные виды) время. При этом, несмотря на то, что число видов растений и
животных в городе может расти благодаря вселению новых видов, часть архефитов и неофитов с низкой толерантностью к условиям урбанизированной
среды за это же время исчезают. Многообразие путей формирования флоры
и фауны на урбанизированных территориях может быть представлено следующими схемами:
246
Экология города
1. "Поглощение" городом местообитаний вида в пределах существующего
ареала. В результате этого процесса флора и фауна города пополняются за счет автохтонных (аборигенных) видов, которые адаптируются к
условиям урбанизации и существуют в городе со стабильной или увеличивающейся численностью, а часть этих видов, которые не могут
адаптироваться к новым условиям, исчезают из прежних местообитаний. Вероятность исчезновения прямо пропорциональна степени нарушения местообитаний и обратно пропорциональна численности популяций вида. Б. Клаусницер (1990) отмечает, что в составе фауны
городов доля аборигенных видов в большинстве случаев меньше, чем
доля иммигрировавших.
2. "Смена биотопов" и вселение в город прежде неурбанизированных видов.
В этом случае флора и фауна города также пополняются за счет местных видов, которые, как правило, не являются узко специализированными и имеют высокий потенциал адаптаций к условиям жизни в городе. Популяции этих видов в городах становятся в большей степени
синантропными, чем исходные популяции. Так, например, сформировались новые синантропные экологические расы вяхиря (Columba
palumbus L.) и черного дрозда (Turdus merula L.) в городах Западной и
Центральной Европы. По этой же схеме в города проникают солелюбивые и водно-болотные виды растений, если в результате использования соли для таяния снега и льда и подтопления формируются городские местообитания с соответствующими условиями. Вероятность
пополнения флоры и фауны городов видами по данной схеме выше в
тех случаях, когда исходные местообитания вне города связаны системой "коридоров" с их городскими аналогами.
3. Формирование новых экологических ниш, которые занимаются видамипереселенцами из других географических областей в соответствии с их
экологическими требованиями. Пополнение флоры и фауны городов по
этой схеме предполагает наличие у видов механизмов активного и пассивного расселения. Активное расселение характерно для всех подвижных животных, а также тех растений, у которых имеются ползучие или
"лазящие" побеги либо специальные (гидропневматические) механизмы разбрасывания семян. Примерами могут быть произрастающий на
засоренных местах юга Украины бешеный огурец (Ecbalium elaterium
(L.) A. Rich) или распространившийся за последние два десятилетия
по большей части Украины североамериканский вид эхиноцистис шиповатый (Echinocystis lobata (Michx.) Torr. et Gray), произрастающий
на переувлажненных засоренных местах в поймах рек в городах и пригородах. Во многих случаях подобного распространения видов активному освоению новых территорий предшествует, как правило, случайный занос или целенаправленная интродукция. Пассивное расселение
характерно для большинства видов растений и многих животных: земноводные (на стадии яйца или личинок), рыбы, насекомые, паукообразные, паразитические черви, простейшие, причем у ряда видов животных активное расселение часто комбинируется с пассивным. Аген-
Раздел 5. Городская флора и фауна
247
тами пассивного переноса организмов или их частей (семена, плоды)
являются ветер (в этом случае процесс переноса называется анемохорией), вода (гидрохория), животные (зоохория), человек (антропохория).
Повсеместно преобладающая часть новых видов, попадающих в города из других географических регионов, были занесены или завезены
человеком, и лишь после вселения виды с пассивным расселением используют характерных для них агентов переноса для закрепления в
новых местообитаниях. В монографии Б. Клаусницера (1990) приведены десятки примеров преднамеренной интродукции, а также случайного заноса животных с пищей, строительными материалами, транспортом, кожевенными и меховыми изделиями, интродуцированными
и комнатными растениями и даже музейными коллекциями в города
Европы. Адвентивным видам растений Украины и истории их расселения посвящена популярная книга В. Протопоповой (1989). Наиболее
благоприятные условия такие виды находят чаще всего в нарушенных
антропогенных ландшафтах, а их расселению способствует развитая
дорожная и торговая сеть.
4. Комбинированная схема — результат процессов пассивного расселения
и "смены биотопов" прежде неурбанизированных видов.
Процессы формирования урбанизированной флоры и фауны представлены на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Пути формирования флоры и фауны городов
248
Экология города
5.2. Урбанизированные биогеоценозы
Все совместно обитающие на территории города виды входят в состав и
посредством взаимосвязей формируют сложную мозаику биотических сообществ (биоценозов) урбоэкосистемы:
• полночленные биоценозы со значительным участием продуцентов (интродуцированных или местных) и редуцентов в трансформации энергии
и вещества;
• биоценозы, в которых консументы существуют преимущественно не за
счет продуцентов, а за счет поступления органического вещества в процессе жизнедеятельности человека;
• неполночленные сообщества, состоящие из гетеротрофов, одни из которых питаются мертвым органическим веществом (сапротрофы, детритофаги) и, в свою очередь, служат пищей другим (консументам детритофагов).
Благодаря своим живым компонентам, города (как урбогеосоциосистемы) посредством своей природной подсистемы вовлечены в глобальные биогеохимические циклы и, таким образом, являются элементами биосферы как
части географической оболочки Земли.
Каждый биоценоз занимает определенное место на земной поверхности с относительно однородными абиотическими условиями существования входящих в него популяций организмов. Такой участок называется
биотопом (от греч. р ю а — жизнь и толоа — место). Биотоп вместе с насел я ю щ и м его биоценозом составляет биогеоценоз — взаимообусловленный
комплекс ж и в ы х и неживых компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии. Биогеоценоз является рангом экосистемы, границы которой совпадают с границами растительного сообщества (фитоценоза). Биотоп — это результат преобразования биоценозом неорганической
составляющей биогеоценоза. При прочих равных условиях, чем больше
разнообразие биотопов, тем разнообразнее состав биоценозов некоторой
территории. Это положение полностью относится к урбанизированным
территориям. Разнообразие условий обитания живых организмов здесь
формируется при взаимодействии природной и социальной подсистем урбогеосоциосистемы с ведущей ролью преобразовательной деятельности
человека. В более широком контексте урбанизированную территорию следует рассматривать как ландшафтный комплекс, в рамках которого взаимообусловлено и равноправно существуют все природные, техногенные и
социальные компоненты. По JI. Бергу — одного из основоположников современного ландшафтоведения и автора одного из самых удачных определений, ландшафт есть "область, в которой характер рельефа, климата, растительного покрова, животного мира, населения, и, наконец, культуры
человека сливаются в единое целое, типически повторяющееся на протяжении известной зоны З е м л и " . Ландшафтоведческое направление в исследовании городских систем получило развитие сравнительно недавно, в
последней трети XX столетия.
Раздел 5. Городская флора и фауна
249
5.2.1. Антропогенный и урбанизированный ландшафт
В городских поселениях преобразование л а н д ш а ф т о в достигает своей
максимальной ^ т е п е н и . Земная поверхность (включая верхние горизонты
литосферы) в местах размещения городов, а вместе с ней и вещественноэнергетические потоки преобразуются в результате таких общих на всей
планете процессов, направленных на удовлетворение потребностей человека, как:
• уничтожение естественного растительного и почвенного покрова для
разработки запасов минерального сырья;
• регулирование стока рек и других водотоков путем создания водохранилищ;
• использование земли под строительство путей сообщения и инженерной инфраструктуры;
• отчуждение земель под очистные сооружения и места хранения, утилизации и захоронения отходов;
• создание искусственного растительного покрова в садах, парках, спортивных сооружениях и других местах отдыха.
Несмотря на общность движущих сил преобразования земной поверхности в местах проживания людей, территория л ю б о г о города не является
однородной в ландшафтном отношении. В различных зонах города, выделяемых по основным видам землепользования — историческом и деловом
центре, жилой застройке, промышленной, транспортной, зеленой, рекреационной, пригородной, водохозяйственной и т.п., — степень преобразования
природных элементов и насыщенность техногенными объектами различны. Общая для всех городов тенденция — снижение доли полностью преобразованного или искусственного и увеличение доли естественного (с
разной степенью н а р у ш е н н о е ™ ) покрытия и снижение степени застроенности в направлении от центра города к окраинам. Такое изменение свойств
подстилающей поверхности приводит к формированию всевозможных геоморфологических, микроклиматических и ценотических градиентов, что
обусловливает значительное разнообразие урбанизированных ландшафтов
и биогеоценозов.
Методологической основой для исследования ландшафтно-биотопического разнообразия городских территорий является концепция антропогенного ландшафта и ландшафтно-техногенных комплексов.
Антропогенным называется такой ландшафт, в котором на всей или на
большей площади коренному изменению под воздействием человека подвергся
хотя бы один из компонентов ландшафта, в том числе и растительность (Мильков, 1990). Антропогенные ландшафты, несмотря на то, что созданы человеком, являются в своей основе природными комплексами и в своем развитии
подчиняются природным закономерностям.
В отличие от антропогенного ландшафта в ландшафтно-техногенных системах ведущую роль играет технический блок, функционирование которого
250
Экология городов
направляется n контролируется человеком. Такие системы не способны к
природному саморазвитию.
В ландшафте урбанизированных территорий следует разграничивать собственно ландшафты антропогенные (и в значительно меньшей степени природно-антропогенные нарушенные или восстановленные), ландшафтно-техногенные комплексы (примером могут быть территории промышленных предприятий, автомобильные и железнодорожные магистрали с искусственными
формами рельефа и т.п.) и техногенные объекты (отдельные здания, сооружения, элементы инженерной инфраструктуры и т.д.). Существенной чертой
урбанизированных ландшафтов является то, что популяции организмов, входящих в состав биогеоценозов, активно взаимодействуют не только с природными, но и техногенными элементами таких ландшафтных комплексов.
Соотношение природных и антропогенных ландшафтов показано на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Место антропогенных ландшафтов в ландшафтной сфере Земли
(по Милькову, 1973, с изменениями)
Место биогеоценозов в системе ландшафтов. Биогеоценозы являются как
бы "вписанными" в структуру ландшафтов, совпадая по границам с ландшафтными фациями — наименьшими таксономическими единицами под-
251
Раздел 5. Городская флора и фауна
разделения ландшафтной сферы Земли. Следовательно, ключом к выделению биогеоценозов с их биотопами, "маркированными" растительностью, на
урбанизированных территориях является ландшафтная съемка с выявлением
на местности ^андшафтных урочищ и фаций (Гузий, Бокотей, 1996). Подробнее о ландшафтной таксономии и структуре ландшафта можно прочитать
в учебнике Ф. Милькова (1990).
Классификация
антропогенного
ландшафта.
Каждый
из
самых
крупных
подразделений ландшафтной сферы Земли — водно-поверхностного, земноводного, наземного, ледового и донного отделов — представлен как природными (естественными), так и антропогенными порядками (сериями). Для
дальнейшего разграничения ландшафтных таксономических единиц в естественных порядках используют в качестве определяющих критериев особенности рельефа, географической зональности и высотной поясности.
В антропогенных сериях главным критерием для дальнейшей классификации ландшафтных единиц используется тип землепользования. Существуют различные схемы классификации антропогенного ландшафта. Остановимся
на классификации Милькова (1973, 1990), представляющейся нам наиболее
завершенной.
Выделяются следующие классы антропогенного ландшафта:
сельскохозяйственный, возникающий в процессе использования земель,
растительный и почвенный покров которых претерпевает существенные изменения и в большей или меньшей степени находящийся под контролем
человека;
промышленный, возникающий в процессе развития добывающих и обрабатывающих отраслей производства;
линейно-дорожный, связанный с использованием и трансформацией земель в целях обеспечения коммуникации между людьми;
лесной антропогенный, образующийся в результате искусственных посадок лесных насаждений и восстановления лесов на месте вырубок и антропогенных гарей;
водный антропогенный, возникающий в процессе создания искусственных
водоемов и водотоков;
рекреационный, образующийся в зонах отдыха и активного туризма;
селитебный, своим возникновением связанный с поселениями человека, ландшафт городов и сел с их постройками, улицами, дорогами, насаждениями;
беллигеративный (от лат. belligero — вести войну), возникающий в местах
ведения боевых действий или оборонительных укреплений, в результате чего,
например, существенно изменяется рельеф и, в большинстве случаев, почвенный и растительный покров.
Дальнейшее подразделение антропогенных ландшафтов заключается в
выделении подклассов, типов (зонально-поясных типов), подтипов и урочищ. Фактор зональности играет ведущую роль в выделении типов (подти-
252
Экология городов
пов) сельскохозяйственного, лесного, рекреационного и, возможно, селитебного сельского ландшафтов, в то время как селитебный городской, линейнодорожный, промышленный, водный ландшафты имеют ярко выраженные
черты азональности (табл. 5.3).
Таблица 5.3. Т а к с о н о м и ч е с к и е единицы антропогенного л а н д ш а ф т а
(по М и л ь к о в у , 1973, 1990, с изменениями)
Класс
Подклассы
1
1. Сельскохозяйственный
Типы
2
3
1.1. Полевой
1.2. Лугово-пастбищный
1.3. Садовый
1.4. Виноградниковый
1.5. Смешанный
2. Промышленный
Карьерный
Отвальный
Терриконовый
Промышленный карст
Свалки и полигоны ТБО
3. Линейнодорожный
Автомобильных дорог
Железных дорог
Аэродромов
Нефте-, газопроводов
Линий электропередач
4. Лесной
4.1. Лесные культуры
4.2. Вторичные леса
5. Водный
5.1. Водохранилища
Типы выделяются согласно подходам лесной типологии
5.1.1. Крупные водохранилища
5.1.2. Средние водохранилища
5.1.3. Мелкие водохранилища и
пруды
5.2. Каналы
6. Рекреационный Ландшафты и ландшафтно-техногенные комплексы вокруг
санаториев, пансионатов, домов и баз отдыха, туристические
базы, кемпинги, крупные городские и пригородные парки с
аттракционами, лесопарки, лугопарки, гидропарки, ландшафтно-архитектурные музеи и т.п.
253
Раздел 5. Городская флора и фауна
Продолжение табл. 5.3
2
1
7. Селитебный
3
7.1. Сельский
*
7.2. Городской
7.2.1. Садово-парковый
7.2.2. Малоэтажный
7.2.3. Многоэтажный
7.2.4. Заводской
8. Беллигеративный
Сторожевые курганы
Оборонительные валы
Воронки и траншеи
"Городской" или "урбанизированный"ландшафт! Часто даже в очень авторитетных руководствах (например: Кучерявый, 1999) между этими терминами ставится знак семантической тождественности. Однако любая территория, занятая городским поселением, особенно крупным, представляет собой
мозаику земельных участков с разными видами землепользования и ландшафтными характеристиками — от полностью преобразованных земель застроенных центральных частей города до среднеизмененных природно-антропогенных урочищ лесопарковой зоны. Достаточно непредвзято посмотреть на схему любого города, не говоря о полевой ландшафтной съемке, чтобы
найти даже незначительные незастроенные участки пастбищных лугов, зарастающих пустырей, болот, городских лесов, не говоря уже об урочищах водного и рекреационного ландшафтов. Таким образом, "урбанизированный
ландшафт" является более широким понятием, чем "городской ландшафт",
включающим в себя урочища практически всех классов антропогенного ландшафта. Но существенно и то, что необходимым и достаточным условием
формирования урбанизированного ландшафта является наличие именно селитебного городского ландшафта на определенной территории.
5.2.2. Урбанизированные биотопы
Подходы к типологии урбанизированных биотопов. Познание особенностей
и закономерностей существования живых организмов, их популяций и сообществ в урбанизированной среде, сравнение биотических комплексов различных городов между собой становится возможным только на основе упорядочения разнообразия местообитаний не столько отдельных видов, сколько сообществ в целом, с их растительным покровом, животным и микробным
населением. При этом необходимо постоянно учитывать эффекты масштабирования, связанные, с одной стороны, с различиями в размерах особей и
физических пространственных и кормопоисковых ниш, и, с другой стороны,
независимостью индивидуальных экологических потребностей видов, входящих в сообщества.
254
Экология городов
Например, на гнездовой территории пары больших пестрых дятлов
(Dendrocopos major L.) в пригородном дубовом лесу произрастают сотни стволов деревьев нескольких видов, тысячи, если не десятки тысяч стеблей травянистых растений десятков видов (строго говоря, на этой территории могут
быть выделены одна или несколько растительных ассоциаций); каждый ствол
является местообитанием для десятков и сотен особей нескольких видов насекомых-ксилофагов и тысяч особей насекомых-фитофагов, питающихся зеленой массой, цветами и плодами; травянистые растения формируют местообитания для десятков тысяч особей насекомых-фитофагов и тысяч особей их
хищников; в лесной подстилке и верхних горизонтах почвы обитают тысячи и
десятки тысяч особей десятков видов насекомых (хищников, сапрофагов , копрофагов ), многоножек, паукообразных, сухопутных ракообразных, червей, а
численность сотен видов микроорганизмов (бактерии, грибы, простейшие),
обитающих в почве, исчисляется десятками, если не сотнями миллионов. Кроме того, помимо пары дятлов, на данной территории могут гнездиться одна—
две пары поползней (Sitta europaea L.), по несколько пар больших синиц (Parus
major L.), мухоловок-белошеек (Ficedula albicollis (Temm.)), зарянок (Erithacus
rubecula L.), зябликов (Fringilla coelebs L.), пеночек-трещоток (Phylloscopus
sibilatrix Viell.), а для такого хищника, как ястреб-тетеревятник (Accipiter gentilis
L.), эта территория может составлять лишь малую часть (от 1/25 до 1/10) его
гнездовой и охотничьей территории. Здесь же размещены территории десятка
особей землероек (Soricidae) и мышевидных грызунов (Muridae), может прокормиться одна белка (Sciuris vulgaris L.), а для горностая (Mustela erminea L.)
или ласки (М. nivalis L.), так же как и для ястреба, эта территория составляет
примерно 1/10 — 1/5 часть их кормопоисковой территории, не говоря уже о
крупных копытных млекопитающих (лось (Alces alces L.), косуля (Capreolus
capreolus L.), кабан (Sus scrofa L.)), для одной особи которых необходима территория в сотни раз больше и которые могут также быть обнаружены на данной территории, если площадь лесного массива достаточно велика или он связан с соседними массивами.
1
2
3
Даже этот пример, в котором описано далеко не полностью возможное
сообщество живых организмов , показывает, насколько непростой является
задача разграничения биотопов, насколько разными могут быть результаты
такого разграничения, если в фокусе исследования будут находиться, соответственно, только растения, наземные насекомые, почвенная мезофауна, один
вид или сообщество птиц или млекопитающих. Отсюда неизбежной является
множественность типологических или классификационных решений и отсутствие общепринятых схем подразделения урбанизированных биотопов.
Наиболее детально разработанными являются схемы, применявшиеся при
изучении растительного покрова и населения птиц городов.
4
Как уже было отмечено выше, выделение биотопов урбанизированных
биогеоценозов должно основываться на учете ландшафтной структуры тер1
2
3
4
Питающиеся древесиной.
Питающиеся трупами других животных.
Питающиеся экскрементами других животных.
Это еще не биогеоценоз в строгом терминологическом смысле, а только его часть.
Раздел 5. Городская флора и фауна
255
ритории. В этом случае типологические схемы могут использоваться для описания и сравнения растительности и животного населения различных таксономических групп в различных городах, находящихся даже на разных континентах. Хотя в настоящее время пока еще нет работ, обобщающих опыт типологии и классификации биотопов урбанизированных территорий в разных
странах, в качестве главных признаков, используемых для выделения биотопов, можно отметить:
• наличие водоемов или водотоков;
• наличие и характер застройки;
• степень выраженности искусственных покрытий;
• вид городской инфраструктуры;
• наличие, тип и степень выраженности растительного покрова.
Такой подход позволяет выделить достаточно крупные биотопические
единицы (группы макробиотопов), практически совпадающие с классами
антропогенного ландшафта и пригодные для наиболее общей характеристики растительного покрова и животного населения любого города:
• водные и болотные биотопы;
• биотопы застроенных территорий;
• биотопы автомобильных, железнодорожных магистралей, трубопроводов, линий электропередач с их полосами отчуждения;
• биотопы древесно-кустарниковых насаждений;
• открытые биотопы с преобладанием травяной растительности.
Дальнейшее подразделение внутри выделенных групп основывается на
использовании особенностей землепользования и функционального зонирования территории города, "морфологии" и структуры естественных и техногенных элементов ландшафта, почвенного покрова и рельефа, т.е. в каждой
группе макробиотопов существуют самостоятельные критерии выделения
биотопических единиц более низкого ранга, вплоть до микробиотопов, например, отдельных зданий, сооружений, деревьев и их частей. Так, при изучении фауны и животного населения застроенных территорий нужно иметь в
виду, что отдельные здания, как техногенные объекты, хотя и не могут рассматриваться как таксономические ландшафтные единицы ранга фации, тем
не менее являются местообитаниями сообществ многих видов животных (в
основном членистоногих), которые в городах не встречаются вне сооружений
человека; для некоторых же видов птиц и млекопитающих (преимущественно синантропных) здания являются необходимыми элементами местообитаний, используемые для размещения гнезд, укрытия и кормодобывания.
Например, характеризуя фауну жилищ человека, Клаусницер (1990) выделяет такие м и к р о б и о т о п ы :
• непостоянно отапливаемые жилые дома — внешняя оболочка зданий:
наружные стены (озелененные, неозелененные), крыши, балконы;
• внутренние помещения: чердаки, этажи, подвалы;
Экология городов
256
• постоянно отапливаемые здания;
• складские и производственные помещения: мельницы, зернохранилища, элеваторы, пекарни, мясокомбинаты, плодоовощные склады, склады лекарственного сырья, книгохранилища, естественнонаучные музейные коллекции, склады кож и шкур, текстиля и мягкой мебели, винные погреба и т.п.
Аналогичным образом отдельное дерево может также быть представлено
как набор микроместообитаний целого сообщества живых организмов: крона
(наружная часть, внутренняя часть и, далее — ветви, листья, цветки и плоды), ствол (наружная часть, древесина и сердцевина), корневая система.
Степень детализации в выделении биотопов зависит от целей и объектов
биогеоценологического исследования города (табл. 5.4).
Таблица 5.4. Типы урбанизированных биотопов
1.
Водные
и
водно-болотные
биотопы
1.1. Реки и п р о ч и е е с т е с т в е н н ы е
водотоки
1.4. В о д о х р а н и л и щ а на реках
1.2. К а н а л ы
1.5. Озера
1.3. О р о с и т е л ь н ы е о т к р ы т ы е с и с т е м ы 1.6. П р у д ы
рекреационные
рыбохозяйственные
технические
накопители сточных
вод
1.7. Болота ( е с т е с т в е н н ы е и и с к у с с т в е н н ы е )
2.
Биотопы
застроенных
территорий
2.1. Ж и л а я и д е л о в а я з а с т р о й к а 2.1.1. М а л о э т а ж н а я
2.1.1.1. С е л ь с к а я
2.1.1.2. Г о р о д с к а я
2.1.2.1. И с т о р и ч е с к о г о
2.1.2. М н о г о э т а ж н а я
(сомкнутая, свободная, центра
"пунктирная")
2.1.2.2. Старая (до 1920 г.)
2.1.2.3. 1 9 2 0 - 1 9 3 0 - х гг.
2.1.2.4. 1 9 4 0 - 1 9 5 0 - х гг.
2.1.2.5. 1 9 6 0 - 1 9 7 0 - х гг.
2.1.2.6. Н о в о с т р о й к и
( н а ч и н а я с 1980 г.)
257
Раздел 5. Городская флора и фауна
Продолжение табл.
2.2. Промышленнохозяйственная застройка
*
5.4
2.2.1. Заводская
Дальнейшая детализация
осуществляется с учетом
2.2.2. Складская
профиля предприятий,
особенностей складируемых
2.2.3. Торговая
или продаваемых товаров,
2.2.4. Вокзалы и аэропор- способа хранения автомобиты
лей (гаражи, крытые автостоянки) и т.п.
2.2.5. Гаражная
2.3. Госпитально-санаторная застройка
2.4. Застройка образовательных учреждений
2.5. Застройка культурного и культового назначения
3.
Биотопы
линейно-дорожного
ландшафта
3.1. Автомобильные магистрали
3.5. Линии электропередач
3.2. Открытые автостоянки
3.6. Линии наземных трубопроводов (нефтепроводы, газопроводы, теплопроводы и т.п.)
3.3. Аэродромы
3.4. Железнодорожные магистрали
4.
Древесно-кустарниковые
насаждения
4.1. Лесные насаждения
4.2. Нелесные насаждения
4.1.1. Природные
4.2.1. Парки 4.2.1.1. Неза- ландшафтные
строенные
мемориальные
Коренные
Производные
дальнейшее подразделение осуществляется на
основе принципов
типологии лесных
насаждений
4.1.2. Природноантропогенные и
антропогенные
4.2.1.2. Застроенные
дальнейшее
подразделение
осуществляется
на основе принципов типологии
лесных насаждений
усадеб, музейно-архитектурных комплексов
с аттракционами
4.2.1.3. Городские сады
4.2.2. Кладбища
4.2.3. Ботанические сады и дендрарии
4.2.4. Зоологические парки
4.2.5. Скверы
4.2.6. Бульвары и аллеи
4.2.7. Насаждения санитарно-защитных зон
4.2.8. Полезащитные полосы
4.2.9. Внутриквартальные насаждения
4.2.10. Плодовые сады
Экология городов
258
Продолжение табл.
5.
Биотопы
открытых
незастроенных
5.1. Биотопы промышленного ландшафта
пространств
5.2. Биотопы травянистых биогеоценозов
5.2.2. Антропогенные
5.1.1. Зарастающие карьеры 5.2.1. " П р и р о д н ы е "
5.2.1.1. Луга суходольные
5.1.2. Терриконы
5.2.2.1. Поля и залежи
низинные
•
пойменные
5.1.3. Зарастающие намывные пески
5.4
сенокосы
пастбища
А
5.2.2.2. Виноградники
•
5.1.4. Свалки, полигоны
твердых бытовых отходов
т
5.2.1.2. Остатки степной расти- 5.2.2.3. Огороды
тельности (саванн, прерий)
5.1.5. Хвостохранилища
Другие зонально-поясные типы
5.1.6. Золо- и шламонакопители
Гемеробность урбанизированных биогеоценозов. Все биогеоценозы, сложившиеся на урбанизированных территориях, отличаются той или иной степенью гемеробности, т.е. окультуренности, индикатором которой является растительный покров. Критериями определения степени гемеробности являются: степень утраты видов естественной флоры, доля однолетников и доля
неофитов в растительном покрове, степень нарушенное™ почвенного покрова, содержание ионов водорода (рН) и питательных веществ в почве в
результате антропогенного воздействия (табл. 5.5).
Таблица 5.5. Ш к а л а гемеробности н а з е м н ы х экосистем
Степень Примеры экосистем
гемеробности
Характерные
антропогенные
воздействия
Характеристики растительности и
флоры
Растительность
Доля во
флоре
сосудистых
растений
неооднофитов летников
1
Агемеробная
2
Скалистые, болотные, тундровые,
высокогорные
3
Отсутствуют
4
*
5
Водная, болотная и
0%
наскальная растительность — фрагментарно
только в самых малопосещаемых районах
6
< 20%
259
Раздел 5. Городская флора и фауна
Продолжение табл. 5.5
1
2
3
5
4
Олигоге- Леса с незначительнымеробная ми лесохбзяйственными мероприятиями или
слабым выпасом,
растущие дюны,
развивающиеся низинные и верховые болота
Незначительные
изъятие древесины,
выпас, загрязнение
воздуха и воды
Слабо ухоженные или
< 5%
слабо выпасаемые леса,
засоленные луга, растительность развивающихся
дюн, верховых и низинных болот, некоторых
водных сообществ
Мезоге- Насаждения интродумеробная цированных видов
деревьев с развитыми
кустарниковым и
травяным ярусами,
пустоши, суходольные
луга, экстенсивно
используемые пастбища
и сенокосы
Раскорчевка,
распашка, сплошные рубки, снятие
дернины, слабое
удобрение
Сильно измененная
растительность лесов,
лугов, ландшафтных
парков
5 - 1 2 % < 20%
а-эугеИнтенсивно используе- Удобрение, известмеробная мые луга (пастбища),
кование, применение пестицидов,
леса, газоны
незначительный
дренаж
Рудеральные' сообщества, 13-17%
газоны, искусственные
лесонасаждения из
интродуцированных видов с развитым напочвенным покровом
2130%
Р-эугеСельскохозяйственные
меробная угодья с типичной
развитой флорой
сорняков, сеяные луга с
однолетними сорняками, интенсивно
используемые леса,
парки, поля орошения
Выравнивание
почвенного покрова, регулярная
вспашка, умеренное
внесение минеральных удобрений,
орошение сточными
водами
Типичные сегетальные и 13-17%
рудеральные сообщества,
находящиеся под контролем со стороны человека,
промышленные леса и
парки с сильно нарушенным напочвенным
покровом и угнетенным
или отсутствующим
естественным возобновлением, нитрофильные
18-22%
пионерные сообщества
3040%
Полиге- Высокоспециализиромеробная ванные культурные
биогеоценозы (интенсивные фруктовые
сады, виноградники,
полевые культуры),
мусорные свалки,
отвалы, кучи щебня в
первые годы после
возникновения,
асфальтированные
дороги, железнодорожные насыпи, частично
застроенные площади
Глубокая или
плантажная вспашка, постоянное и
глубокое осушение
или орошение,
интенсивное
удобрение почвы,
использование
пестицидов, внесение чужеродных
материалов в почву
и их перемешивание
Слабоконкурентные
18-22% >40%
пионерные сообщества —
недолговечные рудеральные сообщества с доминированием однолетников
Метаге- Полностью застроенмеробная ные площади, отравленные экосистемы
1
2
6
< 20%
2
> 23%
—
Отсутствие
Сообщества нарушенных, замусоренных местообитаний.
Сообщества полевых сорняков.
9*
—
Экология городов
260
Аналогичным показателю гемеробноети для водных экосистем является показатель сапробности, связанный с содержанием органических загрязняющих веществ в воде (разд. 3.3.2). Как целые сообщества, так и
отдельные виды растений и животных могут быть размещены по шкале в
зависимости от их отношения к степени гемеробноети или сапробности
местообитаний.
5.3. Фитомелиорация городской среды
5.3.1. Функции растительного покрова в городах
Неоднородность условий произрастания, контроль со стороны человека
обусловливает неоднородность состава и неравномерность размещения растительности в городе. "Лесистость" городской территории на разных участках составляет от 1 до 98% (Кучерявый, 1999). В отличие от типичного европейского города эпохи Средневековья, почти полностью лишенного растительного покрова, современные города с их системой искусственных зеленых
насаждений, пригородных лесов, парков и спонтанно формирующимся растительным покровом на любых участках с нарушенным почвенным субстратом, где контроль со стороны человека ослабевает, уже не являются "царством камня, металла, стекла и бетона", символом победы Человека над Природой (Ле Корбюзье). И если в эпоху Возрождения, когда человек "распахнул"
свои городские поселения для растений, отвел значительные площади под
устройство садов, парков, "итальянских двориков", фонтанов, а города стали
более светлыми, просторными, проветриваемыми, зеленые насаждения рассматривались как своего рода элемент роскоши, отвечающий в первую очередь эстетическим запросам человека, то в современную эпоху, после двух
столетий господства "промышленного" города, городские насаждения уже не
являются красивым, но необязательным элементом городской структуры,
далеким от удовлетворения насущных потребностей человека. Именно растительность делает урбоэкосистему полноценной экосистемой, и наличие сети
зеленых насаждений в городе становится уже не символом богатства и роскоши, а условием выживания человека.
Помимо традиционных функций, выполняемых растительным блоком в
любой экосистеме, а именно — производство первичной продукции в результате фотосинтеза, потребляемой затем консументами и редуцентами
(после отмирания частей растений), и формирование жизненного пространства для консументов и редуцентов (средообразующая функция), — в урбоэкосистеме существенное значение приобретают такие функции растительности, как:
• охлаждение городского "острова тепла" за счет увеличения альбедо поверхности и транспирации;
• стабилизация ветрового режима, "разгрузка" воздушных масс;
Раздел 5. Городская флора и фауна
261
• увеличение относительной влажности воздуха и "сглаживание" ее суточных и сезонных колебаний;
• выделение кислорода (как побочного продукта фотосинтеза) в атмосфер/,
• увеличение концентрации отрицательно заряженных ионов (благоприятно влияющих на здоровье человека) в атмосфере над древесно-кустарниковыми насаждениями;
• выделение биологически активных веществ, подавляющих развитие патогенных агентов в атмосфере;
• поглощение загрязняющих атмосферный воздух пыли и газов;
• снижение уровня шума вследствие поглощения энергии вызывающих
его механических колебаний;
• задержание части осадков и уменьшение поверхностного стока;
• в водных и болотных экосистемах — формирование условий аэробного разложения загрязняющих воду веществ, поглощение биогенных
элементов;
• улучшение структуры, увеличение проницаемости и, в ряде случаев,
плодородия почв;
• задержание снегового покрова и талых вод;
• закрепление сыпучих грунтов, снижение уровня эрозии;
• улучшение визуальных свойств урбанизированных ландшафтов.
Сознательное использование человеком перечисленных функций растительного покрова в формировании и оптимизации урбанизированной среды
воплотилось в теории и практике фитомелиорации.
Фитомелиорация — направление п р и к л а д н о й э к о л о г и и , с о с т о я щ е е в
исследовании, прогнозировании и и с п о л ь з о в а н и и р а с т и т е л ь н ы х систем
для улучшения геофизических, геохимических, б и о т и ч е с к и х , п р о с т р а н ственных и эстетических характеристик о к р у ж а ю щ е й ч е л о в е к а среды,
проектировании и создании искусственных растительных группировок
(включая целенаправленное использование п р и р о д н ы х растительных сообществ) с высокими преобразующими физическую среду свойствами (Кучерявый, 1991).
Использование фитомелиоративных систем предполагает вовлечение
механизмов изменения среды обитания, основанных на принципах компенсации (например, восполнение запасов кислорода воздуха, потребленного населением, промышленностью и энергетикой), сопротивляемости
внешнему воздействию (например, способность слабо чувствительных к
газо-пылевому загрязнению растений поглощать примеси из атмосферы)
и усиления (например, выделение фитонцидов). В зависимости от комплекса поставленных задач выделяют пять направлений фитомелиорации,
отображенные на рис. 5.4.
262
Экология городов
Рис. 5.4. Направления фитомелиорации (по Кучерявому, 1999)
5.3.2. Фитомелиоративные системы и их классификация
Любое растительное сообщество естественного или искусственного происхождения, используемое в целях мелиорации окружающей человека среды,
является фитомелиоративной системой. Для классификации фитомелиоративных систем используют различные признаки.
Во-первых, в зависимости от того, растения каких жизненных форм преобладают в составе фитомелиоративных систем, различают древесно-кустарниковые
насаждения, травянистые наземные сообщества и водно-болотные сообщества.
Классификация древесно-кустарниковых насаждений и травянистых сообществ дана в разд. 5.2.3. Что касается водно-болотных фитомелиоративных
систем, то они бывают естественными и искусственными (последние в Украине получили название "биоплато", разд. 3.5.3 и 3.8.2), »в зависимости от
принадлежности видов растений к разным экологическим группам по признаку условий произрастания их подразделяют на следующие типы:
• с преобладанием растений воздушно-водной группы;
• с преобладанием полупогруженных и погруженных растений;
Раздел 5. Городская флора и фауна
263
• с преобладанием плавающих растений;
• комбинированные.
Во-вторых, по происхождению и степени участия человека в контроле
функционирования растительных систем различают:
• культурфитоценозы — растительные сообщества, созданные человеком
для получения первичной продукции (поля, сады, газоны и т.п.);
• искусственные растительные группировки, не обладающие фитоценотической структурой (искусственные уличные или внутриквартальные насаждения, с искусственными покрытиями между отдельными деревьями);
• спонтанные фитоценозы — нарушенные естественные сообщества и
сообщества синантропных растений;
• природные фитоценозы.
В-третьих, по признаку целевого использования фитомелиоративные системы делят на следующие категории:
• специальные, не используемые с целью получения первичной продукции или эксплуатируемые в определенном режиме (парки, скверы, защитные полосы, насаждения охраняемых территорий в пределах зеленых зон городов);
• продукционные, фитомелиоративные функции которых используются
без ущерба для производства первичной продукции (поля, плодовые
сады, виноградники, фитоаквакультура и т.д.);
• рудеральные, фитомелиоративные функции которыми выполняются
спонтанно.
Независимо от того, в каком направлении используются фитомелиоративные системы (разд. 5.3.1), все упомянутые группы фитомелиоративных
систем находят в них свое место.
В одних и тех же условиях различные фитомелиоративные системы или
же одни и те же фитомелиоративные системы в различных условиях обладают различной эффективностью.
Эффективность фитомелиоративной системы определяется как:
• отношение количества поглощенного загрязняющего вещества к общему
количеству поступающего извне за определенное время (в случае фильтрующей функции по механизму сопротивления внешним воздействиям);
• отношение количества выделенного растениями за определенное время в определенном объеме вещества с мелиоративными свойствами к
количеству вещества в некоторый исходный момент времени в том же
объеме до начала работы фитомелиоративной системы (в случае работы
системы по принципу усиления);
• отношение количества выделенного растениями вещества в определенном объеме за определенное время к количеству этого вещества в том
же объеме, потребленного человеком за тот же период времени (в случае компенсирующего действия фитомелиоративной системы).
Экология городов
264
При определении фитомелиоративной эффективности рекультивирующих
систем используются косвенные показатели, такие как, например, содержание гумуса в почве до рекультивации и по прошествии определенного периода после введения в действие фитомелиоративной системы, т.е. скорость
гумусообразования в новых условиях.
Наибольшей эффективностью отличаются многовидовые, многоярусные
фитомелиоративные системы древесно-кустарниковых насаждений. Травянистые рудеральные сообщества в целом уступают по эффективности природным травянистым и древесно-кустарниковым, но, тем не менее, выполняют ряд важных функций в урбоэкосистеме: закрепляют нарушенные субстраты, п р е п я т с т в у я з а п ы л е н и ю а т м о с ф е р ы , п о г л о щ а ю т значительное
количество токсичных веществ, поступающих в окружающую среду с выбросами предприятий и выхлопными газами от автотранспорта, например, до
400 г свинца/га в год (Duvigneaud, 1975; цит. по: Миркин, Сахапов, 1990).
Различные фитомелиоративные системы функционально дополняют друг
друга, поэтому в каждом крупном городе целесообразно использовать все
возможные в данных условиях фитомелиоранты в комбинациях, позволяющих максимизировать желаемый эффект.
5.3.3. Свойства растений, используемых в составе
городских и пригородных насаждений
Среди различных свойств видов растений, использующихся в фитомелиоративных системах, выделяют следующие характеристики, которые имеют
наибольшее значение для достижения высокой эффективности фитомелиоративных мероприятий:
• способность произрастать в широком диапазоне условий почвенного
богатства, определяемых механическим составом и запасом питательных веществ;
• широкий диапазон толерантности к условиям почвенного увлажнения;
• в ряде случаев, когда фитомелиоративные системы создаются в специфических эдафических условиях, для достижения желаемого эффекта
необходимо использовать растения, специализированные в произрастании на очень богатых или, наоборот, очень бедных местообитаниях,
или в условиях одновременного затопления и засоления; растения засоленных местообитаний проявляют и свойства высокой устойчивости
к газо-аэрозольным выбросам;
1
• высокая устойчивость (соответственно, низкая чувствительность) к промышленным газо-аэрозольным загрязнениям; как правило, листопадные деревья умеренных широт и травянистые растения засушливых
местообитаний демонстрируют более высокую устойчивость к этому
фактору, чем, соответственно, хвойные растения и растения более влажных местообитаний;
1
Т.е. почвенных.
Раздел 5.
265
Городская флора и фауна
• способность поглощать загрязняющие вещества из атмосферы или водной среды;
• хорошо выраженные фитонцидные свойства;
*
• хорошо выраженная способность к ионизации атмосферного воздуха;
• ветвистые кроны с густой листвой или плотной хвоей, что является необходимым условием для использования растений в целях шумопоглощения;
• высокие эстетические качества: растения с красивыми, декоративными
кронами, побегами, цветками, плодами используются в архитектурнопланировочной фитомелиорации.
Списки использующихся в озеленении населенных пунктов Украины
местных и экзотических видов растений с различными фитомелиоративными
свойствами, приведены в табл. 5.6 и 5.7.
Таблица 5.6. Свойства растений, и с п о л ь з у е м ы х для создания с а н и т а р н о - з а щ и т н ы х
зон п р о м ы ш л е н н ы х предприятий и озеленения городов и н а с е л е н н ы х п у н к т о в
с развитыми промышленными функциями
Русское название
Латинское название
Жизненная
форма
Средняя
Поглощение
относительS 0 одним
ная устойчи- растением,
вость к газог/вегет.
пылевым
период
выбросам,
балл
2
Поглощение
пыли одним
растением,
кг/вегет.
период
1
1
2
3
4
5
6
Гледичия трехколючковая*
Gleditsia
triacanthos
дерево
4
Дуб красный*
Quercus rubra
дерево
4
Клен ясенелистный Acer negundo
дерево
4
Осина
Populus tremula
дерево
4
Тополь черный
Populus nigra
дерево
4
Черешня обыкновенная
Cerasus avium
дерево
4
5
Шелковица белая*
Morus alba
дерево
4
31
Тополь канадский* Populus deltoides
дерево
3,8
180
34
Ясень обыкновенный
Fraxinus excelsior
дерево
3,8
170
27
Ива козья
Salix caprea
дерево
3,75
Тополь лавролистный*
Populus laurifolia
дерево
3,75
180
15
2
18
30
33
20
180
4
Рассчитан как среднее экспертных оценок устойчивости к выбросам предприятий различных отраслей (поданным СНиП "Проектирование санитарно-защитных зон", М., 1984).
Звездочкой отмечены интродуцированные виды.
1
2
Экология городов
266
Продолжение табл.
3
4
5
6
дерево
3,75
180
30
Черемуха обыкновенная Padus avium
дерево
3,75
Яблоня домашняя
Malus domestica
дерево
3,75
50
5
Ива белая
Salix alba
дерево
3,7
Каштан конский*
Aesculus hippocastanum
дерево
3,6
Айлант высочайший*
Ailanthus altissima
дерево
3,5
Вяз граболистный
Ulmus caprinifolia
дерево
3,5
Дуб черешчатый
Quercus robur
дерево
3,5
Клен остролистный
Acer platanoides
дерево
3,5
Клен полевой
Acer campestre
дерево
3,5
Липа сердцелистная
Tilia cordata
дерево
3,5
Ясень зеленый*
Fraxinus lanceolata
дерево
3,5
дерево
3,4
10
4
80
23
180
30
2
1
Тополь пирамидальный*
Populus italica
Робиния ложноакацие- Robinia pseudoacacia
вая*
36
100
24
80
18
20
20
20
100
30
Вяз горный
Ulmus montanus
дерево
з,з
Ель колючая*
Picea pungens
дерево
з,з
Тополь бальзамический* Populus balsamifera
дерево
3,3
Тополь белый
дерево
3,3
Абрикос обыкновенный Armeniaca vulgaris
дерево
3,25
Клен татарский
Acer tataricum
дерево
3,2
Береза бородавчатая
Betula verrucosa
дерево
3
90
Вяз гладкий
Ulmus laevis
дерево
3
80
18
Рябина обыкновенная
Sorbus aucuparia
дерево
3
50
5
Ель обыкновенная
Picea excelsa
дерево
2,5
Лох узколистный*
Eleagnus angustifolia
кустарник
4
1,5
Жимолость татарская
Lonicera tatarica
кустарник
3,8
0,2
Шиповник (разные
виды)
Rosa spp.
кустарник
3,8
0,3
Снежноягодник*
Symphoricarpus rivularis
кустарник
3,75
0,2
Чубушник*
Philadelphus coronarius
кустарник
3,75
Бересклет европейский Euonymus europaea
кустарник
3,7
0,6
Лох серебристый*
кустарник
3,7
2
кустарник
3,7
Populus alba
Eleagnus argentea
Смородина золотистая* Ribes aureum
30
50
5
1
*
0,2
5.6
Раздел 5.
267
Городская флора и фауна
Продолжение табл. 5.6
5
3
4
Бирючина обыкновенная Ligustrum vulgare
кустарник
3,6
0,3
Бузина красная
Sambucus racemosa
кустарник
3,6
0,4
Смородина красная
Ribes rubrum
кустарник
3,6
Карагана древовидная
Caragana arborescens
кустарник
3,5
Смородина черная
Ribes nigrum
кустарник
3,5
Спирея Вангутта*
Spiraea [Vanhoutti]
кустарник
3,5
Скумпия кожевенная
Cotinus coggygria
кустарник
3,4
Спирея иволистная*
Spiraea salicifolia
кустарник
3,3
Барбарис обыкновенный
Berberis vulgaris
кустарник
3,25
Сирень обыкновенная
Syringa vulgaris
кустарник
3,25
1,6
Crataegus spp.
кустарник
3,1
0,3
Аморфа кустарниковая Amorpha fruticosa
кустарник
3
0,2
Калина обыкновенная
Viburnum opulus
кустарник
3
Виноград дикий
пятилисточковый*
Partenocissus
quinquefolia
лиана
4,1
1
Боярышник (разные
виды)
2
6
0,2
0,4
0,3
0,1
Таблица 5.7. Растения, используемые в с а н и р у ю щ е й , рекреационной
и эстетической мелиорации и их свойства (по Л а п т е в у , 1998, с изменениями)
Русское название
Латинское
название
1
2
Жизненная
форма
3
Фитон- Сниже- ПовышеСумцидние
ние содер- марная
ность окисле- жания отценния
рицатель- ность,
балл
воздуха но заряженных
ионов в
атмосфере
4
5
6
7
Магнолия крупноцветковая*
Magnolia grandiflora дерево вечнозеленое
+
Дуб красный*
Quercus rubra
дерево листопадное
+
+
+
3
Дуб обыкновенный
Quercus robur
дерево листопадное
+
+
+
3
Ива белая
Salix alba
дерево листопадное
+
+
+
3
Робиния ложноакациевая*
Robinia pseudoacacia дерево листопадное
+
+
+
3
1
268
Экология городов
Продолжение табл. 5.7
1
2
3
4
5
6
7
+
3
Рябина обыкновенная Sorbus aucuparia
дерево листопадное
+
+
Каштан конский*
Aesculum
hippocastanum
дерево листопадное
+
+
2
Клен остролистный
Acer platanoides
дерево листопадное
+
+
2
Липа сердцелистная
Tilia cordata
дерево листопадное
+
+
2
Липа широколистная* Tilia platyphyllos
дерево листопадное
+
+
2
Рябина ария*
дерево листопадное
+
+
2
Айлант высочайший* Ailanthus altissima
дерево листопадное
+
1
Береза бородавчатая
Betula verrucosa
дерево листопадное
+
1
Груша обыкновенная Pyrus communis
дерево листопадное
+
1
Платан западный*
Platanus occidentalis
дерево листопадное
+
1
Софора японская*
Sophora japonica
дерево листопадное
+
1
дерево листопадное
+
1
1
Тополь Болле*
Sorbus aria
Populus bolleana
Черемуха обыкновенная
Padus avium
дерево листопадное
+
Яблоня пурпурная*
Malus purpurea
дерево листопадное
+
1
Яблоня лесная
Malus sylvestris
дерево листопадное
+
1
дерево листопадное
+
1
Лиственница сибир- Larix sibirica
ская*
дерево хвойное
+
+
+
3
Пихта сибирская*
дерево хвойное
+
+
+
3
Сосна обыкновенная Pinus sylvestris
дерево хвойное
+
+
+
3
Ель обыкновенная
Picea excelsa
дерево хвойное
+
+
2
Туя западная*
Thuja occidentalis
дерево хвойное
+
+
2
Кедр атласский*
Cedrus atlantica
дерево хвойное
+
1
Кедр гималайский*
Cedrus deodara
дерево хвойное
+
1
Кедр ливанский*
Cedrus libani
дерево хвойное
+
1
Кипарис вечнозеленый*
Cupressus sempervirens дерево хвойное
+
1
Кипарис лузитанский*
Cupressus lusitanica
дерево хвойное
+
Сосна алеппская*
Pinus halepensis
дерево хвойное
+
1
дерево хвойное
+
1
Яблоня Недзведского*
Сосна итальянская,
пиния*
Malus niedzwiedskii
Abies sibirica
Pinus pinea
*
1
Раздел 5. Городская флора и фауна
269
Продолжение табл. 5.7
1
2
3
4
5
6
7
Сосна крымская
Pinus pallasiana
дерево хвойное
+
1
Лавр благородный*
Laurus nobilis
кустарник вечнозеленый
+
1
Магония падуболист- Mahonia aquifolium
ная*
кустарник вечнозеленый
+
1
Османтус пахучий*
Osmanthus fragrans
кустарник вечнозеленый
+
1
Самшит обыкновенный*
Buxus sempervirens
кустарник вечнозеленый
+
1
Сирень обыкновенная
Syringa vulgaris
кустарник листопадный
+
+
Барбарис обыкновенный
Berberis vulgaris
кустарник листопадный
+
+
Калина обыкновенная
Viburnum opulus
кустарник листопадный
+
1
Чубушник*
Philadelphus
coronarius
кустарник листопадный
+
1
Можжевельник
казацкий
Juniperus sabina
кустарник хвойный
+
+
+
3
2
+
3
5.3.4. Принципы создания насаждений в городах
и пригородных зонах
Главными принципами создания насаждений в различных функциональных зонах городов являются:
принцип комплексности: растительные системы проектируются, создаются
и используются для достижения не одной, а комплекса фитомелиоративных
целей (например, уменьшение содержания загрязняющих газов и аэрозолей в
атмосфере вместе со снижением уровня шума и поверхностного стока и одновременным усилением эстетических свойств окружающей среды);
принцип соответствия состава и структуры растительной группировки
(фитоценоза) типу условий произрастания: естественные биогеоценозы непосредственно включаются в сеть управления качеством окружающей среды
города, а искусственные биогеоценозы проектируются и создаются таким
образом, что они структурно и функционально имитируют естественные.
Однако в городах, по направлению от периферии к центру, на градиенте "леса и природные сообщества других типов — застроенные территории" условия произрастания растений становятся экстремальными: увеличивается сухость микроклимата и почв, уменьшается проницаемость почв
вплоть до замены их искусственными непроницаемыми покрытиями, уве-
270
Экология городов
личивается степень загрязнения атмосферы, почв и вод, поступающих с
атмосферными осадками. В этих условиях создание полноценных фитомелиоративных систем становится возможным лишь при замене местных видов
интродуцентами, экологические характеристики которых позволяют им
выносить экстремальные условия центральных или промышленных зон
города, либо в результате проведения комплекса мероприятий, направленных на снижение степени гемеробноети местообитаний. Практика использования интродуцированных видов в составе насаждений города и пригородных зон широко распространена повсеместно в мире. В городах Украины более двух третей породного состава деревьев и кустарников приходится
на интродуценты.
Осуществление принципа соответствия насаждения типу местообитания
предполагает, в свою очередь, использование следующего комплекса принципов:
Экологические и лесотипологические. Видовой состав фитоценозов формируется в соответствии с экологическими характеристиками отдельных видов, такими, как отношение к механическому составу почвы, содержанию
гумуса и питательных веществ, засолению, кислотности, увлажнению почв
и его переменности, освещенности, устойчивости к содержанию токсических газов и пыли в атмосфере и т.д. Свойства отдельных видов, из списка
потенциально используемых, сопоставляются с характеристиками конкретного места произрастания (по выше указанным параметрам), идентифицируемого с тем или иным типом леса или нелесных условий произрастания в
соответствии с известными типологическими схемами . Таким образом,
подбирается ассортимент видов, способных произрастать в условиях данного лесохозяйственного района и данного местообитания. Интродуцированным видам отдается предпочтение в случае, если их экологические характеристики близки к таковым местных видов, но устойчивость к промышленному загрязнению значительно выше. На следующем этапе из полученного
списка исключаются виды с ярко выраженными аллелопатическими свойствами, которые подавляют другие виды при совместном произрастании в
смешанных насаждениях. Данные об экологических характеристиках древесных, кустарниковых и травянистых растений, произрастающих в составе
природных и антропогенных сообществ Центральной и Восточной Европы,
можно найти в книгах А. Бельгарда (1950), П. Погребняка (1955), Д. Цыганова (1983), В. Кучерявого (1991), А. Лаптева (1998).
1
Филогенетические и биосистематические. В основе использования этих
принципов лежат представления о соответствии географических ареалов видов растений их экологическим и филогенетическим особенностям: филогенетически близкие таксоны занимают идентичные экологические ниши
(Лаптев, 1998). На основе данного принципа создаются так называемые монокультурные парки и сады из деревьев разных видов одного рода, облада2
В Украине широко используется лесотипологическая схема П. Погребняка — А. Бельгарда — Д. Воробьева.
Т.е. отражающим эволюционное развитие таксонов.
1
2
Раздел 5. Городская флора и фауна
271
ющие высокими санитарно-защитными, рекреационными и эстетическими
свойствами. Эти же принципы положены в основу селекционной работы по
выведению новых форм (в рамках современных таксонов), обладающих такими с в о й с т в а ! ^ , которые делают их пригодными для культивирования в
специфических условиях города.
Эстетические. Используются преимущественно в архитектурно-планировочной, эстетической и рекреационной фитомелиорации при создании пейзажных элементов насаждений. Применяются следующие композиционные
приемы: акцент, создание смотровых кулис и рамок, чередование открытых и
закрытых пространств, контраст, использование света и тени, перспектива,
равновесие, следование ритму (Лаптев, 1998).
Лишь на основе комплексного применения методических принципов и
подходов лесоведения, биогеоценологии, физиологии, генетики и селекции
растений, ландшафтной архитектуры возможно решение задач экологической оптимизации современного урбанизированного ландшафта.
5.4. Комплексные зеленые зоны городов
5.4.1. Назначение, структура и статус комплексных
зеленых зон городов
Лес — это тип биогеоценозов, растительный покров которого сформирован с преобладанием деревьев, занимающий площадь не менее 0,01 га, с сомкнутостью полога не менее 30%, с особым микроклиматом у поверхности и
почвенными условиями, удовлетворяющими требованиям населяющего его
специфического сообщества организмов.
Среди территорий, занятых лесными насаждениями, особое место занимают зеленые зоны городов.
Зеленая зона — территория за пределами городской черты, занятая лесами и лесопарками, выполняющими защитные и санитарно-гигиенические
функции и являющиеся местом отдыха населения.
Лесопарк — обширный естественный лес поблизости крупного города или
внутри него, приспособленный для массового отдыха, спорта, развлечений и
удовлетворения культурных потребностей населения.
Леса и насаждения зеленых зон призваны выполнять три основные функции: защитную, санитарно-гигиеническую, рекреационную.
Правовой режим лесов, группы и категории защитности, их хозяйственное использование определены Лесным кодексом Украины.
По форме ведения хозяйства и управления леса зеленых зон относятся к
лесам, находящимся в ведении государственных органов лесного хозяйства,
городским, закрепленным лесам и лесам заповедников.
272
Экология городов
Городскими считаются леса, находящиеся в административных пределах
города. Лесное хозяйство в них ведут предприятия и организации местных
органов самоуправления.
Закрепленные леса — это часть лесов государственного значения, предоставленных министерствам, ведомствам, предприятиям, организациям и учреждениям для выполнения возложенных на них специальных задач — научных, учебных, оздоровительных и иных.
К лесам
новленном
природные
учную или
ведниками
заповедников относятся леса, находящиеся на выделенных в устапорядке участках земли, в пределах которых имеются охраняемые
и культурно-исторические объекты, представляющие особую напознавательную ценность. Лесное хозяйство в них ведется запокак научно-исследовательскими учреждениями.
Правовой гарантией сохранения природоохранной функции лесов служит установление категорий защитности, т. е. деление их на группы.
Категория защитности устанавливается для части лесного фонда и непокрытых лесом земель этого фонда в связи с особым защитным, водоохранным, санитарно-гигиеническим, рекреационным, научным, историческим или
иным специальным значением для использования преимущественно в одной
из указанных целей.
К лесам первой группы, имеющим санитарно-гигиеническое и оздоровительное значение, в частности, относятся:
• леса зеленых зон городов, других населенных пунктов и промышл е н н ы х предприятий, в том числе леса лесопарковых частей зеленых зон;
• леса первого и второго поясов санитарной охраны источников водоснабжения;
• леса округов санитарной охраны курортов, городские леса и лесопарки.
В лесах первой группы могут выделяться дополнительно особо защитные
участки с ограниченным режимом лесопользования. Такие участки выделяются государственными органами лесного хозяйства областей и Автономной
Республики Крым на основании материалов лесоустройства или специальных обследований, проведенных государственными лесоустроительными организациями, и утверждаются государственными областными администрациями и Кабинетом Министров АР Крым.
Порядок выделения категорий защитности лесов имеет своей целью определение хозяйственной специализации лесов и обеспечение их необходимой охраны. Наряду с этим установление ограниченного режима лесопользования при выделении соответствующих категорий защитности ставит цел ь ю сохранение и других компонентов природной с р е Д п вод, почв и
животного мира. Категория защитности лесов представляет собой правовое
понятие экологической роли, которую выполняют леса как компонент природного комплекса территории, способствующего поддержанию и сохранению ландшафтного и биологического разнообразия.
Раздел 5.
273
Городская флора и фауна
5.4.2. Выделение и определение размеров зеленых зон
городов Украины
Зеленые зоЛы городов выделяются на землях государственного лесного
фонда, расположенных за пределами городской черты с учетом площадей зон
санитарной охраны источников водоснабжения, округов санитарной охраны
курортов, защитных полос вдоль железных и автомобильных дорог, а также
запретных полос леса, защищающих нерестилища ценных промысловых рыб.
Для городов, где отсутствуют естественные леса и другие насаждения, леса
зеленых зон создаются искусственно на землях, непригодных для ведения
сельского хозяйства. Нормативные размеры общей площади зеленых зон городов устанавливают исходя из численности населения города, природноклиматической зоны и общей лесистости территории (табл. 5.8). В зависимости от местных санитарных и климатических условий допускается изменение
размеров зеленых зон не более, чем на 15% от нормативно установленных.
Таблица 5.8. У с т а н о в л е н и е п л о щ а д и зеленой зоны города, га/1000 чел.
Лесорастительная зона
Смешанных
лесов
Широколиственных лесов
Лесистость, %
20
15
10
5
Свыше
500 до
1000
Свыше
250 до
500
Свыше
100 до
250
Свыше
50 до 100
> 25
200
165
125
- 25
- 20
- 15
- 1 0
< 5
160
135
90
60
30
130
110
75
45
25
100
85
55
35
20
> 25
220
175
145
180
140
135
120
110
100
65
120
80
50
90
60
40
95
80
55
35
30
20
160
110
130
90
100
70
70
55
45
40
25
30
20
25
35
20
16
14
20 - 25
15 - 20
10 - 15
5 - 1 0
< 5
Лесостепная и
степная
Города с населением, тыс. чел.
> 15
10 - 15
5 - 1 0
3 - 5
< 3
105
85
70
50
30
17
Свыше
10 до 50
Д о 10
70
55
50
30
20
55
45
40
25
15
11
10
80
65
65
35
55
35
25
50
45
30
20
19
13
10
85
60
45
60
40
25
30
20
14
11
7
9
Для городов с населением более 1 млн человек зеленые зоны выделяются
по отдельным проектам, разрабатываемым научными и проектно-изыскательскими лесоустроительными учреждениями и организациями.
274
Экология городов
По целевому назначению зеленые зоны городов территориально подразделяются на две части — лесопарковую и лесохозяйственную. Лесопарковая
часть выделяется из входящих в зеленую зону города лесов с эстетически
ценными ландшафтами. Размеры лесопарковой зоны устанавливаются в зависимости от численности населения города (табл. 5.9).
Таблица 5.9. О п р е д е л е н и е размера л е с о п а р к о в о й части зеленой зоны города
Численность населения города, тыс. чел.
Размер лесопарковой части зеленой
зоны, га/1000 чел.
Свыше 500 до 1000
25
Свыше 250 до 500
20
Свыше 100 до 250
15
Д о 100
10
В лесостепной и степной лесорастительных зонах при лесистости 2% и
ниже лесопарковую часть составляет вся площадь лесов зеленой зоны города.
Леса и другие зеленые насаждения, входящие в зеленую зону города, должны
быть отграничены естественными рубежами, визирами или просеками с установленными граничными столбами.
5.4.3. Охрана и использование лесов зеленых зон городов
Охрана и использование лесов зеленых зон городов должны основываться
на комплексной системе лесопользования. Такая система включает лесоводственные, биотехнические и противопожарные мероприятия, благоустройство территории для обеспечения оздоровительных и средозащитных функций леса и организации отдыха городского населения, а также предусматривает ограничение
побочного пользования лесом. Выполнение этих задач должно обеспечивать:
• в лесопарковой части — сохранение и формирование долговечных устойчивых и эстетически привлекательных насаждений, пригодных для
организации отдыха населения;
• в лесохозяйственной части — формирование высокопродуктивных насаждений, способствующих очищению и оздоровлению воздушного
бассейна города, созданию резерва для дальнейшего расширения лесопарковой части города, удовлетворению потребностей в древесине и
продуктах побочного пользования лесом.
Территориальная организация зеленых зон городов предусматривает:
• выделение мест отдыха населения;
•
• выделение особо охраняемых участков, "зон покоя" для животных,
обеспечивающих поддержание нормального функционирования лесных экосистем;
• размещение зон развития лесохозяйственной деятельности.
275
Раздел 5. Городская флора и фауна
Лесоводственные мероприятия включают систему рубок и лесовосстановительных работ. Система рубок в лесах зеленых зон предусматривает:
• в лесопарковой части — рубки, направленные на формирование ландшафта, и*Ьанитарные рубки;
• в лесохозяйственной части — рубки ухода за лесом, санитарные рубки,
лесовосстановительные рубки, рубки реконструкции малоценных лесных насаждений и рубки, направленные на формирование эстетически
ценного ландшафта.
Возраст насаждений лесохозяйственной части зеленых зон городов, намечаемых для лесовосстановительной рубки, определяют с учетом состояния насаждений, но не ниже класса возраста, установленного для лесов
первой группы.
Лесовосстановительные работы должны проводиться на лесотипологической основе из местных пород деревьев с учетом ландшафтных особенностей территории, по возможности восстанавливая коренные насаждения, как
наиболее устойчивые к рекреационным нагрузкам, а также содействуя естественному лесовозобновлению.
Вблизи промышленных предприятий, выделяющих в атмосферу пыль и
вредные газы, создаются лесные культуры с повышенными газоустойчивостью и пылеулавливающими свойствами.
Леса зеленых зон городов обеспечиваются также системой противопожарных мероприятий.
Биотехнические
мероприятия
включают:
• фитопатологическую и энтомологическую защиту леса и профилактику
атак вредителей и болезней путем осуществления лесопатологического
надзора и использование средств защиты леса, неопасных для человека
и животных;
• сохранение и регулирование численности ж и в о т н ы х посредством
системы ежегодных учетов, мероприятий по охране и регулированию
численности, устройства искусственных гнезд для птиц и рукокрылых, введения в древостой плодово-ягодных деревьев и кустарников,
создания системы "зон п о к о я " , микрозаказников и микрозаповедников для привлечения хозяйственно-ценных организмов, поддержания высокой надежности функционирования лесных экосистем.
Для регулирования численности животных, наносящих вред лесным насаждениям, допускается их отпугивание, отлов и отстрел с соблюдением мер
безопасности отдыхающих.
Сенокошение допускается только на специально отведенных участках. В
лесах лесопарковой части не допускаются такие побочные виды лесопользования, как выпас скота, промышленная заготовка лекарственных трав, сбор
красиво цветущих растений, древесных соков, грибов, ягод, плодов, орехов,
технического сырья, а также охота.
276
Экология городов
Насаждения лесопарковой части должны способствовать формированию
привлекательных ландшафтов, для чего предусматривается декоративное оформление лесных дорог, полян и опушек.
Контрольные
1. Что
такое
вопросы
флора,
фауна,
растительность,
2. Что такое ареал? Какие разновидности
животное население?
ареала
вы знаете?
3. Как урбанизация влияет на динамику ареалов видов растений и животных?
4. Что такое антропогенный ландшафт?
генной
системы?
Чем
он
отличается
от ландшафтно-техно-
5. Основные черты изменения растительного покрова в процессе урбанизации.
6. Охарактеризуйте
основные
черты
7. Фитомелиорация,
города.
создание
зеленых
8. Что такое зеленая зона
зонах?
9. Классификация
10.
зеленых
Функции лесопарковой
Рекомендуемая
урбанизированной
насаждений
фауны.
в различных
города? Какие виды лесопользования
насаждений
функциональных
возможны
зонах
в зеленых
городов.
и лесохозяйственной
частей зеленой зоны города.
литература
Биоиндикация загрязнений наземных экосистем/Под ред. Р. Шуберта. — Пер. с нем.
— М.: Мир, 1988. - 348 с.
Горы шин а Т. К. Растения в городе. — JI.: Изд-во ЛГУ, 1991. — 148 с.
Клаусницер Б. Экология городской фауны: Пер. с нем. — М.: Мир, 1990. — 248 с.
Кучерявый В. П. Урбоеколопя. — Льв1в: CeiT, 1999. — с. 117—359.
Кучерявый В. А. Урбоэкологические основы фитомелиорации. Ч. I. Урбоэкология. —
М.: НТ " И н ф о р м а ц и я " , 1991. — 357 е.; Ч. И. Фитомелиорация. — М.: НТ "Информация", 1991. — 288 с.
Лаптев О. О. Еколопчна оптим1зашя бюгеоценотичного покриву в сучасному урболандшафть — Кшв, Державний комгтет Укра'ши по житлово-комунальному господарству, 1998. — 206 с.
Мильков Ф. Н. Человек и ландшафты. — М.: Мысль, 1973. — 244 с.
Миркин Б.М., Розенберг Г.С., НаумоваЛ.Г. Словарь понятий и терминов современной
фитоценологии. — М.: Наука, 1989. — 222 с.
Урбашзашя як фактор змш бюгеоценотичного покриву/Голубець М.А. (ред.) та iH. —
Льв1в: Академ1чний експрес, 1994. — 121 с.
Урбашзоване навколишне середовище: охорона природи та здоров'я людини/Рада
Свропи. Нацюнальний еколопчний центр. — К., 1996. — 234 с.
Раздел 6
ЧЕЛОВЕК
И ГОРОДСКАЯ СРЕДА
•
Городские поселения, возникшие первоначально в целях обороны от
нападения агрессивных соседей, постепенно трансформировались в центры промышленности, науки и культуры. Создавалась городская инфраструктура, более благоприятными становились условия проживания. Надежность и лучшее качество жизни способствовали переселению людей из
сельской местности в города. В то же время рост городов, насыщение их
промышленными предприятиями повлекли за собой возникновение ряда
экологических проблем, неблагоприятно отражающихся прежде всего на
здоровье населения. Из-за нарастающего дискомфорта в природной и социальной сферах в ряде городов наблюдается процесс деурбанизации, выражающийся главным образом в сокращении численности городского населения. Впрочем, деурбанизация может происходить и по причине существенного снижения промышленного потенциала города или изменения
структуры производства.
В определенной степени процессы деурбанизации имеют место в ряде
регионов Украины, где снижение объемов производства, прежде всего в
тяжелой и военной промышленности, привело к значительному сокращению занятости и, как следствие, к оттоку населения в сельскую местность или в другие, более благополучные в экономической отношении,
регионы и страны.
6.1. Преимущества и привлекательность
городской жизни
Современный город обеспечивает большинству проживающих здесь и в
пригороде людей обширные и разнообразные возможности трудоустройства
и получения тем самым средств к существованию.
В городе развита система снабжения и торговли необходимыми для населения продуктами питания и товарами. Жители сельской местности доставляют излишки своей продукции в город, где суммарная покупательная способность населения несравненно выше, чем в местах их проживания.
В городе обеспечен необходимый уровень медицинской помощи, и в особенности экстренной, как в условиях поликлинического обслуживания, так и
в стационаре.
Город предоставляет довольно разнообразные возможности для получения образования и переквалификации, причем чем больше численность населения города, тем, как правило, большим количеством учебных заведений
различного профиля и уровня он располагает.
278
Экология городов
Жилой фонд города в основной массе отличается высоким уровнем благоустройства. Большинство жилых домов и общественных заведений имеют
централизованное тепло-, водо- и газоснабжение. Жителям города самим практически не приходится заботиться об удалении отходов жизнедеятельности.
В городах получила развитие сеть общественного транспорта.
Многофункциональная система бытового обслуживания облегчает горожанам решение многих проблем повседневной жизни.
Система организации и разделения труда, благоустроенный жилой фонд,
развитая инфраструктура способствуют высвобождению у горожан определенного резерва свободного времени, которое можно использовать для
повышения своего образовательного, профессионального и культурного
уровня. Город предоставляет для этого довольно широкие возможности.
Здесь сосредоточен большой библиотечный фонд как художественной, так
и технической литературы. Сравнительная доступность библиотек способствует повышению интеллектуального развития и профессиональных знаний жителей города.
Театры, клубы, концертные залы и другие зрелищные заведения обеспечивают горожанам досуг высокого культурного уровня. Расположенные в городе музеи являются ценным, а во многих случаях уникальным источником
удовлетворения эстетических и познавательных потребностей людей.
В ряде городов сохранились памятники истории, культуры и архитектуры, ведутся раскопки древних поселений, которые привлекают внимание туристов.
Город предоставляет своим жителям хорошие возможности для занятий
спортом, творчеством и другими формами самовыражения личности.
Зоны отдыха и рекреационные объекты создают предпосылки для оздоровительного проведения досуга и неформального общения горожан.
Таким образом, широкие возможности для приложения труда, более обеспеченные условия существования, комфортность жилья, наличие свободного
времени и возможность использования его не только для отдыха, но и для
повышения своего интеллектуального уровня делают жизнь в городе более
привлекательной, чем в сельской местности, что и обуславливает продолжающийся рост численности городского населения.
6.2. Негативные воздействия городской среды
на население
Развитие научно-технического прогресса наряду с обхцйм улучшением
качества жизни людей, результатом которого является все увеличивающаяся
численность населения Земли, оказывает на окружающую природную среду
мощнейшее техногенное воздействие, сопоставимое по своим масштабам и
последствиям с глобальными геологическими процессами, изменившими облик
Раздел 6. Человек и городская среда
279
нашей планеты. Города являются наиболее значимыми центрами научнотехнического прогресса. Горожане, в большей мере пользуясь благами цивилизации, в первую очередь испытывают на себе ее негативные последствия.
Прежде всего это «выражается в загрязнении атмосферного воздуха. По данным многолетних наблюдений, из общего объема загрязнений, попадающих
в атмосферный воздух, до 86% поступает в пределах городской черты, до 13%
приходится на остальную территорию суши и 1% — на океанские просторы.
Источниками загрязнения воздушного бассейна городов являются транспорт,
промышленные предприятия и городская территория. Наиболее опасными для здоровья человека примесями в атмосферном воздухе являются
бенз(а)пирен, кислотообразующие окислы, пыль. Пылегазовые выбросы и
очаги тепла в виде металлургических заводов, тепловых и атомных электростанций формируют в городе своеобразный микроклимат, способствуют образованию смогов, что может крайне неблагоприятно отражаться на состоянии организма городских жителей, особенно маленьких детей и людей преклонного возраста.
Другим негативным фактором воздействия на здоровье горожан является неудовлетворительное качество питьевой воды. Из-за загрязненности
источников водоснабжения, низкого уровня водоподготовки во многих городах качество водопроводной воды не соответствует требованиям стандарта на питьевую воду. В связи с этим все большую актуальность приобретает децентрализованное снабжение населения питьевой водой высокого качества (см. п. 3.2.2).
Нерегулярная вывозка бытовых отходов, накопление и гниение их внутри жилых кварталов вызывает постоянное зловоние, способствует размножению мух — переносчиков кишечных инфекций.
Отсутствие мокрой уборки проезжей части и тротуаров или нерегулярное
ее проведение способствует пылению, что вызывает неблагоприятное воздействие на органы дыхания и зрения.
Городской шум, интенсивность которого особенно велика вблизи автомобильных и железнодорожных магистралей, в районе аэропортов, железнодорожных станций, автовокзалов, а также отдельных предприятий,
где работают кузнечно-прессовое оборудование, центрифуги, дробилки и
другие источники повышенного производственного шума, оказывает крайне
неблагоприятное воздействие на нервную систему, препятствует полноценному отдыху.
Скученность городского населения, массовые скопления людей в городском транспорте, в производственной сфере, в учебных заведениях способствуют быстрому распространению эпидемий. Так, периодически возникающие эпидемии гриппа в течение нескольких дней охватывают большую часть
жителей города.
Комфортные условия труда во многих отраслях производственной сферы, благоустроенное жилье, развитая инфраструктура, личный и общественный транспорт в той или иной степени способствуют гиподинамии, являющейся причиной многих расстройств здоровья человека.
280
Экология городов
Немаловажным фактором, ухудшающим общее состояние организма, является оторванность горожан от объектов природной среды. Тишина загородных ландшафтов, нарушаемая лишь пением птиц, чистый воздух, купание, хождение босиком, природные пейзажи способствуют полноценному
отдыху, укреплению нервной системы и, как результат, общему улучшению
состояния здоровья горожан.
6.3. Городская среда и здоровье населения
Состояние здоровья населения является важнейшим показателем качества жизни. Уровень заболеваемости зависит от многих факторов и определяется прежде всего сложившимися в стране экономическими и социальными
условиями, экологической обстановкой и уровнем медицинской помощи в
местах проживания, вспышками эпидемий. На состояние здоровья отдельного индивидуума существенное влияние оказывает курение, наркомания, злоупотребление алкоголем, гиподинамия, стрессы, наследственность, качество
питания и жилищные условия.
С определенной долей вероятности увеличение случаев тех или иных видов заболеваний может быть отнесено за счет загрязнения окружающей природной среды.
С радиоактивным загрязнением окружающей природной среды, а также с
присутствием в воздухе, питьевой воде и продуктах питания канцерогенных
веществ связывается рост онкологических заболеваний.
Загрязненность воздуха вызывает заболевания органов дыхания. Загрязнение водных объектов и плохое качество подготовки питьевой воды являются причиной инфекционных желудочно-кишечных заболеваний.
Неблагоприятные экологические условия проживания населения ослабляют иммунную систему. Снижается сопротивляемость организма как к возникновению хронических заболеваний, так и к вспышкам инфекционных, в
частности периодическим эпидемиям гриппа.
Напряженный ритм городской жизни, отягченный сложной экологической обстановкой, вызывает психо-невралгические расстройства и депрессии,
ведет к росту сердечно-сосудистых заболеваний, болезней нервной системы,
диабета. В отличие от жителей сельской местности, горожане более склонны
к гиподинамии, являющейся одной из предпосылок многих хронических заболеваний.
На основе систематизации статистических данных и материалов специальных публикаций в табл. 6.1 представлены основные •экологические и
психосоциальные факторы, способствующие развитию отдельных видов заболеваний.
281
Раздел 6. Человек и городская среда
Таблица 6.1. Причины возникновения некоторых видов заболеваний
Неблагоприятные факторы, связанные с
Виды заболеваний
загрязнением окружающей
природной среды
условиями и образом
жизни индивидуума
Онкологические
Ионизирующие излучения,
присутствие канцерогенных веществ в воде, воздухе, продуктах питания
Курение
Сердечно-сосудистые,
нервной, кроветворной
и эндокринной систем
Совместное действие факторов загрязнения окружающей природной среды,
радиация, шум
Стрессы, эмоциональные и
физические перегрузки,
гиподинамия, злоупотребление алкоголем, отсутствие полноценного отдыха
Хронические органов
дыхания
Загрязненность атмосферного воздуха
Курение
Хронические желудочно-кишечного тракта
Плохое качество питьевой
воды и пищи
Злоупотребление алкоголем, курение, неупорядоченный прием пищи,
стрессы, эмоциональные
перегрузки
Кишечные инфекционные, гепатит
Присутствие возбудителей
заболеваний в питьевой
воде или пище
Низкий уровень личной
гигиены, ухудшение функций иммунной системы
Грипп, острые респираторные
Эпидемии, скученность
населения
Ухудшение функций
иммунной системы
Врожденные аномалии
Совместное действие
факторов загрязнения
окружающей природной
среды и радиации
Алкоголизм, наркомания,
курение, физические и
психические травмы,
наследственные болезни
Переселение в новые города и районы новой застройки нередко сопровождается нарушением у новоселов психологического комфорта. Несмотря
на то, что уровень благоустройства жилого фонда здесь намного выше, чем
тот, где переселенцы жили раньше, у них в заметных масштабах наблюдается
повышенная нервозность, расстройства нервной системы и, как следствие,
ухудшение функций иммунной системы. Это явление, получившее название
"грусть новых городов" (Реймерс, 1990), объясняется, по-видимому, нарушением сложившихся привычных социально-психологических контактов, отрывом от прежней инфраструктуры, увеличением для большинства жителей
времени пребывания в общественном транспорте, а также возможно неудачной архитектурной планировкой и монотонной многоэтажной застройкой.
Особенно страдают люди преклонного возраста. Для преодоления указанных
негативных факторов в последнее время в архитектурной планировке все шире
282
Экология города
реализуются ландшафтно-экологические принципы. В соответствии с этими
принципами этажность зданий и их расположение учитывает пейзажные особенности местности. При создании жилых массивов в максимально возможной степени сохраняется природный ландшафт. В основном это касается естественной древесно-кустарниковой растительности, овражно-балочной и
речной сети, которая при сохранении своей пространственной конфигурации облагораживается на основе вертикально-горизонтальной планировки,
укрепляется инженерными сооружениями и лесными насаждениями.
В жилых массивах создаются рекреационные зоны, включающие сады,
парки и водоемы, площадки для игр, занятий спортом, места для неформального общения различных возрастных групп населения от самых маленьких до
людей пенсионного возраста.
В целях преодоления монотонности городского пространства создаются
здания различной конфигурации и окраски, широко используется архитектура малых форм.
Сокращение численности населения Украины и высокий уровень заболеваемости в последнем десятилетии XX века связывают с ухудшением экономического состояния страны и неблагоприятной экологической обстановкой. Однако и во многих сравнительно благополучных в экономическом и
экологическом отношениях странах Западной Европы (Франция, Швеция и
др.) также наблюдается стабилизация и даже некоторое сокращение численности населения, главным образом по причине сокращения рождаемости.
Контрольные
1. Преимущества
2. Основные
вопросы
жизни
техногенные
3. Предпосылки
6. Понятие
городе.
факторы
возникновения
4. Поясните явление,
5. Основные
в
неблагоприятного
некоторых
деурбанизации
Рекомендуемая
заболеваний
получившее название
ландшафтно-экологические
и
ее
воздействия
у
на
жителей
города.
горожан.
"грусть больших городов ".
принципы
архитектуры.
последствия.
литература
Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. В 2-х т. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1993. — 424 с. и 413 с.
Окружающая среда и здоровье: Учебн. пособие для вузов/Под. ред. Л.Хенса, Л.Мельника,
Э.Буна. — К.: Наук, думка, 1998. — 325 с.
Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. — М.: Мысль, 1990. — 638 с.
Раздел 7
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ ГОРОДОВ ОСНОВНОЙ ТЕХНОГЕННЫЙ ФАКТОР
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ
Энергетика современного города представляет собой сложную многоуровневую иерархическую систему, предназначенную обеспечить комфортные условия проживания населения, а также нормальное функционирование расположенных на его территории промышленных производств, предприятий и
учреждений. Лишь на основе надежно и эффективно работающей системы
обеспечения города необходимой энергией и энергетическими ресурсами
возможны его жизнь и развитие как единого территориального комплекса.
Все это связано с понятиями "производство" и "потребление" энергии, которые входят в общее понятие "энергетики".
Энергетические объекты являются одним из главных факторов жизнеобеспечения города. В то же время они оказывают наибольшее негативное
воздействие на окружающую природную среду из всех промышленных объектов. Это воздействие сказывается как в пределах городской территории, так и
в окрестностях города.
7.1. Структура и тенденции развития
энергоснабжения
Энергию в свободной форме невозможно накапливать на сколько-нибудь длительное время. Поэтому процессы производства и потребления энергии
должны совпадать во времени или следовать непосредственно друг за другом
и быть связаны между собой звеном передачи. Это оказывает большое влияние на характер производственных, технических и экономических связей
энергетики с другими отраслями материального производства, на структуру и
формы развития собственно энергетики и систем энергоснабжения.
Энергоснабжение — совокупность последовательных процессов производства, передачи и использования энергии.
Система энергоснабжения — совокупность установок и устройств, предназначенных для целей энергоснабжения.
Цепь превращения энергии. На практике часто используется термин "виды
энергии", под которым понимаются различные источники энергии или виды
топлива.
Топливо — горючее вещество, которое экономически целесообразно использовать для получения значительного количества теплоты.
284
Экология городов
Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Различают высшую Q^ и низшую Q^ теплоту сгорания (теплотворную способность топлива).
Высшая Qjj — теплота сгорания, выделяющаяся при сгорании 1 кг твердого,
жидкого или 1 м газообразного топлива при превращении водяных паров,
содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. Низшая теплота сгорания
меньше высшей на величину парообразования влаги, имеющейся в топливе
( W ) или образующейся в результате сгорания водорода топлива (9 Н ).
3
p
р
Условное топливо как понятие используется для сравнительных расчетов.
Условное топливо — топливо, теплота сгорания которого принята равной
29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перевод действительного количества топлива в
условное производится умножением количества данного топлива на его эквивалент Э = QP /29,35.
Основными природными (первичными) топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР), на которых базируется современная энергетика, являются
ископаемое топливо (угли, торф, нефть, сланцы, горючие газы), продукты
его переработки (моторное топливо, мазут, брикеты), водяные потоки
(реки), ядерное горючее (уран, торий). Существуют и другие виды топлива
или источники энергии, например, биомасса, энергия солнца, энергия
ветра, энергия волн, гидроресурсы, геотермальная энергия. Это возобновляемые, наиболее экологически чистые, так называемые альтернативные
источники энергии.
Видом потребляемых ресурсов определяются направления развития
энергетики: теплоэнергетика, использующаяся ТЭР и определяющая масштабы топливодобывающей промышленности; гидроэнергетика, развивающаяся на базе гидроэнергетических ресурсов как отрасль по комплексному
использованию водных запасов страны; атомная энергетика, основанная на
преобразовании внутриядерной энергии в другие виды; ветроэнергетика, гелиоэнергетика и др.
Все эти виды топлива представляют первичные энергетические ресурсы и
образуют первое звено цепи превращения энергии — энергетической цепочки (рис. 7.1). На диаграмме представлен путь от источника энергии до ее
конечного потребления. Например, сырая нефть, добываемая из земли, является первичным источником энергии, но имеет ограниченное применение.
Она может быть преобразована в более калорийные вторичные источники
энергии, такие как бензин, газ, нефть, мазут, тяжелое дизельное топливо и
т.д. Подобная обработка связана с определенными потерями энергии. Доведение вторичной энергии до потребителя также сопряжено с дополнительными потерями энергии на транспортирование и распределение. На заключительном этапе энергоноситель преобразуется для получения>полезной энергии й подачи ее в пункт потребления. Например, в процессе сжигания мазута
в топке отопительной котельной получаем теплоносители (водяной пар, горячую воду), подаваемые, в частности, на отопление и горячее водоснабжение городских объектов.
285
Раздел 7. Энергетические объекты городов
П Е Р В И Ч Н Ы Е ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Невозобновляемые источники энергии
Ископаемые: *
*
*
*
*
Реакции деления и синтеза:
* урана
* тория
уголь
нефть
газ
торф
Возобновляемые источники энергии
энергия солнца
геотермальные
приливы—отливы
энергия ветра
гидроресурсы
Потери
Преобразование
ВТОРИЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
ТОПЛИВА
Твердые:
* древесина
* уголь
* биомасса
Газообразные:
* природный газ
* искусств, газ
* водород
Жидкие:
* бензин
* газойль
Электроэнергия
Тепло: Районное отопление. Потери тепла
Неэнергетическое
потребление
Транспор-1
тировка и
распределение
Потери
КОНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
В виде первичной или
вторичной энергии
Потребность
С
ПОЛЕЗНАЯ ЭНЕРГИЯ
Тепло
Энергия
Освещение
Рис.7.1. Структура энергоснабжения
286
Экология городов
Основными видами продукции энергетического производства являются
электрическая и тепловая энергия, в форме которых происходит потребление
энергетических ресурсов на конечной стадии их использования. Устройства,
на которых энергия природных энергетических ресурсов преобразуется в другие
виды энергии, называются энергогенерирующими (или энергогенераторами),
а использующие преобразованные виды энергии — энергоприемниками (потребителями или абонентами).
Таким образом, исходя из задач энергоснабжения и цепи превращения
энергии, любая система энергоснабжения базируется на определенных энергетических ресурсах и включает в себя три главных элемента: источник энергии (энергогенератор), сети (распределительные и транспортные) и энергоприемник (потребитель, абонент).
Структура передаточных звеньев в системе определяется уровнем концентрации и централизации энергоснабжения.
Концентрация — процесс сосредоточения производства энергии на крупных энергетических предприятиях, т.е. увеличение единичной мощности и
производительности энергетических установок и оборудования. Концентрация — важнейший фактор совершенствования технической базы и повышения эффективности производства.
Централизация — объединение потребителей энергии едиными для них
энергетическими сетями и источниками энергии, определяемое, в первую
очередь, неразрывностью во времени процессов производства и потребления
энергии. Централизация в энергетике — форма рациональной организации
энергоснабжения потребителей.
Концентрация и централизация энергоснабжения увеличивают дальность
передачи энергии. Это связано с дополнительными затратами и потерями
энергии в распределительной системе. Снизить эти потери и увеличить дальность транспортирования позволяет повышение потенциала энергоносителей, используемых для передачи и распределения энергии.
Основной формой энергоснабжения в Украине являются централизованные системы. Объединяя энергогенерирующие установки, трансформирующие и распределяющие устройства и энергоприемники, они характеризуются
общностью принципов формирования и режима работы всех звеньев, взаимозависимостью процессов производства, распределения и использования
энергии.
Топливно-энергетический комплекс Украины. С принципами концентрации
и централизации связано объединение энергетики и отраслей топливодобывающей и перерабатывающей промышленности в единый топливно-энергетический комплекс (ТЭК). ТЭК Украины — один из самых крупных и четко
выраженных комплексов национальной экономики, представляющий собой
единую систему энергоснабжения страны и охватывающий совокупность процессов производства, преобразования, транспорта и распределения топливно-энергетических ресурсов.'Главной целью функционирования ТЭК является эффективное и надежное обеспечение всех потребностей народного хозяй-
Раздел 7. Энергетические объекты городов
287
ства Украины энергией необходимого качества (электрической и тепловой, а
также в виде тех или иных энергоносителей и рабочего тепла).
Электроэнергетика, или энергетическая промышленность, Украины охватывает совокупность процессов по производству, транспорту и распределению электрической и тепловой энергии, реализуемых атомными электростанциями (АЭС), тепловыми электростанциями на органическом топливе
(ТЭС, ТЭЦ), гидравлическими (ГЭС), гидроаккумулирующими (ГАЭС) электростанциями и котельными, подведомственными Министерству энергетики Украины (Минэнерго); линиями электропередач, электрическими и тепловыми сетями Минэнерго; электростанциями, котельными и утилизационными установками ведомственных организаций и предприятий; распределительными электрическими и тепловыми сетями, не принадлежащими
Минэнерго; энерго- и топливно-сбытовыми организациями. Кроме перечисленных мощных источников тепловой и электрической энергии (как
правило, системы Минэнерго), существует значительное число малых систем теплоэлектрогенерирования, которые рассредоточены по городам, населенным пунктам и различным отраслям промышленности. Это районные
отопительные и отопительно-производственные котельные, заводские ТЭС,
ТЭЦ и котельные, промышленные печи, бытовые энергоустановки, предназначенные для обслуживания нескольких зданий и сооружений, индивидуальных построек, коттеджей, частных домов и т.д. Все эти энергогенерирующие источники имеют признаки отдельной отрасли со своей продукцией в виде тепловой и электрической энергии, со своими потребностями в
топливе, оборудовании, материалах, инвестициях и т.д. И, естественно, со
своим, иногда весьма существенным, вкладом в обострение экологической
обстановки. По сути, это своеобразный топливно-энергетический комплекс,
который принято называть малой энергетикой. К числу объектов нетрадиционной малой энергетики можно отнести также установки и сооружения,
использующие солнечную энергию, энергию ветра, геотермальную энергию, биомассу, низкопотенциальную энергию и т.д.
Объемы производства малой энергетики сопоставимы с производством
энергии на крупных электростанциях. Так, в 1992 г. объектами коммунальной энергетики использовано более 65 млн т условного топлива (т.у.т.) и
выработано порядка 250 ПДж тепловой энергии. Для сравнения, всеми тепловыми электростанциями Украины в том же году произведено 324 ПДж
тепловой энергии и израсходовано около 80 млн т.у.т.
Топливная промышленность Украины охватывает совокупность процессов по добыче природных видов топлива и их переработке (сортировка,
обогащение, непосредственно переработка), реализуемых угольной, газовой, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, торфяной и атомной промышленностями.
Постоянное наращивание на протяжении многих десятилетий объемов
производства ресурсоемкой и энергоемкой продукции привело к тому, что
Украина превратилась из экспортера топливных ресурсов в импортера. В то
же время энергоемкость валового внутреннего продукта Украины в 2—4 раза
выше среднего значения в европейских странах.
288
Экология городов
Структуру энергоснабжения городов формируют потребители энергии и
энергопотребляюшие процессы. К потребителям энергии относят жилые здания, предприятия и учреждения коммунально-бытового обслуживания и хозяйства, предприятия общественного питания, связи, учреждения просвещения, здравоохранения, культуры, искусства, спорта, административно-хозяйственные, учебные, научные, общественные и другие организации.
В городском коммунальном хозяйстве потребление энергии обеспечивает силовые и тепловые процессы (высокотемпературные, средне- и низкотемпературные), освещение и потребление энергии на культурно-бытовые нужды. Практически во всех городах Украины на базе городских коммунальных и районных электростанций и котельных установок разного
типа сложилась система централизованного электроснабжения и теплоснабжения населения.
Следующей важной системой энергоснабжения городов является система
газоснабжения. Газификация городов получила широкое развитие в 50-е годы
XX века. Благодаря газификации обеспечивается централизация топливоснабжения высокотемпературных процессов в быту, общественном и промышленном секторе. Перевод местных тепловых установок всех видов на
газообразное топливо способствует оздоровлению воздушного бассейна и улучшению общего экологического и санитарного состояния городов.
Развитие энергетики городов на современном этапе характеризуют следующие основные тенденции:
• повышение удельного расхода энергоресурсов на нужды городского хозяйства;
• опережающие темпы роста электропотребления по отношению к темпу
роста потребления ТЭР в целом;
• сокращение доли непосредственного использования топлива за счет
повышения роли преобразованных видов энергии в удовлетворении энергетических потребностей городов;
• улучшение экологических показателей производства энергии и энергоиспользования;
• повышение уровня газификации и увеличение доли природного газа в
топливно-энергетическом балансе городов;
• рост концентрации потребления энергии в больших городах, выражающийся в повышении энергетической плотности нагрузки на 1 к м городской территории и удельного расхода ТЭР на одного жителя;
2
• сочетание преимущественно централизованного электроснабжения с
децентрализованным теплоснабжением;
• дальнейшее развитие газоснабжения городов путем»совершенствования
структуры и схемы распределительных сетей, улучшения их параметров, модернизации работы городского хозяйства.
Хотя в сравнении с другими видами энергии нетрадиционные пока играют малую роль, наблюдается также четкая тенденция постепенного развития
Раздел 7. Энергетические объекты городов
289
ветроэнергетики (северное побережье Европы, Калифорния, юг Украины),
гелиоэнергетики (Нидерланды, США, Япония).
Так как в настоящее время основой энергоснабжения городов является
централизованная выработка практически всех энергоресурсов, то необходимо рассмотреть перспективы развития определяющей составляющей ТЭК —
электроэнергетики.
Обеспечение надежного и стабильного энергоснабжения народного
хозяйства Украины электрической и тепловой энергией при значительном уменьшении вредного воздействия на о к р у ж а ю щ у ю природную среду осуществляется:
• путем технического перевооружения и реконструкции действующих
электростанций, электрических и тепловых сетей;
• освоением новых технологий сжигания углей путем создания соответствующего оборудования и парогазовых установок, в том числе с внутренней газификацией углей;
• введением в число действующих энергоблоков АЭС высокой и средней
степени готовности;
• дальнейшим развитием гидроэнергетики путем освоения гидроресурсов
Западной Украины и модернизации малых ГЭС, а также строительства
ГАЭС;
• дальнейшим развитием теплофикации с комбинированной выработкой
тепловой и электрической энергии на ТЭЦ;
• созданием в Украине полного ядерного топливно-энергетического цикла;
• ориентацией на обеспечение энергетическим оборудованием отечественного производства;
• созданием необходимых условий для полного и своевременного обеспечения ТЭС украинским углем;
• расширением объемов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
7.2. Традиционная энергетика
7.2.1. Основные типы электрических станций
В зависимости от вида первичной энергии различают тепловые электростанции (ТЭС), гидроэлектрические станции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС) и др. К ТЭС относятся конденсационные электростанции (КЭС)
и теплофикационные, или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).
Электростанции, обслуживающие крупные и жилые районы, получили
название государственных районных электростанций (ГРЭС). В их состав,
как правило, входят конденсационные электростанции, использующие оргаЮ 0-3,
290
Экология городов
ническое топливо и не вырабатывающие тепловой энергии. ТЭЦ также
работают на органическом топливе, но, в отличие от КЭС, вырабатывают
как электрическую, так и тепловую энергию в виде перегретой воды и
пара. Атомные электростанции преимущественно конденсационного типа
используют энергию ядерного топлива. В ТЭЦ, КЭС и ГРЭС потенциальная химическая энергия органического топлива (угля, нефти или газа)
преобразуется в тепловую энергию водяного пара, которая, в свою очередь, переходит в электрическую. Именно так производится около 80%
получаемой в мире энергии, основная часть которой на тепловых электростанциях превращается в электрическую. Атомные и возможно в будущем
термоядерные электростанции также представляют собой тепловые станции. Отличие заключается в том, что топка парового котла заменяется на
ядерный или термоядерный реактор.
Гидравлические электростанции (ГЭС) используют возобновляемую энергию падающего потока воды, которая преобразуется в электрическую.
ТЭС, ГЭС и АЭС — основные энергогенерирующие источники, развитие
и состояние которых определяют уровень и возможности современной мировой энергетики и энергетики Украины в частности. Электростанции указанных типов называют также турбинными.
Одной из основных характеристик электростанций является установленная мощность, равная сумме номинальных мощностей электрогенераторов и
теплофикационного оборудования. Номинальная мощность — это наибольшая мощность, при которой оборудование может работать длительное время
в соответствии с техническими условиями.
Из всех видов производства энергии наибольшее развитие в Украине
получила теплоэнергетика как энергетика паровых турбин на органическом
топливе. Удельные капитальные вложения на строительство ТЭС существенно
ниже, чем для ГЭС и АЭС. Значительно короче и сроки строительства ТЭС.
Что касается себестоимости вырабатываемой электроэнергии, то она ниже
всего для гидростанций. Стоимость производства электроэнергии на ТЭС и
АЭС отличается не очень существенно, но все-таки она ниже для АЭС.
Однако эти показатели не являются определяющими для выбора того или
иного типа электростанций. Многое зависит от места расположения станции. ГЭС строится на реке, ТЭС располагается обычно неподалеку от места
добычи топлива. Т Э Ц желательно иметь рядом с потребителями тепловой
энергии. АЭС нельзя строить вблизи населенных пунктов. Таким образом,
выбор типа станций во многом зависит от их назначения и предполагаемого
размещения. В последние десятилетия на себестоимость производства энергии, на выбор типа электростанции и места ее расположения решающее
влияние оказывают экологические проблемы, связанные с получением и
использованием энергоресурсов.
t
С учетом специфики размещения ТЭС, ГЭС и АЭС определяются месторасположение электростанций и условия их будущей эксплуатации: положение станций относительно центров потребления, что особенно важно для
ТЭЦ; основной вид энергоресурса, на котором будет работать станция, и
291
Раздел 7. Энергетические объекты городов
условия его поступления на станцию; условия водоснабжения станции, приобретающие особое значение для КЭС и АЭС. Немаловажным является близость станции к железнодорожным и другим транспортным магистралям, к
населенным пунктам.
7.2.2. Энергогенерирующие мощности Украины
Потенциал электроэнергетики Украины составляют 44 мощных ТЭС,
7 Г Э С и 5 А Э С (табл. 7.1).
Таблица 7.1. Характеристика энергетического комплекса Украины ( 1 9 9 9 г.)
Тип электростанций
Установленная мощность
Производство электрической
энергии
млн кВт
млрд кВт • час
доля в %
доля в %
ТЭС
36,4
67,5
33,98
39,1
ГЭС
4,7
8,7
9,73
11,2
АЭС
12,8
23,8
40,76
46,9
2,43
2,8
86,9
100
Прочие источники
энергии
Всего
53,9
100
Главная роль принадлежит электростанциям, оборудованным в основном энергоблоками мощностью 150, 200, 300 и 800 тыс. кВт. Наиболее
крупные тепловые электростанции Украины: Углегорская (3600 МВт), Запорожская (3600 МВт), Криворожская (2820 МВт), Бурштынская (2300
МВт), Змиевская (2150 МВт), Ладыжинская, Трипольская (1800 МВт). Все
они (как и многие другие ТЭС) расположены в основных промышленных
регионах Украины.
Работа ТЭС обеспечивается за счет использования двух видов природных
ресурсов: топлива и воды.
Так, конденсационная электростанция мощностью 2,5 млн кВт сжигает
в год около 6 млн т антрацитового штыба или около 12 млн т бурого угля.
Для перевозки 6 млн т угля в год необходимо в сутки 300 вагонов. Транспортные расходы растут пропорционально расстоянию от места добычи до
ТЭС. При мощности электростанции около 4 млн кВт транспорт высококачественного топлива не выгоден уже при расстоянии около 400 км, а низкокалорийных — 100 км. Поэтому более рационально строить станцию вблизи
места добычи топлива, а электроэнергию подавать по линиям электропередач. Кроме того, на охлаждение отработанного тепла и конденсата данной
электростанции расходуется около 90 м / с воды. Пруд-охладитель, который
обеспечивает подачу и охлаждение такого количества воды, должен иметь
площадь зеркала не менее 2500 га. Использование градирен для охлаждения
ю*
3
292
Экология городов
воды снижает термический КПД станции. Поэтому крупные ТЭС строят в
местах, близких к месторождениям топлива, где возможно создание прудаохладителя.
А т о м н ы е электростанции характеризуются более крупными энергоагрегатами и соответственно большими мощностями электростанций. В Украине 5 АЭС: Запорожская — мощностью 6000 МВт, Южно-Украинская —
3000 МВт, Ровенская — 1818 МВт, Чернобыльская — 1000 МВт и Хмельницкая — 1000 МВт, оснащенные, в основном, паротурбинными блоками
1000 МВт с реакторами ВВЭР. Их суммарная установленная мощность составляет 24% от общей мощности электростанций Украины. Однако они
вырабатывают почти 50% всей электроэнергии страны.
Таким образом, АЭС заняли в энергетике Украины ведущее место. Однако их эксплуатация сопряжена с целым рядом экологических проблем, связанных прежде всего с захоронением радиоактивных отходов.
Серьезное воздействие электроэнергетики на о к р у ж а ю щ у ю среду проявляется в региональных искажениях климатических условий, в связи с
концентрацией больших объемов тепловых выбросов на сравнительно малых площадях. Так, ТЭС на органическом топливе имеет тепловые выбросы, э к в и в а л е н т н ы е ее полуторной мощности. Станция мощностью
4 млн кВт выделяет в о к р у ж а ю щ у ю среду 6 млн кДж/с. А Э С имеет еще
большие тепловые выбросы. При той же мощности в 4 млн кВт выбросы
тепла составляют 9,2 млн кДж/с, т.е. в полтора раза больше, чем на тепловой электростанции. Тепловые потоки крупных электростанций, при
их сравнительно плотном расположении, как это имеет место в Украине,
могут смыкаться и создавать барьеры повышенной теплоотдачи и парообразования. Эти барьеры могут нарушать веками установившиеся сезонные перемещения масс воздуха в регионах, что приведет к резким климатическим изменениям.
Гидравлические электростанции. Создание гидроэлектростанций, как правило, обеспечивает не только выработку электроэнергии, но благодаря наличию водохранилища позволяет решать ряд других важных народнохозяйственных задач, связанных с судоходством, водоснабжением, орошением, развитием рыбного хозяйства и рекреацией.
Примером такого комплексного решения народнохозяйственных задач
служит каскад ГЭС на Днепре (рис. 7.2). Из общей установленной мощности ГЭС и ГАЭС Украины (4,7 млн кВт) более 3,8 млн кВт приходится на
долю шести ГЭС этого каскада: Киевской мощностью 361,2 МВт, Каневской — 444 МВт, Кременчугской — 625 МВт, Днепродзержинской —
352 МВт, Днепровской — 1532 МВт и Каховской — 351 МВт. Рядом с Киевской ГЭС сооружена гидроаккумулирующая электростанция, обеспечивающая снятие пиковых нагрузок, в основном для Киева, в Утренние и вечерние часы, когда потребность в электроэнергии резко возрастает. Мощность
Киевской ГАЭС — 235,5 МВт. На р. Днестр неподалеку от Могилева-Подольского сооружена Днестровская ГЭС мощностью 702 МВт, в Закарпатской области — Теребля-Рикская ГЭС мощностью 27 МВт.
293
Раздел 7. Энергетические объекты городов
Структура первичных энергетических ресурсов в производстве электрической энергии и тепла электростанциями объединенной энергетической системы Украины представлена в табл. 7.2.
Рис. 7.2. Каскад гидроэлектростанций на р. Днепр:
1 — Киевская; 2 — Каневская; 3 — Кременчугская; 4 — Днепродзержинская;
5 — Днепровская; 6 — Каховская
Таблица 7.2. Структура энергетических ресурсов в производстве э л е к т р и ч е с к о й
энергии и тепла э л е к т р о с т а н ц и я м и О Э С У к р а и н ы
Вид энергоресурсов
Количество
Млн. т.у.т.
Доля в %
Уголь
29,9 млн т
18
26,1
Мазут
1,3 млн т
1,8
14,6
2,6
Газ
12,8 млрд м
3,6
21,1
5,6
Ядерная энергия
29
44,6
Всего
67
100
Гидроэнергия
3
Как видно из табл. 7.2, к концу XX века основным производителем электроэнергии в Украине становятся атомные станции. Их доля в общем объеме
производства электрической энергии, по-видимому, будет возрастать и в дальнейшем.
Производство энергии в Украине во многом зависит от импорта энергоресурсов. Доля собственных ТЭР составляет в топливно-энергетическом балансе страны около 50%. Обеспеченность собственным углем оценивается на
уровне 92%, нефтью — на 18%, природным газом — на 22%. Ядерное топливо
полностью импортируется из России.
294
Экология городов
Природно-климатические условия Украины дают возможность достаточно эффективно использовать нетрадиционные первичные источники энергии: метан угольных месторождений, биогаз, получаемый из отходов, энергию ветра, солнечную и геотермальную энергию. К 2010 г. предусматривается
довести производство электроэнергии на базе нетрадиционных источников
до 10,9 млрд кВт • ч и тепловой энергии — до 16,8 млн Гкал, а также использовать 8 млрд м метана угольных месторождений.
3
Удовлетворение потребности Украины в топливе связано, в первую очередь, с сокращением использования природного газа и увеличением доли
твердого топлива при производстве электрической и тепловой энергии. Это
позволит снизить зависимость экономики Украины от дорогого импортного
газа. Однако перераспределение видов используемого топлива в сторону твердого обостряет и без того непростую экологическую обстановку, в первую
очередь в крупных промышленных центрах.
7.3. Объекты малой энергетики
К малой энергетике относится все, не входящее в систему Минэнерго
Украины, теплогенерирующее и теплоиспользующее оборудование. Это промышленные ТЭЦ и котельные, все оборудование коммунальной энергетики,
заводские котельные и ТЭС, промышленные печи, бытовые энергоустановки
различной теплопроизводительности. Для нее характерен низкий уровень
экономичности, надежности и безопасности, в том числе и экологической.
Малая энергетика потребляет более 60% всего топлива ТЭК Украины. Объемы потребления газообразного, жидкого и твердого топлива составляют (в
условном топливе) соответственно 49%, 20% и 31%. По оценочным данным в
Украине насчитывается около 2,0 млн ед. топливосжигающих установок, которые относятся к малой энергетике.
Тепловые КПД мелких котельных в 1,5—2,0 раза ниже технически допустимого уровня. Более половины топлива, расходуемого на нужды теплоснабжения, сжигается в таком энергорасточительном оборудовании.
Чуть более 15% объектов малой энергетики оборудовано пылеулавливающими устройствами. Причем степень улавливания газообразных выбросов
составляет на них менее 40%.
Теплоэлектроцентрали и крупные районные котельные являются в экономическом и экологическом отношении более предпочтительными. Однако
их использование экономически оправдано лишь при наличии крупных централизованных потребителей. Необходимость в протяженных и дорогостоящих тепловых сетях заметно снижает эффективность ТЭЦ и масштабы их
использования. Поэтому малая энергетика, благодаря такому преимуществу
как автономность, может успешно дополнять централизованную систему энергоснабжения, особенно при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Раздел 7. Энергетические объекты городов
295
7.4. Нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии
Наметившееся исчерпание горючих полезных ископаемых и высокий уровень воздействия традиционных источников энергии на окружающую природную среду вызвал во всем мире интерес к поиску эффективных способов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
К основным НВИЭ относятся: энергия солнца, ветра, тепла Земли (например, парогидротермическая), биомассы (органические отходы в хозяйственной деятельности человека, энергетические плантации), океанов и морей (например, приливов и отливов, температурного градиента), нетрадиционные виды гидроэнергетики (малых рек, гидроаккумулирующих систем), а
также вторичные энергетические ресурсы (тепловые отходы промышленных
и сельскохозяйственных предприятий). По некоторым оценкам суммарный
потенциальный вклад всех НВИЭ в мировой энергетический баланс уже к
2000 г. должен составить более 10%. Ожидается, что объем использования
отдельных видов НВИЭ распределится следующим образом (в млн т.у.т.):
солнечная энергия (на горячее водоснабжение и отопление) — 36; геотермальная энергия — 29; энергия ветра — 7; энергия биомассы — 7; другие
виды энергии — 7; всего — 86 млн т.у.т.
Необходимость и возможность развития в Украине НВИЭ обусловлены
следующими причинами:
• дефицитом традиционных для Украины ТЭР;
• дисбалансом в развитии энергетического комплекса Украины, ориентированного, во-первых, на централизованное электро- и теплоснабжение и, во-вторых, на значительное (свыше 40%) производство энергии на АЭС при фактическом отсутствии производств по получению
ядерного топлива, утилизации и переработке отходов, а также производств по созданию и модернизации оборудования действующих АЭС
(ядерных реакторов, котельного оборудования и т. д.);
• наличием научно-технической и промышленной базы, пригодной для
производства практически всех видов оборудования нетрадиционной
энергетики;
• благоприятными климато-метеорологическими условиями для использования основных видов НВИЭ.
Исходя из географических, научно-экономических и экологических факторов, для Украины целесообразно рассматривать использованные таких
НВИЭ, как энергия солнца, ветра, биомассы, малых рек, геотермальная энергия (табл. 7.3).
Использование энергии возобновляемых источников позволит снизить
потребление дефицитных для Украины нефтепродуктов на 5—6%, в том числе за счет использования гелиоресурсов — на 1,7%, ветроэнергии — на 2,8%,
геотермальной энергии — на 0,1%, биогаза — на 0,2%, гидроэнергии рек —
на 0,9% (больших — на 0,6% , малых — на 0,3%).
296
Экология городов
Таблица
Источник
энергии
7.3. Р е с у р с ы н е т р а д и ц и о н н ы х и с т о ч н и к о в э н е р г и и У к р а и н ы
Теоретический
потенциал
МВт -час МВт-час
в год
в год
Гелиоресурсы
720- 10'
Ветроэнергетика
965- 10'
Геотермальная
энергетика
5128 •10'
Биоэнергетика
12,5- 10
с/х отходов
Гидроэнергетика,
42,4- 10
в том числе:
большая
25,0- 10
малая
17,4- 10
6
6
6
6
Технический
потенциал
Использование
в данное время
81 10
0,8 10
0,4 10
0,14 10
10,2 10
9,7 10
0,5 10
3
3
3
3
6
6
6
т.у.т.
МВт-час
в год
10- 10
0,096- 10
3
3
0,049 •10
0,002 •10
1,22 •10
1,16 •10
0,06- 10
3
3
6
6
6
Реально возможный
объем использования
т.у.т.
0,13 10'
МВт-час
в год
0,16 - 10'
т.у.т.
(30+40) 10' (3,6+4,8)-10
6
0,36 10' 40+70• 10' (4,8+8,4) - 10 (4,8+8,4) • 10
6
14 10'
1,7- 10'
2800- 10
6,1 10
0,73- 10
6,1 •10
6
21,5 10
15,1 10
6,4 10
6
6
6
2,6- 10
6
6
1,8- 10
0,8- 10
6
6
21,5 •10
15,1 •10
6,4- 10
6
6
6
6
6
6
230-10
0,73-10
2,6-10
6
6
6
1,8 -10
0,8 • 10
6
6
7.5. Воздействие энергетических объектов
на окружающую природную среду
Воздействие энергетики на окружающую природную среду обобщенно
сводится к следующему:
• водопотребление и водопользование, обусловливающее изменение водного баланса и качества воды;
• выпадение на поверхность в виде твердых частиц и жидких растворов
продуктов выбросов в атмосферу, в том числе: кислот и кислотных окислов, металлов и их соединений, канцерогенных и радиоактивных веществ;
• складирование продуктов сжигания твердых топлив (зола, шлаки), продуктов продувок поверхностей нагрева (сажа, зола), а также отходов
обогащения топлива;
• выбросы твердых и жидких радиоактивных отходов, включая отходы
добычи и обогащения урановых руд;
• выбросы теплоты, следствием которых могут быть постоянное локальное повышение температуры в водоеме, временное повышение температуры, изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима, изменение условий паводков, изменение распределений осадков, испарений, туманов, местное потепление воздушного бассейна;
• создание водохранилищ в долинах рек или с использованием естественного рельефа поверхности, а также создание искусственных прудов-
297
Раздел 7. Энергетические объекты городов
охладителей, что вызывает изменение качественного и количественного состава речного стока, изменение гидрологии водного бассейна, увеличение давления на дно, проникновение влаги в разломы коры и изменение«сейсмичности, изменение условий рыболовства, развитие планктона и водной растительности, изменение микроклимата, условий
отдыха, спортивных занятий, бальнеологических и других факторов
водной среды, подтопления и заболачивания территорий, берегообрушение, перенос населенных пунктов;
• изменение ландшафта при сооружении различных энергетических объектов, в том числе вырубка лесов, изъятие из сельскохозяйственного оборота пахотных земель, лугов;
• воздействие сбросов, выносов и изменение характера взаимодействия водных бассейнов с сушей на структуру и свойства континентальных шельфов.
Примесные загрязнения могут суммарно воздействовать на естественный
круговорот и материальные балансы тех или иных веществ между гидро-,
лито- и атмосферой.
Воздействие различных энергетических объектов на окружающую природную среду в общем виде представлено в табл. 7.4.
Таблица 7.4. Воздействие энергетики на о к р у ж а ю щ у ю п р и р о д н у ю среду
Объект
Фактор воздействия
1
ТЭС на органическом топливе
2
Добыча топлива (создание шахт и образование терриконов)
Переработка и транспортировка топлива
Просадка земной поверхности
Изъятие территорий (строительство зданий, создание прудовохладителей, прокладка подводящих и отводящий каналов,
дорог и пр.)
Загрязнение газообразными, жидкими и твердыми отходами
(тепловое загрязнение воздушного бассейна и водной среды)
Изменение альбедо поверхности
Атомные электростанции
Добыча ядерного топлива
Изъятие территорий
Захоронение отходов
Тепловое загрязнение
Гидравлические
электростанции
Строительство плотин
Изъятие территорий
Создание водохранилищ
Переработка берегов
Изменение сейсмичности
Подтопление и заболачивание территорий
Воздействие на подземные воды
298
Экология городов
Продолжение табл. 7.4
1
2
Изменение внутриводоемных процессов
Изменение альбедо поверхности
Линии электропередач Изъятие территорий
и электрические
Вырубка лесов
подстанции
Возникновение блуждающих токов
Возникновение шумов
Образование зон повышенной напряженности электромагнитных полей
Теплотрассы
Изъятие территорий
Изменение термического режима
7.5.1. Взаимодействие ТЭС и окружающей среды
Из всех типов электростанций наибольшее отрицательное воздействие на
окружающую среду оказывают ТЭС. Это связано, главным образом, с процессами сжигания органического топлива. С учетом данных об элементарных
процессах, происходящих при сжигании топлива и при преобразовании тепловой энергии в механическую работу, а затем в электрическую энергию, на
рис. 7.3 представлена схема взаимодействий ТЭС с компонентами окружающей природной среды. Ископаемое топливо извлекается из недр и после обогащения и переработки подается в топку парогенератора (ПГ). Для обеспечения сжигания топлива из атмосферы в топку подается воздух. Образующиеся
продукты сгорания передают основную часть теплоты рабочему телу энергетической установки, часть теплоты рассеивается в окружающую среду, а часть
уносится с продуктами сгорания в дымовую трубу и далее в атмосферу.
В зависимости от исходного состава топлива продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, содержат окислы азота (NO ), окислы углерода (СО ), окислы серы (SO ), углеводороды, пары воды и другие вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии. Загрязнение атмосферы мелкими твердыми
частицами золы связано, главным образом, с использованием в качестве топлива угля, который предварительно измельчается в специальных мельницах.
Однако, при правильной организации процесса сжигания и применении современных фильтров с эффективностью улавливания частиц до 95—99%, их
количество может быть сведено до минимума.
x
х
x
При сжигании жидкого топлива (мазута) с выбросами в атмосферу поступают: окислы серы и азота, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия (табл. 7.5).
*
При сжигании природного газа в атмосферу также попадают окислы азота,
но образуется их существенно меньше, чем при сжигании мазута. Это объясняется не только свойствами самого топлива, но и особенностями процессов сжигания. Очевидно, что природный газ — наиболее экологически чистый вид энер-
Раздел 7. Энергетические объекты городов
299
етического топлива. Однако природный газ является денным сырьем для химических отраслей, поэтому его широкое применение на ТЭС нецелесообразно.
Атмосфера
Твердые
Н20
Воздух
СО
C02S02
^стицы
»«•i
О ' / Электро_
Теплота "Шум -магнитные^
, , . .
I »v '/ поля >
Теплота Пар Н 2 0
г
/7^5//
Ископаемое
топливо
Литосфера
Гидросфера
Рис.7.3. Схема взаимодействия ТЭС и окружающей среды
Таблица 7.5. Усредненные показатели загрязнения а т м о с ф е р ы тепловыми
электростанциями, г / к В т • час
Загрязняющие
вещества
Двуокись серы
Твердые частицы
Окислы азота
Фтористые соединения
Виды топлива
каменный уголь
6,0
1,4
21,0
0,05
бурый уголь
7,7
2,7
3,45
0,11
мазут
7,4
0,7
2,45
0,004
природный газ
0,002
—
1,9
—
Одним из факторов воздействия угольных ТЭС на окружающую среду
являются отходы системы складирования, транспортировки, пылеприготовления и золоудаления. Удаляемые из топки зола и шлак образуют золо- шлакоотвалы на поверхности земли.
В паропроводах от парогенератора к турбоагрегату (7), как и в корпусах и
ресиверах турбогенератора, происходит передача теплоты окружающему воздуху. В конденсаторе (К), а также в системе регенеративного подогрева питательной воды, включающей регенеративные водоподогреватели (РВП), конденсатные (КИ) и питательные насосы {ПН), теплота конденсации и переох-
Экология городов
300
лаждения конденсата воспринимается охлаждающей водой, подаваемой циркуляционными насосами (ЦН). Преобразование механической работы в электрическую энергию в электрогенераторе (Г) также сопровождается потерями,
которые в конечном счете преобразуются в теплоту, передаваемую атмосферному воздуху. Работа вращающихся механизмов, смесительных аппаратов,
трансформаторов связана с акустическим воздействием на окружающую среду, а работа трансформаторных подстанций (777), линий электропередач (ЛЭП),
как и всех электрических машин, связана с воздействием электромагнитных
полей и выделением тепла в окружающую среду.
Особую группу вод, используемых ТЭС, составляют охлаждающие воды,
забираемые из водоемов на охлаждение поверхностных теплообменных аппаратов — конденсаторов паровых турбин, водо-, масло-, газо- и воздухоохладителей. Эти воды вносят в водоем большое количество тепла. Из конденсаторов
турбин отводится приблизительно до двух третей всего количества тепла, получаемого при сгорании топлива, что намного превосходит сумму тепла, отводимого от других охлаждаемых теплообменников. Поэтому с охлаждением конденсаторов связывают обычно так называемые "тепловые загрязнения" водоемов сбросными водами ТЭС и АЭС. О количестве тепла, отводимого с
охлаждающей водой отдельных электростанций, можно судить по установленным энергетическим мощностям. Средний расход охлаждающей воды и количество отводимого тепла, приходящиеся на 1000 МВт мощности, составляют
для ТЭС соответственно 30 м /с и 4500 Гдж/ч, а для АЭС с турбинами насыщенного пара среднего давления — 50 м /с и 7300 Гдж/ч.
3
3
Кроме конденсаторов турбоагрегатов, потребителями охлаждающей воды
являются маслоохладители (МО). Остальные потребители технической воды (системы золо- и шлакоудаления, химводоочистки, охлаждения и промывки оборудования) потребляют около 7% общего расхода воды. В то же время именно эти
потребители воды являются основными источниками примесного загрязнения.
При промывке поверхностей нагрева котлоагрегатов серийных блоков ТЭС мощностью 300 МВт образуется до 10 000 м разбавленных растворов соляной кислоты, едкого натра, аммиака, солей аммония, железа и других веществ.
3
Один из компонентов, загрязняющих окружающую среду, — это шумовое воздействие. Энергетическое оборудование, как правило, является источником значительного шума. Однако основные источники шума, такие как
паровые котлы, турбины, генераторы, редукционно-охладительные устройства, расположены внутри помещения ТЭС. Поэтому они, как правило, не
оказывают значительного влияния на прилегающую к ТЭС территорию. От
оборудования, расположенного вне главного корпуса, шум может распространяться за пределы территории станции. Это обстоятельство, характерное
для всех типов электростанций, наибольшее значение имеет для ТЭЦ, которые расположены обычно в городском массиве. Их влияние ца районы жилой застройки может оказаться существенным. Источниками постоянного
шума, оказывающими существенное воздействие на окружающий район, являются тягодутьевые машины, газораспределительные пункты, трансформаторы, градирни, места забора воздуха из атмосферы и на выбросы из дымовых труб, особенно периодические продувки пара в атмосферу.
301
Раздел 7. Энергетические объекты городов
7.5.2. Взаимодействие АЭС и окружающей среды
Особенностью атомной энергетики является небольшой расход ядерного
топлива, о б е с п е ^ в а ю щ и й выделение огромного количества энергии (тепла).
Для АЭС мощностью 1 млн кВт требуется в сутки всего 3 кг U вместо 7100
т.у.т., как для ТЭС такой же мощности.
2
3
5
Главное различие между ТЭС и АЭС заключается в том, что в схеме последней вместо котла, работающего на органическом топливе, имеется атомный реактор, а также парогенератор особой конструкции. Остальное оборудование, а следовательно, и воздействие этой части АЭС на окружающую
среду, не отличается от оборудования ТЭС: паровая турбина, электрический
генератор, конденсатор, водяной насос и пр.
На рис. 7.4 представлена обобщенная схема воздействия АЭС на окружающую природную среду. Выделение энергии в процессе регулируемой цепной реакции деления атомов урана, тория и плутония происходит в ядерном
реакторе (Р), в его активной зоне. Почти вся энергия ядерной реакции передается теплоносителю. Прямой выход радиоактивных отходов в окружающую
среду предотвращается многоступенчатой системой радиационной защиты,
действующей как в условиях нормальной эксплуатации, так и при аварийных
ситуациях. При нормальной эксплуатации А Э С радиоактивность контура
ядерного реактора обусловлена активизацией продуктов деления и проникновением их в теплоноситель. Наведенной активности подвергаются практически все вещества, взаимодействующие с радиоактивными излучениями.
В схемах АЭС предусматриваются необходимые устройства для сбора активных веществ и удаления их в виде газообразных, жидких или твердых
отходов. Жидкие отходы содержат радиоактивные изотопы стронция, цезия,
водорода и других элементов. Суммарное расчетное значение радиоактивности жидких отходов блока А Э С с л е г к о в о д н ы м реактором м о щ н о с т ь ю
1000 МВт составляет около 1 0 с (30 Ки/год по продуктам деления). Радиоактивность жидких и газообразных выбросов у разных АЭС отличается на
несколько порядков, но в подавляющем большинстве случаев суммарные
выбросы значительно ниже предельно допустимых уровней (ПДУ).
1 2
-
1
Систематические наблюдения за воздействием АЭС на водную среду при
нормальной эксплуатации не обнаружили существенных изменений естественного радиоактивного фона. При установленных допустимых уровнях воздействия ядерной энергетики на гидросферу и существующих методах контроля
сбросов действующие типы ядерных энергетических установок не представляют собой угрозы нарушения локальных и глобальных равновесных процессов в гидросфере и ее взаимодействия с другими составляющими географической оболочки Земли.
В соответствии с Правилами ядерной безопасности АЭС МАГАТЭ проекты
всех систем и компонент АЭС, влияющих на ядерную безопасность, должны
содержать подробный анализ всех возможных отказов составных элементов с
выделением опасных отказов и оценку их последствий. С учетом распространения выбросов при авариях на АЭС устанавливаются санитарно-защитные зоны.
302
Экология городов
Ионизирующие
излучения (газооб- Аэрозоли
разные р.о.')
Теплота
Шум
Электромагнитные поля
ЛЭП
Теплота
Подпитка
Осадки
-i
V777Z
7//////А///7/ 7777777777777?.
Осадки
р.о.
777777777777777777777%^^^-^
Сливы
Твердые р.о.
Пар Н , 0
Горючее
Изменения
ландшафта
Сливы
Теплота
Гидросфера
Рис. 7.4. Схема взаимодействия АЭС и окружающей среды
*р.о. — радиоактивные отходы
Все другие виды воздействий АЭС на гидро- и литосферу, не связанные
с радиоактивностью (влияние системы водоснабжения, подводящих и отводящих каналов, фильтров), качественно не отличаются от аналогичных воздействий ТЭС. Основное тепловыделение АЭС в окружающую среду, как и
на ТЭС, происходит в конденсаторах паротурбинных установок. Однако удельные тепловыделения в охлаждающую воду у АЭС больше, чем у ТЭС, вследствие значительного удельного расхода пара. Это определяет большие удельные расходы охлаждающей воды. В связи с чем почти на всех новых АЭС
предусматривается установка градирен, в которых теплота отводится непосредственно в атмосферу. Затем охлаждающая вода поступает в пруд-охладитель. Это водоем обособленного водопользования, предназначенный для обеспечения замкнутой системы водоснабжения АЭС.
Потребление воздуха на А Э С определяется потребностями разбавления
загрязняющих выбросов и обеспечения нормальных условий жизнедеятельности персонала. Расход воздуха на А Э С с тепловыми реакторами оценивается в пределах 15—20 • 106 м /год на 1 МВт установленной мощности.
3
Наиболее сложной экологической проблемой при эксплуатации АЭС является захоронение крупнотоннажных радиоактивных отходов, образующихся при демонтаже элементов оборудования, обладающих радиоактивностью,
по окончании срока их службы или по другим причинам, а *акже отработанного ядерного топлива. Предусматривается несколько вариантов захоронения оборудования: помещение всех загрязненных радиоактивностью элементов в шахтные выработки; захоронение только наиболее загрязненных наведенной радиоактивностью элементов с повторным использованием остальных
303
Раздел 7. Энергетические объекты городов
по назначению; периодическая дезактивация оборудования на месте с захоронением концентрированных отходов и смывов.
Дальнейшее развитие атомной энергетики Украины связано с созданием
на территории Страны постоянного хранилища крупнотоннажных радиоактивных отходов.
7.5.3. Взаимодействие ГЭС и окружающей среды
Всего несколько десятилетий назад широкое распространение получила точка зрения о том, что ГЭС не могут отрицательно влиять на окружающую среду. Однако со временем стало ясно, что при строительстве и
эксплуатации ГЭС окружающей природной среде наносится существенный ущерб (рис. 7.5).
И з м е н е н и я во в з а и м о д е й с т в и я х с а т м о с ф е р о й
Уровень водохранилища
Плотина
ГЭС
Изменения
берегов
Просачивание
воды в границы
разломов
Накопление
отложений
Увеличение
давления
на дно
Изменения
в нижнем бьефе
Образование
застойной
зоны
Уровень
водоема
Изменения
эстуарий
Изменения
в водоеме
Рис. 7.5. Воздействие ГЭС на окружающую среду
Главным бедствием являются именно водохранилища, большую часть
которых составляют мелководья. Площади мелководий особенно велики при
зарегулировании равнинных рек, например, у водохранилищ Днепровского
каскада. Вода мелководий интенсивно прогревается солнцем, что в совокупности с поступлением биогенных веществ создает благоприятные условия
для развития синезеленых водорослей и других эвтрофикационных процессов. При создании водохранилищ затапливается территория, равная площади
304
Экология городов
его зеркала. Для аккумулирования 1 к м воды в водохранилищах, сооружаемых на равнинных реках, площадь затопления составляет порядка 300—320
км , на горных реках — порядка 80—100 к м . Поэтому развитие гидроэнергетики предпочтительней вести в горной местности. В результате фильтрации
воды в борта водохранилища вокруг него формируется обширная зона подтопления, почти равная по площади зеркалу водохранилища. Волновые явления вызывают переработку берегов и их обрушение, что увеличивает площади мелководий. Мелководья и подтопление способствуют заболачиванию территорий, прилегающих к водохранилищу.
3
2
2
При сооружении ГЭС происходит перераспределение стока реки, изменяется ее уровень, а также волновой, термический и ледовый режимы. Скорости
течения реки уменьшаются в десятки раз. В отдельных частях водохранилища
возникают застойные зоны. Изменяется тепловой режим в нижнем бьефе водохранилища в осенне-зимний период за счет поступления из верхнего бьефа
более теплой воды, нагретой в водохранилище за лето. Эти отклонения от
естественных условий распространяются на сотни километров от плотины ГЭС.
Наблюдаются существенные изменения гидрохимического и гидробиологического режимов водных масс. В верхнем бьефе массы воды насыщаются органическими веществами, поступающими с речным и поверхностным стоком, сточными водами, а также вымываемыми из затопленных почв.
Под давлением огромных масс воды, накопленных в водохранилищах,
нередко происходят просадки земной поверхности, сопоставимые с землетрясениями силой до 2—3 баллов. В результате изменения русловых режимов
в водохранилищах оседают наносы. Зарегулирование речного стока отражается на состоянии морской среды. Губительным для Азовского моря оказалось зарегулирование стока рек Дона и Кубани. Сооружение Цимлянского
(на Дону) и Краснодарского (на Кубани) водохранилищ уменьшило поступление речного стока в Азовское море примерно на 30%, что привело к снижению уровня моря на 70 см. Черноморская вода с соленостью 14—17% хлынула в акваторию Азовского моря, соленость которого составляла 7—11%. Постепенное изменение солености Азовского моря привело к исчезновению его
многочисленного и разнообразного рыбного населения. Этому способствовали также неоправданно высокие квоты ежегодного улова рыбы и загрязнение акватории Азовского моря сбросными водами рисовых плантаций, другими сточными водами, сбросами судов. В результате в течение 15—20 лет
рыбные запасы Азовского моря оказались практически исчерпанными.
7.5.4. Экологические аспекты нетрадиционной
энергетики
Расширение использования НВИЭ во многом связывается с надеждами на
получение экологически более безопасных источников энергии. Поэтому в
начальной стадии развития этих источников энергии необходимо с возможно
большей полнотой выявить реальную степень их воздействия на окружающую
природную среду. Это позволит избежать ошибок, допущенных при освоении
305
Раздел 7. Энергетические объекты городов
традиционных источников энергии, когда сначала были созданы технологические принципы и конструкции энергоустановок, и лишь затем, в процессе
эксплуатации, начались поиски путей подавления отрицательных экологических воздействий.,/!алее приведены наиболее характерные воздействия на окружающую природную среду, возникающее при использовании НВИЭ.
Солнечная энергия. Низкотемпературные солнечные системы тепло- и водоснабжения являются наиболее распространенными в данный период как в
индустриально развитых, так и в развивающихся странах. Средне- и высокотемпературные солнечные установки пока еще находятся на стадии интенсивной разработки. В мире создано несколько солнечных электрических станций
(СЭС) с использованием рассредоточенных параболических систем концентраторов (общей мощностью ~ 400 МВт). Опыт их эксплуатации, в частности,
показал, что основным экологическим фактором для СЭС по термодинамическому циклу преобразования энергии является блокировка оборудованием
значительных земельных территорий. Так, средняя потенциальная возможность
СЭС данного цикла оценивается в 30—40 МВт с одного к м . Потенциальные
возможности получения предельной мощности фотопреобразователей в 45—60
МВт с 1км (при их Л77Ддо 15%) и 60—100 МВт (при КПД фотопреобразователей — до 25%). В расчете на 1 МВт получаемой мощности СЭС на фотопреобразователях вдвое экономичнее используют территории, чем СЭС, выполненные по термодинамическому циклу с центральными приемниками.
2
2
Кроме потребности в сравнительно больших площадях, создание СЭС
связано, хотя это может показаться на первый взгляд странным, с весьма
опасным загрязнением водного и отчасти воздушного бассейна, которое может происходить в процессе изготовления гелиоэлементов. Для тепловых СЭС
используются большие поверхности зеркал, изготавливаемых с применением
соединений ртути. В призводстве фотопреобразователей используются соединения мышьяка, селена, сурьмы, кадмия и других токсичных химических
элементов. Для извлечения их из сточных вод и выбросов в атмосферу применяются весьма сложные и дорогостоящие методы очистки.
Ветроэнергетика. Практическое использование самых разнообразных источников энергии ветра получило во многих странах широкое распространение. В США эксплуатируется несколько десятков тысяч ветроэнергоагрегатов. Существенными установленными мощностями располагают страны Западной Европы: Великобритания — около 500 МВт, Германия — 100 МВт,
Дания — более 100 МВт, Нидерланды — 140 МВт, Швеция — 10 МВт и т.д.
Опыт эксплуатации ветроэнергостанций (ВЭС) показал, что экономически предпочтительнее использовать станции мощностью от 100 до 350 кВт.
Основные факторы воздействия ветроэнергетики на окружающую природную среду — это блокировка земельных территорий, шумовые эффекты,
высокая металлоемкость ветроустановок, гибель перелетных птиц под ударами пропеллеров. Максимальная мощность, которая может быть получена с
1 км площади, колеблется в широких пределах в зависимости от района
размещения, типа и технологических особенностей конструкции станции. Среднее значение составляет 10 МВт/км . Шумовой эффект в непосредственной
2
2
306
Экология городов
близости от ВЭС в зависимости от ее мощности может достигать 50—80 дБ.
Пороговая выносливость человеческого уха, принятая на основе болевых
ощущений, равна 180 дБ. Особенно высокие шумовые воздействия возникают при эксплуатации установок мощностью более 250 кВт, когда на концах
лопаток ветроколес большого диаметра скорости потока воздуха достигают
сверхзвуковых. При этом возникает инфразвуковой эффект, отрицательно
воздействующий на человека и на другие биологические субъекты.
Существенную роль играет показатель затрат металла на единицу мощности. В зависимости от уровня мощности этот показатель для ВЭС ориентировочно меняется в диапазоне 50—70 кг/кВт. В настоящее время имеется тенденция замены элементов металлических конструкций, в первую очередь лопастей в е т р о к о л е с , на с т е к л о п л а с т и к о в ы е . Следовательно, необходим
экологический анализ последствий химических производств, связанных с созданием данных конструкционных материалов.
По оценкам Всемирного конгресса Международного общества по солнечной энергии в Денвере (США), если принимать во внимание экологические
факторы, то СЭС и ВЭС уже сегодня более экономичны, чем ТЭС и АЭС.
Геотермальная энергия. Использование энергии высокопотенциальных геотермальных источников издавна привлекало человечество. К настоящему времени сложилось следующее распределение установленных мощностей геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС) в индустриально развитых странах
мира: 70% — в США; 28% — в Италии, Новой Зеландии и Японии; оставшиеся
2% приходятся на Грецию, Исландию, Португалию, Россию и Францию.
Экологическое воздействие ГеоТЭС и геотермальных технологических установок на окружающую среду сводится: к воздействию минерализованных
геотермальных вод и пара; к опусканию земной поверхности (иногда значительному по размерам), находящейся над разрабатываемым геотермальным
пластом; к повышенному (в сравнении с ТЭС равной мощности) тепловому
воздействию ГеоТЭС на окружающую среду. В составе выводимых на поверхность вод находятся: нитриты, хлориды и сульфиды некоторых металлов; опасные химические элементы (бор, мышьяк); сероводород (безвредный — в небольших количествах, токсичный — с ростом концентрации). При отсутствии
обратной закачки в пласт возникает опасность засоления водных объектов и
почв в районе использования геотермальных вод и падения пластового давления. Изменение давления в пласте в процессе длительной эксплуатации скважин влияет на уровень подземных вод в этом районе и может оказать отрицательное воздействие на работу артезианских скважин и водоснабжение.
Энергия биомассы. Особое значение источники энергии данного типа имеют
для развивающихся стран. В энергобалансе стран Африки они составляют в
среднем 60%, Латинской Америки — до 30%, азиатских стран — до 40%, некоторых стран Европы, Ближнего Востока и Северной Африки — до 10% общего
энергопотребления. Однако и индустриально развитые страны стимулируют развитие данного направления нетрадиционной энергетики. США, Дания и Швеция довели производство энергии биомассы до 400 МВт. Значительное развитие
получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, пиро-
Раздел 7. Энергетические объекты городов
307
лиза и получения жидких топлив. Например, в Бразилии, начиная с 1980 года,
производство этанола достигло 10 млн л в год. В ряде стран (Зимбабве, Кения,
Мали) этанол покрывает от 3 до 15% потребления всего бытового топлива.
В результате процесса биологической ферментации при переработке
биомассы в этанол образуются побочные продукты, в том числе промывочные воды и остатки перегонки. Последние являются серьезным источником загрязнения окружающей среды. Их масса в несколько раз (до 10)
превышает массу производимого продукта — этилового спирта. Представляют интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих
отходов получать вещества, используемые в химической промышленности, а также в качестве удобрений.
Утилизация органических отходов имеет, прежде всего, экологическую
направленность и играет даже большую роль, чем энергетический эффект на
основе использования этого вида сырьевых ресурсов. Особенно эффективна
она в регионах с влажным теплым климатом и в крупных городах.
Мини- и микроГЭС. Установлено, что на основе этих установок возможно
экономически рентабельное производство электроэнергии на уровне 6,5%
существующего потенциала гидроресурсов.
Данные установки минимально воздействуют на окружающую природную среду, так как не требуют строительства плотин, водохранилищ, береговых сооружений. За последние годы достигнуты серьезные успехи в этом
направлении, особенно в Индии и Китае.
Выпускаемые в Харькове и Сызрани (Россия) микро-ГЭС соответствуют современным научно-техническим и экологическим требованиям. Спрос
на них существует как в Украине, России, так и за рубежом (Индия, Китай, Южная Америка).
7.6. Энергоснабжение и экологическая ситуация
в Украине
В Украине, несмотря на сложившуюся в последние годы тенденцию сокращения общей техногенной нагрузки на окружающую природную среду,
суммарные поступления в атмосферу, водные и земельные ресурсы загрязняющих веществ довольно высоки и составляют до 900 млн т в год.
По оценкам Международного института менеджмента окружающей среды (Швейцария), если к 1989 г. размеры ежегодных потерь Украины от ухудшения среды обитания составили 15—20% валового национального дохода,
то к 1995 г. в связи со снижением последнего они достигли более 35% и стали
самыми крупными в мире. Удельное загрязнение на единицу территории
Украины самое большое в Европе. Зоны экологического бедствия занимают
более 15% всей территории Украины: это Донбасс, Кривбасс, Приднепровье,
Северный Крым, Чернобыльская зона, отдельные участки побережья Черного и Азовского морей.
Экология городов
308
На территории Украины можно выделить три экологические зоны (Донецко-Приднепровскую, Южную и Юго-Западную), существенно выделяющиеся
по антропогенным суммарным нагрузкам на воздушный бассейн. Максимальное количество выбросов в атмосферу, создающее нагрузку на единицу площади (~ 35 т/км в год), характерно для Донецко-Приднепровской зоны. В самой
Донецкой области этот показатель составляет 110 т/км в год. В Южной и
Юго-Западной зонах — соответственно, 7,1 и 7,8 т/км в год.
2
2
2
Из общей массы выбросов в атмосферный воздух, составляющей порядка
20 млн т веществ в год, на долю предприятий энергетики Украины приходится до 53%. Усредненный химический состав выбросов вредных веществ по
Украине составляет: сернистный ангидрид — 30%, окись углерода — 37%,
окислы азота — 10%, углеводородные соединения — 8%, легкие органические соединения — 4%, другие — 11%.
На очистные сооружения от стационарных источников поступает до 80% выбросов вредных веществ. В структуре уловленных ингредиентов основную часть
составляют твердые вещества (94%). Из общего количества образовавшихся газообразных веществ улавливается лишь 20%. Из-за отсутствия на предприятиях соответствующего очистного оборудования часть выбросов (до 20%) поступает непосредственно в атмосферу без очистки. Если в среднем по Украине одно промышленное предприятие ежегодно выбрасывает почти 300 тонн вредных веществ,
то на долю предприятия энергетики приходится в среднем до 7 тыс. т.
Предприятия малой энергетики практически не оснащены средствами очистки пылегазовых выбросов. Ущерб, причиняемый вредными выбросами в атмосферу, поступающими от мелких тепловых установок, на единицу сжигаемого
топлива в 5 раз выше, чем от ТЭЦ и КЭС. Это связано со спецификой размещения мелких котельных, промышленных и отопительных печей в зоне с высокой
концентрацией населения и отсутствием технических средств, обеспечивающих
эффективное сжигание вредных выбросов. На долю предприятий малой энергетики приходится от 25 до 50% всех энергетических выбросов. В условиях дефицита ТЭР практически невозможно обеспечить приоритетное выделение для теплоснабжения природного газа и замещение рядовых углей сортовыми видами топлива. В то же время при сжигании 1 т.у.т. природного газа в мелких котельных и
индивидуальных источниках тепла в атмосферу поступает 2,5 кг вредных выбросов, главным образом оксидов азота, тогда как при сжигании донецкого угля в
рядовом виде — 219 кг (при слоевом сжигании — несколько меньше).
Особенно значительно загрязнение атмосферного воздуха предприятиями энергетики: в Донецкой области — 30% всех выбросов в атмосферу, в
Днепропетровской — 24%, в Луганской — 18%, в Запорожской — 49%, в
Харьковской — 58%, в Ивано-Франковской — 73%, в Киевской — 67%, в
Винницкой — 71%. ТЭЦ металлургической и химической промышленности,
сахарных заводов добавляют еще 49% выбросов в Донецкой обл., до 70% в
Днепропетровской и до 85% в Крыму.
•
Стабилизация и уменьшение выбросов в атмосферу предприятиями энергетического комплекса являются важнейшими составляющими природоохранной стратегии Украины в соответствии с обязательствами, принятыми ею в
Рио-де-Жанейро в 1992 г., по предотвращению изменения климата планеты.
Раздел
309
7. Энергетические объекты городов
Контрольные
вопросы
1. Энергоснабжение
2. Энергетика,
города:
назначение,
энергоснабжение,
структура
и
тенденции развития.
топливно-энергетический
комплекс
Украины.
3. Топливно-энергетические ресурсы.
Возобновляемые
и
невозобновляемые
энергии.
Традиционная и нетрадиционная (малая) энергетика.
4. Органическое
топливо
5. Главные источники
производственные
6. Взаимодействие
и
экологические
энергии: электрические
котельные.
традиционной
энергетики
7. Экологические
аспекты
8. Экологические
аспекты
создания
9. Экологические
аспекты
создания
10. Нетрадиционные
средой.
аспекты
эксплуатации
источники
и
энергии
его
станции,
с
эксплуатации
и
их
отопительные
природной
электрических
эксплуатации
и
использования.
окружающей
тепловых
атомных
и
отопительносредой.
станций.
электрических
станций.
гидроэлектростанций.
взаимодействие с
11. Общие, местные, региональные и глобальные
жения с окружающей природной средой.
источники
проблемы
окружающей
взаимодействия
природной
энергоснаб-
12. Экологическая обстановка в Украине и её связь с энергоснабжением городов. Возможные
пути уменьшения вредного воздействия энергетики на окружающую природную среду.
Рекомендуемая
литература
Ахтырский А.А. Научно-технический прогресс в теплоэнергетике жилищно-коммунального хозяйства. — М.: Стройиздат, 1986. — 248 с.
Бабаев Н.С., Демин В.Ф., Ильин JI.A. Ядерная энергетика, человек и окружающая
среда. — М.,: Энергоиздат, 1981. — 296 с.
Более, чем достаточно? Оптимистический взгляд на будущее энергетики/Под редакцией Кларка Р. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 216 с.
Давыдова Л.Г., Буряк А.А. Энергетика: пути развития и перспективы. —М.: Наука,
1998. - 1 2 0 с.
Електроенергетика Укршни. — К.: ЦНТЕ1 "Украшформенагросервю", 1998. — 34 с.
Иванов С.И., Иванов М.Б., Ахтырский А.А., Хиж Э.Б. Организация и управление коммунальным теплоэнергетическим хозяйством. — М.: Стройиздат, 1986. — 238 с.
Кириллин В.А. Энергетика сегодня и завтра. — М.: Педагогика, 1983. — 128 с.
Комплексна державна програма енергозбереження Украши. — К.: Держком Укра'ши
з енергозбереження, 1996. — 218 с.
Непорожний П.С., Обрезков В.И. Гидроэлектроэнергетика. — М.: Энергоиздат, 1982.
- 304 с.
Скалкин Ф.В., Канаев А.А., Кооп Л.З. Энергетика и окружающая среда. — Л.: Энергоиздат, 1981. — 280 с.
Таги-заде Ф.Г. Энергоснабжение городов. — М.: Стройиздат, 1992. — 320 с.
Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию. — М.: Мир, 1981. — 439 с.
УкраТнська промисловкть: шлях до енергетичноТ ефективносп. — GC Energy in Kiev
(Програма TACIS). - К., 1995. - 198 с.
Раздел 8
БЫТОВЫЕ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОТХОДЫ.
САНИТАРНАЯ ОЧИСТКА ГОРОДОВ
Производственная и бытовая деятельность человека неминуемо связана с
образованием твердых отходов. Если газообразные и жидкие отходы сравнительно быстро поглощаются природной средой, то ассимиляция твердых отходов длится десятки и сотни лет. Места складирования отходов занимают
громадные территории. Ежегодно в Украине складируется до 1,5 млрд т твердых отходов. Всего в стране их скопилось до 30 млрд т. Свалки отходов занимают более 150 тыс. га. В связи с низким уровнем технологических процессов
объем образования промышленных отходов в Украине в 6,5 раза выше, чем в
США, и в 3,2 раза выше, чем с странах ЕЭС.
Проблема отходов — это проблема больших городов, и чем больше город,
тем эта проблема острее.
Отходы — неиспользуемые для производства данной продукции отдельные компоненты сырья или возникающие в ходе технологических процессов
вещества и энергия, не подвергающиеся утилизации в данном производстве.
Отходы одного производства могут служить сырьем для другого.
Твердые бытовые отходы (ТБО) — непригодные для дальнейшего использования пищевые продукты и предметы быта, выбрасываемые человеком.
Утилизация — употребление с пользой (от лат. слова utilis — польза).
Реутилизация (рецикл) — получение из использованной готовой продукции путем ее переработки новой продукции того же или близкого ей типа
(например, бумаги из макулатуры, металла из металлолома и др.). Использование ТБО в качестве исходного продукта для другого производства также
является одним из видов реутилизации.
Вторичные материальные ресурсы (BMP) — совокупность всех видов отходов, которые могут быть использованы в качестве основного и вспомогательного сырья для выпуска новой продукции. Реальные вторичные материальные ресурсы — это те, для которых созданы эффективные методы и мощности для переработки и обеспечен рынок сбыта. Потенциальные BMP — все
виды вторичных ресурсов, не вошедших в группу реальных.
Фильтрат — жидкая составляющая ТБО, сильно загрязненная.
Классификация отходов. Отходы подразделяются на:
• бытовые (коммунальные) — твердые и жидкие отходы, не утилизируемые в быту, образующиеся в результате жизнедеятельности людей и амортизации предметов быта;
• промышленные — остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, обра-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
311
зовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и
утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства;
• сельскохозяйственные — отходы, образующиеся в ходе сельскохозяйственного производства;
• строительные — отходы, образующиеся в процессе строительства зданий, сооружений (в том числе дорог и других коммуникаций) и производстве строительных материалов;
• потребления — изделия и машины, утратившие свои потребительские
свойства в результате физического или морального износа;
• радиоактивные — неиспользуемые прямые и косвенные радиоактивные
вещества и материалы, образующиеся при работе ядерных реакторов,
при производстве и применении радиоактивных изотопов.
Отходы промышленного и сельскохозяйственного производства называются также производственными отходами. Они могут быть токсичными и нетоксичными.
Токсичные — отходы, способные вызывать отравление или иное поражение живых существ.
8.1. Состав, свойства и объем твердых бытовых
отходов
Морфологический состав. В состав ТБО входят следующие компоненты:
бумага, картон 20—30%, пищевые отходы 28—45%, дерево 1,5—4%, металл
черный 1,5—4,5%, металл цветной 0,2—0,3%, текстиль 4—7%, кости 0,5—2%,
стекло 3—8%, кожа, резина, обувь 1—4%, камни, фаянс 1—3%, пластмасса
1,5-5%, смет (< 15 мм) 7—18%, прочее 1 - 3 % .
Процентные соотношения морфологического состава ТБО весьма условны, так как на соотношение составляющих оказывают влияние степень благоустройства жилого фонда, сезоны года, климатические и другие условия. В
составе ТБО постоянно увеличивается содержание бумаги, пластмасс, фольги, различного рода банок, полиэтиленовых пленок и других упаковок. Особенно велики сезонные колебания пищевых отходов — с 28% весной до 45%
и более летом и осенью.
В состав пищевых отходов входят картофельные очистки, отходы овощей, фруктов, хлеба и хлебопродуктов, мясные и рыбные отходы, яичная
скорлупа и др. Они содержат крахмал, жиры, белки, углеводы, клетчатку,
витамины. Влажность пищевых отходов колеблется от 60—70% весной до
80—85% летом и осенью. Влажность пищевых отходов ресторанов, столовых и других предприятий питания достигает 95%. Балластные примеси
пищевых отходов представлены костями, боем стекла и фаянса, металлическими крышками и банками.
312
Экология городов
В целях сохранности и возможности использования пищевых отходов их
следует хранить летом при t > 6—7° С не более 10 часов, зимой при той же
температуре до 30 часов.
Емкости для хранения пищевых отходов необходимо мыть 2% раствором
кальцинированной соды или раствором хлорной извести, содержащей 2% активного хлора, и затем полоскать чистой водой.
Фракционный состав. Основная масса ТБО представлена фракциями до
150 мм (80—90%) и только менее 2% (балластные примеси) представлены
фракциями более 350 мм.
В табл. 8.1 приведены усредненные данные по фракционному составу
ТБО крупного города.
Как видно из приведенных в табл. 8.1 данных, фракционный и морфологический состав ТБО взаимосвязан: чем больше в ТБО пищевых отходов,
имеющих в основном размеры менее 50 мм, тем больше в их составе мелких
фракций и наоборот, при увеличении в составе ТБО различных упаковок
(картон, дерево, пластмасса, бутыли и др.), имеющих размеры более 150 мм,
значительную долю в массе отходов будут составлять крупные фракции. В
различные сезоны года фракционный состав меняется.
Таблица 8.1. С о д е р ж а н и е с о с т а в л я ю щ и х Т Б О
по ф р а к ц и я м , % от общей массы
Наименование
составляющих ТБО
Бумага
Величина фракций, мм
350-250
250-150
3-8
9-11
Пищевые отходы
—
0-1
Металл
—
0-1
Дерево
0,5-1
0-0,5
Текстиль
0,2-1,3
1-1,5
Кости
—
Стекло
—
0-0,3
Кожа, резина
—
0-1
Камни
—
Пластмасса
Смет и прочие
ВСЕГО:
0-0,2
—
4-10
—
—
0,3-0,8
0-0,5
11-15
150-100
9-11
2-10
0,5-1
0-0,5
0,5-1
100-50
7-9
менее 50
2-8
7-13
17-22
0,8-1,6
0,3-0,5
0,5-1
0-0,5
0,3-1,8
0-0,5
0,3-0,5
0,5-0,9
0,3-1
0,5-1,5
0-0,3
0,5-2
0,5-1,5
0,2-1
0,5-1,5
0,5-2
0,2-0,5
0,2-0,5
0,2-0,5
—
0-0,5
18-22
0-0,4
20-30
0-0,3
7-11
30-40
Химический состав. Усредненные данные химического состава ТБО по
климатическим зонам приведены в табл. 8.2. Украина отьЛсится к средней
климатической зоне, за исключением Южного берега Крыма, который относится к южной. Как видно из результатов, приведенных в этой таблице, по
содержанию таких элементов, как азот, фосфор, калий и кальций, ТБО могут
быть отнесены к веществам, из которых можно получать ценные удобрения.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
313
Таблица 8.2. Химический состав ТБО в различных климатических зонах,
% от сухой массы
Климатические зоны
Показатели
южная
средняя
Органическое вещество
56-72
Зольность
28-44
20-44
0,9-1,9
1,2-2,7
О б щ и й азот
56-80
4-5,7
Кальций
2-3
Углерод
30-35
28-39
Фосфор
0,5-0,8
0,5-0,8
Общий калий
0,5-1
0,5-1,1
Влажность (% от о б щ е й м а с с ы )
40-50
35-70
Физические свойства ТБО: плотность, связность и сцепление. Плотность
ТБО городов Украины составляет в среднем 0,19—0,23 т / м . Плотность ТБО
колеблется в зависимости от благоустройства жилого фонда и сезонов года.
Для благоустроенного жилого фонда плотность ТБО в весенне-летний сезон
составляет 0,18—0,22 т/м , в осенне-зимний сезон 0,2—0,25 т/м , для неблагоустроенного жилого фонда с печным отоплением 0,3—0,6 т/м . Чем больше
бумаги и различных пластмассовых упаковок, тем меньше плотность ТБО. С
увеличением влажности плотность ТБО повышается. В будущем плотность
ТБО больших городов за счет увеличения количества различных упаковок
снизится до величины, близкой 0,1 т / м . В крупных городах Европы и Америки плотность ТБО близка к этому показателю.
3
3
3
3
3
Связность и сцепление. Бумага и картон, текстиль и пластмассовые пленки формируют структуру ТБО и придают им механическую связность. Липкие и влажные компоненты обеспечивают сцепление. Эти свойства ТБО способствуют сводообразованию и зависанию на стенках бункеров и прутьях
решеток. Так, через решетку 30x30 см ТБО самостоятельно не проваливаются, и для их проталкивания требуются дополнительные усилия. На стенках
бункеров с углами 65—70° происходит налипание и зависание ТБО. При длительном хранении ТБО слеживаются, самоуплотняются и теряют сыпучесть.
Компрессионные свойства. Для уменьшения общего объема ТБО при перевозке и складировании на полигонах важно знать их компрессионные свойства, т.е. влияние давления на степень уплотнения.
При послойном уплотнении на полигонах при удельном давлении, равном 0,1 МПа, объем рыхлого ТБО, выгруженного из мусоровоза, уменьшается в 3—4 раза.
При прессовании ТБО в мусоровозе при удельном давлении, равном
0,1 МПа, их объем уменьшается в 1,5—3 раза.
При повышении удельного давления до 0,3—0,5 МПа происходит поломка различного рода упаковок, прессование бумаги и пленок, начинается выдав-
314
Экология городов
ливание влаги. Объем ТБО в зависимости от состава и влажности может быть
уменьшен как минимум в 5 раз от первоначального, полученного при сборе
ТБО в контейнерах. Плотность ТБО при этом может достигать величины,
равной 0,8 т / м и более.
3
При повышении удельного давления до 10—20 МПа отжимается 80—90%
всей влаги, содержащейся в ТБО при сборе. При этом объем ТБО снижается
еще в 2—2,5 раза, а плотность повышается в 1,3—1,7 раза. Спрессованные
таким образом ТБО на какое-то время стабилизируются, так как содержания
влаги в ТБО недостаточно для активной жизнедеятельности микроорганизмов, а доступ кислорода из-за высокой плотности затруднен. При дальнейшем повышении удельного давления до 60 МПа происходит почти полное
отжатие влаги, но объем практически уже не изменяется. Микробиологическая жизнь в таком материале замедляется.
Абразивные и коррозионные свойства (от лат. abrasio — соскабливание и
corrosio — разъедание). Соскабливание трущихся поверхностей происходит
за счет балластных фракций (металл, бой стекла, фаянса, кости и др.). В
связи с этим Т Б О обладают абразивностью и могут истирать соприкасающиеся с ними взаимоперемещающиеся поверхности. При контакте с металлами ТБО оказывают корродирующее воздействие, что связано с их высокой влажностью, наличием в фильтрате растворов различных солей и кислой средой (рН=5—6,5).
Теплотехнические свойства. Наличие в ТБО большого количества органических веществ обуславливает их теплотворную способность. Удельная теплоемкость ТБО определяется по формуле:
=
удТБ0
С
2
1
'9 •
w+
2000, Дж/кг • град.,
где W — влажность ТБО, %.
Удельная теплоемкость основных компонентов ТБО (в Дж/кг • град.) следующая: вода — 4190; дерево, картон, бумага — 2000—2500; стекло, камни —
800—1000; железо — 400; алюминий — 860.
Теплотворная способность ТБО также зависит от их плотности. Так, при
изменении плотности от 0,2 т / м до 0,5 т / м теплотворная способность ТБО
снижается с 2000 до 940 ккал/кг.
3
3
Санитарно-бактериологические свойства. ТБО содержат большое количество влажных органических веществ, которые, разлагаясь, выделяют гнилостные запахи и фильтрат. При высыхании продукты неполного разложения образуют насыщенную загрязнителями и микроорганизмами (от 300 до
15 млрд на 1 г сухого вещества) пыль. В результате происходит интенсивное загрязнение воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод. Разносчиками патогенных микроорганизмов являются мухи, крысы, птицы, бездомные собаки и кошки.
t
В среде ТБО наряду с сапрофитными развиваются патогенные бактерии
— носители различных заболеваний. Кроме патогенных микроорганизмов,
ТБО содержат яйца гельминтов (глистов). При складировании ТБО часть
патогенных микроорганизмов погибает уже через несколько дней, тогда как
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
315
другие их виды могут существовать в таких условиях в течение нескольких
лет. Яйца гельминтов сохраняют свою жизнестойкость в течение многих
лет. С пылью или фильтратом они выносятся за пределы складирования
ТБО и являются щеточниками загрязнения вод и почвенного покрова.
Микроорганизмы, обнаруживаемые в ТБО, являются возбудителями гепатита, туберкулеза, дизентерии, аскаридоза, респираторных, аллергических,
кожных и других заболеваний.
Обеззараживание ТБО осуществляется следующими методами: сжигание
органики на мусоросжигающих заводах, обработка дезинфицирующими растворами, биологическое обеззараживание в аэробных (компостирование) и
в анаэробных (захоронение на полигонах) условиях, глубокое прессование с
полным отжатием фильтрата, капсулирование измельченного ТБО различными отвердителями.
Биологическое обеззараживание ТБО при захоронении их на полигонах
осуществляется следующим образом. ТБО перекрываются слоем земли, что
прекращает доступ кислорода. В анаэробных условиях (при отсутствии кислорода) развиваются анаэробные бактерии, разлагающие органические
вещества и убивающие патогенную микрофлору. Процесс разложения органики очень длителен и требует больших площадей для складирования ТБО.
При этом возможна утилизация органических веществ в виде биогаза, содержащего до 55—60% метана.
Биологическое обеззараживание ТБО при компостировании осуществляется следующим образом. При наличии влаги и кислорода в среде ТБО развиваются аэробные бактерии. Сначала развивается группа мезофильных аэробных бактерий, которые расщепляют некоторые органические соединения. При
этом выделяется энергия, которая разогревает ТБО до 20—35° С. После первоначального разогрева в среде ТБО начинает активно развиваться группа
термофильных аэробных бактерий, которые способны расщеплять более устойчивые органические соединения. Выделяющаяся при этом энергия разогревает ТБО до 60° С и более. Такая температура губительна для патогенных
микроорганизмов (табл. 8.3).
Таблица 8.3. Влияние температуры на гибель
патогенных микроорганизмов
Влияние температуры на патогенные микроорганизмы
Возбудители
заболеваний
Туберкулеза
Тифа
Дизентерии
Холеры
условия выживания
среда
ТБО в почве
ТБО
ТБО
ТБО
условия гибели
число дней
t°C
время в мин.
150-180
4-115
10-40
1
55-65
55-60
55
50
5-60
5-30
60
80-60
Экология городов
316
По действующим в Украине санитарным нормам для определения бактериального загрязнения ТБО пользуются титрами (титр — содержание чеголибо в единице объема) микроорганизмов, определяемых по специальной
методике. В качестве тест-объекта используют "коли-титр", т.е. количество
клеток кишечной палочки, которые свидетельствуют о развитии другой более
опасной патогенной микрофлоры. В странах Европейского сообщества в качестве титра используют фекальный стафилококк.
В табл. 8.4 приведены данные аэробного обеззараживания в процессе
компостирования.
Таблица 8.4. Эффект аэробного обеззараживания в процессе компостирования
Микрофлора
Сальмонеллы
В исходном ТБО
В готовом компосте
6000
0-5
Фекальные колиформы
(условные патогены)
2,7- 10
Общие колиформы
4,4- 10
7
8
8
8
Объемы ТБО. Ежегодно на нашей планете образуется несколько миллиардов кубических метров ТБО. Количество ТБО, образующихся в различных странах мира на душу населения, составляет сотни килограммов в год и колеблются от 200—300 кг в странах Скандинавии, до 500—700 кг в США и Канаде.
Последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к росту количества
ТБО, приходящегося на душу населения, особенно в крупных городах.
Нормы накопления — это количество ТБО, образующихся на расчетную
единицу (человек для жилого фонда; одно место в гостинице; 1 м торговой
площади для магазинов и складов; одно посадочное место в столовых, кафе,
ресторанах, кинотеатрах; одного ребенка в яслях и детсадах; одного учащегося в школах, училищах, институтах и т.д.). К ТБО, входящих в норму накопления от населения и удаляемых специальным автотранспортом, относятся
отходы, образующиеся в жилых и общественных зданиях, включая отходы от
текущего ремонта помещений, отходы от отопительных устройств, смет, опавшие листья, собираемые с улиц и дворовых территорий, и крупные предметы
домашнего обихода.
2
Нормы накопления ТБО образуются из двух источников: жилых зданий и
общественных учреждений (предприятий общественного питания, учебных,
зрелищных учреждений, гостиниц, детских садов, парикмахерских и др.).
На нормы накопления и состав ТБО влияют: степень благоустройства жилого фонда (наличие водопровода, канализации, газа, мусоропроводов, системы отопления), этажность, развитие общественного питания ^культура торговли, степень благосостояния населения, климатические условия (различная продолжительность отопительного сезона), потребление овощей и фруктов.
Для крупных городов нормы накопления выше, чем для средних и малых.
Сугубо ориентировочные нормы накопления ТБО приведены в табл. 8.5.
Раздел
8.
Бытовые и производственные отходы.
317
Санитарная очистка городов
Уточнение норм накопления ТБО, образующихся в условиях того или
иного города, производится на специально выбранных контрольных участках. В городах с населением до 300 тыс. чел. контрольный участок охватывает
2% жителей, в фродах с населением до 500 тыс. чел. — 1%, в городах с
населением более 500 тыс. чел. — 0,5%. Из культурно-бытовых объектов выбирают не менее двух наиболее характерных. Нормы накопления определяются по сезонам года. Замеры проводятся в течение 7 дней и оформляются
специальными актами, которые утверждаются горисполкомами как эталон
нормы накопления ТБО на последующие 5 лет.
Таблица 8.5. Нормы накопления ТБО для городов
Н о р м ы накопления для ж и л ы х п о м е щ е н и й
Норма накопления Т Б О н а одного ж и т е л я
Объекты образования
отходов
среднесуточная
кг
Полностью благоустроенные дома без отбора пищевых отходов 0 , 4 9 - 0 , 5 1
Неблагоустроенные дома без
отбора пищевых отходов
Дома частного сектора с
приусадебными участками
Для
дм
3
среднегодовая
кг
ДМ
3
3
2,12-2,19
190-195
770-820
230-250
0,93
2,57
340
940
360
1,5
3,29
550
1200
460
благоустроенных домов с мусоропроводами норма накопления
ТБО
чем для таких же домов, но без мусоропроводов
на
Норма накопления ТБО для нежилых помещений
среднесуточная среднегодовая
Расчетная
единица
кг
дм
кг
м
Объекты образования
ТБО
Больницы
Поликлиники
Гостиницы
Общежития
Санатории, дома отдыха
Детские сады, ясли
Школы
Профучилиша
Вузы или техникумы
Театры или кино
Учреждения
Рестораны
Кафе, столовые
Промтоварные магазины
Продуктовые магазины
Рынки
Склады
Вокзалы
3
одна койка
один визит
одно место
«
((
и и
(( и
один ученик
и и
и а
одно место
один работник
одно блюдо
1м торг.плошади
2
1м площади
2
Плотность,
кг/м
0,64
0,01
0,25
0,26
0,69
0,33
0,08
0,42
0,1
0,06
0,27
0,09
0,05
0,16
0,32
0,09
0,09
0,36
2,16
0,05
18
1,07
2,47
1,08
0,38
1,66
0,46
0,28
1,18
0,27
0,17
0,8
1,42
0,22
0,19
1,37
3
235
—
90
96
250
79
20
100
24
20
70
—
—
50
100
33
35
130
0,79
—
0,43
0,39
0,9
0,26
0,4
0,11
0,1
0,3
—
—
0,25
0,44
0,8
0,07
0,05
15%
выше,
Плотность,
кг/м
3
300
200
210
250
270
300
210
250
220
200
230
330
300
200
230
400
500
260
318
Экология городов
8.2. Сбор, удаление и утилизация ТБО
Валовый сбор.
Сбор ТБО без разделения на отдельные составляющие
называется валовым сбором.
Планово-регулярная организация сбора и удаления ТБО предусматривает вывоз отходов из домовладений с установленной периодичностью. Периодичность удаления ТБО устанавливается санитарными службами исходя из
местных условий в соответствии с действующими правилами содержания территории населенных мест.
Тип и емкость применяемых мусоросборников зависит от количества
накапливающихся отходов, типа и этажности застройки, способа погрузки и
выгрузки ТБО. В малоэтажной застройке все ТБО собирают в мусоросборники. Затем вручную или механизированно загружают в кузов мусоровоза. Для
многоэтажных или группы малоэтажных домов устанавливают стандартный
контейнер на колесиках, отходы из которого механизированным способом
выгружают в мусоровоз. В местах большого скопления ТБО устанавливают
съемные контейнеры-кузова.
В малоэтажной застройке для валового сбора ТБО используются бачки
емкостью 70 д м , 110—120 д м и 210—220 д м . В индивидуальной застройке
применяются бачки меньшей емкости, например, по 35 д м . К приходу мусоровоза бачки выставляются населением к проезжей части.
3
3
3
3
Бачки изготавливают из листовой стали, алюминия, пластмасс. Наиболее предпочтительными являются бачки из пластмасс. Масса и стоимость
таких бачков сравнительно невысока, срок службы в 2—3 раза больше стальных и составляет 5—6 лет. Пластмассовые бачки удобны в эксплуатации,
имеют хороший внешний вид. Влажные отходы к их стенкам не прилипают и не примерзают, чем облегчается их мойка и дезинфекция. При использовании пластмассовых сборников необходимо соблюдать противопожарные меры.
В ряде стран используют сборники одноразового пользования — бумажные, картонные или пластмассовые, что исключает операцию перегрузки и
минимизирует контакт обслуживающего персонала с отходами. Емкость
одноразовых сборников колеблется в пределах 70—200 д м . Такие сборники
устанавливаются на специальные контейнеры определенных размеров, соответствующих загрузочному устройству мусоровозов.
3
В зданиях повышенной этажности устраиваются мусоропроводы различной конструкции. Обычно они состоят из вертикального ствола, отводов с
приемными устройствами, камер для сбора ТБО и вентиляционного канала.
Ствол мусоропровода представляет собой трубу диаметров 400—600 мм, изготовленную из асбоцемента, бетона или стали с гладкой внутренней поверхностью. Стальные трубы должны иметь вибропоглощающее покрытие на внутренней поверхности. Загрузочные клапаны должны предотвращать поступление газов из мусоропровода при закрытом положении, а также обеспечивать
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
319
защиту от шума. Вход в мусоросборную камеру, располагаемую, как правило,
в подвале или на первом этаже здания, изолируется от входа в жилище. Клапаны изготавливают из листовой стали, покрытой антикоррозионной краской. Камера оборудуется водопроводом и канализацией. Ревизионные отверстия для чистки, дезинфекции и дезодорации ствола мусоропроводов обычно
устраивают в верхней его части.
В последние годы разработаны другие способы у д а л е н и я ТБО. Для
крупнопанельных многоэтажных зданий применяют конструкции блоков,
включающие элементы мусоропровода. В ряде случаев п р и м е н я ю т систему, при которой ТБО по коридорам на тележках д о с т а в л я ю т к подъемным устройствам, подающих их к к а м е р а м - м у с о р о с б о р н и к а м . Такие системы удаления отходов создаются в медицинских учреждениях, гостиницах, общежитиях.
Раздельный сбор. Раздельная, или селективная, система сбора отдельных
составляющих ТБО обеспечивает получение относительно чистых вторичных
ресурсов от населения и уменьшение количества вывозимых отходов. Эта
система требует от населения сознательного подхода к удалению ТБО, увеличения числа обслуживающего персонала, тары, спецтранспорта для вывоза
каждого вида вторсырья. Эти дополнительные расходы вполне окупаются за
счет утилизации вторичных ресурсов. В Украине селективный сбор ТБО пока
не получил практического развития.
В США отбор населением утильных фракций ТБО (макулатура, текстиль, пластмассы, бутылки и др.) выполняется по специальным программам, финансируемым и разрабатываемым штатами. Практика раздельного
сбора ТБО развивается и в ряде европейских стран. Обычно в основу таких
технологий положен принцип сбора населением ТБО в отдельные емкости
(контейнеры или мешки) для различных видов отходов. Указанные емкости
располагают как в домашних условиях, так и в подъездах или около домов.
Существуют различные модификации такой технологии. Например, в Германии накоплен опыт сбора ТБО в два вида ящиков — зеленые (макулатура, металл, стекло, полимеры, ткани) и серые (остальные отходы) с вывозом
их на переработку. В последние годы в Германии раздельный сбор ТБО
производится по пяти и более видам.
Один из вариантов технологии селективного сбора предполагает организацию передвижных установок, включающих несколько видов контейнеров.
Движение установок осуществляется по четкому графику, а население снабжено пакетами для отдельных составляющих ТБО. При этом осуществляется
экономическое стимулирование за сданные виды вторсырья.
Сбор и удаление крупногабаритных отходов. К крупногабаритным относятся отходы, по габаритам не помещающиеся в стандартные контейнеры. В
крупных городах за год на каждого человека накапливается до 40 кг крупногабаритных ТБО с удельной массой 0,2 т / м (табл. 8.6).
3
Экология городов
320
Таблица 8.6. Ориентировочный состав крупногабаритных ТБО
Превалирующий материал
Составляющие
Дерево (до 60%)
Мебель, обрезки деревьев и кустарников, доски,
ящики, двери, скамейки, фанера, старые рамы,
лестницы
Керамика, стекло (до 18%)
Фаянсовые раковины, унитазы, листовое стекло,
лампы дневного света, посуда, бутылки, бой стекла
Металл (до 9%)
Холодильники, газовые плиты, стиральные машины, пылесосы, кровати, корыта, сетки, баки, бидоны, раковины, трубы, радиаторы
Бумага, картон (до 6%)
Текстиль (до 1%)
Упаковочные материалы, обои, мешковина упаковочная, пальто, одеяла, матрасы
Кожа, резина, смешанные
материалы (до 5%)
Шины, чемоданы, сумки, диваны, кресла, клеенки
Пластмасса (до 1%)
Детские ванны, ведра, тазы, линолеум, пленки
Крупногабаритные отходы собирают на специальных площадках, расположенных у жилых домов. Вывоз их производится по графику или заявке ЖЭО.
Мусоровозный транспорт. Для сбора и транспортировки ТБО применяются мусоровозы вместимостью от 6 до 60 м . Для уплотнения транспортируемых отходов — уплотняющие устройства возвратно-поступательного действия с системой плит, в виде вращающегося барабана и шнековые. Уплотнением достигается снижение объема ТБО в 1,5—2 раза.
3
В труднодоступных местах применяются небольшие мусоровозы вместимостью от 1 до 6 м . Они устраиваются:
3
• на самоходных шасси или мотороллерах с самосвальным кузовом открытого или закрытого типа;
• с ячейками для малых мусоросборников (контейнерные мусоровозы);
• в виде контейнеров на колесиках, буксируемых тягачами.
Выпускаются также малые электромусоровозы, которые могут работать
без подзарядки в течение смены. С малых мусоровозов отходы перегружаются в большегрузный транспорт для вывоза к местам обезвреживания.
С ростом городов места обезвреживания ТБО все более отдаляются. Увеличивается стоимость транспортировки отходов.
Для перевозки на дальние расстояния применяют в основном автомобильный транспорт, реже — железнодорожный и водный (например, в НьюЙорке). Весьма перспективным является использование сети городского электротранспорта с вывозом ТБО в ночное время.
#
Большегрузные мусоровозы с уплотнительными устройствами, используемые в ряде стран, имеют полезный объем 20—50 м и более и могут вмещать
100—200 м неуплотненных ТБО. Применяют также автопоезда, состоящие
из грузового автомобиля и автофургона.
3
3
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
321
Мусороперегрузочные станции (МПС). На МПС осуществляется выгрузка
ТБО из малых мусоровозов, их уплотнение и последующая загрузка в большегрузные транспортные средства.
Конструкция МПС зависит от производительности и типа используемых транспортных средств. Стационарные МПС производительностью более 100 тыс. м /год включают эстакаду, на которую въезжает собирающий
мусоровоз, и мощные уплотняющие устройства (рис. 8.1). Мусоровозы разгружаются в бункер-накопитель, из которого отходы поступают в уплотняющие устройства. Уплотняющая плита совершает возвратно-поступательное движение и запрессовывает ТБО в большегрузные транспортные средства для дальнейшей перевозки.
3
МПС оборудуются дробильными установками, устройствами для прессования ТБО в тюки или пакеты с последующим транспортированием в специальных контейнерах. Для уплотнения ТБО применяются тракторы и специальные трамбовщики.
Дробление ТБО и удаление в канализацию. Такой метод с санитарной точки
зрения имеет преимущества перед вывозной системой, так как позволяет удалять быстроразлагающуюся часть ТБО сразу же после образования, без накопления и хранения.
Дробленые ТБО вместе с водой сплавляются по канализационным сетям и
обезвреживаются вместе со сточными водами на очистных канализационных
сооружениях. В ряде стран широко применяют сплав в канализацию дробленых ТБО из квартир, ресторанов, гостиниц, столовых и других объектов.
Мусородробилки устанавливают либо под кухонной мойкой, либо под
специальным бункером для сбора ТБО в квартирах. Существует два типа дробилок: порционные и непрерывного действия. Основные параметры обычно
используемых квартирных дробилок: масса ~ 15 кг, производительность
~ 20 кг/ч, мощность ~ 1,2 кВт • ч. В дробилках не измельчаются тряпки, пластмассовые изделия, металлические предметы, стеклянные бутылки.
Несмотря на то, что при сплаве отходов в канализацию требуется значительное увеличение мощности очистных сооружений, этот метод считается
322
Экология городов
более экономичным по сравнению с обычным способом удаления и обезвреживания ТБО. Такой способ удаления отходов существует в одном из крупнейших городов США — Чикаго. Все же рассмотренный вариант сбора и
удаления ТБО является вспомогательным и не снимает основных проблем
санитарной очистки городов от ТБО.
Утилизация отдельных составляющих ТБО. Условно основные методы обезвреживания и переработки ТБО можно разделить на три группы: утилизационные, ликвидационные и смешанные. По технологическому принципу различают биологические, термические, химические, механические и смешанные методы. Наибольшее распространение в Украине получили следующие
технологии обезвреживания и переработки ТБО: складирование на полигонах или свалках (ликвидационный механический), сжигание (ликвидационный термический), компостирование (утилизационный биологический). Указанные технологии можно применять в комплексе с различными способами
извлечения утильных фракций из ТБО.
Утилизация отдельных составляющих ТБО проводится путем раздельного сбора утильных компонентов ТБО или механизированными способами из
общей массы. По существующим санитарным нормам Украины ручной сбор
утильных компонентов ТБО запрещен.
Для механизированного извлечения отдельных составляющих ТБО используют магнитную, пневматическую, электрическую и гидросепарацию. В
качестве вспомогательных операций применяют дробление и грохочение отходов. В основном применяются сухие способы сепарации — пневматический и магнитный. Извлечение черного металлолома осуществляется магнитной сепарацией. Существуют подвесные, шкивные и барабанные магнитные
сепараторы. При взаимодействии магнитного поля с ТБО, например, при их
движении по транспортерной ленте, черный металл извлекается и затем снимается с магнитов.
Для извлечения из ТБО цветного металлолома (~ 90% алюминия, остальное — бронза, латунь) перспективен метод электродинамической сепарации,
основанный на использовании силового взаимодействия магнитного поля и
вихревых токов, возникающих в электропроводном веществе. В результате в
цветных металлах возникает электродвижущая сила, которая их перемещает в
заданном направлении. Извлечение из ТБО цветных металлов достигает 80%.
Выделение макулатуры производится с помощью аэросепарации, при которой ТБО разделяются на легкую и тяжелую фракции. В легкую фракцию
переходит также полимерная пленка и текстиль. Для выделения в самостоятельный продукт полимерной пленки используют электросепарацию, грохочение, аэросепарацию, баллистический метод. При этом используется различие
в плотности компонентов и их скорости витания при свободном падении.
Для отделения текстильных компонентов используются устройства типа
барабанных грохотов с захватывающими элементами (крючья, штыри вилкового типа).
Для извлечения стекла используется баллистический или флотационный метод.
323
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
В Украине методы комплексной сортировки ТБО с целью извлечения
основных утильных компонентов на практике пока не реализованы. Из
ТБО извлекают в основном черный металлолом и частично бумагу. Остальные утильны^ фракции практически не извлекаются. При использовании извлеченных утильных фракций производится их мойка, санитарное
обезвреживание.
8.3. Уборка городских территорий
Уборка улиц, площадей, внутриквартальных проездов и дворовых территорий является важным мероприятием по санитарной очистке городов, обеспечивающим также защиту от загрязнения приземных слоев воздуха и городских водоемов. Уборку дворов, тротуаров и внутриквартальных проездов выполняют работники ЖЭО.
Уборку улиц выполняют работники дорожно-эксплуатационных управлений. Для этого весь город делится на отдельные эксплуатационные участки, которые обслуживаются специальными механизированными колоннами.
Мехколонны осуществляют весь комплекс работ как в летнее, так и в зимнее
время. Летом — это механизированная уборка улиц, сбор грязевых наносов,
смета и листьев, очистка ливневых колодцев, полив улиц. Зимой — освобождение улиц от свежевыпавшего и слежавшегося снега, борьба с гололедом
путем посыпки песком или солевыми смесями.
Улицы с большой интенсивностью движения летом подметают и моют
каждые сутки в ночное время. Улицы с малой интенсивностью движения
моют либо каждый день, либо через 1—2 суток в дневное время. Для улучшения микроклимата и снижения запыленности в наиболее жаркое и сухое время с 11 до 16 часов улицы поливают водой с интервалом 1 — 1,5 часа. Отстойные колодцы ливневой канализации обязательно вычищают весной и затем в
течение безморозного периода чистят по мере необходимости.
Расходы воды составляют на мойку проезжей части 0,9—1,2 л/м , на
мойку лотков 1,6—2 л / м , на поливку асфальта 0,2—0,3 л / м , на поливку
брусчатки 0,4—0,5 л / м .
2
2
2
2
Для механизированной уборки наносов, образующихся после дождей,
а также выпавшего снега применяют уборочную технику, грейдеры и другие механизмы. Для борьбы с наледью при гололеде или с уплотненным
снегом на проезжей части дорог применяют песковые смеси и химические
реагенты: пескосоляную смесь, состоящую из 92—97% песка и 3—8% хлористого натрия (поваренная соль) или хлористого кальция, а также неслеживающуюся смесь, которую получают при механическом смешении песка с NaCl и СаС1 . Иногда применяют раствор СаС1 с концентрацией
>30%, который наносится поливными машинами из расчета 15—20 г / м
(по сухому веществу). В последние годы появились специальные смеси
песка с СаС1 , ингибированными фосфатами, которые позволяют в 10 раз
уменьшить расход реагентов и избавить дороги от песка, который накапливается у обочин дорог,
и*
2
2
2
2
324
Экология городов
Следует иметь в виду, что соли и химические реагенты, используемые для
борьбы с наледью, разъедают обувь, покрышки и кузова автомобилей, а с
наступлением оттепели устремляются в городские водотоки и водоемы, повышая их минерализацию, засоляют почвы и грунтовые воды. Поэтому применять их следует лишь в случае крайней необходимости.
8.4. Полигоны твердых бытовых отходов
Полигоны — это природоохранные сооружения, предназначенные для складирования ТБО и обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почв,
подземных и поверхностных вод, препятствующие распространению патогенных микроорганизмов за пределы площадки складирования и обеспечивающие обеззараживание ТБО биологическим способом. На полигонах возможна
утилизация органической составляющей ТБО путем улавливания биогаза.
Срок службы полигона должен быть не менее 15—20 лет. Размещать полигоны необходимо с учетом требований санитарных норм, с удалением от
ближайшей жилой застройки на расстояние не менее 500 м. К полигону должна
быть подведена дорога с твердым покрытием. По всему периметру площадки,
отведенной для полигона, должна быть устроена защитная лесополоса шириной не менее 20 м. Уровень грунтовых вод под днищем полигона должен
находиться на глубине более 2 м. На площадке полигона не должны находиться выходы родников. Категорически запрещается использовать под полигоны акватории рек, озер, стариц и болот.
Площадь участка складирования полигона разбивается на очереди эксплуатации из расчета 3—5 лет на каждую очередь. В составе первой очереди выделяется первый пусковой комплекс с объемом складирования в течение 1—2 лет.
Защита от загрязнения почв и грунтовых вод осуществляется путем
устройства специального противофильтрационного экрана, уложенного по
всему днищу и бортам полигона, системы перехвата, отвода и очистки
фильтрата, а также системы наблюдательных скважин для контроля качества
грунтовых вод.
Защита от загрязнения почв и воздушного бассейна осуществляется путем ежедневного перекрытия заполненных рабочих карт полигона слоями
грунта, организации системы сбора, отвода и утилизации биогаза, оборудования рабочих карт переносными сетками, перехватывающими разносимые
ветром легкие фракции (бумага, пленки), рекультивации поверхности заполненных участков полигона.
Защита поверхностных водных объектов от загрязнения ливневыми и талыми водами, стекающими с территории полигона, ограниченной лесополосой, осуществляется путем очистки поверхностного стока на площадке "биоплато" (разд. 3.5.3) и отвода транзитных поверхностных вод.
На первой стадии проектирования разрабатывается форпроект полигона,
где рассматриваются несколько альтернативных вариантов размещения
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
325
площадки складирования ТБО, приводятся их технико-экономические показатели, на основании которых выбирается оптимальный.
Проектом полигона определяется его потребная емкость. В зависимости
от месторасположения устанавливается тип и конструкция полигона — высотный, овражный, карьерный, траншейный (рис. 8.2). Площадка полигона
разбивается на очереди строительства и пусковые комплексы, составляется
технологическая схема заполнения по сезонам года. В проекте организации
работ приводится расчет потребности в машинах, механизмах и обслуживающем персонале, определяется потребность грунта для перекрытия рабочих
карт и описывается технология рекультивации полигона. Архитектурно-строительный раздел проекта включает генеральный план, вертикальную планировку, внутриквартальные дороги, все виды зданий и помещений, ограждение и другие конструкции. Гидротехнический раздел проекта включает расчет устойчивости откосов, плотин и дамб, противофильтрационных экранов,
нагорных канав, быстротоков, системы очистки сбросных вод типа "биоплато" и откачки фильтрата. Санитарно-технический раздел включает зоны санитарного разрыва, водопровод, канализацию, установку мойки машин, мероприятия по поливке пылящих поверхностей рабочих карт, борьбе с крысами, очистке фильтрата, утилизации биогаза и др. Проектом предусматривается
электроснабжение, освещение и средства связи.
Площадка под полигон выбирается сначала на крупномасштабной карте с
учетом рельефа, расположения дорог, населенных пунктов, розы ветров и
других факторов, причем намечается несколько возможных вариантов. Предпочтение отдается участкам, где в основании залегают глины и суглинки,
другие водоупорные породы.
После предварительной оценки возможных мест размещения полигона
площадка выбирается на местности.
Характеристика полигонов и технологии складирования. Теоретическая
вместимость полигона на расчетный срок определяется по формуле:
К = ( У ^ ) • Т- ( У + у , ) (Н, + Н ),
;
2
где kj — коэффициент, учитывающий уплотнение ТБО за весь срок службы
полигона; к — коэффициент, учитывающий объем промежуточных и наружных изолирующих слоев грунта; Т — срок службы полигона, годы;
и Н —
численность населения на первый и последний годы эксплуатации; У , и У удельные годовые нормы накопления на 1-й (фактические данные) и последний годы эксплуатации, м /чел. в год.
2
2
2
3
Схема полигона зависит от рельефа местности. На плоских участках
устраиваются полигоны высотного или траншейного типа. Полигон высотного типа образуется путем обвалования плоского участка. Высота дамбы
обвалования определяется из условия заложения откосов 1:4 и более при
ширине верхней площадки дамбы, обеспечивающей безопасный проезд
мусоровозов и работу уплотнительной техники — катков, бульдозеров.
326
Экология городов
хранилище биогаза
скважины для утилизации биогаза
Рис. 8.2. Схема полигона карьерного и овражного типов
Уплотненный слой ТБО высотой 2—3 м изолируют грунтом или другими
инертными материалами, например, промышленными отходами. Толщина
слоя промежуточной изоляции — 0,25 м, после уплотнения — 0,15 м. Для
обеспечения гидроизоляции дно котлована покрывают уплотненным слоем
глины. Возможно также в качестве гидроизоляции использовать компостированные отходы, которые пролежали в буртах не менее года.
Полигоны траншейного типа создаются на плоских участках путем прокладки траншей глубиной 3—6 м и шириной поверху 10-^-12 м. Грунт, полученный от разработки траншеи, используется для обратной засыпки после их
заполнения ТБО. Длину одной траншеи проектируют с учетом приема ТБО в
течение 1—2 месяцев, если температура выше 0°С, а при более низких температурах — на весь период промерзания грунтов.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
327
Овражные участки заполняют по схеме выравнивания. При этом углубление дна оврага и срезку грунта с откосов с целью придать им необходимый
наклон проектируют с учетом обеспечения полигона изолирующим материалом. На дно <}врага (основание полигона) укладывают глинистый грунт с
послойным уплотнением для создания водонепроницаемого противофильтрационного экрана. Участки складирования в овраге разбивают, начиная с
верховья, на очереди, сооружая в конце каждого участка земляные плотины.
Вместимость полигона, расположенного в овражном участке, рассчитывается
в два этапа. На первом этапе определяют вместимость при заполнении до
бровки оврага, на втором — с учетом создания дамб обвалования по схеме
высотного полигона.
Складирование ТБО в карьерах осуществляется по схеме выравнивания
(до уровня бровки карьера) или по высотной схеме с превышением уровня
бровки карьера за счет создания дамб обвалования. Предусматривается съезд
мусоровозов на дно карьера и послойная укладка отходов. Послойная укладка
достигается надвигом снизу вверх или сталкиванием с откоса, образованного
ТБО. Уплотнение ТБО производится четырехкратным и более проходом катка
или бульдозера. Объемный вес ТБО при этом повышается до 0,8—0,9 т/м .
Толщина уплотняемого слоя не должна превышать 0,5 м.
3
После окончания эксплуатации полигонов их покрывают изолирующим слоем
фунта толщиной не менее 1 м в соответствии с проектом рекультивации.
Полевое компостирование является наиболее простым способом обезвреживания и переработки ТБО. Если на полигонах обезвреживание протекает в
течение 50—100 лет, то при полевом компостировании этот процесс происходит за 6—18 месяцев в зависимости от климатических условий.
Компостирование — сложный аэробный биологический процесс, сопровождающийся интенсивным выделением тепла. Легкогниющие органические
вещества разлагаются с образованием подвижных форм гуминовых кислот,
хорошо усваиваемых растениями. В результате компостирования синтезируется гумус, который является основным компонентом почвы. В основе получения компоста лежит процесс аммонификации под воздействием аэробных
бактерий. В свою очередь аммонификация является процессом разложения
органических соединений ТБО с выделением аммиака. Поэтому при компостировании ТБО теряют до 20% (по весу) органических веществ.
Разложение органического вещества ТБО, инициируемое аэробной микрофлорой, требует постоянного притока кислорода и отвода газообразных
продуктов окисления, в том числе углекислого газа. Накопление углекислого
газа, снижая окислительный потенциал, может тормозить процесс. Поэтому
в ТБО должно поддерживаться определенное соотношение углерода и азота
(С : N = 25—30). В процессе компостирования можно выделить две основные
фазы: I — получение биотоплива; при этом снижение содержания органического вещества составляет 5—8% вес; II — получение компоста, при котором
снижение веса органического вещества составляет 20% вес.
Компостирование ТБО производится на площадках, расположенных рядом с полигонами.
328
Экология городов
Наиболее простая технология компостирования заключается в складировании в штабеля, расположенные параллельными рядами с проездом между ними 3 м. Ширина основания и высота варьируются в зависимости от
климатических условий. Для предотвращения выплода мух, устранения запахов и уменьшения теплообмена между штабелями и воздушной средой их
покрывают слоем земли или торфа высотой 15—20 см.
В штабелях весенне-летней закладки в результате протекания аэробного
компостирования в течение первых 15—20 дней происходит саморазогрев
штабеля до 60—70° С; затем в течение 2—4 месяцев температура держится на
уровне 40—45° С, а в дальнейшем снижается до 30—35° С. Через 10 месяцев
"горения" температура устанавливается на уровне 14—18° С и держится до
следующей весны. Рекомендуемая продолжительность компостирования ТБО
в штабелях — от 12 до 18 месяцев. При регулярном перелопачивании и увлажнении штабелей срок может быть существенно уменьшен.
В процессе компостирования интенсивно снижается влажность отходов.
Для обеспечения активизации процесса наряду с перелопачиванием и принудительной аэрацией материал следует увлажнять.
Полученный компост очищается от балластных фракций — стекла, камней, металла с использованием установки для механизированной сортировки. Установка для механизированной сортировки содержит магнитный сепаратор, виброгрохот и транспортеры.
Другим вариантом технологии полевого компостирования является предварительное дробление ТБО перед укладкой в штабеля, осуществляемое при
помощи молотковых дробилок. В этом случае выход компоста увеличивается,
а количество отходов снижается.
Более совершенная технология полевого компостирования осуществляется на специальных секционных площадках с водонепроницаемым основанием (бетонные плиты), оборудованных грейферным краном, осуществляющим создание и перелопачивание штабелей. На площадках имеется дробильно-сортировочное отделение, оборудованное приемным бункером с
пластинчатым питателем, магнитным сепаратором для отбора металлолома,
системой ленточных транспортеров, цилиндрическим грохотом, дробилкой
для компоста. Для аэрации ТБО в штабелях прокладывают перфорированные воздуховоды, соединенные с вентилятором. Площадки содержат также
систему полива и пожаротушения. Для ликвидации крупного отсева балластных фракций площадки могут содержать мусоросжигательные или пиролизные установки небольшой производительности; при их отсутствии балласт вывозится на полигон. Для небольших городов (до 200 тыс. жителей)
такие площадки компостирования являются реальной альтернативой полигонам ТБО.
Компостирование в максимальной степени соответствует природному кругообороту веществ, обеспечивая обезвреживание и утилизацию ТБО.
Санитарное обезвреживание ТБО при компостировании происходит в
результате их нагрева, который обеспечивается жизнедеятельностью различных микроорганизмов. В процессе жизнедеятельности микроорганиз-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
329
мов при компостировании ТБО на первой стадии происходит развитие неспороносных мезофильных микроорганизмов. Температурный оптимум их
развития составляет 25—30° С с повышением температуры за счет выделения энергии окисления органических кислот и белков под воздействием
мезофильных микроорганизмов до 42—50° С. При этом создаются условия
для развития теплолюбивых споровых микроорганизмов — термофилов, а
мезофилы начинают отмирать. Далее происходит развитие термофильных
микроорганизмов. Температурный оптимум их развития — 55—60° С, однако температура компостируемого материала продолжает повышаться и достигает 65—70° С, что является губительным для патогенных микроорганизмов. В результате обеспечивается обезвреживание биотоплива и компоста.
Затем происходит медленное падение температуры при сокращении количества термофилов, которые переходят в спорообразное состояние; вновь
развиваются мезофильные микроорганизмы. Падение температуры указывает на то, что подвижные соединения органической массы в основном
усвоены. В этой фазе работают аммонифицирующие микроорганизмы. На
завершающем этапе процесса компостирования развиваются целлюлозоразлагающие микроорганизмы.
Для успешного течения процесса компостирования необходимо соблюдение следующих условий: влажность ТБО должна быть не менее 50—60%
вес.; содержание пищевых отходов — не менее 25—30% вес.; отношение С : N
в ТБО, равное порядка 25—30.
Органическое вещество содержится в основном в бумаге и пищевых отходах, причем последние состоят из легко усваиваемых соединений. Значительное же содержание бумаги (до 70%) не позволяет в ряде случаев успешно осуществлять компостирование ТБО. Поэтому весьма перспективно совместное компостирование ТБО и осадка сточных вод (ОСВ). Осадки сточных вод являются крупнотоннажным отходом, образующимся при биологической очистке сточных вод. Утилизация и обезвреживание ОСВ является
сложной экологической проблемой. Удобрительные свойства высушенных
и прокомпостированных осадков выше, чем компоста из ТБО. С другой
стороны, применение осадков лимитируется содержанием в них соединений тяжелых металлов (кадмий, свинец, ртуть и др.), особенно для ОСВ
крупных промышленных городов. Компосты из ОСВ успешно применяются в качестве удобрений. При совместном компостировании ТБО и ОСВ
удается улучшить структуру и товарный вид компоста, повысить содержание в нем питательных веществ. Для совместной переработки целесообразно использовать механически обезвоженные осадки влажностью 70—80%.
Смесь ТБО и ОСВ должна иметь влажность не более 60%. Учитывая, что
необезвоженные ОСВ имеют высокую влажность (~97%), целесообразно
использовать их для полива штабелей ТБО в условиях полевого компостирования, компенсируя потерю влажности в поверхностных объемах материала. Важным условием совместного компостирования ОСВ и ТБО является
правильная дозировка ОСВ, контроль содержания соединений тяжелых металлов в компосте в соответствии с установленными нормативами, контроль
за правильной дозировкой при внесении компостов в почву.
330
Экология городов
8.5. Мусороперерабатывающие заводы
Основной задачей мусороперабатываюгцих заводов (МПЗ) является обезвреживание ТБО и переработка обезвреженных компонентов ТБО для дальнейшей утилизации.
Как правило, на МПЗ применяют аэробный метод обезвреживания ТБО
(компостирование), который может быть дополнен следующими технологиями:
• вывоз части ТБО на полигоны (ликвидационно-биологический метод);
• сжигание части ТБО на мусоросжигающих заводах (ликвидационно-термический метод);
• сжигание части ТБО на МСЗ с использованием полученного тепла (утилизационно-термический метод);
• термическая обработка ТБО без доступа воздуха (пиролиз) с утилизацией
газов и других продуктов пиролиза (утилизационно-термический метод).
При использовании указанных выше технологий на МПЗ возможно получение следующих ценных компонентов ТБО: черные и цветные металлы,
стекло, пластмассы, сырье для картонных фабрик, продукты пиролиза, тепло
и органические удобрения (компост).
Принципиальная технологическая схема МПЗ приведена на рис. 8.3.
Рис. 8.3. Технологическая схема
мусороперерабатывающего завода:
®
(18) - СП)
j
©
-
®
1 — взвешивание мусоровозов; 2 —
приемное отделение; 3 — пластинчатый питатель; 4 — сепаратор крупных (>400 мм) фракций ТБО; 5 —
сепаратор черных металлов; 6 — удаление крупных фракций на МСЗ или
полигон ТБО; 7 — подача фракций
ТБО мельче 400 мм на биобарабаны;
8 — биобарабаны; 9 — сушка компоста; 10 — сепаратор балласта; 11 — сепаратор цветных металлов; 12 — бункер для черных металлов; 13 — пресс
для брикетирования черных металлов; 14 — бункер для цветных металлов; 15 — пресс для брикетирования
цветных металлов; 16 — Вторцветмет;
17 — Вторчермет; 19 — бункер стекла; 20 — стекольный завод; 21 - дробилки; 22 — сепаратор дробленой
пленки; 23 — бункер дробленой пленки; 24 — завод пластмасс; 25 — штабели дозревания компоста
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
331
Переработка ТБО на МПЗ включает следующие основные операции.
Технологическая подготовка ТБО. Прибывшие на М П З мусоровозы взвешиваются и направляются в приемное отделение, представляющее собой закрытое помещенйе, оборудованное:
• воротами с резиновыми уплотнителями для защиты окружающей среды
от пыли, мух, крыс и запахов; после разгрузки мусоровоза ворота закрываются;
• приемными бункерами (2—3 рабочих, один резервный) для обеспечения непрерывной подачи ТБО в дальнейшие технологические процессы
при неравномерной разгрузке мусоровозов;
• мостовым краном с грейфером, обеспечивающим перегрузку ТБО из бункера в бункер, а также удаление негабаритных включений из бункеров;
• системами пожаротушения и освещения;
• системой влажного пылеподавления и водопроводом для мойки и дезинфекции бункеров;
• системой принудительной вытяжной вентиляции, обеспечивающей отрицательное давление в приемном отделении;
• рамами или постами подъездов, обеспечивающими безопасную разгрузку
мусоровозов;
• системой непрерывного удаления ТБО из рабочих бункеров (пластинчатые питатели, установленные в днище бункеров), обеспечивающие
непрерывность подачи ТБО и дозировку;
• системой отделения крупногабаритных фракций, не поддающихся компостированию (изделия размером более 400 мм из дерева, картона, пластмассы, ветки, текстиль и металлолом). Крупногабаритные фракции ТБО
после сепарации на грохотах и извлечения черных металлов удаляются на
полигон или мусоросжигательный завод, так как большая часть крупных
фракций представлена изделиями из дерева, картона и текстиля.
Обеззараживание ТБО в биотермических барабанах. После сепарации ТБО
подаются во вращающиеся биотермические барабаны (диаметр > 4 м, длина
— 40—60 м), где в течение 2—3 дней происходит их компостирование. Температура в барабане достигает 60—75° С, что обеспечивает обеззараживание обрабатываемых отходов от патогенной микрофлоры. Ускоренный биотермический процесс на начальной стадии компостирования осуществляется за счет
перемешивания ТБО при вращении барабана (не менее 1000 оборотов в сутки), вдувания воздуха (до 0,8 м воздуха на 1 кг ТБО), поддержания оптимальной влажности ТБО (45—60%) и теплоизоляции стенок биобарабана.
3
Наряду с температурой губительное воздействие на патогенную микрофлору оказывают антибиотики, вырабатываемые мезофильной микрофлорой.
Сами ТБО всегда содержат достаточное количество разнообразной микрофлоры, необходимой для биотермических и обеззараживающих процессов.
Обязательным условием обеззараживания ТБО является их выдержка (не
менее 12 часов) при температуре, губительной для патогенной микрофлоры.
332
Экология городов
Этот процесс в зависимости от состава и крупности ТБО регулируется сроком пребывания ТБО в биобарабане, скоростью вращения барабана, объемом вдуваемого воздуха и др.
В биобарабанах за 2—3 суток успевают завершиться первая и вторая фазы
компостирования, т.е. разогрев ТБО сначала до температуры 30—35° С мезофильной микрофлорой, а затем до температуры 60—70° С термофильной микрофлорой, а также, что является главным, обеззараживание ТБО. Завершение второй фазы компостирования и третья ее фаза уже проходят за пределами МПЗ на площадках компостирования, где ТБО выдерживается до 1—1,5
лет. Однако весь процесс дальнейшей механической переработки ТБО на
МПЗ производится с обеззараженными ТБО.
После обработки Т Б О в биобарабанах меняется их фракционный состав: фракции менее 20 мм уже составляют 60—70%, фракции 20—60 мм —
14—18%, фракции 60—300 мм — 15—20% и фракции 300—400 мм — 1—2%,
т.е. наблюдается существенное измельчение ТБО. Плотность изменяется
от 160—230 к г / м в начале биобарабана до 700 к г / м после прохождения
биобарабана.
3
3
Контрольная сортировка обеззараженных ТБО. Контрольная сортировка
обеззараженных ТБО производится для очистки компоста от крупных фракций, которые не компостируются. Сортировка производится на сепараторах
(барабанных грохотах) непрерывного действия с постоянной загрузкой и
разгрузкой ТБО. Барабанные грохоты имеют диаметр 2 м и более, длину
около 4—5 м, с отверстиями в цилиндрической поверхности барабана. Код
сепарации — размеры отверстий в стенках барабана, через которые просыпаются мелкие фракции ТБО; крупные фракции, улавливаемые сепаратором, разгружаются в торце сепаратора. Производительность сепаратора зависит от скорости вращения барабана. Так, при малых скоростях вращения
наблюдается перекатывание ТБО без отрыва от внутренней стенки барабана; при больших скоростях наблюдается «прилипание» ТБО к внутренней
стенке барабана за счет центробежных сил. При оптимальной скорости вращения (10—15 об/мин) происходит некоторый подъем компостируемых ТБО,
отрыв и падение. В таком режиме достигается максимальная производительность сепаратора. Кроме этого, происходит дробление ТБО, что также
имеет немаловажное значение.
Извлечение черных металлов. Черные металлы извлекаются из ТБО в трех
узлах технологической линии, а именно:
• до биобарабанов, после сепарации, выделяющей самые крупные фракции (крупнее 400 мм); на этом этапе из ТБО извлекается до 50—60%
всего металла, попавшего в ТБО; это относительно чистый металл, который легко пакетируется;
• после биобарабанов, после сепараторов, освобожд&ющих компост от
крупных включений (250—400 мм), производится улавливание черных
металлов из потока крупных фракций (крупнее 250 мм);
• после биобарабанов, после сепараторов производится улавливание черных металлов из потока мелких фракций компоста (мельче 250 мм).
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
333
На современном уровне развития утилизационных технологий можно извлекать 90—95% всего черного металла, входящего в морфологический состав
ТБО. Черные металлы извлекаются из ТБО с помощью подвесных электромагнитов, расположенных над конвейерной линией, перемещающей ТБО. Код
сепарации — напряженность магнитного поля. Например, при напряжении
20 кА/м из ТБО извлекаются только пустые жестяные банки; при напряжении
40 кА/м — жестяные банки, частично заполненные водой или грязью; при
напряжении 60 кА/м — все полностью заполненные жестяные банки. Извлечение металлов зависит также от скорости продвижения ленты конвейера, высоты
размещения электромагнита над лентой и толщины слоя ТБО на ленте.
Извлечение цветных металлов. Обычно ТБО содержат до 0,2—0,3% цветных металлов, фракционный состав этих включений — менее 250 мм. Извлечение цветных металлов производится после извлечения черных металлов на
этапе после биобарабанов и сепараторов в потоке обеззараженного ТБО, имеющего фракции менее 250 мм. Для извлечения цветных металлов под лентой
конвейера, транспортирующего компост к сепараторам мелкого балласта (стекло, кости, камни, куски пластмассы, обувь и другие включения, прошедшие
через ячейку сепаратора 250 мм), устанавливается многофазное индукторное
электроустройство, создающее бегущее электромагнитное поле. Это переменное магнитное поле наводит на куски цветных металлов электродвижущую
силу, вектор которой направлен перпендикулярно оси движущейся ленты с
ТБО. При прохождении ленты транспортера над сепаратором цветных металлов под действием бегущего электромагнитного поля куски цветных металлов перемещаются к краю ленты и в результате сбрасываются с ленты транспортера. Код сепарации — напряженность электромагнитного поля.
Извлечение балластных включений, меньших 250 мм. Удаление балласта из
компоста возможно двумя способами: баллистическим и пневматическим.
Первый — баллистический способ — осуществляется следующим образом. Разгоняют ленту конвейера, на которой лежит компост, и резко меняют направление движения ленты. Компост по инерции летит в том же направлении и сталкивается с отражающей вертикальной стенкой, установленной на пути полета компоста под углом 35—50° к вертикальной плоскости
движения. Ударившись о стенку, компост падает в подставленный контейнер. Код сепарации — упругость составляющих компоста. Дальше всего отскакивают упругие материалы.
Второй — пневматический способ — осуществляют следующим образом.
В шахту вертикального металлического короба сваливают компост, содержащий балласт. Встречный поток воздуха подхватывает легкие небольшие фракции компоста и уносит их в гидроциклон, где концентрируется обогащаемый
материал. Более тяжелые фракции балласта преодолевают сопротивление вертикального воздушного потока и сваливаются в сборный контейнер, установленный у основания вертикальной шахты.
Код сепарации при этом способе — это скорость витания, т.е. та скорость, при которой воздушный поток способен переносить включения различной крупности. Задавая в батарее таких сепараторов различные скорости
витания, можно отбирать балласт различных размеров и веса.
334
Экология городов
Извлечение измельченной пленки из компоста. После удаления балласта
компост измельчают (размер частиц <10 мм) и направляют в специальную
камеру, где, подхваченный сильной струей воздуха, он подбрасывается вверх
и осаждается на горизонтальную ленту конвейера, движущуюся у дна камеры. Первыми падают самые тяжелые фракции, последними — пластинки пластмассовой пленки, раздробленной до размеров менее 1 с м . Код сепарации
— гидравлическая крупность фракций компоста. В результате на движущейся
ленте образуются два слоя: нижний, состоящий из тяжелых фракций компоста, и верхний, состоящий из легких фракций, представленных в основном
кусочками пленки.
2
В конце движения конвейерной ленты установлен всасывающий "пылесос", который втягивает легкую пленку. "Тяжелый" компост, избавленный
от пленки на 65—70%, сбрасывается в приемные контейнеры и вывозится на
площадки в штабеля дозревания компоста. В этих штабелях завершается его
дозревание и компост становится ценным органическим удобрением.
8.6. Мусоросжигательные заводы
Обезвреживание ТБО на мусоросжигательных заводах (МСЗ) получило
широкое развитие в мировой практике. Такие страны, как Дания, Швейцария и Япония сжигают около 70% своих ТБО; Германия, Нидерланды и Франция — около 40%. Мощности МСЗ в Европе и Америке продолжают расти.
Технологическая схема МСЗ представлена на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Технологическая схема мусоросжигательного завода:
1 — приемное отделение с бункером для приема ТБО; 2 — мостовой кран с грейфером;
3 — приемный бункер котлоагрегата; 4 — питатель топки; 5 - колосниковая решетка
мусоросжигательного агрегата с топочным устройством; 6 — котел-утилизатор пара; 7 —
гасильная ванна со скребковым устройством для удаления шлака; 8 - шлаковый конвейер; 9 — электромагнитный сепаратор для извлечения черных металлов; 10 — заводская
система временного складирования и удаления шлака; 11 — система фильтров и циклонов для очистки газов; 12 — тягодутьевое устройство с вентиляторами для подачи воздуха;
13 — дымососы; 14 - дымовая труба
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
335
ТБО через загрузочное устройство поступают на питатель колосниковой
решетки. Толщина слоя ТБО на решетке более 1 м. Ширина решетки 3 м,
угол наклона 26°. Решетка представляет собой систему чередующихся подвижных и неподвижных колосников. Подвижные колосники совершают обратно-поступательное движение. При каждом ходе колосников под слой поступающих сверху ТБО вводится порция (до 30%) горящих отходов, таким
образом создаются очаги нижнего зажигания, и поступающий из приемного
бункера слой ТБО перемешивается, разрыхляется и возгорается.
Для зажигания ТБО на колосниковой решетке используются пусковые
горелки. При движении ТБО по решетке через нее снизу поступает воздух и
благодаря наличию горящих отходов в нижнем слое поддерживается автотермический процесс горения.
Топка сблокирована с котлом-утилизатором, к поверхности нагрева которого поступают топочные газы. Котел вырабатывает пар, который является
товарным продуктом и может использоваться для отопления близлежащих
районов или технологических нужд. Образующиеся при горении ТБО дымовые газы поступают для очистки в систему фильтров, после чего выбрасываются при помощи дымососа в дымовую трубу. Шлак от сжигания ТБО удаляется скребками в гасильную ванну, после чего по транспортеру подается на
молотковую дробилку. Из шлака электромагнитным сепаратором извлекается черный металл.
МСЗ занимают сравнительно небольшие площади от 2 до 5 га. Их применение оправдано в тех случаях, когда полигоны ТБО расположены на
значительном удалении от города. Однако сжигание ТБО связано со значительными выбросами в атмосферу и сложностью их очистки. При низкотемпературном сжигании ТБО (ниже 1000° С) вероятность образования высокотоксичных газов увеличивается. Не решены вопросы использования
образующихся шлаков и летучей золы, которые являются крупнотоннажными отходами. При сжигании образуется 10—15% золошлаков от веса поступающих на МСЗ отходов.
Разработаны различные технологические схемы МСЗ. В последние годы
в ряде стран идут интенсивные промышленные исследования в направлении
термической переработки ТБО нагреванием без доступа воздуха до температур 500—600° С (низкотемпературный пиролиз) и выше 1100° С (высокотемпературный пиролиз). Созданы опытные и опытно-промышленные установки различной производительности.
Важное отличие технологии пиролиза ТБО заключается в том, что образующиеся газообразные продукты — пар и топливный горючий газ — можно
разделить и использовать в самом процессе термической обработки ТБО или
вне его. При этом выброс газообразных продуктов в атмосферу резко снижается. При пиролизе образуются продукты, которые могут найти применение
в хозяйственной деятельности: газообразное топливо (~30—40%), твердый углеродистый остаток (-30—40%) и смола (-20—30%). В качестве побочного
продукта образуется подсмольная вода.
336
Экология городов
Твердый углеродистый остаток (пирокарбон), в котором содержание углерода составляет 30—40%, используется как заменитель низкосортных графитов, заполнитель в асфальтобетонных смесях, низкосортное топливо, сорбент. Смола — как топливо, составляющая асфальтобетонных смесей, сырье
для извлечения химсоединений. Подсмольная вода — как антисептическое
средство, в частности для пропитки шпал.
Известны три типа установок по пиролизу ТБО: горизонтальные (барабанного типа), вертикальные (шахтного типа) и смешанные. Например, на заводе по переработке Т Б О в Санкт-Петербурге создана и успешно эксплуатируется установка барабанного типа по пиролизу некомпост и р у е м ы х Т Б О производительностью 30 тыс. т отходов в год. Установка
состоит из двух вращающихся барабанов — сушильного и пиролизного.
С у ш и л ь н ы й барабан расположен над пиролизным. Каждый барабан снабжен топкой. Некомпостируемые Т Б О поступают через загрузочное устройство в с у ш и л ь н ы й барабан. При вращении отходы продвигаются к
концу барабана и одновременно просушиваются (температура ТБО на
выходе — 150° С). Через пересыпное устройство отходы поступают в пир о л и з н ы й барабан, где осуществляется их прямой нагрев до 500—600° С.
Д ы м о в ы е газы в сушильном барабане д в и ж у т с я прямотоком по отношению к Т Б О , в пиролизном — противотоком. Газы, образующиеся в сушильном барабане и содержащие воду, через систему очистных устройств
выбрасываются в атмосферу. Газы из пиролизного барабана подаются в
с у ш и л ь н ы й барабан и сжигаются, выполняя роль дополнительного топлива. Перед подачей в сушильный барабан пиролизные газы проходят
м о к р у ю очистку, в процессе которой выделяется смола и образуется подсмольная вода. Твердый углеродистый остаток из пиролизного барабана
поступает в устройство для о х л а ж д е н и я , а затем в дробильно-фасовочное
отделение. Пиролизная установка работает в комплексе с заводом, перер а б а т ы в а ю щ и м Т Б О в компост. При этом часть отходов (~30%) не компостируются (резины, кожи, текстиль и др.), и обработка их в пиролизной установке позволяет в максимальной степени решать задачу безотходной технологии переработки ТБО.
В стадии разработки находятся пиролизные установки барабанного типа,
в которых нагрев отходов в пиролизном барабане осуществляется косвенно
(через стенки барабана). Это позволит в процессе пиролиза получать более
калорийный газ, не смешанный с дымовыми газами.
К недостаткам существующих пиролизных установок следует отнести
малую производительность, несовершенную систему очистки газообразных продуктов, а также нерешенность вопросов полной утилизации продуктов пиролиза. Внедрение пиролизных установок позволит создать безотходные технологии переработки ТБО, в том числе для небольших городов, где строительство крупных мусороперерабатывающих комплексов
нерентабельно.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
337
8.7. Характеристика твердых промышленных отходов
С развитием горнодобывающей, металлургической и других отраслей промышленности на 1ерритории многих городов Украины стали размещаться
отвалы вскрышных и шахтных пород, шлаков, шламохранилища. Так, например, в Донецке имеются многочисленные терриконы отвальных пород
угольных шахт, в Мариуполе — отвалы шлаков, шламохранилища, в Харькове — отвалы горелой формовочной земли, шламохранилища. В то же время
производственные отходы являются богатым источником дешевого сырья,
практически готового для производства строительных материалов.
Промышленные отходы образуются при добыче полезных ископаемых,
их обогащении, переработке сырьевого концентрата и использовании готового продукта (рис. 8.5).
Рис. 8.5. Источники образования твердых отходов
К отходам добычи полезных ископаемых относятся попутно добываемые
горные породы — вскрышные, шахтные, вмещающие. Основная масса попутных пород образуется при добыче руд черных и цветных металлов.
Различные отходы образуются при переработке сырьевого концентрата в
готовую продукцию на каждой технологической операции в результате физико-химических процессов, протекающих при обычных или высоких температурах. На некоторых предприятиях образуется более 200 наименований отходов основного и вспомогательного производств, например, доменные, фер-
338
Экология городов
росплавные и сталеплавильные шлаки, зола, топливные шлаки, фусы, кислая
смолка, кислые гудроны и др.
Отходы потребления образуются при использовании готовой продукции.
К ним относятся, например, металлолом, вышедшее из строя оборудование,
изделия технического назначения из резины, пластмасс, стекла и др.
Классификация твердых промышленных отходов производится по следующим признакам:
• по отраслям промышленности — отходы топливной, металлургической,
химической и других отраслей;
• по конкретным производствам — отходы сернокислотного, содового,
фосфорнокислотного и других производств;
• по агрегатному состоянию — твердые, жидкие, газообразные;
• по горючести — горючие и негорючие;
• по методам переработки;
• по возможностям переработки — вторичные материальные ресурсы
(BMP), которые перерабатываются или планируются в дальнейшем перерабатывать, и отходы, которые на данном этапе развития экономики
перерабатывать нецелесообразно;
• по опасности — промышленные отходы подразделяются на четыре класса
опасности:
Класс
Первый
Второй
Третий
Четвертый
Характеристика отходов
чрезвычайно опасные
высокоопасные
умеренно опасные
малоопасные
Класс опасности отходов устанавливается в зависимости от содержания в
них высокотоксичных веществ расчетным методом или согласно перечню отходов, приведенном в Государственном классификаторе отходов. На все виды
отходов разрабатывается технический паспорт согласно Межгосударственному
стандарту ДСТУ-2195-93, действие которого распространяется на 10 стран СНГ.
8.8. Методы подготовки и переработки твердых
отходов
Для утилизации и обезвреживания промышленных отходов наиболее распространенными являются следующие методы подготовки и переработки отходов: измельчение размеров кусков, укрупнение размеров частиц, классификация и сортировка, обогащение, термообработка, выщелачивание, обезвоживание (рис.8.6).
Рис. 8.6. Методы подготовки и переработки твердых отходов
340
Экология городов
Измельчение отходов. Твердые отходы как органические, так и неорганические можно измельчать до нужного размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием и различными
комбинациями этих способов.
В зависимости от свойств и размера кусков исходного материала и конечного продукта применяют различное оборудование, работающее по описанным выше принципам. Основными методами измельчения являются дробление и помол. Иногда, если необходимо измельчать очень крупные отходы,
их предварительно режут на мелкие куски, которые в дальнейшем измельчают на стандартном оборудовании.
Дробление широко используют при переработке отходов вскрыши, металлургических шлаков, вышедших из употребления резинотехнических
изделий, отходов пластмасс и других отходов. Для дробления используют
щековые, конусные, валковые, роторные дробилки различных типов. Размер кусков до дробления может составлять от 1000 до 20 мм, после дробления 250—1 мм.
Помол материалов крупностью 1—5 мм осуществляют мокрым и сухим
способами с помощью мельниц различного типа. Размер фракций после
измельчения может составлять 0,1—0,001 мм. Помол применяют при переработке топливных и металлургических шлаков, отходов углеобогащения,
некоторых производственных шламов, отходов пластмасс, пиритных огарков и других BMP.
Укрупнение размеров частиц используют при подготовке к переплаву дисперсных отходов черных и цветных металлов, при утилизации пластмасс, саж,
пылей, пиритных огарков, при переработке в строительные материалы отходов обогащения и других BMP. Укрупнение размеров мелкодисперсных материалов осуществляют методами гранулирования, таблетирования, брикетирования, высокотемпературной агломерации.
Гранулирование осуществляют окатыванием и прессованием в грануляторах различных конструкций. Производительность этих аппаратов и характеристики грануляторов зависят от свойств исходных материалов, применяемых связующих, конструктивных факторов.
Таблетирование отходов осуществляют с помощью таблеточных машин
различных типов, принцип действия которых основан на прессовании дозируемых материалов в матричные каналы. Таблетки выпускают в виде цилиндров, сфер, дисков, колец и т.п.
Брикетирование применяют с целью придания отходам компактности, уменьшения их объема, улучшения условий транспортировки, хранения. Брикетирование осуществляют с помощью прессов различных конструкций. Например,
брикетирование древесных отходов повышает теплоту сгорания опилок и стружек. Плотные брикеты можно использовать как твердое топливо. Прессование
металлической стружки приводит к снижению потерь металла на угар.
Высокотемпературную агломерацию осуществляют с помощью агломерационных машин и используют при укрупнении дисперсных железосодержа-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
341
щих отходов: окалины, пылей, шламов, пиритных огарков. Для проведения
агломерации на основе таких BMP приготовляют шихту, включающую твердое
топливо, концентрат, флюсы, отходы. При горении топлива происходит спекание минеральных компонентов шихты. Спеченный концентрат дробят до
нужных размеров, просеивают, мелкие фракции возвращают на агломерацию.
Классификацию и сортировку по фракциям осуществляют просеиванием и
грохочением путем использования различных конструкций сит, решеток, грохотов; гидравлической и воздушной сепарации с помощью гидроциклонов,
спиральных классификаторов.
Обогащение осуществляют выделением одного или нескольких компонентов
из общей массы отходов. Самыми распространенными являются гравитационные, флотационные, электрические и магнитные способы обогащения.
Гравитационные способы обогащения основаны на различии плотности и
скорости падения частиц обогащаемого материала в жидкой или воздушной
среде. Эти методы разделяют на промывку, обогащение отсадкой, в тяжелых
суспензиях, в перемещающихся по наклонным поверхностям потоках.
Отсадка представляет собой процесс разделения минеральных частиц по
плотности под действием переменных по направлению вертикальных струй
воды или воздуха, проходящих через решето отсадочной машины.
Обогащение в тяжелых суспензиях и жидкостях заключается в разделении материалов по плотности с помощью суспензий или жидкостей, плотность которых является промежуточной между плотностями разделяемых частиц. Для обогащения применяют различные типы сепараторов.
Обогащение в потоках на наклонных поверхностях осуществляют на концентрационных столах, шлюзах, винтовых сепараторах. Обогащение материала происходит в тонком слое воды под действием различно направленных
потоков воды.
Промывку осуществляют с помощью промывочных машин для отделения глинистых, песчаных и других минеральных, а также органических примесей от твердых отходов. Для промывки используют воду, иногда с добавками ПАВ, острый пар, различные растворители.
Флотационные способы основаны на различной смачиваемости поверхностей частиц водой. Тонкоизмельченные отходы обрабатывают водой, к
которой добавляют флотационные реагенты, усиливающие различие в смачиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. В качестве реагентов
используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, амины и др.
Эффект разделения флотацией зависит от насыщения воды пузырьками
воздуха, прилипающими к зернам тех минералов, которые плохо смачиваются, становясь более легкими, они выносятся на поверхность, отделяясь от
хорошо смачиваемых частиц. В зависимости от характера насыщения воды
воздухом различают напорную, барботажную (пенную), электрическую, биологическую и химическую флотацию.
Магнитные способы обогащения основаны на разделении материалов по
магнитным свойствам. Их применяют в том случае, если отходы содержат
342
Экология городов
металлические включения. Материалы предварительно измельчают, классифицируют, некоторые обжигают. Обогащение материалов крупностью до
3 мм проводят сухим способом, мельче 3 мм — мокрым. Используют магнитные сепараторы различных типов.
Электрические способы обогащения основаны на различии электрофизических свойств разделяемых материалов. Такими способами обогащают рудное сырье, отходы, содержащие примеси цветных металлов, формовочные смеси, пески для стекольной промышленности. Для этих целей
используют электрические сепараторы. При контакте с поверхностью заряженного металлического электрода частицы обогащаемого материала получают заряд, величина которого зависит от электропроводности частиц.
Наэлектризованные частицы направляют в электрическое поле, где происходит их сепарация.
Термические методы переработки и обезвреживания отходов. К ним относятся пиролиз, газификация, огневой метод обезвреживания и переработки отходов.
Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода. В результате пиролиза образуются пиролизный газ, смолы и твердый
углеродистый остаток (сажа, активированный уголь и др.).
Количество и качество продуктов пиролиза зависят от состава отходов и
температуры процесса. В зависимости от температуры различают три вида
пиролиза:
• низкотемпературный пиролиз (450—550° С), при котором достигается
максимальный выход смол и твердого остатка, а также минимальный
выход пиролизного газа с высокой теплотой сгорания;
• среднетемпературный пиролиз (до 800° С), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход смол и твердого остатка уменьшается;
• высокотемпературный пиролиз (900—1050° С), при котором выход жидких продуктов и твердого остатка минимален, а выход пиролизных газов с невысокой теплотой сгорания максимален.
Разработаны и другие методы высокотемпературного пиролиза при температурах до 1700° С.
Пиролизу подвергают отходы пластмасс, резины, шламы нефтепереработки и др.
В настоящее время известно более 50 систем по пиролизу отходов, отличающихся друг от друга видом перерабатываемых отходов, температурой процесса и конструктивными решениями установок.
Продукты пиролиза могут широко использоваться в народном хозяйстве.
Основными компонентами пиролизного газа являются водород, метан и
оксид углерода. Пиролизный газ имеет преимущества перед природным, так
как не содержит соединений серы.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
343
Твердый продукт пиролиза — сажу используют в производстве резинотехнических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Инертные материалы, например, расплавленный шлак, гранулируют и используют
в промышленности строительных материалов.
Газификация представляет собой термохимический высокотемпературный
процесс взаимодействия органических соединений с газифицирующими агентами, в результате чего органические соединения превращаются в горючий
газ. В качестве газифицирующих агентов применяют воздух, водяной пар,
диоксид углерода, а также их смеси.
Процессы пиролиза получили большее распространение, чем газификация.
Огневой метод обезвреживания и переработки отходов заключается в сжигании горючих отходов и огневой обработке негорючих отходов высокотемпературными продуктами сгорания топлива. Эти методы включают переплав,
например, металлолома, отходов термопластов, отвальных металлургических
шлаков, обжиг пиритных огарков и железосодержащих шламов, спекание гальванических шламов.
Метод выщелачивания основан на извлечении одного или нескольких
компонентов из комплексного твердого материала путем их избирательного растворения в жидкости-экстрагенте (растворителе). Этот метод используется при извлечении металлов из шлаков, пиритных огарков, отходов
горнодобывающей промышленности; при извлечении лигнина из древесных отходов и т.д.
В зависимости от характера физико-химических процессов, протекающих при выщелачивании, различают простое растворение и выщелачивание
с химической реакцией. Скорость выщелачивания зависит от концентрации
реагентов, температуры, интенсивности перемешивания, величины поверхности твердой фазы и других факторов.
Механическому обезвоживанию подвергаются осадки бытовых и промышленных сточных вод, гальванические шламы и другие водонасыщенные отходы, образуемые в мокрых технологических процессах. Часто такие отходы
представляют собой трудноразделяемые суспензии. Для улучшения водоотдачи проводят предварительную обработку их реагентными и безреагентными способами. В качестве реагентов используют известь, соли железа, алюминия. Основными недостатками реагентного способа обработки являются
высокая стоимость и дефицитность реагентов, а также коррозионное воздействие их на оборудование.
Безреагентная обработка отходов предусматривает замораживание и оттаивание, тепловую обработку, введение в состав отходов опилок и др.
При замораживании и оттаивании связанная вода переходит в свободную
и отделяется от твердой фазы. Тепловая обработка заключается в нагревании
отходов до температуры 170—200° С, при этом часть органического вещества
распадается, осадок уплотняется и лучше отдает воду.
344
Экология городов
Основными методами механического обезвоживания отходов являются
фильтрование, центрифугирование и пропуск пульпы через гидроциклон.
При фильтровании отходов обычно используют вакуум-фильтры и
фильтр-прессы. Фильтрующей средой является фильтровальная ткань и слой
осадка, прилипающий к ткани и образующий в процессе фильтрования дополнительный фильтрующий слой, который и обеспечивает задержание мельчайших частиц суспензии. Наибольшее распространение получили барабанные вакуум-фильтры. Кроме барабанных, применяются ленточные, дисковые вакуум-фильтры, а также фильтр-прессы, виброфильтры.
Центрифугирование обеспечивает высокую степень обезвоживания
пульпы. Промышленность выпускает различные типы центрифуг, применяемые для разных отходов.
Для сгущения и обезвоживания осадков на очистных сооружениях
средних и малых предприятий получили распространение гидроциклоны, которые применяются, как правило, в комбинации с бункерами-уплотнителями.
8.9. Технология складирования твердых отходов
В зависимости от состояния образующихся твердых отходов различают
гидравлический и сухой способы складирования.
Гидравлический способ применяют для отходов, образующихся при
мокром способе обогащения; пылей, золы ТЭС, улавливаемых мокрым способом; шламов и других промышленных отходов, находящихся в насыщенном водой состоянии. Этот способ заключается в транспортировании
пульпы по трубопроводам (пульповодам) с помощью насосов и выпуске ее
в хранилище.
Пульпой называется смесь твердых частиц и воды. Основной характеристикой ее является консистенция — соотношение массы твердых частиц
и жидкости (Т:Ж ). Т:Ж зависит от типа отходов, технологии образования и
может колебаться в больших пределах, например, от 1:1 до 1:30 и более.
Хранилища отходов представляют собой гидроотвалы, хвостохранилища, шламохранилища, шламонакопители и т.д. В зависимости от топографических условий местности различают следующие типы хранилищ: балочные, пойменные, косогорные, равнинные, котлованные. Для образования
емкости любого типа хранилища, кроме котлованного, требуется устройство ограждающих дамб или плотин. Балочные хранилища устраивают в
балках или оврагах перегораживанием их дамбой или плотиной, пойменные
и косогорные — ограждением дамбами с двух-трех сторон в зависимости от
рельефа, равнинные хранилища ограждают по периметру.
Хранилище содержит в своем составе ограждающую дамбу, надводный
пляж, пруд-отстойник, подводный пляж, пульповоды, водосбросные колодцы, водоспускные коллекторы, канаву, насосные станции (рис.8.7).
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы.
Санитарная очистка городов
345
Рис. 8.7. Типы хранилищ
отходов:
а) балочное; б) равнинное;
в) пойменное; г) косогорное
1 — дамба; 2 — надводный
пляж; 3 — пруд-отстойник;
4 — водосбросной колодец;
5 - водоспускной коллектор; 6 — канава; 7 — плавучая насосная станция
Заполнение хвостохранилища может быть односторонним и кольцевым.
При одностороннем замыве сброс пульпы происходит от д а м б ы к берегам,
п р и к о л ь ц е в о м — п о п е р и м е т р у д а м б ы (рис. 8 . 8 ) .
Рис. 8.8. Схемы заполнения хранилища:
а) односторонний замыв балочного хранилища; б) кольцевой замыв равнинного хранилища
1 — первичная дамба; 2 — вторичная дамба; 3 — распределительный пульповод;
4 — выпуск; 5 — надводный пляж; 6 — пруд-отстойник; 7 — водосбросной колодец; 8 —
водоспускной коллектор; 9 — канава; 10 — плавучая насосная станция
346
Экология городов
Конструкция ограждающей дамбы зависит от рельефа местности, пород
основания, объема хранилища. При ее устройстве максимально используют
складируемые отходы.
Ограждающая дамба состоит из первичной и вторичных дамб. Первичную дамбу устраивают высотой 5—10 м из местных материалов, вскрышных
пород и др. Она предназначена для устройства хранилища первой очереди.
Вторичные дамбы устраивают высотой до 3 м из отходов (хвостов) отсыпкой
строительными механизмами из материала надводного пляжа.
Пульповоды располагают по гребню ограждающих дамб, сброс пульпы в
хранилище осуществляется с помощью рассеивающих выпусков или торцевым способом.
На надводном пляже происходит фракционирование складируемых отходов по плотности и крупности. У места выпуска пульпы откладываются более
крупные и тяжелые частицы, а в пруд попадают самые мелкие и легкие.
В пруде происходит осветление сбросной воды, которая с помощью водосбросных колодцев и водоспускных коллекторов отводится из хвостохранилища, а затем с помощью насосной станции перекачивается в оборотную
систему водоснабжения предприятия.
Хранилища отходов занимают большие территории нередко сельскохозяйственных земель, в них происходит пыление подсохших поверхностей
надводных пляжей, наблюдается подтопление прилегающих территорий и
загрязнение подземных вод.
Для борьбы с пылением поверхностей пляжей предусматривают их орошение и обводнение, намыв глинистых экранов, химическое закрепление
пылящих отходов. Для защиты от подтопления устраивают канавы, продольные дренажи. Для защиты подземных вод от загрязнения предусматривают
противофильтрационные мероприятия.
Сухой способ складирования отходов зависит от вида используемого транспорта. Для промышленных предприятий наибольшее распространение получил автомобильный транспорт. В горнодобывающей промышленности при
большом расстоянии транспортировки используют также железнодорожный
транспорт. Отвалообразование отходов угледобычи производят также с помощью опрокидывающихся вагонеток (скипов) с канатной откаткой их по наклонным рельсовым путям, а также с помощью канатных подвесных дорог,
конвейерного транспорта.
При использовании автомобильного и железнодорожного транспорта отвалы устраивают плоскими, платообразными, одноярусными, многоярусными, терассированными высотой 30—100 м. Отсыпка производится слоями толщиной 1,0—1,5 м с уплотнением самим автотранспортом за счет нескольких проходок или уплотняющими катками. Отходы могут отсыпаться
из кузовов или перегрузкой конвейерными отвалообразователями, экскаваторами, бульдозерами, скреперами и другой техникой. Разгрузочные пути
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
347
устраивают веерообразно с тупиками или по кольцу. По мере отсыпки породы их перекладывают.
Отсыпка отвалов с помощью опрокидывающихся вагонеток производится откаткой и* по наклонным рельсовым путям. Угол подъема вагонеток и
соответственно крутизна откоса отвала составляет =20°. По мере отсыпки
отвала наклонные пути наращивают. Такие отвалы называют коническими
(терриконы). Отсыпка может производиться одновременно в несколько отвалов попеременно (групповые отвалы). Схемы откатки вагонеток могут быть
однопутными и двухпутными. Конические отвалы ограничивают производительность складирования и применяются при небольшом расстоянии транспортировки (рис. 8.9).
Рис. 8.9. Схема террикона
Отвалы с применением ленточных конвейеров обеспечивают большую
производительность. Наибольшее распространение получили отвалы с постепенно удлиняемыми ленточными конвейерами и консольным секторным поворотом.
Отвалы с канатными подвесными дорогами устраивают с помощью возвратно-поступательного движения вагонеток. Одна вагонетка находится на
погрузке, другая — на разгрузке. Отвалы могут быть конусные, которые формируются при одной конечной мачте; штабельные — с помощью нескольких
мачт; однолучевые и многолучевые. Высота отвалов обычно 15—30 м. Отвальный метод складирования требует больших первоначальных капитальных затрат на сооружение мачт (рис. 8.10).
При отсыпке отвалов на полную высоту без послойной укатки происходит сегрегация материала — разделение по крупности по высоте отвала. В
верхней части откладываются более мелкие и легкие фракции материала, а
вниз скатываются более крупные и тяжелые.
348
Экология городов
1
Рис. 8.10. Схемы отвалов с канатными подвесными дорогами:
а) конусные; б) штабельные
1 — отвал; 2 — вагонетка; 3 — лебедка; 4 — канатная подвесная дорога; 5 — мачта
8.10. Утилизация промышленных отходов
В связи с большим разнообразием промышленных отходов для систематизированного рассмотрения, в данном разделе отходы сгруппированы по
промышленным комплексам и источникам образования.
8.10.1. Утилизация отходов топливно-энергетического
комплекса
Основными видами твердого топлива являются каменные и бурые угли.
Преобладающая часть угля в Украине добывается подземным способом. Отходы образуются при добыче, обогащении и сжигании угля.
Отходы добычи называют вскрышными или шахтными городами в зависимости от способа разработки. При подземном способе добычи извлекается
меньше попутных пород, чем при открытом, но и они составляют значительные объемы. Так, например, на 1 т угля при открытой добыче образуется до
3—5 т вскрышных пород, при подземной — до 0,2—0,3 т шахтных.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
349
Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и минералогический состав и представляют осадочные породы — глины, суглинки, супеси, аргилиты, алевролиты, песчаники, глинистые и песчанистые сланцы, известняки. Дольше всего в их составе аргилитов (до 60%). Кроме того,
они содержат в своем составе уголь до 20%, серу, содержание которой пропорционально содержанию угля, в небольших количествах цветные, редкие
металлы, в следовых количествах радионуклиды — уран, торий.
Отвалы занимают большие площади земель, подвергаются водной и ветровой эрозии, загрязняя прилегающую территорию. Значительный урон природной среде приносит самовозгорание терриконов. Основной причиной самовозгорания является окисление угля, сопровождающееся выделением большого количества тепла, которое аккумулируется в порах пород и обеспечивает
возгорание горючих материалов. В отдельных отвалах эти процессы проходят
настолько интенсивно, что отвальные породы разогреваются до высоких температур и горят с выделением значительного количества углеводородов, сажи,
оксидов азота, серы, углерода и др. Поэтому вокруг отвалов устраивают защитные зоны, что приводит к увеличению площади отчуждаемых земель.
Основными мероприятиями по предупреждению самовозгорания породных
отвалов является ограничение притока кислорода и уменьшение количества
горючих компонентов в складируемой породе.
С этой целью в некоторых странах проводят дополнительное извлечение
угля с помощью специальных установок на групповых отвалах. Для снижения притока кислорода отвалы уплотняют. Этого можно достичь путем дробления породы, уплотнением ее при складировании с помощью автотранспорта, катков, вибраторов, затоплением водой, устройством глинистых экранов,
обработкой пород суспензиями извести, известняка, глины. Такие отвалы
рекомендуется устраивать плоскими. Породы в них уплотняют слоями толщиной 1,0—1,5 м, а по периметру устраивают дамбы из инертных материалов
или перегоревших пород.
Твердые отходы угледобычи используют в качестве низкосортного топлива (при определенном содержании горючих составляющих), как компоненты, повышающие плодородие почв, и как сырье при производстве строительных материалов. Однако из-за неоднородности состава утилизация их сложна и не всегда экономически оправдана.
Перспективным направлением утилизации пород, содержащих углеродистое вещество, является их газификация. Газификации целесообразно подвергать свежую породу, содержащую 20% и более горючих веществ. При этом
дополнительно получают энергетическое топливо, а зольный остаток можно
использовать для производства строительных материалов.
В мировой практике отходы угледобычи используют для закладки выработанных шахтных пространств. Разработаны технологии закладки без подъема
породы наверх.
Особую группу отходов угледобычи представляют горелые породы, обожженные в недрах земли при естественных подземных пожарах в угольных
пластах и аналогичные им перегоревшие отвальные шахтные породы. По
350
Экология городов
основным физико-химическим свойствам они близки к глинам, обожженным при температуре 800—1000° С, истинная плотность их составляет 2400—
2700 кг/м , плотность куска — 1300—2500 кг/м . Содержание топлива в естественных горелых породах достигает 2—3%, в отвальных горелых породах
его может быть значительно больше. Горелые породы могут широко использоваться при производстве строительных материалов. Они, как и другие обожженные глинистые материалы, обладают гидравлической активностью и могут использоваться как активные минеральные добавки для беск л и н к е р н ы х и з в е с т к о в о - г л и н и т н ы х и с у л ь ф а т н о - г л и н и т н ы х вяжущих.
Известково-глинитные вяжущие получают совместным тонким помолом горелых пород и извести с небольшой добавкой гипса. Они содержат в своем
составе 10—30% извести в зависимости от активности горелой породы, до
5% гипса, остальное — горелая порода.
3
3
Сульфатно-глинитные вяжущие получают совместным помолом двуводного гипса (50—65%), горелой породы (15—40%) и портландцементного клинкера (10—20%). Такие вяжущие применяют для производства низкомарочных
бетонов и растворов.
Горелые породы применяют как гидравлические добавки в количестве до
20% к портландцементу и 25—40% к пуццолановому портландцементу.
В бетонах и растворах горелые породы используют в качестве крупных и
мелких заполнителей. Горелые породы также используют для производства
щебня, пористых заполнителей (аглопорита и керамзита), асфальтобетона,
для устройства дорожных оснований под покрытия, насыпей и т.д.
Аглопорит — искусственный пористый заполнитель, получаемый спеканием глинистых пород или различных отходов на решетках агломерационных машин и последующим дроблением спекшегося коржа. Получают аглопорит в виде щебня.
Керамзит — это искусственный пористый заполнитель, получаемый вспучиванием и спеканием гранул, сформованных из вспучивающихся глин или
различных отходов, во вращающейся печи.
Широкое использование горелых пород затрудняется их неоднородностью и содержанием несгоревшего топлива.
Отходы углеобогащения образуются при обогащении угля для коксования, энергетических и других целей и представляют собой смесь осадочных
пород, частиц угля и угольно-минеральных сростков. В их состав входят в
различных соотношениях в зависимости от района добычи глины, аргилиты,
сланцы, алевролиты, песчаники, известняки, кальциты. Содержание органической массы может достигать 15% и более. Кроме того, в отходах содержатся
сера, микроэлементы — свинец, цинк, молибден, галлий, германий и др.
По зерновому составу отходы обогащения разделяют не породы обогащения крупностью от 200 до 0,5 мм, образуемые при гравитационном обогащении угля (преимущественное содержание фракций 5—40 мм), и хвосты флотации крупностью <0,5 мм, образуемые при флотационном обогащении. Породы обогащения составляют основную массу отходов (до 90%). Складируют
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
351
их в гидроотвалы или механическим способом в отвалы, отходы (хвосты)
флотации — в хвостохранилища.
Отходы углеобогащения используют как энергетическое сырье путем сжигания или газификации, направляют на переобогащение, получают серу и ее
соединения, строительные материалы, сырье для цветной и черной металлургии, используют в сельском хозяйстве, производстве ферросплавов, для извлечения редких рассеянных элементов, при устройстве насыпей, закладке
подземных выработок, рекультивации земель.
Перспективным направлением является применение отходов углеобогащения в качестве отощающей и выгорающей добавки к сырью и в качестве
основного сырья при производстве керамических изделий (кирпича, плитки,
черепицы), пористых заполнителей.
Хвосты флотации в сравнении с породами обогащения, угледобычи более однородны по составу, содержат до 20% органического вещества, микроэлементы. Это дает возможность их использовать в качестве удобрений в
сельском хозяйстве.
Несмотря на многолетние исследования, длительные эксперименты и
экономические расчеты, подтверждающие целесообразность утилизации отходов углеобогащения, в нашей стране они используются незначительно.
Золошлаковые отходы образуются при сжигании твердого топлива в топках тепловых электростанций при температуре в топочной камере 1200—
1700° С. Выход золошлаковых отходов зависит от вида топлива и составляет в
бурых углях 10—15%, в каменных 3—40%, в горючих сланцах 50—80%, мазуте 0,15—0,20%. Топливо сжигают в виде мелких кусков или в пылевидном
состоянии, отходы образуются соответственно в виде шлака или золы. Золу
улавливают с помощью воды в специальных бункерах и удаляют в виде пульпы гидротранспортом в золоотвалы. Шлаки гранулируют путем быстрого охлаждения водой и удаляют в отвалы сухим или гидравлическим способом.
Зола представляет собой тонкодисперсный материал и состоит из частиц крупностью 0,1—0,005 мм. Крупность частиц шлака 20—30 мм.
Химический состав золошлаковых отходов зависит от минеральной составляющей топлива и колеблется в зависимости от месторождений угля. Примерное содержание основных оксидов в золошлаковых отходах: S i 0 37—63%,
А 1 0 9 - 3 7 % , F e 0 4 - 1 7 % , СаО 1 - 3 2 % , MgO 0 , 1 - 5 % , S 0 0 , 0 5 - 2 , 5 % . В
золе присутствует несгоревшее топливо до 6—7% и более, в шлаках, как правило, оно отсутствует. В золошлаковых отходах также концентрируются радионуклиды. При использовании их для производства строительных материалов необходимо осуществлять контроль за их содержанием.
2
2
3
2
3
3
При оценке золошлаковых отходов как сырья для строительных материалов важной характеристикой их химического состава является соотношение
основных и кислотных оксидов — модуль основности:
М = (СаО + MgO) : (Si0 + Al 0 ),
0
2
2
3
при М > 1 шлаки относятся к основным, при М < 1 — к кислым. Большинство
золошлаков ТЭС — кислые.
0
0
Экология городов
352
Истинная плотность золошлаков в зависимости от химико-минералогического состава колеблется в пределах 1800—2400 кг/м , насыпная
6 0 0 - 1 1 0 0 кг/м .
3
3
Зола и шлак являются крупнотоннажными отходами. Так, например,
тепловая электростанция мощностью 1 млн кВт за сутки сжигает около
10 000 т угля, при этом образуется около 1000 т золы и шлака. Золошлаковые отвалы занимают тысячи гектаров земель, пригодных для использования в сельском хозяйстве. Ими загрязняются почвы, поверхностные, подземные воды и особенно воздушный бассейн. Золошлаковые отходы являются ценным вторичным минеральным сырьем. Зола и шлак обладают
гидравлической активностью и могут использоваться для производства бесклинкерных вяжущих, в качестве сырьевых компонентов для получения
цементного клинкера и как добавки к цементам. Из бесклинкерных вяжущих наиболее известен известково-зольный цемент, получаемый совместным помолом золы и извести. Состав известково-зольных цементов зависит
от содержания в золе активного оксида кальция, оптимальное количество
извести в этом цементе составляет 10—40%. Золы и шлаки используют как
добавки при производстве портландцемента. Присутствие в составе золы
несгоревшего топлива приводит к снижению его расхода при производстве
цемента. В портландцемент добавляют до 15% золошлака, в пуццолановый
до 25—40%. Введение золы в цемент снижает его прочность в начальные
сроки твердения, а при длительных сроках твердения прочность цементов с
золой становится более высокой.
Одним из наиболее перспективных направлений утилизации золошлаковых отходов является производство из них пористых заполнителей для
легких бетонов. Мелкий заполнитель может быть заменен золой. В качестве
крупных заполнителей применяют щебень из топливных шлаков, аглопорит
на основе золы, зольный обжиговый и безобжиговый гравий и глинозольный керамзит.
Шлаки, используемые для производства щебня, должны быть устойчивы
против распада. При медленном охлаждении шлаков наряду с образованием
минералов могут происходить полиморфные превращения, что приводит к
распаду и самопроизвольному превращению кусков шлака в порошок. Для
предотвращения распада топливные шлаки рекомендуется применять после
длительного (3—6 месяцев) вылеживания в отвалах, в результате чего в них
гасится свободный оксид кальция, частично выщелачиваются соли и окисляются топливные остатки.
Топливные шлаки и зола являются сырьем для производства искусственного пористого заполнителя — аглопорита. При обычной технологии его получают в виде щебня. Разработаны также технологии производства аглопоритового гравия из золы, глинозольного керамзита и зольного гравия. Глинозольный керамзит получают вспучиванием и спеканием в печах гранул,
сформованных из смеси глины и золы. Разработаны технологии производства обжигового и безобжигового зольного гравия, позволяющие использовать практически любые золы, получаемые от сжигания различных видов
углей. Установлена эффективность введения золы до 20—30% взамен цемен-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
353
та при изготовлении бетонов и растворов. Особенно целесообразно введение
золы в бетон гидротехнических сооружений. Например, зола использовалась
при строительстве Днестровского гидроузла, Братской ГЭС.
Золошлаковые отходы используют для производства силикатного кирпича, взамен извести и песка, при этом расход извести снижается на 10—50%,
песка на 20—30%. Такой кирпич имеет более низкую плотность, чем обычный.
Топливные зола и шлак применяются в качестве отощающих и выгорающих добавок в производстве керамических изделий на основе глинистых материалов, а также в качестве основного сырья для изготовления зольной керамики. Так, на обычном оборудовании кирпичных заводов может быть изготовлен зольный кирпич из массы, состоящей из золы, шлака, натриевого
жидкого стекла в количестве 3% по объему. Зольная керамика характеризуется высокой кислотостойкостью, низкой истираемостью, высокой химической и термической стойкостью.
Из топливных золошлаков получают плавленые материалы: шлаковую
пемзу и вату. Разработана технология производства высокотемпературной
минеральной ваты методом плавки в электродуговой печи. Этот материал
используется для изоляции поверхностей с температурой до 900—1000° С.
Также возможно получение стекол, архитектурно-строительных изделий и
облицовочных плиток.
Одним из основных потребителей золошлаковых отходов является дорожное строительство, где их используют как засыпку при устройстве оснований, для приготовления асфальтобетонных покрытий. Золу используют
также в качестве наполнителей для производства мастик рулонных кровельных материалов.
Несмотря на очевидные выгоды и перспективы широкого применения
золошлаковых отходов, объем их использования в нашей стране не превышает 10%. Утилизация зол и шлаков требует решения целого комплекса
вопросов от разработки технических условий на их применение, технологических линий по их переработке, транспортных и погрузочно-разгрузочных
средств до перестройки психологии хозяйственников в отношении вторичных минеральных ресурсов.
8.10.2. Утилизация отходов металлургического комплекса
Основную массу отходов этого комплекса представляют вскрышные и
вмещающие породы добычи руд, отходы их обогащения, металлургические шлаки.
Отходы добычи железной руды. В нашей стране наиболее распространенным способом добычи железной руды является открытый — путем создания
карьеров глубиной до 300 м и более. Наряду с разработкой железной руды
извлекают и складируют в отвалы огромные массы вскрышных и вмещающих пород, объемы которых составляют 30—70% от разрабатываемой рудной
массы. Наибольшее количество попутно добываемых пород — это кристал-
Экология городов
354
лические сланцы, кварциты, роговики и другие близкие к ним скальные породы. Среди вскрышных пород имеются и нескальные, в основном осадочные — глины, пески, суглинки, известняки и др.
Скальные породы, предварительно разрыхленные взрывным способом,
разрабатывают экскаваторами и удаляют в отвалы автомобильным или железнодорожным способом. По гранулометрическому составу отвальные
скальные породы представляют собой неоднородный материал от пылеватых и песчаных фракций до глыб размером 1 м. Преимущественный гранулометрический состав 10—200 мм. Истинная плотность этих пород зависит от включений железа и находится в пределах 2600—4100 кг/м , средняя — 3000 к г / м .
3
3
Основным направлением утилизации вскрыши скальных и нескальных
пород является использование их для устройства дамб обвалования, плотин, насыпей, оснований дорог, для планировочных работ, а также для
производства строительных материалов. Скальные породы широко используются для производства щебня, который применяют в качестве крупного
заполнителя в тяжелых и особо тяжелых бетонах. На многих горно-обогатительных комбинатах Украины построены щебеночные комплексы. Объемы образования этих отходов превышают масштабы возможной переработки, и основным направлением их использования является обратная засыпка
и рекультивация карьеров.
Отходы обогащения железной руды — хвосты образуются при получении
железного концентрата методами электромагнитной или магнитной сепарации. Для раскрытия и дальнейшего извлечения рудных минералов руду подвергают измельчению. Тонкость измельчения зависит от технологии обогащения, характера и степени оруденения сырья. Объемы отходов составляют
40—60% от объема обогащаемого материала.
Хвостовое хозяйство — один из самых дорогостоящих объектов обогатительного комплекса.
Частицы хвостов имеют угловатую неокатанную и неправильную форму. Кроме пустой породы, в хвостах присутствуют частицы железосодержащих минералов в количестве 15—20%. Хвосты представляют собой несвязный материал, средневзвешенный диаметр частиц колеблется в пределах
0,05—0,2 мм, преобладают частицы размером 0,07—0,005 мм. Истинная плотность колеблется в пределах 2600—4000 кг/м , средняя — 3000 кг/м . Удаляют хвосты в хвостохранилища гидравлическим способом в виде пульпы с
Т : Ж, равным от 1 : 10 до 1 : 30.
3
3
При сбросе пульпы в хвостохранилище на надводных пляжах происходит
фракционирование хвостов по плотности и крупности. В зонах, близких к
выпуску, откладываются наиболее крупные и тяжелые ^ с т и ц ы , содержание
железа в этих зонах может превышать 30%. По сути хвостохранилища представляют собой техногенные месторождения полезных ископаемых, освоение которых будет производиться с помощью более прогрессивных технологий обогащения. Технология сброса пульпы должна формировать зоны с повышенным содержанием железа.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
355
Хвостохранилища занимают огромные площади, подтапливают прилегающие территории, загрязняют подземные воды. Подсыхающие надводные
пляжи создают интенсивное пыление.
Основным направлением утилизации хвостов обогащения является использование их в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов. Пески из отходов обогащения могут использоваться в кладочных и
штукатурных растворах, для приготовления бетонов, получения силикатного
кирпича, устройства искусственных оснований под дороги, здания, сооружения, для обратных засыпок, а также в качестве сырья для получения бесклинкерного шлакоцемента (совместный помол песка с доменными шлаками).
Металлургические шлаки образуются при выплавке металлов и представляют собой продукты высокотемпературного взаимодействия руды, пустой
породы, флюсов, топлива. Их состав зависит от этих компонентов, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса.
Металлургические шлаки подразделяют на шлаки черной и цветной металлургии. В зависимости от характера процесса и типа печей шлаки черной
металлургии делят на доменные, сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электроплавильные), ферросплавов, ваграночные.
Выход доменных шлаков на 1 т чугуна составляет 0,6—0,7 т; при выплавке 1 т стали выход шлаков составляет 0,1—0,3 т.
В цветной металлургии выход шлаков зависит от содержания извлекаемого металла в исходной шихте и может достигать 100—200 т на 1 т металла.
Химический состав доменных шлаков: СаО 29—30%, MgO 0—18%, А 1 0
5—23% и S i 0 30—40%. В небольшом количестве в них содержатся оксиды
железа 0,2—0,6% и марганца 0,3—1%, а также сера 0,5—3,1%.
2
3
2
Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием
оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%). Так же, как и топливные шлаки, металлургические делят на кислые и основные в зависимости от модуля
основности. Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы,
такие как силикаты, алюмосиликаты, ферриты и др.
Шлаки имеют высокую истинную плотность — среднее значение 2900—
3000 кг/м ; плотность куска — 2200—2800 кг/м , большую пористость, высокую морозостойкость, низкую истираемость.
3
3
Наиболее распространенным способом переработки шлаков является грануляция — резкое охлаждение водой, паром или воздухом. Грануляции подвергают в основном доменные шлаки. Утилизация доменных шлаков составляет около 60%, сталеплавильных — около 30%.
Основным потребителем доменных гранулированных шлаков является
цементная промышленность. В цементной промышленности также возможно использование медленно охлажденных сталеплавильных шлаков, шлаков
ферросплавов и шлаков цветной металлургии. Шлаковые вяжущие подразделяются на бесклинкерные (сульфатно-шлаковые и известково-шлаковые),
шлакощелочные и шлакопортландцемент. Сульфатно-шлаковые вяжущие
12*
Экология городов
356
получают совместным помолом доменных гранулированных шлаков (75—85%),
гипса (10—15%) и небольшой добавки извести (2%) или портландцементного
клинкера. Такие цементы отличаются химической стойкостью, их используют в агрессивных средах. Известково-шлаковые цементы получают совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести (10—30%). Для
регулирования сроков схватывания вводят до 5% гипса. Эти цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым цементам, имеют низкую морозостойкость, но отличаются высокой стойкостью в агрессивных водах.
Гранулированные доменные шлаки используют как добавки к сырью (до
20%) при производстве портландцемента взамен глины или как активные
добавки к портландцементному клинкеру.
Широкое распространение получил шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом доменного гранулированного шлака (21—80%), портландцементного клинкера и небольшого
количества гипса. Себестоимость такого цемента снижается на 25—30%, по
сравнению с портландцементом. Шлакопортландцемент в зависимости от
содержания шлака используют как обычный цемент или как стойкий к действию агрессивных вод.
Шлакощелочные цементы — это гидравлические вяжущие, получаемые совместным помолом доменных гранулированных шлаков и щелочных компонентов — кальцинированной или каустической соды, жидкого
стекла. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на N a 0 составляет 2—5% от массы шлака. Взамен щелочных компонентов используют отходы их производства. Шлакощелочные вяжущие
обладают высокой прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью,
коррозионной стойкостью, биостойкостью и термостойкостью. Бетоны из
таких цементов обладают перечисленными преимуществами, кроме того,
они устойчивы к действию бензина и других нефтепродуктов и слабых растворов органических кислот. Они способны твердеть при отрицательных
температурах.
2
Шлакощелочные цементы используют в строительстве, а также для обезвреживания радиоактивных и токсичных отходов, содержащих тяжелые металлы (шламы гальванического производства, шламы водоочистки, золошлаковые отходы термического обезвреживания).
Из металлургических шлаков получают шлаковый щебень путем дробления отвальных металлургических шлаков или по специальной технологии
изготавливают литой щебень. При производстве этого материала огненножидкий шлаковый расплав из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 250—500 мм на специальные литейные площадки или траншеи. Через
2—3 часа он кристаллизуется на открытом воздухе, затем его охлаждают водой, что приводит к развитию трещин. Шлаковые массивы разрабатывают
экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.
Необходимым условием получения щебня из металлургических шлаков
является устойчивость их к распаду. Шлаки, пролежавшие 3—5 месяцев в
отвалах, как правило, имеют стабильный состав.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
357
Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозостойкостью и
жаростойкостью, сопротивлением к истиранию.
В строительстве применяются разные типы бетонов с вяжущими и заполнителями на сЛнове металлургических шлаков.
Для особо тяжелых и тяжелых бетонов (плотностью 2600—1800 кг/м ) в
качестве крупных заполнителей используют литой или отвальный щебень, в
качестве мелкого заполнителя — гранулированный доменный шлак. При производстве легких шлаковых бетонов (плотностью менее 1800 кг/м ) в качестве заполнителей используют щебень на основе шлаковой пемзы. Шлаковую пемзу получают вспучиванием шлакового расплава при быстром охлаждении водой, воздухом, а также при воздействии минеральных газообразователей. Затем путем дробления и грохочения получают фракционный щебень.
Шлаковый щебень применяют также в дорожном строительстве для устройства оснований и асфальтобетонных покрытий.
3
3
Металлургические шлаки используют для производства шлаковой ваты.
Шлаковую вату применяют как изоляционный материал, а с помощью различных органических и неорганических вяжущих из нее изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия.
Из расплавленных металлургических шлаков отливают камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы и другие изделия. По износостойкости, жаростойкости и ряду других свойств шлаковое литье превосходит железобетон и сталь.
Металлургические шлаки используют для производства шлакоситалловых изделий. Производство их заключается в варке шлаковых стекол, формовании и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Шлакоситаллы
характеризуются высокими физико-механическими свойствами. Прочность
их близка к прочности чугуна и стали, но шлакоситаллы в три раза легче.
Они легко обрабатываются, шлифуются, режутся, сверлятся. Шлакоситаллы
широко применяются в строительстве. Плитами из листового шлакоситалла
облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и
перегородки, выполняют из них ограждения балконов, кровли, лестничные
марши, подоконники, полы промышленных зданий, изготавливают трубы,
высоковольтные изоляторы и другие изделия.
При производстве ферросплавов образуются шлаки, содержащие до 15—
20% металлических включений. Ферросплавные шлаки перерабатывают на
щебень, песок, муку, используют при выплавке стали, ферросплавов, в цементной промышленности, в производстве шлакового литья, шлакоситаллов
и других строительных материалов.
Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием. Выход
шлаков цветной металлургии на единицу выплавленного металла значительно больше, чем шлаков черной металлургии. Так, на 1 т никеля образуется
до 150 т шлака, на 1 т меди — 10—30 т. В шлаках содержится до 60% оксидов
железа, оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, а также значительное
358
Экология городов
количество таких ценных компонентов, как медь, кобальт, цинк, свинец,
кадмий, редкие металлы. Перспективным направлением их использования
является комплексная переработка, включающая предварительное извлечение цветных и редких металлов, железа с последующим использованием
силикатного остатка для производства строительных материалов аналогично
шлакам черной металлургии.
В черной и цветной металлургии образуется огромное количество пылей
и шламов, значительное количество их накопилось также в шламонакопителях и отвалах. Эти отходы содержат в своем составе соединения железа, магния, марганца, кальция, цинка, свинца, серы и других элементов.
Пыли и шламы металлургических производств можно разделить на две группы: к первой группе относятся продукты очистки дымовых газов. Железосодержащие пыли и шламы образуются при очистке газов доменного, агломерационного и сталеплавильного производств. Концентрация железа в них —
в пределах 35—55%, в некоторых случаях она превышает 68%, т.е. превышает
содержание железа в железорудном концентрате. На старых заводах железосодержащие пыли и шламы сбрасывают в отвалы и шламонакопители из-за
отсутствия или недостатка оборудования по их подготовке к использованию.
На новых заводах эти пыли и шламы используют в технологических процессах путем добавки к агломерационной шихте. При использовании шламы
предварительно обезвоживают до влажности 8—9%, из них удаляют вредные
примеси, такие как сера, цинк, свинец, щелочные металлы, а затем механическим или термическим способом при добавлении вяжущих формуют куски
определенных размеров.
Другим способом утилизации железосодержащих пылей является включение их в состав шихты при производстве цементов, красок, красителей.
Графитовая пыль образуется при выпуске чугуна из доменной печи, заливке его в миксер, транспортировке, разливке в формы или изложницы.
Содержание графита в пыли металлургических цехов различных предприятий колеблется в пределах 30—80%. Графитовая пыль представляет собой
чешуйки графита и их сростки, выделяющиеся из расплава чугуна в основном при его переливах. Графит является важным промышленным сырьем.
Он используется в черной металлургии при изготовлении электродов электросталеплавильных и ферросплавных печей, тиглей для плавки стали и цветных металлов, в литейном производстве при изготовлении присыпок внутренних поверхностей форм для предохранения отливок от пригара, при получении графито-коллоидных красок для подмазки литейных форм, для
получения графито-керамических масс, из которых готовят литейные формы, в электротехнике для гальванических элементов и щелочных аккумуляторах, в атомной энергетике для изготовления стержней-замедлителей нейтронов, в реактивной технике в качестве особо т е р м о с ^ й к о г о материала, в
машиностроении в качестве порошкообразного смазочного материала. Кроме того, графит применяют при изготовлении искусственных алмазов, металлокерамики, различных пластмасс, карандашей и присадок для снятия статического электричества.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
359
Потребность в графите постоянно растет. Ископаемые графитосодержащие руды характеризуются сравнительно низким содержанием графита. Для
получения 1 т графита из таких руд перерабатывают до 20 т руды. В промышленности используЛгг также дорогостоящий искусственный графит, который
изготавливают на основе кокса и антрацита. Поэтому графитовая пыль предприятий черной металлургии является ценным вторичным сырьем. Ресурсы
графитовых отходов оцениваются миллионами тонн. Значительная часть их
поступает в отвалы и разносится ветром на большие расстояния.
В настоящее время разработаны два направления утилизации графитовой
пыли. Для предприятий, где содержание в пыли графита особо высокое (60—
90%), предполагается получать товарный графит на самих производствах.
Процесс этот включает такие операции, как измельчение, флотационное обогащение по стандартным схемам. В дальнейшем концентрат подвергается
химической доводке. Полученный продукт предполагается использовать на
самом предприятии. Другое направление утилизации состоит в обогащении
графитовой пыли на металлургических предприятиях и последующей переработки полученного концентрата на специализированных графитовых заводах
совместно с ископаемой графитовой рудой. Графит, изготовленный при совместной переработке, не уступает по качеству графиту, изготовленному из
одной руды, а иногда превосходит последний.
Графитовая пыль, содержащая в своем составе менее 60% графита, может
быть использована для приготовления теплоизоляционных смесей в литейном производстве.
Серосодержащие шламы образуются при очистке газов агломерационных
производств от оксидов серы с помощью известняковых суспензий. Такие же
шламы образуются при очистке газов от оксидов серы на ТЭЦ и других производствах. В результате очистки образуются плохо растворимый в воде сульфит кальция, хорошо растворимый сульфат кальция, а также в небольшом
количестве хорошо растворимые бисульфит кальция и гипс. Основная часть
этих шламов поступает в шламохранилища и не используется.
В настоящее время разработаны рекомендации по утилизации шламов
сероочистки. Для использования в цементной промышленности рекомендуется их сначала подвергнуть обжигу при температуре 1100— 1150° С, что позволит перевести часть серы из шлама в диоксид серы, а затем использовать для
производства серной кислоты. Далее сухой шлам можно использовать как
добавку к шихте при производстве цемента. Другим направлением утилизации серосодержащих шламов является применение их в сельском хозяйстве в
качестве мелиоранта для кислых, оподзоленных и солонцеватых почв. Шлам
является дополнительным источником серы, кальция, позволяет нейтрализовать повышенную кислотность почв.
Образующийся при очистке сточных вод трубопрокатного производства
шлам содержит окалину и масла. В процессе очистки в первичных отстойниках отделяется крупная окалина, которая периодически извлекается из отстойника и утилизируется в качестве добавки к агломерационной шихте. Во
вторичных отстойниках улавливается мелкая окалина и маслопродукты. Мае-
360
Экология городов
лопродукты ухудшают прочность гранул шихты, снижают ее газопроницаемость. Поэтому шихту предварительно обрабатывают известняком или шламами других металлургических производств, а затем используют в агломерационном или сталеплавильном производствах. Другим способом подготовки
замасленной окалины к утилизации является обработка ее жидким сталеплавильным шлаком. Обогащенный окалиной застывший шлак является ценным металлургическим сырьем.
8.10.3. Утилизация отходов машиностроительного
комплекса
Основными экологически опасными отходами этого комплекса являются
отходы
гальванических производств.
Гальванические покрытия — электроосаждаемые металлические слои,
наносимые на поверхность изделий или полуфабрикатов для повышения коррозионной стойкости, износоустойчивости, улучшения декоративного вида.
Отходы гальванических производств в зависимости от источников образования разделяют на следующие виды:
• отработанные концентрированные технологические растворы (электролиты нанесения покрытий, растворы снятия покрытий, щелочные и кислые травильные растворы и др.);
• промывные воды;
• гальванические шламы.
Отработанные электролиты, содержащие цветные металлы, регенерируют с целью восстановления их работоспособности и повторного использования, а также используют для извлечения цветных металлов.
Методы очистки и регенерации электролитов предусматривают их корректировку один раз в 3 месяца, а полную замену — один раз в течение 2—
3 лет.
Шламы, образующиеся при регенерации электролитов и очистке сточных вод гальванических производств, представляют собой аморфные осадки,
содержащие гидроксиды железа и цветных металлов. Обезвоживание их осуществляют с помощью вакуум-фильтров, пресс-фильтров или центрифуг. Для
повышения производительности обезвоживающего оборудования гидроксидные осадки подвергают реагентной или безреагентной обработке. В качестве
реагентов используют известь, соли железа и алюминия, кислотосодержащие
реагенты. Недостатками реагентной обработки осадка являются высокая стоимость и дефицитность реагентов, увеличение объема осйдка.
К безреагентным способам обработки гальванических шламов относят уплотнение, замораживание и оттаивание, введение в их состав опилок. После
такой обработки шламы легко обезвоживаются. Однако до настоящего времени основная часть гальванических шламов поступает в шламонакопители.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
361
Разработаны технические решения, позволяющие извлекать практически
все металлы из гальванических шламов методами гидрометаллургии с помощью водных растворов химических реагентов.
Другим направлением утилизации гальванических шламов с целью уменьшения их экологической опасности является химическая фиксация, производимая путем ферритизации твердой фазы отходов, силикатизации, отверждения отходов с использованием неорганических и органических вяжущих,
спекания. Однако при этом ценное вторичное сырье для извлечения цветных
металлов зачастую теряется.
Хромсодержащие шламы после сушки и прокаливания используются в
качестве красителей при производстве декоративного стекла. В зависимости
от состава могут быть получены стекла различного цвета и оттенков: зеленого, ярко-синего, сине-зеленого, темно-коричневого, черного.
Гальванические шламы, обогащенные железом, используются для получения ферритов, которые находят применение в электротехнической и химической промышленности, в радиотехнике.
Полностью исключается загрязнение природной среды при сплавлении
гальванических шламов с силикатами в соотношении 1:1 и температуре 800—
1000° С. Этот метод позволяет извлекать из шлама тяжелые металлы и изготавливать кирпич и черепицу высокого качества.
Гальванические шламы также можно вводить в асфальтобетон в количестве до 20% от массы сырьевой смеси. Прокаленные гальванические шламы
используют как добавки при изготовлении бетонных блоков. При приготовлении бетонов из шлакощелочных вяжущих можно добавлять до 20% прокаленных гальванических шламов. При взаимодействии гидроксидов тяжелых
металлов со щелочными силикатами образуются силикаты соответствующих
металлов, устойчивые к растворению. Такие бетоны обладают высокими физико-химическими свойствами и устойчивы к растворению.
Горелая формовочная земля. При изготовлении отливок из чугуна, стали и
цветных металлов в одноразовых формах, которые изготавливаются из формовочных смесей, состоящих из кварцевого песка, глины (до 16%), связующего в виде битума, цемента, канифоли, жидкого стекла или термореактивных смол (1,5—3%), используют также графит, порошок каменного угля и
выгорающие добавки в виде опилок. Расход формовочной смеси составляет
1 т на 1 т металлических изделий.
После использования формовочные смеси содержат металлические включения, а связующие материалы и глина теряют свои пластические свойства и
не пригодны для повторного использования. Эти отходы называют горелой
формовочной землей. Основная масса их поступает в отвалы.
Регенерация горелой формовочной земли заключается в извлечении металлических включений, удалении пыли, мелких фракций глины и других
включений. Существует два способа регенерации горелой земли: мокрый и
сухой. Мокрый способ применяют при гидравлической очистке литья. При
этом горелая земля поступает в систему последовательно расположенных
362
Экология городов
отстойников. Сначала оседает песок, а мелкие фракции уносятся проточной
водой в следующий отстойник. Песок просушивают и вновь пускают в производство. Сухой способ регенерации состоит из двух операций: обдирания
от зерен песка связующих веществ и удаления пыли и мелких частиц, что
достигается продуванием воздуха в закрытом барабане с последующим отсосом воздуха вместе с пылью.
Горелая формовочная земля также используется для производства кирпича. Предварительно методом магнитной сепарации удаляются металлические включения. Благодаря наличию в горелой формовочной земле щелочи,
жидкого стекла, смол качество кирпича улучшается.
Лом и отходы черных и цветных металлов являются важнейшим вторичным сырьем для металлургической промышленности. Эти отходы образуются
при обработке металла в виде стружки, кусков и листовых отходов, в результате морального или физического износа оборудования, запасных частей и
инструмента (амортизационный лом). Перерабатывают металлический лом
предприятия, имеющие в своем составе плавильные печи, предприятия "Вторчермета" и металлургические комбинаты. Лом является составной частью
шихты доменных и сталеплавильных производств.
Значительные потери металлического лома происходят из-за плохой организации его сбора.
Лом и отходы цветных металлов перерабатывают предприятия "Вторцветмета". В наибольших количествах образуются алюминиевый, свинцовый,
медный и цинковый лом. Процессы его переработки сложны и требуют дорогостоящего оборудования. Сложность переработки состоит в том, что цветные металлы находятся в металлоломе в виде сплавов, а извлекать каждый
вид металла необходимо отдельно.
8.10.4. Утилизация отходов химического производства
Отходы производства фосфора, фосфорной кислоты и фосфорных удобрений являются наиболее многотоннажными отходами химического промышленного комплекса. Наибольший удельный вес в фосфорной промышленности приходится на производство фосфорных удобрений — суперфосфата.
Сырьем для получения этих продуктов являются руды, содержащие в своем
составе фосфориты С а ( Р 0 ) и апатиты — фтор-апатит С а ( Р 0 ) • CaF, и хлорапатит С а ( Р 0 ) • СаС1 . Кроме основных минералов, эти руды содержат в
своем составе минералы-примеси, в следовых количествах уран, торий, ванадий. Фосфорные руды представляют собой осадочные породы, сцементированные фосфатами кальция.
3
3
4
2
4
2
3
4
2
2
При добыче фосфорных руд огромные массы вскрь^шных пород, представляющие собой пески, глины, сланцы с примесями серы и фосфора, поступают в отвалы и практически не используются. Исходя из состава их можно использовать для производства пористых заполнителей (аглопорита) и как
добавки к сырью при производстве керамических изделий.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
363
При обогащении фосфорных руд образуется большое количество твердых отходов в виде хвостов флотации, масса которых может достигать 70—
75% массы исходной руды. Апатитовые руды относятся к легкообогащаемым породам, фосфоритовые — к труднообогащаемым и требуют применения большого количества реагентов. В отходах остается значительное
количество фосфатов. Для уменьшения отходности целесообразно труднообогащаемые руды перерабатывать с применением селективного выщелачивания сырья разбавленными кислотами или кислотосодержащими отходами. В апатитовых отходах могут содержаться редкоземельные элементы
и радионуклиды, а в фосфоритовых — канцерогенные органические примеси от флотареагентов. Хвосты флотации могут использоваться как добавки к сырью при производстве керамических строительных материалов.
В целях экологической безопасности необходимо контролировать содержание в отходах радионуклидов и при повышенной их концентрации предусматривать мероприятия для захоронения отходов. Обогащенные апатитовые и фосфоритовые концентраты перерабатывают электротермическим
или экстракционным методами.
Термическую переработку фосфорного концентрата проводят в электропечах при температуре 1300—1500° С при помощи углерода (кокса) с введением в шихту кремнезема в качестве флюса, в результате чего образуется
фосфор и шлаковый расплав. Шлак сливают из печей в огненно-жидком
состоянии и гранулируют мокрым способом. На 1 т фосфора приходится 10—
12 т шлака. Химический состав фосфорных шлаков близок к составу доменных. Суммарное содержание в них оксида кальция и кремнезема достигает
95% при их соотношении 0,9—1,1. Однако из-за наличия в фосфорных шлаках Р 0 и CaF (до 3% каждого), пониженного количества А1 О (до 4%) они
обладают низкой гидравлической активностью по сравнению с доменными.
Гранулированный шлак имеет пористую структуру, истинная плотность его
составляет 2800 кг/м , плотность куска — 1220 кг/м , по зерновому составу он
соответствует мелко- или среднезернистым пескам.
2
5
2
2
3
э
3
Возможности использования фосфорных шлаков в производстве строительных материалов не менее широкие, чем металлургических и топливных.
Гранулированные фосфорные шлаки используются в цементной промышленности как добавки к сырью до 8—10% взамен глинистого компонента.
Это обеспечивает экономию топлива. Фосфорные шлаки применяются как
добавки при измельчении цементного клинкера в производстве портландцемента и шлакопортландцемента. Схватывается фосфорно-шлаковый цемент медленнее и прочность его в ранние сроки ниже, однако в возрасте
3—5 месяцев она становится выше, чем цемента на основе доменных шлаков. Фосфорные шлаки используют также в производстве шлакощелочных
цементов. Характерной особенностью фосфорно-шлаковых цементов всех
типов является повышенная сульфатостойкость.
Из фосфорно-шлаковых расплавов получают литой щебень по технологии металлургических процессов. Из них получают также шлаковую пемзу,
вату, литые изделия в виде плитки для полов, брусчатки, а также шлакоситаллы. Фосфорные шлакоситаллы имеют меньшую себестоимость, чем си-
364
Экология городов
таллы на основе доменных шлаков. Установлена возможность применения
фосфорных шлаков в качестве добавки к сырью при производстве керамических изделий и фасадной плитки.
При экстракционном способе переработки апатитовых и фосфоритовых
концентратов получают экстракционную фосфорную кислоту и фосфорные
удобрения — суперфосфат, а в качестве твердого отхода — сульфат кальция
(фосфогипс). В зависимости от условий получения фосфорной кислоты отходы образуются в виде дигидрата C a S 0 • 2 Н 0 , полугидрата C a S 0 • 0 , 5 Н 0
или безводного сульфата кальция. Эти отходы представляют собой серый
мелкокристаллический комкующийся порошок влажностью 25—40%. В них
содержатся непрореагировавшие фосфаты, соединения фтора, стронция, неотмытая фосфорная кислота, органические вещества, соединения редкоземельных элементов, урана. Основную массу образующегося фосфогипса сбрасывают в отвалы, в которых скопились миллионы тонн фосфогипса.
2
4
2
2
4
2
Сравнение состава фосфогипса с природным гипсовым сырьем показало,
что фосфогипс является потенциально качественным сырьем для производства различных вяжущих. При его использовании требуется дополнительная
очистка от примесей. Объемы образующегося фосфогипса превышают потребности в специально добываемом гипсовом сырье.
Разработаны и опробованы технологии получения гипсовых вяжущих из
фосфогипса. Для снижения содержания примесей и нейтрализации его промывают, затем сушат, обжигают и измельчают. По такой технологии получают высокопрочный гипс, отвечающий требованиям стандарта. Фосфогипсовые вяжущие могут быть использованы как добавки к цементам для регулирования сроков схватывания. Из фосфогипсовых вяжущих можно получать
перегородочные плиты, блоки, гипсопесчаный кирпич, декоративные акустические плиты. На основе фосфогипсовых вяжущих возможно получение
декоративного материала — искусственного мрамора. Вяжущие для таких
материалов получают путем обжига сырьевой смеси, состоящей из фосфогипса, кремнефтористых солей, оксида кальция. Фосфогипс может служить
сырьем для производства цемента с одновременным получением серной кислоты. Сущность этого метода заключается в разложении сульфата кальция в
восстановительной среде.
Отходы производства калийных удобрений образуются при переработке калийных руд, основным минералом которых является сильвинит — смесь сильвина КС1 и галита NaCl. Калийные удобрения в основном используют в виде
хлорида калия. Калийные руды перерабатывают различными методами. Наиболее распространенными являются метод раздельной кристаллизации из растворов и метод обогащения породы флотацией. При переработке и обогащении
сырья в калийной промышленности образуются многотоннажные твердые гагатовые отходы, которые поступают в отвалы. На 1 т КС1 образуется 3—4 т отходов. Кроме основного компонента NaCl (до 90%), они содержат КС1, C a S 0 ,
MgCl , Вг и нерастворимые вещества. Вблизи калийных предприятий накопились солевые отвалы, которые вызывают засоление почв, повышение минерализации поверхностных и подземных вод. В целях улучшения экологической
4
2
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
365
обстановки следует отказаться от хранения солевых отходов на земной поверхности и постепенно перейти на их складирование в выработанных пространствах, а также совершенствовать технологию горных работ путем сокращения
выемки из шахт галита и пустой породы (селективная добыча калийных руд).
Галитовые отходы можно использовать для получения поваренной соли,
как сырье в содовом, хлорном производствах, что из-за транспортных расходов целесообразно только для предприятий, расположенных вблизи разрабатываемых калийных месторождений. Перспективным направлением является также внедрение методов комплексного использования сырья: путем извлечения побочных компонентов — магния, брома, использования отходов
для получения кормовой и технической соли и других продуктов.
Отходы в виде дистиллерной жидкости образуются при производстве кальцинированной соды аммиачным способом. На 1 т кальцинированной соды
образуется 8—12 т дистиллерной жидкости, содержащей в своем составе 200—
250 кг/м остатка. Складирование этих отходов осуществляют в специальных
шламохранилищах (белые моря). Твердый остаток — дистиллерный шлам,
представляет собой мелообразный материал, состоящий на 70—80% из частиц размером 0,1—0,2 мм. В состав шламов входят следующие компоненты:
карбонат кальция 50—65%, гидроксид кальция 4—10%, гипс 5—10%, хлорид
кальция 5—10%, примеси глинистых минералов и кварца 5—10%, другие компоненты. На предприятиях содовой промышленности накопились миллионы
тонн дистиллерных шламов.
3
Одним из основных направлений их использования является получение
известково-белитового вяжущего и силикатного кирпича на его основе.
Технологическая схема получения известково-белитового вяжущего следующая. Шлам разрабатывают на пляже и направляют на сушку, затем его
обжигают во вращающейся печи и тонко измельчают совместно с песком в
определенном соотношении, а затем используют для производства кирпича
по обычной технологии.
Путем обжига и тонкого помола дистиллерного шлама выпускают известьсодержащее вяжущее для производства строительных растворов, автоклавных бетонов, керамзитобетонов.
Дистиллерные шламы рекомендуют также использовать для получения
наполнителя асфальтобетонных смесей, линолеума, поливинилхлоридной
плитки, тампонажных материалов.
Карбидная известь — отход в виде известкового теста, образуемый при
получении ацетилена путем воздействия воды на карбид кальция. Известковое
тесто содержит в своем составе примеси неразложившегося карбида кальция и
растворенного ацетилена. Применять ее можно после выдерживания 1—2 мес.
до исчезновения запаха ацетилена. Активность извести зависит от пребывания
в отвале и соответствует извести третьего сорта. Ее рекомендуют использовать
в качестве вяжущего для автоклавных материалов. Для улучшения вяжущих
свойств рекомендуют ее измельчать совместно с песком, при этом активность
карбидной извести увеличивается в 2—2,5 раза. Вместо песка можно использовать горелые породы, доменные шлаки, отходы обогащения руд.
366
Экология городов
Пиритные огарки — отходы, образующиеся при переработке железного
колчедана (FeS , пирита) в серную кислоту. Чистый железный колчедан содержит 53,5% серы и 46,5% железа. В природном колчедане, кроме серы и
железа, содержатся примеси песка, глины, карбонатов, сульфидов цветных
металлов, соединений мышьяка, селена, серебра, золота и др. При обжиге
обогащенного пиритного концентрата получают диоксид серы, который в
дальнейшем перерабатывают в серную кислоту, а в качестве твердого отхода
образуется пиритный огарок. Пиритные огарки состоят в основном из железа
и имеют следующий химический состав: F e 0 56—77%, S i 0 9—22%, А1 0,
1 — 18%, СаО 0,8—5%, MgO 0,1—0,2%, кроме того, они содержат в своем составе медь, цинк, свинец, серу, драгоценные металлы, мышьяк, селен. При
обжиге пиритного концентрата огарков образуется около 70% от массы колчедана. Входящие в состав пиритных огарков растворимые соединения мышьяка легко вымываются атмосферными осадками и загрязняют почвы, поверхностные и подземные воды.
2
2
3
2
2
Наиболее целесообразным направлением утилизации пиритных огарков
является извлечение цветных и драгоценных металлов.
Методом хлорирующего обжига из огарков извлекаются медь и благородные металлы, сера.
Пиритные огарки являются ценным сырьем для черной металлургии.
Основным препятствием для использования их в доменных плавках являются высокая степень измельчения, что может вызвать забивание доменной
печи, значительные содержания в некоторых видах огарков свинца, меди,
цинка, серебра, что осложняет процесс доменной плавки и загрязняет его
продукты, а также повышенное содержание серы, что приводит к получению чугуна низкого качества. В небольших количествах пиритные огарки
используют в качестве сырья для доменной плавки без предварительного
извлечения цветных и драгоценных металлов. До плавки проводится высокотемпературная агломерация, что приводит к выгоранию серы и образованию кусков материала.
В колчеданах, применяемых для производства серной кислоты, в небольших количествах содержится селен. Отходы переработки пирита являются
одним из основных источников получения селена.
Разработаны технологии получения из пиритных огарков высокожелезистых цементов. Исходными компонентами служат мел (= 60%) и пиритные
огарки (= 40%).
Пиритные огарки используются как добавки, так и в качестве основного
сырья для производства керамзита. Образующийся при распаде пирита сернистый газ вспучивает глинистое сырье.
Разработана технология получения тяжелых заполнителей из пиритных огарков (95—97%) и глины (3—5%). Заполнитель имеет истинную плотность 6000 к г / м .
3
Пиритные огарки применяют в производстве стеновых керамических
материалов для снижения температуры обжига, повышения качества и улуч-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
367
шения цветовых характеристик. Однако образующиеся при обжиге сульфидов и сульфатов газообразные продукты снижают механическую прочность
изделий.
Пиритные огарки применяют для получения красного железооксидного
пигмента путем тонкого измельчения и прокаливания при температуре
700—800° С. Этот пигмент устойчив к действию кислот, щелочей и извести,
светостоек, может применяться в водных и неводных красочных составах.
Огарки применяют для окрашивания силикатного кирпича.
Отходы коксохимического производства. Кокс — твердое топливо повышенной прочности, получаемое нагреванием угля до 950—1050° С без доступа
кислорода. Коксующиеся угли способны переходить в пластическое состояние и спекаться.
При коксовании, кроме кокса, образуются каменноугольная смола, бензол, аммиак, коксовый газ и другие соединения. Коксовый газ используют
как топливо или для производства других продуктов. Сопутствующий сероводород превращают в элементарную серу, аммиак используют для производства азотно-фосфорных удобрений.
При очистке каменноугольной смолы и бензола получают легкие, средние и тяжелые масла, а также антраценовое масло и пек — компоненты дорожного дегтя.
В процессе отстаивания каменноугольной смолы в хранилищах образуются вязкие отходы — фусы, содержащие смолистые вещества (50—80%),
фенол, угольную и коксовую пыли, железистые и другие соединения. Плотность фусов 1300—1400 кг/м , размер твердых включений 0,1—5 мм. Фусы
добавляются в шихту при коксовании, в топливо для котлов ТЭС. Из фусов
извлекаются смолы.
3
При использовании фусов в качестве топлива или в составе шихты для
коксования и газификации их смешивают и окомковывают с основными компонентами и другими видами горючих отходов. На многих заводах из-за отсутствия оборудования значительная масса фусов не используется и направляется в накопители.
Другое направление утилизации фусов — использование их в строительстве. На основе фусов изготавливаются материалы для защитных покрытий
бетонных, железобетонных и металлических изделий. Такие составы получают
при растворении фусов в уайт-спирите и других растворителях с добавлением
поливинилхлоридной смолы и последующим отстаивании. Покрытия обладают устойчивой гидрофобностью, высокой прочностью и водостойкостью.
При очистке бензола серной кислотой образуется отход — кислая смолка, представляющая собой черную вязкую массу с плотностью 1280—
1300 кг/м , содержащую серную кислоту до 10—30%, бензольные углеводороды и полимеры.
3
Кислую смолку добавляют к шихте при коксовании и используют при
производстве битумов разных марок, для получения диоксида серы с последующей переработкой его в серную кислоту. Смолку также используют как
368
Экология городов
добавки к цементному клинкеру для интенсификации помола и активизации твердения цемента, как вспучивающие добавки к шихте при производстве керамзита. После нейтрализации ее можно использовать для производства дорожных дегтей. Нейтрализацию осуществляют с помощью щелочных
отходов и реагентов. Возможно использование кислой смолки вместо столярного клея.
Отходы производства и потребления пластмасс образуются при приготовлении сырья в виде слитков, глыб, бракованных волокон и при формовании
изделий в виде обрезков и брака. Отходы используются для производства
того же продукта или изделий менее ответственного назначения. Содержание
отходов в сырье обычно составляет до 20%, при большем количестве ухудшается глянец, появляется шероховатость.
При утилизации без разделения по типам пластмасс отходы измельчают,
отделяют примеси, гранулируют и используют для производства тары, подстилок, сувениров, игрушек и др.
Широкое распространение за рубежом получило многокомпонентное
литье, при котором изделия имеют наружный и внутренний слои. Наружный
слой выполняют из товарных пластмасс высокого качества; внутренний — из
отходов, включающих наполнители — тальк, стеклянные или керамические
шарики, вспениватель для облегчения. Такой способ утилизации применяют
при изготовлении мебели, предметов домашнего обихода.
Бывшие в употреблении пластмассовые изделия и тара в виде отходов
поступают на свалки и полигоны. В процессе утилизации их собирают, сортируют и очищают от примесей. Из использованной в сельскохозяйственном
производстве полиэтиленовой пленки изготавливают трубы и вторичную полиэтиленовую пленку. Вышедшую из употребления пленку сортируют, удаляя инородные включения и сильно загрязненные куски, измельчают, промывают, отжимают, сушат и гранулируют. Далее вторичный гранулированный полиэтилен смешивают с первичным в соотношении 6 : 4 и используют
для производства продукции.
Большое количество пластмасс попадает в городской мусор. В нашей стране содержание пластмасс в нем составляет 1,5—2%, в странах Западной Европы — 2—4%, в Японии до 10%. Сжигание мусора на мусоросжигательных
заводах сопровождается выбросом в атмосферу токсичных газов: хлорида водорода, оксидов азота, аммиака, цианистых соединений.
Отходы синтетических материалов легкой и других отраслей промышленности в виде волокон, пряжи, обрезков могут использоваться для очистки
промышленных сточных вод. Отходы пенополиуретана применяют для очистки нефтесодержащих сточных вод. Пластмассовые отходы некоторых видов
могут использоваться как добавки в асфальтобетонные сх^еси, при этом повышается износоустойчивость дорожных покрытий.
Поливинилхлоридные отходы образуются в виде обрезков, высечек, заправочных концов, полос при производстве пленочных материалов, искусственных кож и изделий из них, а также материалов строительного назначе-
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
369
ния — линолеума, обоев. Из отходов поливинилхлорида получают линолеумную плитку и пленку.
Пластмассовые отходы отличаются повышенной стойкостью и долговечностью. Они плохо поддаются деструкции под воздействием света, воды, температуры и микроорганизмов. Ведутся поиски таких составов пластмасс, которые по истечении срока службы изделий под действием ультрафиолетового
излучения способны распадаться в порошок и усваиваться микроорганизмами. Пластмассы с регулируемым сроком эксплуатации применимы для изготовления упаковочных материалов, тары и пленки.
Отходы производства и потребления резины. Резину получают вулканизацией каучука или резиновых смесей горячим или холодным способом, введением в их состав серы. В зависимости от содержания серы в резине ее разделяют на мягкую, полутвердую и твердую.
Резиновые отходы образуются в процессе производства резинотехнических изделий, товаров народного потребления, в шинной промышленности и
в процессе потребления. К ним относятся изношенные покрышки, резиновая обувь, отработанные конвейерные ленты, приводные ремни, формовые
изделия, товарная резина, прорезиненная ткань, техническая пластина. В производстве отходы образуются при приготовлении резиновых смесей, на стадии вулканизации, отделки готовой продукции.
Наиболее ценными компонентами резиновых отходов являются каучук и
ткани. Отходы производства — невулканизированные и вулканизированные —
отличаются по ценности и сложности переработки. Технология переработки
невулканизированных отходов состоит из сортировки, очистки от посторонних примесей и перемешивании для усреднения. По качеству этот вид отходов приближается к первичному сырью и используется для производства готовой продукции. Вулканизированные резиновые отходы используют для изготовления резиновой крошки, применяемой как добавка к первичному сырью
или для производства шифера, надувных лодок, рукавиц, фартуков, резиновых ковров и др.
В резинотканевых невулканизированных отходах текстильные компоненты
сохраняют свои свойства и используются вторично. Резинотканевые вулканизированные отходы используются для производства технических рукавиц,
набивки мебели и т.д.
Несмотря на неограниченные возможности переработки отходов производства резины значительную часть их вывозят на свалки и сжигают.
Полностью изношенные автопокрышки содержат около 75% каучука и
других ценных ингредиентов. Изношенные покрышки собирают предприятия "Вторресурсы".
Основным направлением комплексной переработки изношенных покрышек является регенерация резины. Непригодными к регенерации являются
изделия, утратившие эластичность и ставшие хрупкими в результате старения резины, изделия с низким содержанием каучука, а также изделия, приготовленные из одного регенерата. Процесс регенерации резины состоит в
370
Экология городов
подготовке резинового сырья, девулканизации резины и механической обработке девулканизата. При подготовке резинового сырья отрезают борта
шин, оставшуюся часть разрезают на куски, измельчают, отделяют тканевый и металлический корд. Девулканизация резины является основным
процессом превращения резины в пластичный продукт. Измельченную резину с добавками нагревают в течение определенного времени при температуре 160—190° С. При этом происходит деструкция вулканизированного каучука. Деструкции способствуют добавляемые химические вещества: мягчители и активаторы. Полученную массу пропускают через вальцы, откуда
регенерат выходит в виде полотна толщиной 0,15—0,17 мм.
При пиролизе резиновых отходов при температуре 400—450° С получают
резиновое масло, которое используется в качестве мягчителя при регенерации резиновых отходов и в резиновых смесях.
При пиролизе автомобильных шин при температуре 593—815° С получают жидкие углеводороды, используемые в качестве топлива, и твердый остаток, который можно использовать вместо сажи для производства резинотехнических изделий.
Другим направлением переработки резиновых отходов является размол
их в крошку. Получаемую крошку можно использовать для приготовления
битумно-резиновых мастик, гидроизоляционных и кровельных рулонных
материалов, в качестве добавок в дорожные покрытия, для изготовления химически стойкой тары.
Автопокрышки используют для ограждения транспортных магистралей,
портовых причалов, береговых откосов.
Нефтесодержащие отходы
образуются в технологическом процессе
предприятий при использовании нефтепродуктов и на очистных сооружениях, куда они поступают со сточными или ливневыми водами. Нефтеотходы
образуются в виде жидких нефтепродуктов, нефтесодержащих осадков и шламов и подразделяются на следующие группы:
ММО — масла моторные отработанные (автотракторные, дизельные, авиационные и т.д.);
МИО — масла индустриальные отработанные (турбинные, компрессорные, трансформаторные и т.д.);
СНО — смеси нефтепродуктов отработанных (нефтепродукты, извлекаемые из нефтесодержащих сточных вод на очистных сооружениях; нефтепродукты, собранные при зачистке резервуаров, трубопроводов и т.д.).
Отработанные нефтепродукты являются ценными материально-техническими ресурсами и подлежат повторному использованию. Большая часть
индустриальных и трансформаторных масел, как правило, регенерируется
на месте потребления. Моторные масла сдаются на нефтебазы. Загрязненные и обводненные нефтепродукты перед сдачей на нефтебазы отстаиваются
с подогревом до 60—65° С.
Обезвоживание и очистка нефтеотходов производится фильтрованием или
центрифугированием.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
371
Неутилизируемые жидкие нефтесодержащие отходы сжигают в топках и
горелочиых устройствах — камерных, циклонных, надслоевых. Наибольшее
распространение получили турбобарботажные установки "Вихрь". Для сжигания нефтешл^мов, осадков очистных сооружений применяют печи с кипящим слоем, многоподовые, барабанные.
Нефтеотходы подвергают также обработке оксидом кальция или магния,
предварительно обработанного ПАВ, в соотношении 1 : 1 — 10. В итоге получают сухой, гидрофобный порошок, который можно использовать в качестве
облицовочного материала для различных хранилищ, при сооружении дорог и
т.д. В качестве ПАВ используют стеариновую, пальмитиновую кислоты или
парафиновое масло. Таким методом обезвреживают почвы, загрязненные
нефтепродуктами, пляжи. Одновременно с обезвреживанием собранных нефтеотходов производится очистка и рекультивация земельных участков.
Известна также технология очистки территорий, загрязненных нефтепродуктами, с помощью реагентов на основе негашеной извести. Известь
взаимодействует с водой, при этом образуется коричневый порошок, состоящий из мельчайших гранул, в которые заключены токсичные компоненты.
Полученную массу уплотняют на месте катками или перевозят для дальнейшего использования.
Нефтесодержащие отходы подвергают также биологическому обезвреживанию под воздействием микроорганизмов. Подобраны штаммы бактерий,
превращающие ароматические и алифатические углеводороды в безвредные
диоксид углерода и воду. Выпускается бактериальный препарат на основе
природного штамма углеводородоокисляющих бактерий Pseudomonas putida
36. Препарат выпускают в полиэтиленовых пакетах вместимостью 1 — 10 кг.
С его помощью можно обезвреживать до 20 компонентов сырой нефти, включая асфальтено-смолистые фракции. Нефтесодержащие отходы в специальных барабанах перемешивают с субстратами микроорганизмов в соотношении 9 : 1 . Подготовленный материал укладывают слоем 80—100 см и выдерживают в течение двух лет на биоплощадке. Биоплощадка ограждается по
периметру дамбой, основание уплотняют, укладывают пленочный экран и
устраивают дренаж. Дренажная вода забирается насосом и разбрызгивается
по поверхности отходов. Для защиты от водной и ветровой эрозии биоплощадку засевают травой. Этот способ применяют для очистки загрязненных
нефтепродуктами почв, грунтов, нефтесодержаЩих осадков сточных вод.
Наиболее простым и распространенным способом утилизации отработанных масел является смешивание их с сырой нефтью и совместная переработка по полной технологии. Количество добавляемых масел не должно превышать 1% от объема сырой нефти.
Основным направлением утилизации масел является их регенерация.
Методы регенерации отработанных масел можно разделить на физические,
физико-химические, химические. Физический метод включает отстаивание,
центрифугирование, фильтрацию, отгон легких топливных фракций, вакуумную перегонку, которая является наиболее эффективной. К физико-химическим методам регенерации масел относятся: коагуляция загрязнений раз-
372
Экология городов
личными ПАВ, контактная очистка отбеливающими глинами и активированными адсорбентами. Отбеливающая глина после использования выбрасывается на свалки. Разработаны и внедрены технологии (Германия) по регенерации
отбеливающей глины, после чего она вторично может использоваться для производства минеральных масел. После вторичного использования она употребляется для производства кирпича. К химическим методам очистки относятся
сернокислотная и щелочная. Серная кислота активно воздействует на большинство загрязнений и продукты окисления масла: смолы, асфальтены, нафтеновые кислоты, серные соединения, присадки. Однако применение серной
кислоты связано с образованием трудно утилизируемого кислого гудрона.
Неутилизируемые отработанные масла используют при производстве керамзита, добавляя их совместно с опилками в качестве выгорающих и вспучивающих добавок.
Шламы, образующиеся при регенерации масел, могут быть использованы для производства дорожных битумов.
Жидкие нефтяные отходы могут быть использованы для получения нефтеводяных эмульсий (нефтеотходы : вода — 3 : 2 ) , которые применяются для
обработки поверхности угля при перевозке в открытых вагонах или при
хранении на открытых складах. Вносимая добавка нефтепродуктов сгорает
при сжигании угля.
Жидкие нефтеотходы используют также для предотвращения смерзания углей.
Широко распространенными слабоконцентрированными нефтеотходами
являются отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), которые
применяют при работе металлообрабатывающих станков, прокатных станов
и т.д. Для приготовления СОЖ используют эмульсолы (5—6%), основой которых является минеральное масло, соду (0,2—0,6%) и воду. При использовании СОЖ загрязняются механическими примесями, густеют в процессе испарения влаги, портятся, выделяют неприятный запах.
Основными методами обезвреживания СОЖ являются реагентная коагуляция, центрифугирование, реагентная напорная флотация, электрокоагуляция, ультрафильтрация и обратный осмос. Получил распространение термический способ обработки эмульсий на выпарной установке. Водяные пары
охлаждают в конденсаторе и используют на приготовление СОЖ, обезвоженный маслосодержащий осадок — как добавку к котельному топливу.
Одним из видов нефтесодержащих отходов являются кислые гудроны,
которые образуются при сернокислотной очистке нефтепродуктов. Они представляют собой высоковязкие смолообразные массы. Состав их колеблется в
больших пределах. В них содержится от 4 до 85% неиспользованной в процессе очистки свободной серной кислоты, от 8 до 97% органических соединений и вода. Значительная масса кислых гудронов поступает в отвалы.
Утилизируют кислые гудроны с целью получения диоксида серы, в дальнейшем перерабатываемой в серную кислоту. К кислым гудронам добавляют
отработанную серную кислоту, выход которой в нашей стране значительный.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
373
Термическое расщепление этих отходов проводят в печах при температуре 800—
1200° С, при этом происходит образование диоксида серы и полное сгорание
органических веществ. При содержании органических веществ 12—25% дополнительного топлива не требуется. Кислые гудроны сернокислотной очистки масел предложено перерабатывать в дорожные битумы, в активный уголь с
одновременной регенерацией серной кислоты, а также использовать кислые
гудроны с содержанием серы до 18% в качестве противофильтрационного экрана в основании полигонов ТБО. В процессе разложения ТБО образуется
сильно концентрированная жидкость (фильтрат) с высоким содержанием органических и минеральных веществ. При контакте кислого гудрона с фильтратом происходит нейтрализация кислот с образованием малорастворимых или
нерастворимых солей. Такой экран запроектирован в основании полигона ТБО
в Харькове. По предложенной технологии кислый гудрон наносится слоем
толщиной 8—10 мм на естественное грунтовое основание с последующей укладкой защитного слоя из грунта толщиной 20—25 см, а затем отходов.
Эффективным способом утилизации кислых гудронов является добавка
их к цементному клинкеру во вращающиеся печи при производстве цемента.
Органическая часть кислых гудронов выгорает, а известковые породы взаимодействуют со свободной серной кислотой, образуя сернистый кальций. При
этом сокращается расход топлива.
8.10.5. Утилизация отходов переработки древесины
Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. На стадии заготовки отходы образуются в виде ветвей, сучьев, вершин, корней, коры, хвороста, щепы и в сумме составляют около 21% от
всей массы древесины. При переработке древесины на пиломатериалы отходы образуются в виде горбыля, срезок, кусков, стружек, опилок и составляют 35—40% от массы перерабатываемых материалов.
Отходы на деревообрабатывающих заводах при изготовлении мебели, столярных изделий и других строительных материалов образуются в виде кусков, стружки, опилок. Количество их зависит от качества поставляемого сырья, типа и размера изготовляемой продукции, техновооруженности предприятия и его мощности и составляет 40—60%. Большая часть отходов
вывозится на свалки и сжигается. Между тем они являются ценным сырьем
для производства строительных материалов, мебели, а также для гидролизной, целлюлозной и других отраслей промышленности.
Одним из основных способов переработки и утилизации отходов древесины является получение искусственной древесины — прочного материала,
который можно обрабатывать резанием или отливать в формы и штамповать.
По способу переработки древесных отходов материалы из них можно разделить на группы: материалы на основе минеральных вяжущих, материалы на
основе органических связующих и материалы без применения вяжущих.
К материалам из древесных отходов на основе минеральных вяжущих
относятся арболит, фибролит, ксилолит, опилкобетоны, королит. В этих ма-
374
Экология городов
териалах древесные отходы в виде опилок, стружки, древесной муки, дробленки, древесной шерсти служат заполнителями. Отходы древесины используют без предварительной подготовки или после измельчения неделовой древесины, кусков на специальном оборудовании. В качестве заполнителей для
таких материалов используют также отходы растительного происхождения —
рисовую соломку, костру льна и конопли. Костра — отход первичной переработки стеблей конопли и льна. В качестве вяжущих могут использоваться
любые виды минеральных вяжущих: цемент, гипс, каустический магнезит,
но основным среди них является портландцемент. Пропиткой древесных заполнителей минерализаторами и последующим смешиванием с минеральными вяжущими обеспечивается биостойкость и огнестойкость этих материалов.
По назначению материалы на основе минеральных вяжущих разделяют
на конструкционные, тепло- и звукоизоляционные, конструкционно-изоляционные.
Арболит — это легкий бетон на древесных заполнителях, применяемый в
промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в виде
панелей, блоков, плит перекрытий и покрытий, теплоизоляционных и звукоизоляционных плит.
Фибролит — это материал, аналогичный арболиту. В качестве заполнителей используют древесную шерсть, которую получают из древесной неделовой древесины хвойных пород на специальных станках, а также отходы растительного происхождения.
Ксилолит — это материал, состоящий из древесных опилок и магнезиального вяжущего (каустического магнезита). Этот материал применяется в основном для устройства полов. Преимуществами ксилолитовых полов являются достаточная твердость, низкая истираемость, гигиеничность.
Опилкобетоны — материалы, содержащие в своем составе, кроме опилок,
песок или другие минеральные заполнители и в качестве вяжущего — цемент. Опилкобетоны применяют для изготовления стеновых блоков в малоэтажных и сельскохозяйственных зданиях.
Королит — материал, производимый на основе минеральных вяжущих и
коры. При применении коры в производстве королита ее предварительно
подсушивают, измельчают и просеивают для удаления пыли. Вяжущими служат гипс или цемент. Применяют королит в качестве утеплителя при устройстве стен и полов.
К материалам из древесных отходов на основе органических связующих
относятся древесно-стружечные и древесно-опилочные плиты, клееная древесина.
В качестве органических связующих используют термореактивные полимеры, которые под влиянием температуры около 100° £ или отвердителей
способны превращаться в твердые, неплавкие и нерастворимые вещества.
Для склеивания древесных отходов используют мочевино-формальдегидные
и фенолформальдегидные смолы. Наиболее распространено применение мочевино-формальдегидных смол, имеющих ряд преимуществ: они твердеют
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
375
при нагревании, скорость их отверждения регулируема, обладают высокой
прочностью склеивания и светлой окраской. В качестве отвердителя этих
смол применяют х л о р и с т ы й или с е р н о к и с л ы й а м м о н и й в количестве
0,5—2% от массы смолы. Фенолформальдегидные смолы при нагревании
отверждаются без введения катализирующих добавок. По сравнению с мочевино-формальдегидными, этим смолам необходимы более высокая температура и выдержка при прессовании.
Древесно-стружечные и древесно-опилочные плиты (ДСП и ДОП) получают горячим прессованием измельченной древесины, смешанной со связующими веществами. Плиты выпускают толщиной 10—22, длиной 2440—5500,
шириной 1220—2440 мм. ДСП и ДОП применяют для устройства полов, потолков, стен, перегородок, дверей, мебели.
Клееную древесину изготавливают из кусков отходов лесопиления и деревообработки в виде панелей, щитов, брусьев, досок. Для склеивания по
длине коротких досок и обрезков со стороны их склейки обрезают торцы,
вырезают зубчатые шипы, затем торцы пропитывают клеем. Стыкованные
доски укладывают в пресс, где выдерживают до полного отверждения клея от
6 до 18 часов. По ширине и толщине кусковые отходы склеивают в течение
нескольких минут на полуавтоматических установках с прогревом клеевых
соединений токами высокой частоты. Используют клееную древесину для
устройства перегородок, полов, щитов под паркет.
Материалы из древесных отходов могут изготавливаться без специальных связующих или с небольшой добавкой их. В таких материалах частицы
древесины связываются в результате сближения и переплетения волокон и
физико-химических связей, возникающих при пьезотермической обработке. Таким способом изготавливают древесно-волокнистые плиты (ДВП) и
древесные пластики. ДВП изготавливают мокрым и сухим способами. При
мокром способе изготовления древесные отходы измельчают до тонкого волокна и загружают в бассейны, где их перемешивают с водой до образования гидромассы. Для улучшения свойств изделий гидромассу обрабатывают
эмульсиями химических веществ. Для повышения механической прочности, термостойкости и водостойкости в массу вводят до 5% термореактивных
полимеров. С помощью прессового оборудования из приготовленного сырья
изготавливают мягкие изоляционные, твердые и сверхтвердые плиты. При
сухом способе производства древесно-волокнистую массу с добавлением синтетической смолы 4—8% подают на горячее прессование. Мягкие плиты используют для тепло- и звукоизоляции, твердые и сверхтвердые плиты —
для отделки стен, потолков, изготовления щитовых дверей, в мебельной
промышленности.
Древесные пластики изготавливают из опилок, щепы, древесной муки
или другого растительного сырья при высокотемпературной обработке материала без ввода специальных связующих. Технологический процесс производства состоит из подготовки, сушки и дозирования древесных частиц, формования ковра, холодной его подпрессовки, горячего прессования и охлаждения без снятия давления.
376
Экология городов
При горячем прессовании под воздействием температуры происходит частичный гидролиз древесины. Образовавшиеся химически активные продукты
взаимодействуют между собой. В результате образуется более плотный и прочный материал, чем древесина. По сравнению с другими древесными материалами, древесный пластик обладает рядом преимуществ: из-за деструкции
органического вещества не подвергается старению, нет токсичных выделений в окружающую природную среду. Для изготовления древесного пластика
требуется мощное прессовое оборудование. Из подобных материалов наиболее известен баркслаит — твердая масса черного цвета с блестящей поверхностью. Выпускается в виде прессованных изделий (шкивы, ручки, панели
тормозных колодок и т.д.).
Древесные отходы используют в качестве сырья при производстве целлюлозы, тарного картона, гидролизного спирта, кормовых дрожжей. Чистые еловые опилки и стружки деревообрабатывающих цехов являются сырьем для изготовления древесной муки, употребляемой в качестве наполнителя в производстве фенольных пластмасс, линолеума, взрывчатых веществ,
пьезотермопластиков.
Брикеты из древесных отходов применяют в качестве топлива. Сосновую
стружку используют для доочистки нефтесодержащих сточных вод. Древесные опилки применяют в качестве выгорающей добавки при производстве
кирпича, пористого заполнителя — керамзита.
8.10.6. Утилизация отходов производства строительных
материалов
При добыче сырья для цементной и известковой промышленности, горных пород для щебня, облицовочного и стенового материала, других строительных материалов образуются вскрышные и попутно добываемые породы, которые характеризуются большой неоднородностью. Используются они,
как правило, для планировочных работ, рекультивации нарушенных земель,
устройства насыпей и т.д.
При добыче облицовочного камня, переработке на щебень горных пород, производстве извести, цемента образуются отходы в виде отсевов и
негабарита. Основная масса этих отходов пригодна для переработки на щебень, песок, каменную муку. Отходы производства строительных материалов используют в самом технологическом процессе как добавки к сырью
или полуфабрикатам. В промышленности, строительстве, городском хозяйстве образуются большие объемы битого стекла, битой посуды, ламп накаливания, медицинских ампул и т.д. Основным направлением утилизации
стеклобоя является возврат его в технологический процесс.
Подготовка стеклобоя к использованию заключается в измельчении, удалении металлических включений с помощью магнитных установок, мойке,
сортировке. Себестоимость стекломассы из стеклобоя в 6 раз ниже, чем из
кварцевого песка.
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
377
Битое стекло используется также в производстве тепло- и звукоизоляционных материалов, в частности стекловолокна.
Из отходов листового оконного стекла получают стеклянную
ванную плитку. Стекло режут на плитки размером 150 х 150 мм,
ют эмалью из титановых руд с добавкой керамических красок и
при температурах 750—800° С. Эмаль расплавляется и спекается
ностью стекла.
эмалиропокрываобжигают
с поверх-
Из порошка стекольного боя путем спекания с газообразователями при
температурах 800—900° С получают пеностекло. Оно хорошо пилится, сверлится, шлифуется, обладает высокой водо- и морозостойкостью. Этот материал можно применять как теплоизоляционный для тепловых сетей при бесканальной прокладке, в конструкциях холодильников, судах-рефрижераторах, химических фильтрах.
На основе боя тарного и строительного стекла изготавливают пористый
заполнитель — гранулированное пеностекло. Оно может быть использовано
для производства теплоизоляционных легкобетонных плит.
В смеси с пластичными глинами стекольный бой может служить основным компонентом керамических масс, для изготовления облицовочной плитки и кирпича.
Битое стекло применяют также как декоративный материал в цветных
штукатурках, молотое стекло — как присыпку по масляной краске, для изготовления наждачной бумаги.
Большие объемы отходов составляют некондиционные, бракованные бетонные и железобетонные изделия, а также конструкции, образующиеся при
сносе зданий, остатки бетона на строительных площадках. Переработка таких отходов заключатся в разрушении конструкций с помощью специального
оборудования, извлечении арматуры (металла), дроблении, фракционировании, промывке. Дробленный бетон используют в качестве крупного заполнителя при производстве бетона.
Значительные количества керамического боя образуются на керамических предприятиях и строительных площадках. Бой глиняного кирпича используют после дробления как щебень в общестроительных работах и при
изготовлении бетона.
8.11. Полигоны твердых промышленных отходов
В настоящее время в промышленно развитых странах наметилась тенденция к централизованной обработке промышленных отходов на полигонах и
предприятиях с заводской технологией обезвреживания и утилизации. Созданы комплексы, осуществляющие сбор, транспортировку и переработку
токсичных промышленных отходов централизованно. В нашей стране разработана государственная программа обращения с токсичными отходами, предусматривающая строительство нескольких региональных полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов.
378
Экология городов
Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных
отходов являются природоохранными сооружениями и предназначены для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения неутилизируемых отходов. В состав полигонов входит завод по обезвреживанию токсичных промышленных отходов, располагаемый вблизи предприятия — основного поставщика
отходов, гараж специализированного автотранспорта, участок захоронения токсичных промышленных отходов. Приему на полигоны подлежат преимущественно токсичные промышленные отходы 1—3 класса опасности. Отходы
4 класса опасности по согласованию с органами СЭС могут вывозиться на
полигоны ТБО. Приему на полигоны не подлежат отходы, для которых разработаны эффективные методы утилизации, в частности извлечения металлов,
радиоактивные отходы, нефтепродукты, подлежащие регенерации.
Полигоны следует размещать на открытых, хорошо проветриваемых площадках, на землях, непригодных для сельского хозяйства, ниже мест водозабора, на участках со слабофильтрующими грунтами (глиной, суглинками,
сланцами) с коэффициентами фильтрации не более 10 — 1 0 " см/с. При отсутствии таких оснований необходимо устройство противофильтрационных
экранов. Уровень грунтовых вод при их наибольшем подъеме с учетом подъема воды при эксплуатации полигона должен составлять не менее 2 м от нижнего уровня захороняемых отходов.
5
8
Размер участка захоронения токсичных отходов устанавливается исходя
из срока накопления отходов в течение 20—25 лет. Участок захоронения отходов по периметру должен иметь ограждение из колючей проволоки высотой 2,4 м с устройством автоматической сигнализации. На участке захоронения отходов по периметру, начиная от заграждения, должны последовательно размещаться кольцевой канал для отвода воды с водосборной площади,
кольцевое обвалование высотой 1,5 м и шириной по верху 3 м, кольцевая
дорога с въездами на карты. На участке захоронения должны быть предусмотрены сооружения по сбору, отводу и очистке дождевых и талых вод;
сооружения для чистки, мойки и обезвреживания спецмашин и контейнеров.
На все отходы, вывозимые на полигоны, составляется паспорт с технической характеристикой состава отходов и кратким описанием мер безопасности обращения с ними на полигоне при захоронении или сжигании. Паспорт представляется с каждым рейсом автомобиля на каждый вид отходов за
подписью ответственных лиц предприятия.
Все токсичные промышленные отходы, поступающие на полигоны, разделяются на группы в зависимости от применяемого метода обезвреживания.
Жидкие негорючие отходы, поступающие на полигоны, перед захоронением обезвоживаются и по возможности обезвреживаются. Жидкие твердые
и пастообразные горючие отходы, поступающие на полигон, сжигаются в
печах с утилизацией тепла и очисткой отходящих газов.
В состав завода по обезвреживанию отходов входят цеха термического
обезвреживания горючих отходов, физико-химического обезвреживания негорючих отходов, термического обезвреживания сточных вод и жидких хлорорганических отходов, а также цех обезвреживания испорченных и немаркированных баллонов.
379
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов
Захоронению на участке подлежат твердые токсичные отходы. Способ
захоронения отходов зависит от класса опасности и водорастворимости.
Захоронение отходов различного класса опасности осуществляется раздельно
на специальных картах. Объем карты должен обеспечивать прием отходов на
захоронение в течение не более двух лет.
Захоронение твердых и пастообразных негорючих водорастворимых отходов 1 класса опасности следует предусматривать в специальных герметичных металлических контейнерах с толщиной стенки не менее 10 мм. Контейнеры с отходами укладываются в железобетонные бункеры со стенками толщиной не менее 0,4 м. На всей поверхности бункера, соприкасающейся с
грунтом, устраивается гидроизоляция. После заполнения бункер перекрывается железобетонными плитами с последующей засыпкой уплотненным ф у н том толщиной 2 м. Затем сооружается водонепроницаемое покрытие, возвышающееся над прилегающей территорией.
Отсыпка нерастворимых в воде отходов 1, 2 и 3 классов опасности производится послойно на полную высоту. Засыпанный до проектной поверхности
участок котлована сразу же покрывается защитным слоем грунта толщиной
не менее 0,5 м, по которому осуществляется дальнейший подвоз отходов.
При захоронении пылевидных отходов необходимо предусматривать мероприятия, гарантирующие исключение разноса их ветром. Заполненные карты
поверх защитного слоя покрываются местным грунтом. Общая толщина покрытия не менее 2 м, включая первоначальный защитный слой.
Размеры санитарно-защитной зоны от участка захоронения токсичных
промышленных отходов до населенных пунктов и открытых водоемов устанавливаются с учетом конкретных местных условий, но не менее 3000 м.
Участки захоронения токсичных промышленных отходов должны располагаться на расстоянии не менее 200 м от сельскохозяйственных угодий и транзитных магистральных дорог и не менее 50 м от лесных массивов и лесных
посадок.
Размеры санитарно-защитной зоны завода по обезвреживанию токсичных промышленных отходов мощностью 100 тыс. т и более отходов в год
составляют 1000 м, менее 100 тыс. т — 500 м.
Для обеспечения контроля за состоянием грунтовых вод на территории
участка захоронения отходов и в санитарно-защитной зоне должны быть оборудованы наблюдательные скважины.
Контрольные
вопросы
1. Назовите источники образования промышленных
рактеристику отходов этих источников.
2. По
каким
признакам
классифицируют
отходов
и
дайте
обобщенную
ха-
отходы?
3. Перечислите и охарактеризуйте основные методы
дов. Приведите примеры.
подготовки
и
переработки
отхо-
380
Экология городов
4. Охарактеризуйте методы
ющую природную среду.
складирования твердых отходов и
5. Дайте общую характеристику основных
лекса и приведите основные направления
их влияние на окружа-
отходов топливно-энергетического
их утилизации.
6. Назовите причины самовозгорания породных
по предупреждению этого явления.
отвалов угольных
7. Дайте общую характеристику основных отходов
приведите основные
направления их утилизации.
шахт
металлургического
8. Дайте общую характеристику основных отходов машиностроительного
приведите основные направления их утилизации.
9. Дайте общую характеристику основных отходов химического
лекса и приведите основные направления их утилизации.
комп-
и мероприятия
комплекса
и
комплекса
и
промышленного
комп-
10. Назовите отходы переработки древесины и приведите основные направления их утилизации.
11. Объясните преимущества
централизованного
ленных отходов на полигонах.
Рекомендуемая
обезвреживания
токсичных
промыш-
литература
Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности
(Образование и использование): Справочник. — М.: Экономика, 1983. — 224 с.
Вторичные материальные ресурсы нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (Образование и использование): Справочник. — М.: Экономика,
1984. - 143 с.
Вторичные материальные ресурсы угольной промышленности (Образование
пользование): Справочник. — М.: Экономика, 1984. — 96 с.
и ис-
Вторичные материальные ресурсы цветной металлургии. Лом и отходы (Образование
и использование): Справочник. — М.: Экономика, 1984. — 152 с.
Вторичные материальные ресурсы черной металлургии (Образование
ние): Справочник в 2-х томах. — М.: Экономика, 1986.
и использова-
Глуховский И.В. и др. Современные методы обезвреживания, утилизации и захоронения токсичных отходов промышленности. Учебное пособие. — К.: ГИПК Минэкобезопасности Украины, 1996. — 100 с.
Дворкин Л.И., Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промышленности:
Учебн. пособие. — К.: Вища шк., 1989. — 208 с.
Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. — М.: Стройиздат, 1990. - 352 с.
Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды.
- М.: Химия, 1989. - 512 с.
Справочник. Санитарная очистка и уборка населенных мест. — М.: Стройиздат, 1995.
- 250 с.
Твердые отходы. Возникновение, сбор, обработка и удаление, flofl. ред. Ч.Мантелла.
Пер. с англ. — М.: Стройиздат, 1979. — 519 с.
Фурманенко О.С. Прибирания та санггарне очищения населених м к ц ь . — К.:
Буд1вельник, 1991. — 145 с.
Раздел 9
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
ГОРОДОВ УКРАИНЫ
Украина относится к числу индустриально-аграрных стран. Доля тяжелой промышленности составляла до недавнего времени 60% валового внутреннего продукта страны, что существенно выше, чем в западноевропейских
странах, где этот показатель составляет порядка 35%. Именно предприятия
тяжелой промышленности формируют основную техногенную нагрузку на
окружающую природную среду. Значительная часть промышленных предприятий (свыше 80%) расположена в городах и поселках городского типа. Здесь
проживает около 70% населения страны. В Украине насчитывается 436 городов и 925 поселков городского типа.
По статистике, до 90% газообразных, жидких и твердых отходов образуется в городах и около 10% — в сельской местности.
Для многих городов Украины характерна сложная экологическая обстановка, обусловленная наличием и концентрацией предприятий черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, химии и нефтехимии, горнодобывающей
промышленности, цементных заводов. Такие города являются бесспорными
лидерами по уровню загрязненности воздуха. Среди них: Донецк, составляющий совместно с расположенными вблизи него Авдеевкой, Горловкой, Енакиево, Макеевкой и другими городами Донецкую промышленную агломерацию, а также Днепродзержинск, Днепропетровск, Запорожье, Константиновка,
Кривой Рог, Мариуполь.
В крупных городах с большими транспортными потоками содержание в
воздухе канцерогенных веществ типа бенз(а)пирена в 2—3 раза, а в центрах
черной металлургии примерно в 12 раз выше, чем в малых городах или сельской местности.
Другой не менее опасной экологической проблемой городов является
состояние канализационного хозяйства и очистка сточных вод.
Практически во всех городах Украины канализационные сети требуют
замены или капитального ремонта. Частые прорывы канализационных коллекторов являются постоянным источником опасного загрязнения городской
среды, а иногда приводят к вспышкам инфекционных заболеваний.
По данным Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины, в подавляющем большинстве городов Украины
сооружения по очистке общегородских сточных вод перегружены. Исключение составляют, пожалуй, лишь Киев и Харьков. Во многих городах существующие мощности очистных сооружений в несколько раз ниже требуемых.
Примерно половина городских сточных вод сбрасываются в водные объекты
недостаточно очищенными, из них около 15% — вообще без очистки. Без
всякой очистки сбрасываются до 70% производственных сточных вод.
382
Экология городов
Среди наиболее загрязненных участков рек следует отметить р.Северский
Донец на участке Лисичанско-Рубежанского промрайона; р.Ингулец в районе Кривого Рога, р.Днепр в районах Днепродзержинска, Днепропетровска и
Запорожья, а также в нижнем течении в районе Херсона, р.Кальмиус и ее
приток Кальчик, впадающие в Азовское море.
Сильное загрязнение Азовского моря наблюдается в районе Мариуполя.
Акватория Черного моря также сильно загрязнена в районах Севастополь —
Балаклава, Южный — Одесса — Ильичевск.
Одной из сложнейших экологических проблем для большинства городов
Украины является захоронение производственных и бытовых отходов. Причем сложность проблемы пропорциональна численности населения и промышленному потенциалу города. В металлургии и теплоэнергетике для складирования отходов используется до 40% территории предприятия. Ландшафты, обусловленные наличием карьеров, разрезов и других мест добычи
полезных ископаемых, а также мест складирования промышленных и бытовых отходов в виде отвалов, хвостохранилищ, шламонакопителей, терриконов, свалок, формируют зоны техногенного опустынивания, площадь которых к концу XX ст. составила около 8% от общей территории Украины.
Загрязненность почв в городах связана главным образом с выбросами
автотранспорта и промышленных предприятий. Загрязняющие вещества оседают или вымываются атмосферными осадками из воздушного бассейна в
радиусе до 5 км от стационарного источника выбросов. Основными источниками загрязнения почвенного покрова являются тепловые электростанции,
предприятия цветной и черной металлургии.
Далее на примере ряда городов Украины рассмотрены наиболее типичные экологические проблемы, сходные у большинства населенных пунктов.
Для удобства рассмотрения и анализа экологической обстановки города условно классифицированы следующим образом:
• крупнейшие индустриальные центры;
• крупные портовые города;
• города с преимущественным развитием определенной отрасли производства;
• города, пострадавшие от Чернобыльской катастрофы;
• города с относительно благополучной экологической обстановкой;
• города-курорты и туристские центры.
Предложенное деление является весьма относительным, так как даже в
типичных гигантах индустрии имеются благоприятные в экологическом отношении зоны, используемые для рекреационно-оздоровительных целей.
Большинство рассмотренных портовых городов являются одновременно крупными промышленными и курортными центрами. Отнесение городов к определенной группе сделано по преимущественному наличию классификационных признаков.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
383
9.1. Крупнейшие индустриальные центры
Киев — столица Украины, расположен на границе Полесья и Лесостепи,
по обоим берегам Д н е п р а в его среднем течении.
По площади и населению Киев относится к числу крупнейших городов Европы.
Киев — крупный индустриальный центр, специализированный главным
образом в области сложного и точного машиностроения. Имеются предприятия химической, нефтехимической, легкой и пищевой промышленности.
Промышленные предприятия оснащены надежными и эффективно работающими пылегазоочистными установками, рассредоточены по территории города и тяготеют в основном к окраинам, что создает благоприятные условия для
рассеивания пылегазовых выбросов и самоочищения атмосферного воздуха.
Основным источником загрязнения атмосферного воздуха Киева (до 70%)
является автомобильный транспорт. Неблагоприятное воздействие на состояние атмосферного воздуха оказывает расположенный сравнительно неподалеку от центральной части города аэропорт " Ж у л я н ы " , являющийся также
источником повышенного шумового воздействия.
Больше половины всей территории города составляют внутригородские и
пригородные зеленые насаждения, что исключительно благоприятно сказывается на экологической обстановке. С северо-востока к городу примыкает
большой лесной массив Пуща-Водица, с юга — Голосеевский лес. В городе
расположены многочисленные скверы, шесть парков и два ботанических сада,
разнообразно уличное озеленение. По площади зеленых насаждений на одного жителя (160 м ) Киев занимает среди больших городов мира одно из
первых мест. Благоприятное влияние на микроклимат города оказывает Днепр,
являющийся центральной планировочной осью города. Ширина реки, подпертой Каневским водохранилищем, составляет 400—600 м, глубина 6—11 м,
на мелководье ширина реки достигает 1000 м. Площади водной поверхности
в пределах Киева составляют около 5,5 тыс. га.
2
Достаточно успешно, по сравнению с другими крупными городами Украины, решены в Киеве проблемы очистки городских сточных вод и захоронения бытовых отходов. Обеспечивается высокий уровень благоустройства и
санитарная уборка города.
Крутые берега Днепра подвержены оползнеобразованию. Проявление этого
процесса в Киеве известно с XI в. В настоящее время площадь оползней
составляет около 4000 га. За последние 50 лет в Киеве зарегистрировано более 300 смещений оползневого характера.
Резко негативное влияние на общую экологическую обстановку Киева и
прилегающих территорий оказала катастрофа на Чернобыльской АЭС, расположенной на расстоянии 80 км от северной окраины города. Средний радиоактивный фон составляет порядка 18 мкР/час, загрязненность территории цезием-137 — от 1 до 3 Ки/км . Наиболее загрязнены северная и северовосточная части города.
2
Экология городов
384
Определенное количество радионуклидов в период паводков поступает в
Днепр по правобережному притоку р.Припять, протекающей через Чернобыльскую зону, что непосредственно сказывается на прилегающих к Днепру
пониженных территориях.
В целом, если бы не остаточные последствия, вызванные Чернобыльской
катастрофой, Киев можно было бы отнести к наиболее благополучным в экологическом отношении городам Украины.
Харьков — второй по численности населения город Украины, бывший до
1934 г. столицей республики, расположен на северо-востоке страны при слиянии небольших рек Харьков и Лопань, входящих в бассейн р.Северский
Донец. Город находится в зоне умеренно континентального климата, его территория тяготеет к восточному склону водораздела бассейнов Днепра и Северского Донца. Такое географическое положение и громадный промышленный потенциал существенно обостряют проблему водообеспечения города. В
послевоенный период объемы водопотребления Харькова постепенно наращивались: сначала за счет использования Северского Донца (1955 г.), а с 1985 г.,
когда численность населения города превысила 1,5 млн человек, — за счет
межбассейновой переброски стока по каналу Днепр — Донбасс. Днепровской
водой обеспечивается сейчас почти половина водопотребления Харькова.
Построенные в 1914 г. канализация и городские очистные сооружения постоянно расширяются по мере роста объемов потребления воды. В Харькове
создана и эксплуатируется единственная в Украине канализационная сеть
глубокого заложения. Все производственные сточные воды подаются на общегородские очистные сооружения, расположенные на двух площадках. Сброс
сточных вод в пределах городской черты прекращен.
Согласно прогнозу во второй половине XXI века, когда население Харькова
достигнет 3 млн. жителей, воды, подаваемой по каналу Днепр — Донбасс, будет
недостаточно. В целях решения проблемы водообеспечения на далекую перспективу ведутся проработки по использованию очищенных городских сточных
вод для технического водоснабжения. Очищенные до кондиций чистой речной
воды, сточные воды в объеме до 1 млн м /год предполагается подавать по подземным коллекторам в верховья харьковских рек, что существенно увеличит их
водность и обеспечит возможность забора воды для технических целей непосредственно из рек. Предварительно реки должны быть очищены от загрязненных донных отложений, накопившихся в руслах за почти четырехсотлетнюю
историю города. Одновременно берега рек укрепляются каменной кладкой или
железобетонными плитами. Для решения санитарно-гигиенических, технических и финансовых проблем перспективного водообеспечения города у харьковчан имеется еще более 50 лет.
3
Кроме водообеспечения, другой важной экологической проблемой Харькова, как, впрочем, и для всех крупных городов, является размещение бытовых и производственных отходов. Существующие сва;йси давно переполнены. С увеличением расстояния вывоза отходов все чаще производится сброс
их с автомашин в неустановленных местах. Загрязняются обочины дорог,
берега рек, опушки леса. Попытка решить проблему утилизации бытовых
отходов путем создания сети мусоросжигательных заводов (10—12 в разных
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
385
частях города) оказалась неудачной. Построенный в 80-х годах экспериментальный мусоросжигательный завод сегодня нерентабельный, имеет очень
низкую эффективность утилизации отходов и, несмотря на наличие воздухоочистительного оборудования, является серьезным источником загрязнения
атмосферного воздуха.
Проблема охраны атмосферного воздуха является для Харькова также
достаточно острой. У большинства предприятий, сосредоточенных в нескольких промышленных зонах города, отсутствуют санитарно-защитные зоны.
Предприятия располагаются в непосредственной близости от жилых кварталов. Многие из этих предприятий создавались в дореволюционный и в
довоенный период, когда требования по установлению санитарно-защитной зоны отсутствовали. В этой ситуации с целью обеспечения нормативного качества атмосферного воздуха в жилых кварталах необходимо добиться такой степени очистки пылегазовых выбросов, при которой нормативы
ПДК достигались бы на границе (заборе) предприятия, как это принято во
всех европейских городах.
К концу XX в. в г.Харькове в подтопленном состоянии находилось более
4700 га городской территории. Уровень грунтовых вод здесь поднялся до
отметки 2 м от поверхности земли. В ближайшие 10 лет прогнозируется увеличение площади подтоплений более чем в два раза. Это связано с прекращением отбора подземных вод из верхнемелового горизонта и, как следствие, с
резким увеличением подпора грунтовых вод. Развитию процессов подтопления, как и в большинстве городов, способствует засыпка балок и оврагов при
планировке городских территорий, сооружения насыпей для автодорог, утечки из водопроводных и канализационных сетей.
Благоприятное влияние на экологическую обстановку Харькова оказывает сравнительно густая сеть зеленых насаждений, сосредоточенных в многочисленных парках, скверах, вдоль улиц и набережных, в также в лесопарковой зоне, окаймляющей город с северной стороны.
Днепропетровск — крупнейший в Украине центр черной металлургии и
связанных с ней отраслей промышленности. Город расположен по обоим
берегам Днепра. Основная, более старая часть города находится на высоком и крутом правом берегу. Левобережная часть, представляющая в основном район новостроек, преимущественно равнинная. Правобережная
часть имеет форму волнистой возвышенности, изрезанной глубокими балками и оврагами, с перепадами высот до 120—135 м, что ухудшает условия
проветривания территории.
Над Днепропетровском постоянно нависает смог, формируемый выбросами двух мощных металлургических, двух трубопрокатных, коксохимического, шинного и лакокрасочного заводов, а также крупнейших машиностроительных предприятий, включая самый крупный в Украине завод " Ю ж м а ш " .
Предприятия Днепропетровска сбрасывают в р.Днепр большой объем
неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод. В пределах города в
Днепр впадает р.Самара, протекающая через угледобывающие районы западного Донбасса и принимающая большое количество шахтных вод.
386
Экология городов
Экологическая обстановка в Днепропетровске осложняется наличием в
непосредственной близости от него таких крупных промышленных центров,
как Днепродзержинск (45 км) — металлургическая и химическая промышленность, Верхнеднепровск (73 км) — металлургическая промышленность, Кривой Рог (151 км) — горнодобывающая и металлургическая промышленность.
Серьезные экологические проблемы возникают в Днепропетровске в связи
с утилизацией и складированием отходов металлургического, шинного, коксохимического и химического производств. Часть бытовых отходов утилизируется на мусоросжигательном заводе.
В Днепропетровске наблюдаются опасные геологические процессы, связанные с наличием лессовых толщ и развитием техногенного подтопления.
Особенно эти процессы проявляются на правобережье. Площадь подтопления составляет до 20% городской территории. Это является предпосылкой
развития просадок в лессовых породах и оползней, приводит к деформациям
и разрушениям зданий.
Благоприятное влияние на микроклимат города оказывают его водные
и лесные пространства. Днепр, подпертый плотиной ДнепроГЭС, имеет ширину несколько сот метров. Большие водные поверхности повышают влажность воздуха. Площадь, занятая зелеными насаждениями, составляет около 50% от общей площади города. В Днепропетровске есть четыре парка —
памятники садово-паркового искусства, ботанический сад университета, на
западной окраине находится обширный Деевский парк. Острова на Днепре
покрыты густыми зарослями кустарников и деревьев, в зеленый наряд одеты улицы и набережные.
Донецк — столица шахтерского края Украины, совместно с прилегающими к нему городами и поселками городского типа (Авдеевка, Макеевка, Харцызск, Ясиноватая и др.) формирует Донецкую индустриальную агломерацию (мегаполис).
Территория мегаполиса представляет собой холмистую возвышенность,
густо изрезанную оврагами и балками с перепадом высот в пределах самого
Донецка до 120 м, что ухудшает условия проветривания и способствует скоплению пылегазовых выбросов в отдельных районах.
Климат района континентальный. Осадков выпадает менее 500 мм в год.
Часты суховеи, переходящие в пыльные бури, чему способствует отсутствие
лесных насаждений в окрестностях города, нарушенность и неустойчивость
почвенного покрова, а на ряде участков его полное отсутствие. Пылеобразованию способствуют многочисленные терриконы и отвалы. В самом Донецке
эксплуатируется 22 угольные шахты, терриконы которых располагаются в непосредственной близости от жилых кварталов. В центральной части города
находится крупный металлургический завод. Имеются предприятия химической (производство пластмасс, химреактивов) и коксохимической промышленности. Выбросы предприятий города, сконцентрированных на сравнительно
небольшом пространстве, совместно с предприятиями Донецкой агломерации формируют достаточно устойчивый смог, который практически круглогодично темно-фиолетовой дымкой висит над всем мегаполисом.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
387
Высокая загрязненность воздуха в Донецке частично компенсируется
обилием зеленых насаждений и цветников. Здесь имеется более 30 парков
и садов и около 60 скверов, высажено более 1 млн кустов роз. Под зелеными насаждениями занято более половины общей площади города. Улучшению микроклимата способствуют также 30 прудов и водохранилищ общей площадью свыше 600 га, созданных в пределах городской черты и в
окрестностях города.
И все же наиболее острой проблемой для Донецка является водообеспечение. Расположение города на водоразделе бассейнов р.Северский Донец
и Азовского моря географически предопределяет маловодность этой территории. Добыча угля, которая ведется в этом районе почти два столетия,
привела к полному его обезвоживанию. Обезвоживание территории является неизбежным следствием масштабного развития горнодобывающей промышленности. При прокладке шахт или устройстве карьеров для добычи
полезных ископаемых происходит пересечение подземных водоносных горизонтов. Поток подземных вод устремляется в образовавшуюся полость.
Нарушенный горной выработкой подземный водоносный горизонт постепенно истощается. Вслед за этим происходит истощение поверхностного
водотока, гидравлически связанного с нарушенным водоносным горизонтом. Происходит таким образом обезвоживание всей территории. Чтобы
предотвратить затопление пространства, необходимого для извлечения полезного ископаемого, устраивается шахтный или карьерный водоотлив, который действует круглосуточно. Шахтные (карьерные) воды, загрязненные
примесями горной породы и обычно высокоминерализованные, откачиваются на поверхность. Сброс этих вод в поверхностные водотоки, уже значительно обезвоженные, приводит к их сильному загрязнению. Поэтому шахтные (карьерные) воды аккумулируются в водоемах, специально организованных на многочисленных балках. Здесь происходит их отстой и осветление.
Осветленные и разбавленные атмосферными осадками, эти воды становятся со временем пригодными для использования в рекреационных целях,
для рыборазведения и ограниченно для целей орошения. Из-за высокой
минерализации и часто значительного содержания ионов тяжелых металлов
шахтные (карьерные) воды не пригодны для питьевого и технического водоснабжения. Они могут использоваться только для пополнения оборотных
циклов водоснабжения обогатительных фабрик.
С ростом добычи угля, интенсивным развитием предприятий металлургического, химического и машиностроительного комплексов проблема водообеспечения в Донбассе обострялась все сильнее. Обеспечить водой Донецк
и другие города и населенные пункты Донбасса возможно только за счет
подачи воды по каналу Днепр — Донбасс.
В то же время на многих предприятиях Донецкой агломерации вода используется крайне нерационально. В реки сбрасывается большое количество
неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод, которые могли бы
многократно использоваться в системах оборотного водоснабжения. Большинство предприятий Донецка, построенных в довоенный и послевоенный
период, работают по устаревшим технологиям, требуют технического пере13*
388
Экология городов
оснащения в направлении экологизации технологических процессов с целью
более полной переработки сырья, внедрения оборотных и замкнутых систем
водоснабжения, уменьшения выбросов в атмосферу.
Особенно актуальной для Донецка является переработка твердых производственных отходов, которых за двухсотлетнюю историю промышленного
развития города накопилось сотни миллионов тонн.
В Донецке в результате нарушения гидрогеологического режима при угледобыче, оседании поверхности на подработанных участках под воздействием дополнительной статической нагрузки от твердых производственных отходов произошло подтопление и частичное заболачивание примерно 1/3 городской территории. Кроме того, на отдельных участках наблюдаются провалы
земной поверхности. Такие процессы характерны для городов и поселков
всего Донбасса.
Запорожье по уровню промышленного потенциала замыкает пятерку
крупнейших индустриальных центров Украины. Город расположен по обоим берегам Днепра примерно в 100 км ниже по течению от Днепропетровска, имеет сходный с ним по специфике и мощности уровень промышленного развития и аналогичные экологические проблемы. Наряду с мощными
предприятиями черной металлургии — "Запорожсталь", "Днепроспецсталь",
в Запорожье расположены крупнейшие предприятия цветной металлургии — Запорожский титано-магниевый комбинат и Днепровский алюминиевый завод, предприятия химической промышленности — заводы "Кремнийполимер", искусственных кож, предприятия машиностроительного комплекса, " А в т о З А З " , моторостроительный завод.
В районе Запорожья на Днепре сооружена самая крупная гидроэлектростанция днепровского каскада — ДнепроГЭС.
Над Запорожьем так же, как и над Донецком и Днепропетровском, постоянно нависает темно-фиолетовая дымка смога, формируемая выбросами
промышленных предприятий, сконцентрированных на сравнительно небольшом пространстве. Этому способствует рельеф местности, представляющий
собой волнистую равнину, изрезанную овражно-балочной сетью с перепадом
высот до 100 м, что ухудшает проветриваемость территории и условия рассеивания пылегазовых выбросов.
Развитие Запорожья складывалось таким образом, что крупные промышленные предприятия оказались в непосредственной близости от жилой застройки. Многие жилые дома находятся в пределах санитарно-защитных зон
промпредприятий.
Предприятия Запорожья сбрасывают в Днепр большое количество неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод. Общегородские очистные сооружения перегружены. На площадках скопилось большое количество
осадка (ила).
Благоприятное влияние на экологическую обстановку Запорожья оказывает обилие зеленых насаждений и водных пространств. В городе расположены 11 парков — памятников садово-паркового искусства, заказник "Днепров-
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
389
ские пороги", много скверов. В зеленый наряд одеты бульвары, улицы, набережные. В целом площадь зеленых насаждений, включая прилегающие к городу зеленые массивы, составляет до 60% общей территории города.
Зеркало водных пространств в пределах городской черты, включающих Днепровское водохранилище, протоки Днепра в нижнем бьефе, омывающие о.Хортица, старицы и водоемы на левобережных притоках Днепра
речках Капустянка и Мокрая Московка, составляют до 20% от общей площади города.
Наличие Днепровского водохранилища в пределах городской черты создает для Запорожья специфические экологические проблемы, связанные с
подтоплением прилегающей территории. Эти проблемы характерны для всех
городов, расположенных по берегам водохранилищ. Подтопление территории, вызванное фильтрацией воды в борта водохранилища, нарушает устойчивость зданий и сооружений, затапливает и разрушает подземные коммуникации, может вызвать оползневые явления. Наличие на территории Запорожья
лессовых толщ мощностью до 20 м способствует в условиях техногенного
подтопления оползнеобразованию и развитию просадок земной поверхности
до 1,5—2 м. Компенсационной мерой по предотвращению вредного влияния
подтопления является устройство разветвленной дренажной системы, надежность и эффективность которой зависит от того, правильно ли она запроектирована, построена и эксплуатируется. Выход из строя дренажной системы
может привести к катастрофическим последствиям в той части города, которая подвержена подтоплению.
Благоприятные природно-климатические условия Запорожья обеспечивают широкие возможности для создания в этом районе лечебно-оздоровительных учреждений. На о.Хортица функционирует 14 санаториев и домов
отдыха. Таким образом, Запорожье — это не только индустриальный гигант
со всеми присущими ему экологическими проблемами. Здесь есть места, пригодные для полноценного отдыха и оздоровления населения, что отчасти наделяет его признаками курортного города.
Луганск — крупный центр машиностроения, энергетики и металлургической промышленности.
Город расположен при слиянии р.Лугани и ее притока Ольховки. Обе
реки сильно загрязнены в результате сброса неочищенных производственных
и шахтных вод.
Экологические проблемы города связаны с острым дефицитом воды и
большой запыленностью воздуха.
В Луганске имеет место техногенное подтопление территории и процессы карстообразования, связанные с формированием депрессионных воронок
в местах водозаборов.
Площадь зеленых насаждений занимает свыше 40% территории города.
Черкассы — многопрофильный промышленный центр с преобладающим
развитием химической промышленности. Это обусловливает высокую техногенную нагрузку на атмосферный воздух. Серьезные экологические пробле-
Экология городов
390
мы связаны с воздействие Кременчугского водохранилища, на правом берегу
которого расположены Черкассы.
До 30% территории города занимают зеленые насаждения.
Краматорск — город в Донецкой области, крупный центр тяжелого
машиностроения, металлургической, коксохимической и цементной промышленности.
Город расположен в нижнем течении р.Казенный Торец, притоке Северского Донца. Река протекает через угледобывающие и промышленные районы Донецкой области и служит приемником большого количества шахтных и
производственных сточных вод. Казенный Торец относится к одной из наиболее загрязненных рек Украины.
В городе высокая запыленность воздуха, постоянная нехватка воды.
Депрессионные воронки, образование которых вызвано усиленным отбором подземных вод, способствуют развитию карста.
Площадь зеленых насаждений занимает около половины городской
территории.
9.2. Крупные портовые города
Одесса является крупнейшим портовым городом Украины. В связи с ростом объемов морских перевозок в середине 70-х годов XX ст. создаются два
портовых города-спутника Одессы: Ильичевск — на берегу Сухого лимана в
30 км юго-западнее Одессы и Южный — на Григоровском лимане в 25 км
северо-восточнее Одессы. В Ильичевске функционируют рыбный и торговый порты, базируется Черноморское объединение рыбной промышленности "Антарктика", рыбоперерабатывающий и судоремонтный заводы. В Южном расположен Одесский припортовый завод — конечный пункт аммиакопровода из Тольятти Самарской области России.
Портовый узел Ильичевск — Одесса — Южный, протянувшийся по Черноморскому побережью на 60 км, создает весьма напряженную экологическую обстановку для морской экосистемы этого района.
В портах принимаются меры по предотвращению сброса с судов загрязненных вод и мусора. Все твердые и жидкие отходы, накапливаемые на судах
во время рейса в специальных емкостях, сдаются по прибытии в порт на
береговые очистные сооружения. В портах действуют суда-санитары, очищающие водную поверхность от плавающих примесей.
Загрязнение морской среды происходит в основном в результате сброса в
море неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод прибрежных городов и, в частности, Одессы, а также загрязненного поверхностного стока с
городской территории и территорий промплощадок.
Потенциально опасным в экологическом отношении объектом в этом районе является Одесский припортовый завод в порту Южном. Авария на аммиакопроводе может привести к экологической катастрофе на всем побережье.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
391
Аммиакопровод Тольятти — Одесса диаметром 400 мм с рабочим давлением
60 атм. введен в действие в 1985 г. За 15-летний период эксплуатации аммиакопровода каких-либо серьезных сбоев в его работе не наблюдалось, что свидетельствует о надежной его конструкции и безопасном режиме эксплуатации.
Ввод в эксплуатацию Одесского нефтяного терминала, предназначенного
для приема и дальнейшего транспортирования азербайджанской нефти, создает в этом районе еще один объект повышенного экологического контроля.
Одесский нефтяной терминал частично ликвидирует одностороннюю зависимость Украины от поставок российской нефти.
Одесса является крупным центром машиностроения, химии и нефтехимии, переработки рыбы и сельхозпродукции. Работа промышленных предприятий формирует высокую техногенную нагрузку на атмосферный воздух
и связана с образованием значительных объемов сточных вод. Очистные сооружения Одессы перегружены, работают крайне неэффективно. Канализационные коллекторы исчерпали свой срок эксплуатации. Имеют место частые разрывы канализационной сети. В море сбрасываются большие количества загрязненных сточных вод.
Для коммунальных котелен Одессы и отопления жилых домов используется в основном уголь, что крайне неблагоприятно отражается на состоянии
воздушного бассейна города, особенно в осенне-зимний период, изобилующий длительными штилевыми туманами.
В летний период в Одессе резко возрастает количество автотранспорта,
увеличивается число морских судов в портах, в том числе прибрежного плавания. На долю автотранспорта и частично морских судов приходится около
75% суммарного выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух.
Одесса является одним из крупнейших курортных и туристских центров
Украины. Здесь сосредоточено около 10% общего количества санаториев и
пансионатов страны. Летом прибывает несколько сотен тысяч неорганизованных отдыхающих.
Несовершенство городской системы водоотведения периодически приводит к вспышкам инфекционных заболеваний (холера, дизентерия), закрытию пляжей, введению карантина.
Одесса испытывает постоянную нехватку питьевой воды. Единственным
источником водоснабжения города с более чем миллионным населением является водозабор из р.Днестр в районе Беляевки. При прорыве дамбы накопителя жидких отходов горно-химического комбината в Стебнике Львовской
области в 1983 г. река Днестр на всем протяжении была загрязнена высокоминерализованными сточными водами. В населенных пунктах, имеющих водозаборы из р.Днестр, в том числе и в Одессе, возникли серьезные трудности
с питьевым водоснабжением.
Серьезной экологической проблемой Одессы, как и любого приморского
города, являются оползневые явления в прибрежной зоне и берегообрушения. В Одессе сооружена и достаточно успешно функционирует берегозащитная противооползневая система протяженностью более 20 км.
392
Экология городов
В Одессе наблюдаются оседания земной поверхности и провалы, связанные с подвижками пород над подземными пустотами — катакомбами. Эти
пустоты возникли при разработке известняка-ракушечника, имеют протяженность свыше 1500 км и глубину заложения от 4 до 45 м. В результате этих
явлений происходят деформации фундаментов зданий и сооружений, нарушения дорожных покрытий и коммуникаций.
Несмотря на засушливый климат (среднегодовое количество осадков
составляет 374 мм), Одесса хорошо озеленена, в городе много парков, скверов, одеты в зеленый наряд улицы, бульвары, знаменитая одесская набережная. Площадь зеленых насаждений составляет около 17% от общей
площади города.
Севастополь — база Военно-морского флота Украины. Здесь же на условиях долговременной аренды базируется Черноморский флот России. Инфраструктура города в основном приспособлена для обслуживания военноморского флота. Действуют судостроительные и судоремонтные предприятия, приборостроительный завод, предприятия по переработке рыбы и
сельхозпродуктов. Промышленные предприятия расположены в основном на
окраинах города.
Площадь зеленых насаждений составляет более половины общей площади города. В Севастополе много парков, скверов и заповедных территорий. К
ним относятся: ландшафтный заказник "Мыс А й я " , геологический — "Черная Речка", археологический — " М ы с Херсонес", заповедное урочище "Скалы Л а с п и " и ряд других.
Следует отметить высокую степень ухоженности и чистоту городской территории. Бытовые отходы перерабатываются на мусоросжигательном заводе.
Севастополь имеет ряд санаторно-курортных учреждений и представляет
большой интерес как туристский центр. Однако туристские и особенно курортные возможности Севастополя используются весьма незначительно. Исторически это связано с тем, что до недавнего времени город, как военноморская база, был закрыт для посещения. Другой причиной является довольно высокая загрязненность моря даже в районах городских пляжей. Особенно
загрязнена Балаклавская бухта, некогда жемчужина этого района. Общественность Балаклавы, административно входящей в состав Севастополя, стремится ликвидировать базу подводных лодок в Балаклавской бухте и превратить этот уникальный природный комплекс в туристский и курортный центр
международного уровня.
Сущим бедствием для морской среды в районе Севастополя являются
отслужившие свой век суда. Сотни больших и малых посудин брошены на
произвол судьбы в прибрежных водах Севастопольской, Южной и Балаклавской бухт. Извлечением остовов кораблей и их утилизацией практически никто
не занимается. С каждым годом число остающихся в MOffe судов растет.
Решение указанных экологических проблем, включая реконструкцию и
расширение городской канализации и общегородских очистных сооружений,
позволит со временем превратить Севастополь в центр международного туризма и курорт европейского класса.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
393
Николаев — морской и речной порт, расположенный на берегу Бугского
лимана, в месте слияния рек Южный Буг и Ингул. В целом Николаев, за
исключением его портовой части, может быть отнесен к сравнительно благоприятным в экологическом отношении городам. Хотя здесь, как и практически во всех южных городах Украины, имеются серьезные трудности с обеспечением населения питьевой водой.
Более половины площади города занято зелеными насаждениями. Имеется 8 парков — памятников садово-паркового искусства, заповедное урочище " Д у б к и " .
Николаев — крупнейший центр судостроения Украины. В городе расположены четыре судостроительных предприятия мирового уровня, судоремонтные, машиностроительные, пищевые предприятия, парфюмерно-косметический комбинат, глиноземный завод.
Судостроительные и судоремонтные предприятия расположены непосредственно в Бугском лимане. Сюда же сбрасываются сточные воды города
и предприятий, расположенных вдоль побережья. Вода Бугского лимана имеет
устойчивое загрязнение от Николаева вплоть до впадения в Черное море.
Концентрации нефтепродуктов и органических соединений (по БПК полн.)
превышены, по сравнению с допустимыми во много раз. Для Бугского лимана характерны сгонно-нагонные явления, что еще более осложняет экологическую обстановку в устье Южного Буга.
Херсон — морской и речной порт, расположенный на правом берегу Днепра,
в 25 км от впадения его в Днепровский лиман Черного моря. Херсон так же,
как и Николаев, является крупным центром судостроительной промышленности, специализированный на выпуске и ремонте крупногабаритных судов:
океанских танкеров, сухогрузов, контейнеровозов, лихтеровозов, а также железобетонных плавучих доков, предназначенных для ремонта судов. Имеется
комплекс предприятий по выпуску сельскохозяйственной техники.
Судостроительные и судоремонтные предприятия расположены в Кошевой протоке, гидравлически связанной с Днепром. Вода протоки покрыта
толстым слоем нефтяной пленки. В протоку производится сброс городских
сточных вод, имеется 8 выпусков производственных сточных вод.
Вода в нижнем течении Днепра загрязнена практически по всем контролируемым показателям, причем по многим ПДК п р е в ы ш а ю т с я в несколько раз.
В целом же Херсон, за исключением его припортовой части, может быть
отнесен к городам с относительно благополучной экологической обстановкой. Город хорошо озеленен, имеется два дендропарка, ботанический сад,
парк — памятник садово-паркового искусства. Площадь зеленых насаждений
составляет около 40% от общей площади города.
К нерешенным сугубо городским экологическим проблемам Херсона следует отнести отсутствие системы сбора, организованного отвода и очистки
поверхностного стока, что для города, расположенного на крутом правобережном склоне Днепра, является весьма актуальным.
394
Экология городов
Мариуполь — порт на Азовском море, крупный центр черной металлургии
и тяжелого машиностроения. Один из самых сложных в экологическом отношении городов Украины как в части загрязнения атмосферного воздуха и
морской среды, так и в обеспечении более чем полумиллионного населения
питьевой водой.
Мариуполь расположен на западном побережье Таганрогского залива, при
слиянии рек Кальчик и Кальмиус. На сравнительно небольшой территории
расположены два крупнейших металлургических гиганта, завод тяжелого машиностроения, прокатно-штамповочный, коксохимический и графитовый
заводы, предприятия машиностроительного профиля. Пылегазовые выбросы
этих предприятий формируют над городом тяжелую темно-фиолетовую дымку, содержащую вредные примеси в концентрациях, во много раз превышающие предельно допустимые.
Город расположен на возвышенной слабоволнистой равнине, обрывающейся к морю крутым уступом. Рельеф местности и наличие постоянных
ветров (зимой — бора, летом — бриз) обеспечивает хорошую проветриваемость территории города и рассеивание пылегазовых выбросов. В то же время при ветре усиливается пыление многочисленных отвалов промышленных
отходов, песчаных и эродированных участков почвенного покрова.
Море в районе Мариуполя темно-бурого цвета, особенно в центральной
части набережной, где впадает р.Кальмиус, сток которой, как и сток ее правобережного притока р.Кальчик, на 70—80% сформирован из шахтных и сточных вод. В Таганрогский залив попадают городские сточные воды Мариуполя и его крупнейших промышленных предприятий, имеющих самостоятельные
выпуски. На качество морской воды в Таганрогском заливе неблагоприятно
сказывается прибрежное морское течение, формирующееся под влиянием стока
р.Дон. Течение относит загрязненные воды Дона и сточные воды Таганрога
на запад, в сторону Мариуполя. Прозрачность морской воды в районе Мариуполя снижается до 0,5 м, в то время как в открытой части Азовского моря
прозрачность воды составляет 8 м.
Азовское море является внутренним морем. Процессы водообмена, а следовательно, и процессы самоочищения идут в нем весьма замедленно. Период водообмена Азовского моря составляет 60—80 лет.
Сток р.Кальмиус и сбросы сточных вод предприятий Мариуполя приводят к снижению содержания кислорода в придонном слое моря практически
до нуля, особенно в летнее время. Это вызывает периодические заморы рыбы.
Заморы усиливаются в послепаводковый период, когда с повышением скорости и интенсивности прибрежного морского течения со дна мелководья поднимается накопленный за многие годы большой слой донных отложений техногенного происхождения. В акватории Таганрогского залива ржавеют многочисленные остовы брошенных морских судов.
Территория города, особенно его прибрежная часть, захламлена остатками металлических конструкций и свалками производственных отходов, пересечена многочисленными железнодорожными подъездными путями.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
395
Много делается в Мариуполе для утилизации промышленных отходов.
На базе переработки доменных шлаков создано производство строительных
материалов и изделий. Однако объем накопления промышленных отходов
продолжает расти ji достиг уже 2,5 млрд т.
Несмотря на довольно тяжелую экологическую обстановку Мариуполь
продолжает оставаться климатическим и бальнеологическим курортом. Функционируют три курортно-оздоровительных учреждения и туристская база.
9.3. Города с преимущественным развитием
определенной отрасли производства
Среди средних и малых городов Украины насчитываются десятки, которые сформировались и функционируют вокруг одного-двух градообразующих предприятий. Эти предприятия обеспечивают инфраструктуру и городской бюджет, на них работает большинство жителей города. Эти же предприятия создают в городах специфические экологические проблемы.
Здесь представлены наиболее, на наш взгляд, значимые и наиболее типичные с точки зрения экологических проблем города такого рода. Они классифицированы по отраслям производства, получившим в них преимущественное развитие, хотя большинство из этих городов имеют многофункциональный характер развития промышленности.
Рассмотрены города с преобладающими в Украине видами промышленного производства: добыча железной руды и угля, металлургия, химия, цементная промышленность, энергетика.
Горнодобывающая
промышленность
Кривой Рог — город в Днепропетровской области с преимущественным
развитием горнодобывающей промышленности. На базе добычи железной
руды в Кривом Роге получила развитие металлургическая промышленность.
Создан ряд сопутствующих производств. В частности, построен цементногорный комбинат, сырьем для которого частично служат отходы обогащения
железной руды и отходы металлургического производства.
Город расположен на месте слияния рек Саксагани и Ингульца и протянулся с юго-запада на северо-восток вдоль р.Саксагани на 120 км. Кривой Рог является центром Криворожского железорудного бассейна. Добыча железной руды ведется открытым и шахтным способом. В городе имеется пять горно-обогатительных комбинатов: Северный, Центральный,
Южный, Новокриворожский, Ингулецкий и несколько мощных шахт, в
том числе такие, как " Г и г а н т - Г л у б о к а я " , им.В.И.Ленина, " Г в а р д е й с к а я " и
др., один из крупнейших в Европе металлургический комбинат " К р и в о рожсталь", цементно-горный комбинат, коксохимический завод, мощные
тепловые электростанции, предприятия, обслуживающие горнодобывающую и металлургическую отрасли.
396
Экология городов
Кривой Рог относится к одним из самых неблагополучных в экологическом отношении городов Украины, что является следствием сосредоточения и
хаотического развития предприятий-гигантов.
Поверхность города холмиста, расчленена многочисленными балками
с перепадами высот до 130 м. Преобладают техногенные формы рельефа в
виде карьеров, отвалов и хвостохранилищ. Отвалы образуются в результате складирования вскрышных пород при строительстве шахт и карьеров
для добычи железной руды. В отвалы складируются твердые отходы металлургического комбината и тепловых электростанций. Отвалы достигают
высоты нескольких десятков метров, в основании имеют размеры в несколько сот метров. Хвостохранилища предназначены для складирования
отходов обогащения железной руды ( " х в о с т о в " ) , представляющих собой
пульпу тонкоизмельченной горной породы. Они сооружаются в виде чаш
диаметром в несколько километров, обвалованных дамбами из вскрышных пород. Из-за ограниченности территории дамбы обвалования постоянно наращиваются, в результате чего хвостохранилища образуют куполообразные сооружения высотой 200—250 м.
Для предотвращения ф и л ь т р а ц и и по дну и бортам хвостохранилища
устраивается п р о т и в о ф и л ь т р а ц и о н н ы й экран из двух слоев глины толщиной до 1 м с п р о к л а д к о й между ними высокопрочной и долговечной
полиэтиленовой пленки. Вокруг хвостохранилища устраивается дренажная система, предназначенная для перехвата возможных фильтрационных утечек. При нарушении целостности противофильтрационного экрана из-за просадок основания хвостохранилища и недостаточной эффективности д р е н а ж н о й с и с т е м ы вокруг хвостохранилища формируется
обширная зона подтопления, наносящая ущерб зданиям, сооружениям и
городской территории.
Пыление отвалов и подсыхающих поверхностей хвостохранилищ, вызываемое ветром переменных направлений, дующим со скоростью 5—12 м/с с
порывами до 30 м/с, а также выбросы цементно-горного комбината и других
промышленных гигантов города формируют высокую запыленность воздушной среды города. С выбросами комбината "Криворожсталь", тепловых электростанций, коксохимического завода в атмосферу города попадает большое
количество сажи, оксидов серы, углерода и азота. Добыча железной руды в
карьерах производится с применением буровзрывных работ. При этом выбрасывается большое количество пыли и азотных соединений, которые в результате фотохимических реакций превращаются в нитриты и нитраты. Эти
соединения азота представляют опасность для здоровья людей, загрязняют
поверхностные и подземные воды, почвенный покров.
На долю Кривого Рога приходится около 8% от общего объема выбросов
загрязняющих веществ в атмосферный воздух по У к р а и н е ц целом. Это самый высокий показатель среди городов страны.
Добыча железной руды, которая ведется в этом районе уже более 100
лет, привела к сильной о'безвоженности территории, присущей, как это было
показано на примере Донецка, районам добычи полезных ископаемых. Сток
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
397
р.Саксагань, протекающей через весь город, а также сток верхнего течения
р.Ингулец во многом формируется за счет промстоков карьерного и шахтного водоотлива. Вследствие этого минерализация речной воды и Карачуновского водохранилища fta р.Ингулец, предназначенного для водоснабжения Кривого Рога, достигает 1,5 г/л и более. Для пополнения стока р.Ингулец
и Карачуновского водохранилища построен канал Днепр — Ингулец, который берет свое начало из Кременчугского водохранилища. Для пополнения
стока р.Саксагань построен канал Днепр — Кривой Рог, берущий начало в
Каховском водохранилище.
На р.Саксагань в пределах городской черты сооружен каскад русловых и
частично пойменных водохранилищ с общей площадью зеркала около 500 га.
Они служат своего рода отстойниками для осветления сбросных вод, поступающих в реку от промпредприятий. Водные пространства и зеленые насаждения, площадь последних составляет около 15% от общей площади города,
несколько скрашивают экологическую обстановку.
Большое количество твердых отходов комбината "Криворожсталь", тепловых электростанций и рудообогатительных фабрик используется в качестве сырья Криворожским цементно-горным комбинатом. Все же объем
накопления твердых промышленных отходов продолжает расти и достиг
6,5 млрд. т. На долю каждого жителя города приходится до 9 тыс. т находящихся в накопителях отходов. Это самый высокий показатель такого
рода по Украине.
Существенному улучшению экологической обстановки в Кривом Роге способствовала бы рекультивация отвалов и посадка древесно-кустарниковой
растительности на склонах и поверхностях заполненных хвостохранилищ, что
можно осуществить при сравнительно небольших затратах. Значительных затрат потребует создание полноценной очистки пылегазовых выбросов и возвратных вод, обеспечивающей соблюдение установленных экологических
нормативов. Размеры этих затрат приблизительно оцениваются в 20% от стоимости основного производства.
Макеевка — город в Донецкой области, в 14 км от Донецка, образующий с ним Донецко-Макеевский промузел. Город сформировался как центр
угледобывающей, а затем и металлургической промышленности. В Макеевке — 18 шахт и 4 углеобогатительные фабрики, один из крупнейших в
Украине металлургических комбинатов, два коксохимических и труболитейный заводы.
Экологические проблемы Макеевки сходны с проблемами других городов Донбасса с угольно-металлургической спецификой промышленного развития. Рельеф города изобилует техногенными формами в виде угольных
терриконов и отвалов металлургического шлака. Выбросы промпредприятий, пыление отвалов и терриконов сформировали стойкую загрязненность
атмосферного воздуха. Наличие сравнительно больших массивов зеленых
насаждений, на долю которых приходится до 45% от общей площади города, а также нескольких прудов слегка ослабляют высокую техногенную нагрузку на воздушный бассейн.
398
Экология городов
Для Макеевки характерно наличие многочисленных просадок земной
поверхности, вызванных развитием угледобычи. Наличие шахтных водоотливов привело к подтоплению ряда городских районов. Общая площадь подтопления составляет свыше 40% территории города.
Объем сточных и шахтных вод, поступающих в р.Грузскую, которая
протекает через территорию Макеевки, намного превышает естественный
сток реки.
Изменение крайне тяжелой экологической обстановки в Макеевке может
быть достигнуто путем модернизации технологических процессов металлургического и коксохимического производств, создания замкнутых систем водоснабжения промышленных предприятий, ликвидации терриконов и отвалов, благоустройства территории, что, естественно, связано с громадными
капиталовложениями.
Донецко-Макеевский промузел по концентрации угольных и металлургических предприятий сходен с промышленным районом Бельгии и Люксембурга, где имеется примерно такая же плотность аналогичных производств.
Однако сравнение экологической обстановки в этих районах существенно в
пользу западноевропейского.
Горловка — город в Донецкой области, сформировался как один из центров угледобычи. В городе — 9 шахт и 5 углеобогатительных фабрик. В послевоенный период Горловка получила развитие как многофункциональный
промышленный центр. Здесь действуют два крупных химических предприятия, Никитовский ртутный комбинат, коксохимический завод, предприятия
машиностроения и металлообработки.
Рельеф города равнинный, расчленен оврагами и балками. Сформировано
много техногенных форм рельефа в виде терриконов и отвалов. Городу присущи все экологические проблемы, характерные для районов угледобычи, подробно рассмотренные на примере Донецка. Эти проблемы усугубляются наличием коксохимического и химических производств и ртутного комбината.
Одной из специфических экологических проблем Горловки является
захоронение особо токсичных отходов химического производства. Накопитель токсичных отходов, построенный без надежного противофильтрационного экрана и расположенный в районе шахтных выработок, из-за
просадки основания в 1986 г. явился источником поступления ядовитых
соединений в полость шахты, что повлекло отравление и гибель людей.
Ликвидация заброшенных накопителей токсичных химических отходов,
расположенных в зоне трещиноватости, является весьма дорогостоящим,
но необходимым мероприятием.
Через территорию города протекает р.Корсунь, в которую сбрасывается
большое количество шахтных и сточных вод. Горловка хорошо озеленена, площадь зеленых насаждений занимает более половины городской территории.
В Украине насчитывается несколько десятков шахтерских городов и
поселков городского типа с присущими им характерными экологическими
проблемами.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
399
В части из них получили развитие и другие экологически опасные отрасли производства. Наиболее значимые из них следующие:
Павлоград Днепропетровской области — 11 шахт и центральная углеобогатительная фабрика, предприятия машиностроения и производства стройматериалов;
Енакиево Донецкой области — 10 шахт, центральная углеобогатительная
фабрика, добыча известняка, песчаника, металлургический, коксохимический и цементный заводы;
Александрия Кировоградской области, один из центров Днепровского буроугольного бассейна — 4 углеразреза, 3 шахты, 2 брикетные фабрики, предприятия машиностроительного профиля;
Торез Донецкой области — 10 шахт, 4 углеобогатительные фабрики, предприятия машиностроения и стройиндустрии;
Свердловск Луганской области — 12 шахт, 4 углеобогатительные фабрики,
предприятия машиностроения и стройиндустрии;
Червоноград Львовской области, один из центров Львовско-Волынского каменноугольного бассейна — 12 шахт, центральная углеобогатительная фабрика;
Нововолынск Волынской области, один из центров Львовско-Волынского
каменноугольного басейна — 7 угольных предприятий;
Марганец, Орджоникидзе — города в Днепропетровской области, где расположены крупнейшие в Украине горно-обогатительные комбинаты по добыче и обогащению марганцевой руды.
Среди других городов Украины с преимущественным развитием горнодобывающей промышленности и характерными для них экологическими проблемами следует выделить Желтые Воды Днепропетровской области — центр
добычи и первичного обогащения урановых руд. Здесь действует гидрометаллургический завод по производству закиси-окиси урана. Газообразные, жидкие и твердые отходы этого и других подобных производств содержат природный уран, торий, продукты распада уранового и ториевого рядов, в том
числе радиоактивный газ радон. Основную опасность представляют громадные по объему хвостохранилища радиоактивных отходов, которые формируют повышенный радиационный фон на прилегающей территории. При разработке урановых месторождений в 50-х годах XX ст. вскрышные породы,
имеющие повышенную радиоактивность, широко использовались при строительстве дорог, тротуаров и жилых домов.
Аналогичная ситуация сложилась на предприятиях по добыче и первичному обогащению урановых руд, примыкающих к северо-восточной окраине
Кировограда. Территории, расположенные в непосредственной близости от
жилого массива, нуждаются в дезактивации и рекультивации.
В упомянутых городах, несмотря на сложность экологической обстановки, обусловленную спецификой добывающей промышленности, много делается для благоустройства городской среды. Рекультивируются отвалы гор-
400
Экология городов
ной породы и выгоревшие терриконы. Горелая порода используется в качестве строительного материала. В пределах городской черты на балках и оврагах сооружаются водоемы, заполняемые шахтными и карьерными водами.
Площади, занятые зелеными насаждениями, в большинстве городов превышают половину городской территории.
Металлургическая
промышленность
Днепродзержинск — город в Днепропетровской области по принятой классификации, исходя из многопрофильного характера производства, вполне
может быть отнесен к крупнейшим индустриальным центрам Украины. Развитие города связано с пуском в эксплуатацию в конце XIX в. металлургического завода на базе железной руды Криворожского месторождения. В настоящее время на относительно небольшой площади Днепродзержинска, занимающей 15 тыс. га, размещены Днепровский металлургический комбинат,
чугунолитейный, два коксохимических, вагоностроительный, котельно-механический и цементный заводы, ПО "Азот" по выпуску минеральных удобрений и хлора, Приднепровский химический завод , где до 1991 г. производилось обогащение урановых руд. Хвостохранилища завода, занимающие
площадь около 360 га, существенно влияют на повышение радиационного
фона прилегающей территории.
Из-за загрязнения атмосферного воздуха выбросами многочисленных
промышленных предприятий Днепродзержинск относится к одним из наиболее неблагополучных в экологическом отношении городов Украины. На
долю Днепродзержинска приходится около 7% от общего объема выбросов
загрязняющих веществ в атмосферный воздух по Украине в целом. Это второй после Кривого Рога показатель среди городов Украины.
Сброс очищенных и недостаточно очищенных производственных сточных вод является серьезным источником загрязнения р.Днепр.
Отходы металлургического производства частично используются в качестве сырья для получения цемента. В целом же проблема утилизации промышленных отходов для Днепродзержинска является такой же острой, как и
для других промышленных центров Украины.
Город раскинулся по обоим берегам Днепра у плотины Днепродзержинского водохранилища. Правобережная часть города расположена на отрогах
Приднепровской возвышенности, левобережная — на Приднепровской низменности. Эта часть города серьезно страдает от подтопления в результате
фильтрации воды из Днепродзержинского водохранилища. Для повышенных
берегов водохранилища характерны процессы оползнеобразования.
Площадь зеленых насаждений занимает более 20% общей территории
города.
#
Изменить экологическую обстановку в Днепродзержинске возможно путем создания комплексной системы средозащитных мероприятий с одновременной модернизацией устаревших технологических процессов на большинстве предприятий города.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
401
Алчевск — город в Луганской области, важный центр черной металлургии.
В городе находится третий в Украине по мощности металлургический комбинат и один из крупнейших в стране коксохимических заводов. Эти предприятия, расположенные по разным сторонам города, при любом направлении ветра поддерживают высокую задымленность атмосферного воздуха. Загрязнению
воздуха способствует также пыление отвалов твердых промышленных отходов.
Река Белая из-за сброса большого количества промышленных сточных
вод превратилась в сточную канаву.
Площадь зеленых насаждений занимает до 30% территории города.
Предприятия Алчевска требуют коренной модернизации технологических
процессов в направлении их экологизации с целью резкого сокращения выбросов в атмосферу, создания замкнутых систем водоснабжения, максимальной
утилизации твердых производственных отходов с одновременной ликвидацией
существующих отвалов, рекультивацией и благоустройством территории.
Константиновна — город в Донецкой области, один из центров цветной
металлургии Украины. Здесь имеются довольно крупное предприятие по
выплавке цинка и свинца — " У к р ц и н к " , заводы "Вторчермет" и огнеупоров, три стекольных завода, завод высоковольтной аппаратуры.
Город расположен в долине р.Кривой Торец, правобережном притоке
р.Северского Донца. Ширина долины 6—7 км, глубина 70—80 м. Предприятие "Укрцинк", занимающее обширную площадь, расположено в центральной части города. Рельеф местности и расположение предприятий в ограниченном пространстве ухудшают условия рассеивания выбросов и проветривание городской территории. Построенный в 30-х годах XX ст. завод по
выплавке цинка и свинца работает по весьма устаревшей технологии, не обеспечен эффективными средствами защиты воздушного бассейна и очистки
сточных вод.
В атмосферном воздухе Константиновки во много раз превышены допустимые концентрации цинка, свинца, оксидов серы, пыли. Вода р.Кривой
Торец загрязнена ионами тяжелых металлов, взвешенными веществами, отличается высокой минерализацией.
Наблюдается сильное загрязнение почв свинцом и цинком как в пределах городской черты, так и на прилегающей территории.
Улучшение экологической обстановки в городе может быть достигнуто или
путем закрытия ряда предприятий, в частности "Укрцинка", или коренной
реконструкцией устаревших технологий. Переход на современные технологические процессы выплавки цинка и свинца позволит многократно (в 20—80
раз) сократить выбросы продукции в воздух и унос ее со сточными водами.
Химическая
промышленность
Северодонецк — город в Луганской области, крупный центр химической промышленности Украины. Здесь расположены ПО "Азот" — одно из крупнейших
в стране предприятий по производству азотных удобрений, ПО "Стеклопластик", химико-металлургический завод и завод электронного оборудования.
402
Экология городов
Северодонецкий химический комбинат (ПО "Азот"), построенный в послевоенный период, оборудован современной системой очистки сточных вод,
куда подаются сточные воды других предприятий и города. Достигается практически нормативная очистка сточных вод, сбрасываемых в р.Северский Донец. Довольно успешно решены на комбинате вопросы очистки пылегазовых
выбросов. Ликвидированы так называемые "лисьи хвосты" — выбросы оксидов азота желто-оранжевого цвета, имевшие место в первые годы после пуска
комбината в эксплуатацию. Комбинат отделен от жилой застройки достаточной по размерам санитарно-защитной зоной. Количество твердых производственных отходов на комбинате незначительно, так как основными сырьевыми компонентами являются азот из воздуха, вода и природный газ. Интересно, что для получения азота потребовалось построить девятикилометровый
воздуховод для забора воздуха у опушки леса, так как воздух в пределах заводской территории из-за загрязненности оказался непригодным для технологических целей.
Следует отметить высокую степень благоустройства и чистоту городской
территории. Примерно половину площади города занимают зеленые насаждения. Город окружен мощными массивами хвойных лесов. Жилищное строительство развивается в сторону, противоположную от заводских территорий.
Население обеспечено питьевой водой хорошего качества.
Город Северодонецк вполне может быть отнесен к экологически благополучным городам Украины.
Пример Северодонецка показывает, что при одновременном с основным
производством вводе в действие полноценной системы средозащитных мероприятий и постоянном ее совершенствовании может быть обеспечено функционирование гигантских промышленных предприятий и благоприятное состояние окружающей природной среды.
Рубежное — город в Луганской области, расположенный в 12 км от Северодонецка выше по течению р.Северский Донец. В городе расположен один
из крупнейших в Украине химический комбинат по производству анилиновых красителей и других продуктов органического синтеза. Комбинат построен в начале XX ст. на базе реликтовых запасов подземных вод, отличающихся постоянством состава и температуры (8—12° С). Производство продуктов органического синтеза связано с образованием большого количества
высококонцентрированных и весьма токсичных сточных вод. Сточные воды,
образующиеся в некоторых технологических переделах, не имеют экологически и экономически оправданных методов очистки. Например, их выпаривание, являющееся одним из наиболее дорогостоящих методов обезвреживания сточных вод, приводит к опасному для здоровья населения загрязнению
атмосферного воздуха бенз(а)пиреном. Такие сточные воды не сбрасываются
в общезаводскую систему канализации, а направляются е накопители жидких токсичных отходов. Ранее все сточные воды Рубежанского химкомбината
в течение года собирались в накопители, из которых в период весеннего паводка сливались в р.Северский Донец с 50—100-кратным разбавлением промстоков речной водой. Опорожнение накопителей, которое длилось 2—3, иногда
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
403
4 недели, вызывало загрязнение р.Северский Донец и нижнего течения р.Дон
вплоть до Азова. На этот период, как правило, закрывались все речные водозаборы, устанавливался особый режим водопользования на реках Северский
Донец и Дон. В 1982 г. на Рубежанском химкомбинате были построены современные сооружения биологической очистки, куда подаются все сточные
воды города и около 90% производственных сточных вод комбината. Остальные 10% промстоков, не поддающихся биологической очистке, по-прежнему
направляются в накопители. В районе химкомбината сооружено несколько
накопителей, представляющих собой земляные емкости диаметром до 100 м
и более, обвалованные дамбами высотой до 30 м. Накопители не имеют надежного противофильтрационного экрана. Через днище и дамбы обвалования происходит фильтрация жидких отходов химкомбината в подземные водоносные горизонты. Источником загрязнения подземных вод является также сама территория химкомбината, где существует множество небольших
заброшенных накопителей токсичных производственных отходов, имеют место утечки из канализационной системы. Часть месторождения реликтовых
подземных вод, являющихся источником питьевого водоснабжения Рубежного и прилегающий населенных пунктов, загрязнена. В целях защиты месторождения подземных вод от дальнейшего загрязнения делаются попытки
локализовать накопители, до минимума сокращен забор подземных вод. Фильтрация из накопителей вызвала подтопление прилегающей территории и разрушение ряда жилых домов индивидуальной застройки.
Поверхность накопителей постоянно испаряется, особенно в летний период. При западном ветре в городе ощущается запах нитросоединений. Наличие накопителей может со временем привести к полному загрязнению месторождения реликтовых подземных вод и лишить комбинат одного из важнейших источников сырья.
Лисичанск — город в Луганской области, расположен в 20 км вниз по
течению р.Северский Донец от Рубежного, один из центров ЛисичанскоРубежанского промрайона. Город возник и развивался как центр угледобычи. Здесь при Петре I заложена первая шахта Донбасса. В настоящее время
запасы угля в этом районе в значительной мере исчерпаны, хотя продолжают функционировать 6 шахт. В последние десятилетия Лисичанск развивается как один из центров химической промышленности Украины. Здесь
имеется содовый завод, построенный в конце XIX ст., нефтеперерабатывающий и завод резинотехнических изделий, два стекольных завода, завод
"Строймашина" и др.
Основные экологические проблемы города связаны с работой содового
завода. При производстве соды образуются отходы в виде дистиллерной жидкости, которая представляет собой высококонцентрированный солевой
раствор. Дистиллерная жидкость пока не поддается эффективным методам
утилизации. В течение года она собирается в накопителях содового завода, а
в период паводка с 50—100-кратным разбавлением сбрасывается в р.Северский
Донец. Накопители дистиллерной жидкости являются источниками минерализации подземных вод, подтопляют и засоляют прилегающую территорию.
Предпринимаются попытки локализации накопителей.
404
Экология городов
Холмистая территория города прорезана глубокими оврагами и балками,
по дну и склонам которых периодически струятся водотоки. Такая особенность городского рельефа при возникновении просадок поверхности, связанных, по-видимому, с обвалами в заброшенных шахтах, способствует образованию оползневых явлений.
В Лисичанске много делается для благоустройства городской территории.
Ликвидированы старые выгоревшие терриконы, возводятся подпорные стенки и другие противооползневые сооружения. Площадь зеленых насаждений
занимает около половины территории города. Состояние воздушной среды
вполне удовлетворительное.
Славянок — город в Донецкой области, крупнейший центр содовой промышленности Украины, одновременно крупный центр тяжелого машиностроения. В городе имеются ПО "Химпром" (содовое производство), заводы полихлорвиниловых пленок, солеварочный, тяжелого машиностроения, арматурно-изоляторный, высоковольтных изоляторов и ряд других. К Славянску
примыкает известный в Украине бальнеогрязевый курорт.
Экологические проблемы города связаны с наличием накопителей дистиллерной жидкости содового производства.
Несмотря на высокий уровень промышленного производства, Славянск
старается поддерживать статус курортного города. Около 60% площади занято зелеными насаждениями. Обеспечивается благоустройство и уборка городской территории. Промышленные предприятия оснащены средствами
очистки пылегазовых выбросов, работающими достаточно эффективно.
Территория Славкурорта отдалена от заводского района примерно на
10 км. Курорт расположен в массиве лиственного леса. Для лечения используется рапа и грязи солевых озер.
В Украине имеется значительное количество городов, для которых химические производства являются преобладающими. Среди них следует упомянуть такие города, как:
Шостка — город в Сумской области, где на ПО " С в е м а " производится
кино-, фото- и магнитная пленка, имеется завод химреактивов. Очистка
сточных вод химических производств производится методом адсорбции с
использованием активированного угля. Этот способ очистки хотя сравнительно дорогой, но единственно приемлемый и надежный для данного вида
сточных вод.
Пврвомайск — город в Харьковской области. Построенный здесь в 70-х
годах XX ст. химический комбинат является крупным производителем хлора
и многих других видов продукции. Комбинат проектировался как бессточное
и безотходное производство. Обеспечить полностью такой ре^гамент работы
комбината пока не удалось. Однако внедренные здесь современные средства
охраны окружающей природной среды работают достаточно эффективно. На
р.Орельке, куда в случае непредвиденных обстоятельств могут попасть производственные сточные воды Первомайского химкомбината, на протяжении
нескольких километров сформировано русловое биоплато, предназначенное
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
405
для охраны от загрязнения Орельковского водохранилища, расположенного
по трассе канала Днепр — Донбасс.
Калуш — город в Ивано-Франковской области, крупный центр химической и машиностроительной промышленности Западной Украины. Здесь
расположены ПО "Хлорвинил", заводы "Карпатнефтемаш", коммунального оборудования, "Нефтебурмашремонт", " С т р о й м а ш " . Экологические проблемы города связаны главным образом с работой ПО "Хлорвинил" — крупнейшего производителя хлора в Украине. Поскольку Калуш расположен в
сейсмической зоне, особую опасность вызывает техническое состояние дамб
хвостохранилищ. Калийные отходы, содержащиеся в хвостохранилищах, являются источником загрязнения подземных вод.
Новый Раздол — город во Львовской области. Здесь расположено крупнейшее в Украине предприятие по производству серы. Жидкие и твердые отходы
серного производства собираются в накопители, площади и количество которых увеличиваются. Накопители являются источником загрязнения подземных вод и представляют потенциальную опасность для окружающей территории и р.Днестр, учитывая, что предприятие находится в сейсмической зоне.
Интенсивная разработка серосодержащего сырья в карьерах Яворовского
месторождения привела к развитию техногенного карстообразования в зонах
санитарной охраны бальнеогрязевых курортов Немиров и Шкло, что привело
к загрязнению подземных водоносных горизонтов минеральных вод за счет
дренирования поверхностного стока.
Стебник — город во Львовской области, расположенный в предгорьях
Карпат. Разработка Стебниковского месторождения калийных солей вызывает активное карстообразование в пределах зоны санитарной охраны курорта Трускавец. Жидкие и твердые отходы Стебниковского калийного комбината собираются в накопитель, расположенный в долине р.Днестр. Неблагоприятные геологические условия месторасположения накопителя, связанные
с сейсмичностью и карстообразованием, явились причиной прорыва в 1983 г.
дамбы обвалования, в результате чего в р.Днестр попало несколько миллионов кубометров высокоминерализованных отходов калийного производства.
Река была загрязнена практически на всем протяжении вплоть до устья.
Минерализация речной воды на протяжении длительного времени составляла 2—3 г/л и более. Значительный объем более тяжелого по плотности раствора калийных солей осел у плотин Днестровской и Дубоссарской ГЭС.
Существенно пострадали многие питьевые водозаборы из р.Днестр.
Энергетика
Украина является одним из крупнейших в Европе производителей электрической энергии, что связано прежде всего с высоким уровнем энергопотребления экономики страны. Отношение величины энергопотребления к
валовому национальному продукту составляет в Украине 2,63, в то время как
в западноевропейских странах этот показатель равен 0,27. Наибольший объем
производства электроэнергии в Украине обеспечивается атомными электростанциями (до 47%), далее вдут тепловые (около 39%) и гидроэлектростан-
406
Экология городов
ции (около 11%). Энергетические предприятия имеются в каждом промышленном центре. В то же время есть целый ряд городов, которые возникли или
специализированы главным образом как центры энергетики. В них возникли
специфические проблемы, связанные с развитием отрасли.
Атомная
энергетика
Чернобыль — город в Киевской области, расположенный на р.Припять
при впадении в нее р.Уж. После катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 г.
все 13,6 тыс. его жителей были эвакуированы. Город включен в состав
30-километровой зоны отчуждения.
Припять — город в Киевской области, образованный в связи с созданием
Чернобыльской АЭС. После аварии здесь произошло наибольшее выпадение
радиоактивных осадков. Все 28,8 тыс. жителей города эвакуированы. Город
включен в 30-километровую зону отчуждения.
По данным Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины, инженерно-геологическое обследование промплощадки Чернобыльской АЭС показало возможность опасного развития подтопления с образованием в результате суффозии плывунов песчано-суглинистых пород на границе с фундаментами сооружений.
Славутич — город в Черниговской области, построенный а 1987 г. специально для работников Чернобыльской АЭС. Это современный благоустроенный город с многоэтажными домами. Ведется постоянный контроль за радиационной обстановкой.
Энергодар — город в Запорожской области, расположенный на левом берегу Каховского водохранилища, крупнейший в Украине центр энергетики.
В городе расположены одна из крупнейших в Украине тепловая электростанция мощностью 3,6 млн кВт и самая крупная в Украине атомная электростанция — Запорожская АЭС. Энергодар — современный благоустроенный город, площадь зеленых насаждений здесь занимает 75% городской территории. Ведется постоянный контроль за радиационной обстановкой на
промплощадке АЭС, в жилых кварталах, в пруде-охладителе и в Каховском
водохранилище. На промплощадке АЭС оборудовано хранилище жидких и
твердых радиоактивных отходов. Твердые отходы перед захоронением обрабатываются и прессуются.
Содержание радионуклидов в вентиляционных выбросах и в сбросных
водах, поступающих в пруд-охладитель Запорожской АЭС, значительно ниже
допустимых концентраций.
Промплощадка Запорожской АЭС располагается на прочном кристаллическом щите.
Тепловая электростанция, работающая на угле, оказывает неблагоприятное
воздействие на атмосферный воздух. Подогретые воды ТЭС сбрасываются в
Каховское водохранилище, что способствует развитию синезеленых водорослей.
Кузнецовск (Вараш) — город в Ровенской области, вблизи которого находится Ровенская А Э С . Город расположен на р.Стырь, правом притоке
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
407
р.Припять. Это современный благоустроенный город, площадь зеленых насаждений которого составляет 65% всей территории. На промплощадке АЭС
находится установка по битумизированию твердых радиоактивных отходов,
имеется хранилиш,е твердых и жидких радиоактивных отходов. Ведется постоянный контроль за радиационной обстановкой.
По данным Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины, промплощадка Ровенской АЭС характеризуется
наличием подтопления территории, высоким уровнем техногенной активизации карста в меловых трещиноватых породах и механической суффозией насыщенных водой песков, которые перекрывают меловые породы. Просадки
поверхности потенциально уменьшают прочность объектов АЭС.
Южноукраинск — город в Николаевской области на левом берегу р.Южный
Буг. Здесь расположена Южно-Украинская АЭС. Ведется постоянный радиационный контроль за прудами-охладителями и Ташлыкским водохранилищем. Имеются хранилища радиоактивных отходов.
По данным Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины, место расположения промплощадки Южно-Украинской АЭС отличается сложными инженерно-геологическими и сейсмическими условиями. Промплощадка находится на тектоническом склоне двух
блоков Украинского щита. Наличие в верхней зоне слабопроницаемых покровных суглинков, которые перекрывают кору выветривания, создают условия локального подтопления промплощадки и снижают сейсмостойкость блоков на 1—2 балла.
Нетешин — город в Хмельницкой области на р.Горынь, правом притоке
р.Припять. Здесь находится Хмельницкая АЭС. На АЭС действует установка по упариванию жидких радиоактивных отходов. Солевой остаток (плав)
помещается в хранилище твердых радиоактивных отходов в специальных
контейнерах. Ведется постоянный радиационный контроль воздушного бассейна и пруда-охладителя. Радиационная обстановка в районе Хмельницкой АЭС в пределах нормы.
Тепловая
энергетика
Среди городов Украины, имеющих преимущественно теплоэнергетическую специфику, следует назвать:
Углегорск — город в Донецкой области, где расположена одна из крупнейших в Украине теплоэлектростанция мощностью 3,6 млн кВт;
Комсомольск — город в Харьковской области, где расположена Змиевская
ТЭС мощностью 2 млн кВт;
Бурштын — поселок городского типа в Ивано-Франковской области, где
расположена ТЭС мощностью 2,4 млн кВт;
Новый Свет — поселок городского типа в Донецкой области, где расположена Старобешевская ТЭС мощностью 2,3 млн кВт;
Курахово — город в Донецкой области, где расположена ТЭС мощностью
1,5 млн кВт.
408
Экология городов
Все указанные ТЭС работают на угле, что вызывает специфические экологические проблемы, связанные с сильным загрязнением атмосферного воздуха, удалением и складированием шлака и золы. Кроме того, вследствие
оседания пылегазовых выбросов и выпадения загрязненных атмосферных
осадков, эти электростанции являются источником загрязнения прилегающей территории, в том числе радиоактивного, поскольку многие угли Донбасса имеют повышенное содержание радионуклидов.
Из общего объема пылегазовых выбросов по Украине доля Углегорска
составляет более 4%, на долю Бурштына и Курахово приходится по 3%. Выбросы Змиевской ТЭС составляют порядка 60% от общего объема выбросов
по Харьковской области.
В последнее время твердые отходы ТЭС широко используются в качестве
строительных материалов, однако объемы отходов значительно превосходят
потребности в их использовании.
На ТЭС созданы системы замкнутого водоснабжения с использованием прудов-охладителей. В прудах разводятся теплолюбивые виды рыб — толстолобик и
белый амур, что свидетельствует о чистоте воды в водоемах-охладителях.
Гидроэнергетика
Водохранилища Днепровского каскада гидроэлектростанций — Киевское,
Каневское, Кременчугское, Днепродзержинское, Днепровское и Каховское
построены в 30—70-х годах XX ст. Они обеспечили ежегодное производство
электроэнергии свыше 10 млрд к В т - ч , создали сплошной судоходный путь
по Днепру в пределах Украины, дали возможность обеспечить водой засушливые районы страны. В то же время при создании водохранилищ в прибрежных городах возник целый комплекс экологических проблем. В период
строительства водохранилищ ряд населенных пунктов и часть территорий
городов попали в зону затопления. Некоторые пониженные участки городских территорий были защищены от затопления дамбами. Например, возведенная в Черкассах защитная дамба имеет длину около 11 км. В задамбовом
пространстве постоянно скапливаются дождевые воды, которые откачиваются в Кременчугское водохранилище.
Пониженные места в прибрежных городах попадают в зону подтопления
водохранилищ, характеризующуюся высоким уровнем грунтовых вод, что местами приводит к заболачиванию городской территории. Компенсационной
мерой, предотвращающей катастрофические для подземных коммуникаций,
зданий и сооружений последствия подтопления, являются дренажные системы, эффективность работы которых зависит от правильности проектирования и строительства.
Подтопление вызывает развитие оползневых явлений.
Образование гигантских водохранилищ приводит к активизации тектонических процессов особенно в начальный период аккумулирования воды.
Просадки литосферы бывают столь значительными, что сопоставимы с землетрясениями в несколько баллов. Это усиливает оползневые процессы. Разрушаются подземные коммуникации, дороги, здания и сооружения.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
409
Береговая линия водохранилищ в результате волнового воздействия постоянно подвергается обрушению. В целях предотвращения этого явления в
городах устраиваются мощные берегозащитные сооружения, сопряженные,
как правило, с основаниями набережных.
Изменение гидрологического режима р.Днепр в результате зарегулирования привело к нарушению внутриводоемных процессов, к массовому развитию синезеленых водорослей в теплый период года, ухудшило условия перемешивания и разбавления сбросных вод, превратив водохранилища в гигантские отстойники-накопители сточных вод.
Негативные последствия зарегулирования рек отражаются на экологическом состоянии всех прибрежных городов.
Цементная
промышленность
Цементные заводы являются одним из наиболее опасных источников
загрязнения атмосферного воздуха. Из-за неудовлетворительного состояния
пылеулавливающего оборудования через заводские трубы в воздух выбрасывается до 20% продукции цементных заводов. Цементная пыль оседает на
прилегающей территории, формируя в округе 4—5 км своеобразный ландшафт, толщина цементной корки которого постоянно увеличивается.
По мощности цементных заводов Украина занимает одно из первых мест
в мире. Кроме природного сырья, для производства цемента используется
большое количество металлургических и котельных шлаков, золы и других
отходов производства.
Цементные заводы значительно осложняют экологическую обстановку
Кривого Рога, Днепродзержинска, Краматорска. Кроме того, в Украине
имеется целый ряд населенных пунктов, в которых цементные заводы являются основным местом приложения труда населения. Среди них следует
назвать:
Ольшаны — поселок городского типа в Николаевской области, расположенный на берегу р.Южный Буг. Здесь находится один из крупнейших в
Украине цементных заводов.
Балаклея — город в Харьковской области на левом берегу р.Северский
Донец. В городе расположены крупный цементно-шиферный и домостроительный комбинаты, строительных материалов и асфальтобетонный заводы.
Эти предприятия, на которых практически отсутствуют средства охраны воздушного бассейна, являются источником загрязнения атмосферного воздуха.
Территория вокруг цементно-шиферного комбината в радиусе 5 км покрыта
белесым слоем гидратированного цемента. Экологическая обстановка скрашивается наличием зеленых насаждений (до 30% территории города), рек
(Балаклейка с притоками и Ляховка), озер (Лиман, Дякуново, Жуково, Белое, Тишковое).
Здолбунов — город в Ровенской области на берегу р.Усте, притоке Горыни, относящейся к бассейну Днепра. В городе — крупный цементно-шиферный комбинат, заводы железобетонных конструкций и пластмассовых изде-
410
Экология городов
лий, предприятия машиностроения и металлообработки. На р.Усте построено Старомыльское водохранилище, на р.Шведке, притоке Усты, — несколько прудов. Площадь водных пространств составляет около 40 га. Зеленые
насаждения занимают свыше 40% территории города.
Николаев — город во Львовской области. Здесь находится крупное предприятие по производству цемента — цементно-горный комбинат и комбинат
стройконструкций. Площадь зеленых насаждений составляет чуть более 20%
городской территории.
9.4. Города, пострадавшие от катастрофы
на Чернобыльской АЭС
В результате катастрофы на 4-м блоке Чернобыльской АЭС, которая произошла 26 апреля 1986 г., в окружающую среду было выброшено более
300 МКи радионуклидов, что сопоставимо со взрывом порядка 400 атомных
бомб, одна из которых 6 августа 1945 г. была сброшена на японский город
Хиросиму. Радиоактивному загрязнению подверглось около 50 тыс. кв. км
территории Украины, где проживало более 2,4 млн жителей в 2218 населенных пунктах. Наибольшему загрязнению подвергся район расположения Чернобыльской АЭС. Далее радиоактивное загрязнение распространялось по территории Украины в зависимости от направления и скорости ветра в тот период, выпадения атмосферных осадков, особенностей ландшафтно-климатических условий местности. В соответствии с уровнем радиоактивного загрязнения пострадавшая от аварии территория Украины подразделяется на 4
категории (табл. 9.1).
Наблюдения за радиационной обстановкой на территории Украины
показывают, что за 10 лет после катастрофы на Чернобыльской АЭС в
результате природных процессов и принятых мер по дезактивации территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению, произошло многократное снижение радиоактивности. Так, радиоактивность аэрозолей атмосферного воздуха в Чернобыле снизилась по суммарной (3-активности в
60—80 раз и составила в 1995 г. 10 — 1 0 Б к / м . На остальной загрязненной территории среднегодовая суммарная р-активность в атмосферном
воздухе снизилась в 10—40 раз. В водах р.Припять в створе Чернобыля
среднегодовая концентрация Cs-137 снизилась за 10 лет с момента аварии
в 220 раз, Sr-90 — в 6 раз. Наблюдается частичное перераспределение радионуклидов из почвенного слоя в подземные водоносные горизонты и по
каскаду днепровских водохранилищ. Приближение к природному фону по
суммарной радиоактивности прогнозируется в загрязненных районах через 70—80 лет после аварии. Долгоживущие радионуклиды будут поддерживать повышенный уровень радиоактивности территории в течение нескольких столетий.
5
4
3
Таблица 9.1. Характеристика зон радиоактивного загрязнения
Категория зон
радиоактивного
загрязнения
Численность
Число
Критерии установления
населенных населения
границ зон радиоактивного пунктов в
зоны,
загрязнения
зоне
тыс.чел.
1. Зона отчуж- Территория, из которой
проведена эвакуация наседения
ления в 1986 г.
2. Зона безусловного
(обязательного) отселения
oCs > 555 кБк • м ,
oSr > 111 кБк • м- ,
oPu > 3,7 кБк • м ,
где Dg,,, > 5 мЗв-год-'
3. Зона
гарантированного добровольного
отселения
185 < oCs < 555 кБк • м
5,5 < o S r < 111 к Б к - м ,
0,37 < oPu < 3,7 кБк-м" ,
где D > 1 мЗв • год"
4. Зона усиленного
экологического контроля
37 < oCs < 185 к Б к - м ,
0,74 < o S r < 5,5 к Б к - м ,
0,185 < оРи < 0,37 к Б к - м ,
где D ^ > 0,5 мЗв • год
76
91,2
Правовой режим
территории зоны
Основные города,
включенные в зону
радиоактивного
загрязнения
В пределах зоны запрещается: Припять,
• постоянное проживание; Чернобыль
• деятельность с целью получения товарной продукции;
• транзитный проезд всех видов транспорта
Те же, что и в пределах пер- Народичи
Житомирской обл.
вой зоны
2
2
- 2
96
30
2
2
2
889
1
3
0
716
2
2
2
- 1
1 353
1 841
Запрещается строительство Узин и Вышгород Киновых и расширение действу- евской обл.; Овруч и
Малин Житомирской
ющих предприятий
обл., Д у б р о в и ц а и
Кузнецовск Ровенской обл.; Ладыжин
Винницкой обл.; Канев Черкасской обл.
Запрещается строительство
новых и расширение действующих предприятий, которые
оказывают вредное воздействие на здоровье населения
и окружающую среду.
Запрещается строительство
санаториев и домов отдыха
Чернигов, Нежин, Остер и Прилуки Черниговской обл.; Белая
Церковь Киевской
обл.; Сарны Ровенской
обл.; Жанжов Винницкой обл.; Черкассы и
Умань Черкасской обл.
oCs, oSr, oPu — плотность загрязнения почв территории изотопами соответственно цезия, стронция, плутония;
D — эффективная расчетная доза, которую население получило дополнительно в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС.
3 ( t )
412
Экология городов
9.5. Города с относительно благополучной
экологической обстановкой
Отнесение городов к этой категории является весьма условным. В любом
городе существуют или возникают те или иные ситуации, которые могут быть
определены как экологически неблагополучные.
Тем не менее в Украине можно выделить целый ряд крупных городов,
промышленный потенциал которых не столь значителен, а средства защиты
окружающей природной среды позволяют сдерживать нагрузку на воздушный бассейн и водные объекты в пределах их самоочищающей способности.
Рассмотрим экологическую обстановку в некоторых из таких городов.
Симферополь — административный центр Автономной Республики Крым.
Город расположен в долине между внутренними и внешними отрогами Крымских гор, что создает хорошие условия для проветривания территории. Протекающая через город р.Салгир упорядочена и в пределах расположенного в центре города парка является прекрасным местом отдыха. Сам парк является памятником садово-паркового искусства. Площадь зеленых насаждений занимает
около четверти городской территории. На западной окраине расположено Симферопольское водохранилище, предназначенное для водоснабжения Симферополя и прилегающих населенных пунктов. Площадь зеркала — 323 га, полный объем — 36 млн м . Вода в водохранилище слабоминерализованная (до
350 мг/л). Наблюдается рост концентрации соединений азота и фосфора, а
также органических соединений. В летний период происходит "цветение" воды
в результате развития диатомовых и синезеленых водорослей.
3
Симферополь — значительный промышленный центр. Здесь сосредоточено несколько десятков предприятий, в том числе электронной промышленности, машиностроения и металлообработки, легкой и пищевой промышленности. Работа предприятий не оказывает серьезного воздействия на состояние атмосферного воздуха. До 90% загрязняющих веществ поступает в
воздушный бассейн города от транзитного автотранспорта, устремляющегося
с началом курортного сезона на Южный берег Крыма. Эксплуатация троллейбусной линии Симферополь — Алушта — Ялта во многом способствует
снижению загрязненности атмосферного воздуха в Симферополе и курортах
Черноморского побережья.
Полтава — один из старейших городов Украины, в летописи упоминается с 1174 года. Город расположен по обоим берегам р.Ворсклы, которая может быть отнесена к категории слабозагрязненных рек.
Полтава является одним из значительных промышленных центров Украины. В структуре производства преобладает машиностроение и металлообработка, а также пищевая и легкая промышленность. В ^ороде нет крупных
промышленных источников загрязнения атмосферного воздуха. Предприятия рассредоточены на сравнительно большой территории города.
В Полтаве преобладает одно- и двухэтажная застройка. Более трети территории города занимают зеленые насаждения, имеется 8 парков — памятни-
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
413
ков садово-паркового искусства. Полтава является одним из привлекательных туристских центров.
Хмельницкий расположен в верхнем течении р.Южный Буг в месте впадения правобережногр притока р.Плоской. В городе находится около 40 предприятий по выпуску главным образом электронной, радиотехнической, приборостроительной и станкостроительной продукции, развиты легкая и пищевая отрасли, деревообработка и промышленность строительных материалов,
имеются литейно-механический и химический заводы. Предприятия сравнительно небольшой мощности рассредоточены по территории города и не оказывают серьезного воздействия на воздушный бассейн.
Река Южный Буг находится в удовлетворительном состоянии.
Зеленые насаждения занимают около трети территории города, имеется
два парка — памятника садово-паркового искусства.
Ужгород — центр Закарпатской области, западные ворота Украины. Город расположен по обоим берегам р.Уж, относящейся к бассейну Дуная. Качество воды в р.Уж удовлетворительное.
Ужгород — крупный промышленный центр. Здесь получили развитие приборо- и станкостроение, деревообработка, легкая и пищевая промышленность,
предприятия народных промыслов. Среди предприятий отсутствуют гиганты,
оказывающие сверхнормативные воздействия на атмосферный воздух.
Зеленые насаждения занимают почти половину городской территории,
имеются ботанический сад и парк — памятник садово-паркового искусства,
многочисленные скверы. Зеленые массивы тянутся по обоим берегам р.Уж.
Ужгород — один из важных туристских центров Украины.
Мелитополь — город в Запорожской области, расположенный в Причерноморской низменности на правом берегу р.Молочной, впадающей в Азовское море. Качество воды в реке определяется как удовлетворительное, наблюдаются повышенные концентрации соединений азота и фосфора, а также
повышенная природная минерализация.
Мелитополь — многоотраслевой индустриальный центр. Здесь сосредоточены предприятия, входящие в систему производственного объединения
"АвтоЗАЗ", такие как моторный завод, "Автогидроагрегат", "Автоцветмет",
ряд других предприятий машиностроения и металлообработки. Имеются предприятия пищевой, легкой и деревообрабатывающей промышленности. Несмотря на значительный промышленный потенциал, в городе удается сохранить относительно благополучную экологическую обстановку.
Почти половину территории города занимают зеленые насаждения, имеются три парка — памятника садово-паркового искусства.
Тячев — город в Закарпатской области, расположенный на правом берегу
р.Тисы в месте впадения р.Тячевец. Имеются предприятия пищевой промышленности, стройматериалов и народных промыслов. Типичный малый
город с благоприятной экологической обстановкой. При разливах Тисы территория города частично подвергается затоплению.
414
Экология городов
9.6. Города-курорты и туристские центры
Курорты подразделяются на климатические, бальнеологические и грязевые. Нередко на климатических курортах организуется бальнеогрязевое лечение с помощью привозных материалов. Климатические курорты подразделяются на морские и горные.
Ялта является самым крупным в Украине климатическим курортом. Лечебным фактором служит субтропический климат средиземноморского типа.
Средняя температура июля +23,7° С, среднегодовое количество осадков —
653 мм, число часов солнечного сияния — 2250 в год.
Площадь зеленых насаждений занимает до 90% территории города. В Ялте
имеется 30 санаторно-курортных учреждений.
Одновременно Ялта является важным туристским центром.
Промышленные предприятия Ялты специализированы на обслуживании
отдыхающих.
Экологические проблемы Ялты связаны с размещением пассажирского
порта непосредственно в районе пляжей, плохой очисткой хозяйственно-бытовых сточных вод города, сбрасываемых по глубоководному коллектору в
море. Малые реки Учансу и Дерекойка, пересекающие весь город, выносят в
море в районе пляжей большое количество нефтепродуктов, взвешенных и
органических веществ, смываемых с городской территории.
Высокая рекреационная нагрузка на Ялтинское побережье в период курортного сезона, вызванная большим наплывом организованных и, главным
образом, неорганизованных отдыхающих, вызывает дополнительное загрязнение морской среды. Микробное загрязнение прибрежной полосы моря
нередко является причиной закрытия пляжей в летний период.
Крымский хребет, защищающий Южный берег Крыма от проникновения холодных ветров с севера, ухудшает условия проветривания. Отработанные газы автомобильного и морского транспорта скапливаются в воздушном
пространстве города. Летом при длительной штилевой погоде возникают явления, близкие к фотохимическому смогу.
К числу экологических проблем Ялты следует отнести также постоянную
нехватку питьевой воды и оползнеобразование.
Ялта является центром Ялтинского рекреационного района (Большая
Ялта), в который входят Алупка, Гаспра, Гурзуф, Кореиз, Ливадия, Мисхор,
Ореанда, Симеиз, Форос. Хотя города-курорты, входящие в состав Ялтинского
рекреационного района, существенно уступают самой Ялте по уровню инфраструктуры, экологическая обстановка в них гораздо благоприятнее. В связи с
ограниченностью местного жилого фонда и отсутствием крупных гостиничных комплексов рекреационная нагрузка на побережье здесь значительно ниже.
Более высокая чистота прибрежной полосы моря обеспечивается отсутствием крупных портовых сооружений, рассредоточенностью выпусков и сравнительно небольшому объему сброса сточных вод. Весь транзитный автотранспорт направляется по так называемой "верхней" дороге, отстоящей от побережья на несколько километров.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
415
Серьезную обеспокоенность вызывает намечаемое развитие добычи газа
на шельфе в районе Симеиза. Разведанные здесь запасы газоконденсатного
сырья являются для энергоснабжения Крыма весьма привлекательными.
Экологически безопасная морская добыча газа и нефти технически вполне
достижима. Примером могут служить районы добычи углеводородного сырья
в Северном море на шельфе Великобритании и Норвегии, в Каспийском
море в нефтегазодобывающем управлении им.Серебровского в районе Баку.
Однако есть и обратные примеры, скажем, в Северном Каспии в районе Астрахани. Здесь интенсивному загрязнению подвергается как морская среда,
так и побережье, где в отвалы складываются сера и сернистые соединения,
извлекаемые при очистке добываемого газового конденсата.
В целом же лечебно-оздоровительный потенциал Ялтинского рекреационного района используется весьма незначительно. Его пропускная способность могла бы быть многократно увеличена при условии развития современной инфраструктуры, особенно в части обустройства пляжей, благоустройства прилегающей т е р р и т о р и и , создании э ф ф е к т и в н о р а б о т а ю щ и х
сооружений по очистке сточных вод достаточной мощности.
Евпатория — крупнейший бальнеологический и климатический курорт
Украины, преимущественно детский, расположен на западном берегу Крымского полуострова в Евпаторийской бухте Каламитского залива. Основные
лечебные факторы:
• грязи, которые в виде мощного слоя донных отложений толщиной до 12 м
сосредоточены в 14 евпаторийских озерах, наибольшие из которых Сасык, Сакское, Кизыл, Ойбурзское, Мойнацкое;
• термальные и холодные минеральные воды с содержанием солей 2—10 г/л;
• сухой южно-степной климат с числом часов солнечного сияния 2011 в год,
годовым количеством осадков 358 мм, средней температурой июля +23,2° С.
Почти половину территории города занимают зеленые насаждения.
Евпатория вместе с городом-курортом Саки бальнеогрязевого профиля
образуют Евпаторийский рекреационный район. В Саках число часов солнечного сияния составляет 2500 в год.
Существенным источником загрязнения окружающей природной среды
является химический завод в Саках. Производство вредных веществ на заводе постепенно сокращается. Намечается прекращение деятельности завода,
оказывающего неблагоприятное воздействие на атмосферный воздух и негативно влияющего на водно-солевой режим Сакского озера.
Отсутствие значительного транзитного потока автотранспорта и крупных
портовых сооружений благоприятно сказывается на состоянии воздушного
бассейна Евпаторийского рекреационного района. Район испытывает постоянную нехватку пресной воды. Около 30% территории городов Евпатории и
Саки занято зелеными насаждениями. Имеются парки — памятники садовопаркового искусства.
Трускавец — город во Львовской области, знаменитый бальнеологический курорт. Основные лечебные факторы: минеральная вода " Н а ф т у с я " и
416
Экология городов
озокерит. Число часов солнечного сияния — 2000 в год, годовое количество
осадков — до 750 мм, средняя температура июля +18,5° С. Более половины
территории города занимают зеленые насаждения. Имеется парк — памятник
садово-паркового искусства. В городе прекрасная экологическая обстановка.
Принимаются меры по локализации самоизливающихся источников минеральной воды "Нафтуся" с целью сохранения ее запасов.
Миргород — город в Полтавской области, известный бальнеогрязевой курорт.
Основные лечебные факторы: минеральные воды и торфяная грязь. Число часов
солнечного сияния — 1900 в год, годовое количество осадков — 502 мм, средняя
температура июля +20,2° С. В городе действует 7 санаториев. Имеются предприятия стройиндустрии и пищевой промышленности. Экологическая обстановка в
городе благоприятная. Зеленые насаждения занимают более 25% территории города. С юга и юго-запада город окружают обширные массивы лиственных лесов.
Хмельник — город в Винницкой области, бальнеогрязевой курорт с уникальными лечебными факторами: радоновые, углекислые, гидрокарбонатные и магниево-кальциевые минеральные воды, торфяные грязи. Климат умеренно-континентальный с теплой зимой и нежарким летом. Средняя температура июля + 19°С,
годовое количество осадков — 540 мм. Площадь зеленых насаждений занимает
более половины территории города. Имеется два парка — памятника садово-паркового искусства. Город окружен обширным массивом лиственного леса. Через
территорию города протекает р.Южный Буг. Качество воды в реке хорошее. Промышленные предприятия: заводы сельхозмашиностроения, авторемонтный, асфальтовый, предприятия пищевой, легкой и деревообрабатывающей промышленности, народных промыслов — отделены от курортной зоны и заметного влияния на экологическое состояние городской среды не оказывают. Серьезно осложняют экологическую обстановку две автомагистрали, пересекающие город.
Среди известных климатических курортов Украины следует
Яремчу и Ворохту в Ивано-Франковской области, расположенные
р.Прут в зоне хвойных и буковых лесов. Курорты функционируют
дично, характеризуются прекрасной экологической обстановкой,
центрами горного туризма.
отметить
на берегу
круглогоявляются
Международный туризм, который во всем мире является одним из существенных источников валютных поступлений, в Украине развит сравнительно
слабо. Основные причины такого положения: практически повсеместно плохое состояние дорожных покрытий, низкий уровень гостиничного и транспортного обслуживания при довольно высоких ценах на туристские услуги, а
также неблагоприятная экологическая обстановка в ряде туристских центров.
Среди туристских центров Украины следует назвать прежде всего Львов
— один из крупнейших городов Украины, центральная часть которого в
1998 г. решением ЮНЕСКО занесена в список Всемирного историко-культурного наследия.
Львов — крупный промышленный центр. Здесь развиты предприятия автомобилестроения, приборостроения, станкостроения, электронной, химической, нефтехимической, деревообрабатывающей, легкой и пищевой промышленности. Несмотря на высокий промышленный потенциал, в городе
сохраняется благоприятная экологическая обстановка.
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины
417
Площадь зеленых насаждений занимает около трети всей территории. В
городе 11 парков — памятников садово-паркового искусства, ботанический
сад университета, много скверов. Город окаймляют мощные лесные массивы, где преобладают бук, дуб, граб, ясень, сосна, береза. В городе создан ряд
искусственных водоемов.
К числу экологических проблем Львова, требующих безотлагательного
решения, следует отнести проведение реконструкции городской канализационной сети и расширения общегородских очистных сооружений.
Среди туристских центров Украины, привлекательность которых существенно снизилась из-за ряда серьезных экологических проблем, следует назвать:
Черновцы — город с многочисленными историческими и архитектурными
памятниками, расположенный по обоим берегам р.Прут. Площадь зеленых
насаждений занимает около трети всей территории. В городе 8 парков —
памятников садово-паркового искусства, ботанический сад и дендрарий университета, много скверов.
В Черновцах в течение ряда лет наблюдались вспышки сопровождавшегося сильным облысением детей заболевания, вызванного неустановленным
официально фактором экологического характера.
Для Черновцов характерны оползневые явления и карстообразование.
Луцк — центр Волынской области, один из старейших городов Украины.
Первое упоминание относится к 1085 г. Город расположен на обоих берегах
р.Стырь, относящейся к бассейну Днепра. До 40% территории города занимают зеленые насаждения.
В сравнительно небольшом по площади городе сосредоточено много промышленных предприятий машиностроения и металлообработки, химической,
легкой и пищевой промышленности, производства стройматериалов. Предприятия не оснащены надежными пыле-газоулавливающими установками. В
городе сравнительно высокая загрязненность атмосферного воздуха. Имеет
место загрязнение подземных вод нефтепродуктами в результате утечек и разливов топлива на военной авиабазе в районе Луцка.
Каменец-Подольский — город в Хмельницкой области, один из старейших
городов Украины. Первые упоминания относятся к 1062 г. Старый город,
окруженный крепостной стеной, объявлен в 1998 г. Национальным историко-архитектурным заповедником. В городе — ботанический сад и парк —
памятник садово-паркового искусства. Площадь зеленый насаждений занимает около трети всей территории.
Серьезные экологические проблемы в городе связаны с работой одного
из крупнейших в Украине цементных заводов, а также с предприятиями машиностроения, металлообработки, легкой, деревообрабатывающей и пищевой промышленности, производством стройматериалов.
Бахчисарай — город в Автономной Республике Крым, где имеются всемирно известные памятники архитектуры: ханский дворец (XVI—XVIII ст.),
мавзолей и медресе (XIV—XVIII ст.), фонтан слез (1762 г.) и др. В окрестностях — развалины средневекового пещерного города Чуфут-Кале.
Экология городов
418
Привлекательность Бахчисарая как туристского центра значительно снижается из-за наличия в городе крупного цементного завода.
Чернигов — старейший город Украины, основанный в VII веке, первое
упоминание в летописи в 907 г. Старая часть города объявлена историкоархитектурным заповедником. Город расположен на берегах р.Десна, левобережном притоке Днепра. Вода в реке относительно чистая. Предприятия легкой, машиностроительной, электронной, пищевой и химической промышленности не оказывают существенного воздействия на природную среду города.
Туристская привлекательность Чернигова резко снизилась после катастрофы на Чернобыльской АЭС, так как город попадает в зону усиленного
экологического контроля.
Умань — город в Черкасской области, расположенный на р.Уманке, относящейся к бассейну Южного Буга. В окрестностях Умани расположен дендропарк "Софиевка" — туристский объект национального значения. Умань и
Уманский район также включены в зону усиленного экологического контроля в связи с катастрофой на Чернобыльской АЭС, что существенно снизило
привлекательность этого туристского объекта.
Контрольные
вопросы
1.
Факторы,
влияющие на
формирование экологической
1.
Основные
экологические
проблемы
3. Экологическая
обстановка
4. Экологические проблемы
5. Экологические
в
городов
проблемы
городов
6. Влияние
объектов энергетики
7. Города,
пострадавшие от
8. Пути решения
9. Города
10.
с
крупных
крупных
на
—
промышленных
портовых
городах
—
центров
состояние
катастрофы на
относительно
благополучной
экологической
основных
среды
промышленности.
городов.
Чернобыльской АЭС.
проблем
в
промышленности.
металлургической
природной
экологических
среды
центров.
Украины.
центров горнодобывающей
основных
Состояние природной
рах Украины.
обстановки в городах.
городов.
курортных
обстановкой.
городах
и
туристских
цент-
Рекомендуемая
литература
Географ1чна енциклопед1я Украши. В 3-х томах. — К.: Украшська енциклопед1я. — Т.1,
1989. - 4 1 4 е.; Т.2, 1990. - 479 е.; Т.З, 1993. - 479 с.
Десять роюв шеля аварп на Чорнобильськш АБС. Нацюнальна доповщь Украши.
1996 piK. — К.: Мшчорнобиль УкраУни. 1996. — 197 с.
Ковтун В.В., Степаненко А.В. Города Украины: Экономико-географический справочник. — К: Вища шк., 1990. — 279 с.
Нацюнальна доповщь про стан навколишнього природного сфедовища в Украип.
1996. — К.: Видавн. Раевського, 1998. — 96 с.
Нацюнальна доповщь про стан навколишнього природного середовища в Укра'пй.
1993. — К.: Мшекобезпеки УкраУни. 1994. — 298 с.
Охорона навколишнього природного середовища в Укра'пй. 1994-1995. — К.: Видавн.
Раевського, 1997. — 95 с.
Раздел 10
УПРАВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТЬЮ ГОРОДА
Экологическая безопасность города наряду с эффективным функционированием средств защиты окружающей природной среды, основные элементы которых рассмотрены в предыдущих разделах, обеспечивается правовыми, организационными, экономическими и социальными факторами.
10.1. Правовые основы управления
Основными законодательными актами, направленными на обеспечение
экологической безопасности, являются:
"Закон Украины об охране окружающей природной среды"; принятый
25.06.1991 г., с изменениями и дополнениями от 5.05.1993 г., 6.03 1996 г.,
19.11.1997 г., 5.03.1998 г.;
"Закон Украины об охране атмосферного воздуха"; принятый 16.10.1992 г.,
с изменениями от 28.02.1995 г.;
"Водный кодекс Украины"; принятый 6.06.1995 г.;
"Земельный кодекс Украины"; принятый 18.12.1990 г., с изменениями и
дополнениями от 13.03. и 26.12.1992 г., 5.05.1993 г.;
"Кодекс Украины о недрах"; принятый 27.07.1994 г.;
"Лесной кодекс Украины"; принятый 21.01.1994 г.
"Закон Украины об охране окружающей природной среды "является основополагающим законодательным актом, регулирующим отношения в области охраны, использования и воспроизводства возобновляемых природных ресурсов, обеспечения экологической безопасности, предотвращения
и ликвидации последствий воздействия хозяйственной и другой деятельности на природную среду.
Закон регламентирует приоритетность требований экологической безопасности во всех видах деятельности, гарантируя тем самым экологически
благоприятные условия для жизни и здоровья людей. Это обеспечивается
упреждающим характером мер по охране окружающей природной среды, экологизацией материального производства на основе научно обоснованного
компромиса экологических, экономических и социальных интересов общества, широкого внедрения новейших технологий и комплексного решения
вопросов охраны окружающей природной среды.
Закон регламентирует наиболее общие правовые вопросы природопользования. Более конкретно вопросы охраны и использования земельных, водных, лесных ресурсов, недр, атмосферного воздуха, включая вопросы, прису14*
420
Экология городов
щие экологическим проблемам города, регламентированы другими, рассматриваемыми далее, законодательными актами.
Закон определяет действия (или бездействия), которые относятся к правонарушениям в области природопользования. Квалификация состава экологических правонарушений и преступлений, порядок привлечения виновных к административной и уголовной ответственности за их совершение регламентированы "Кодексом Украины об административных правонарушениях"
и "Уголовным кодексом Украины". Надзор за соблюдением природоохранного законодательства осуществляет городская экологическая прокуратура.
"Закон Украины об охране атмосферного воздуха" из всех природоохранных
законодательных актов в наибольшей мере затрагивает правовое регулирование сугубо городских проблем, так как источники воздействия на воздушное
пространство расположены преимущественно в пределах границ города.
Законом установлены единые для Украины нормативы экологической безопасности атмосферного воздуха, к которым относятся предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и
предельно допустимые уровни акустического, электромагнитного, ионизирующего и других видов вредного физического и биологического воздействия
на атмосферный воздух. Предусматривается возможность установления более жестких экологических нормативов для атмосферного воздуха курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных и других районов, где предъявляются повышенные требования к качеству воздушной среды.
В целях ограничения влияния на атмосферный воздух предприятий и
других объектов для каждого стационарного источника выбросов или вредного воздействия должны устанавливаться нормативы предельно допустимых
выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в воздушный бассейн и предельно
допустимых вредных физических и биологических воздействий. Определен
порядок разработки и утверждения этих нормативов.
Для транспортных средств устанавливаются нормативы содержания загрязняющих веществ в отработанных газах и вредных физических воздействий (шум, вибрация и др.).
Установлены также предельные технологические нормативы образования
загрязняющих веществ, которые отводятся в атмосферный воздух, при эксплуатации технологического оборудования, отдельных сооружений и объектов в зависимости от времени их ввода в эксплуатацию, наличия новых научно-технических разработок и экономической целесообразности. Определен
порядок разработки и утверждения этих нормативов.
Предприятия и другие объекты, оказывающие влияние на атмосферный
воздух, могут осуществлять свою деятельность только на основании разрешений, в которых указываются допустимые объемы выбросов загрязняющих
веществ (г/с или т/год) для каждого стационарного источника, а также уровни вредных физических воздействий. Соблюдение установленных нормативов обеспечивается наличием и эффективной эксплуатацией воздухоохранного оборудования. На предприятиях должны быть предусмотрены меры по
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
421
*
предотвращению чрезвычайных экологических ситуаций при авариях и неблагоприятных метеоусловиях (длительный штиль, туман).
Выполнение требований по охране атмосферного воздуха не должно приводить к загрязнению почвенного покрова, вод и других природных объектов.
Предусматриваются меры по снижению токсичности и обезвреживанию
отработанных газов автомобилей и других транспортных средств, переводу
транспорта на менее вредные виды энергии и топлива, ограничению въезда
автотранспорта в жилые зоны, места отдыха и туризма.
Предусматривается рациональная планировка и застройка жилых кварталов с соблюдением необходимого удаления их от транспортных магистралей,
устройство объездных дорог для грузового транзитного транспорта.
Запрещено производство и эксплуатация транспортных средств, у которых превышаются установленные нормативы содержания загрязняющих веществ в отработанных газах и уровни вредного физического воздействия.
В целях предотвращения и снижения шума и вибрации предусматривается
улучшение конструкций транспортных средств и условий их эксплуатации,
содержание в надлежащем состоянии трамвайных и железнодорожных путей,
автомобильных дорог и дорожных покрытий, организация в пределах городской черты рациональных схем и режимов движения железнодорожного, воздушного, водного и автомобильного транспорта.
В соответствии с законом граждане обязаны соблюдать требования по
предотвращению шума во дворах, на улицах, в зонах отдыха и других общественных местах.
Законом допускается искусственное воздействие на атмосферу с целью
изменения атмосферных явлений, например, установление на определенный
период ясной безоблачной погоды или намеренное выпадение дождя, града.
Такая деятельность может осуществляться только с разрешения Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины по согласованию с местными органами власти.
Размещение и развитие городов и других населенных пунктов должно
осуществляться с учетом экологической емкости территорий и соблюдением требований по охране атмосферного воздуха. Первым шагом к реализации этого положения является разработка для всего города сводных нормативов ПДВ. При этом для отдельных предприятий могут быть установлены
более жесткие нормативы ПДВ, чем при индивидуальном подходе. Такие
предприятия должны разработать и внедрить дополнительные меры по охране атмосферного воздуха, чтобы обеспечить соблюдение установленных
нормативов. Эти меры могут предусматривать установку новых воздухоочистительных устройств, изменение технологических процессов вплоть до полного перепрофилирования производства. В противном случае деятельность
таких предприятий может быть приостановлена и решен вопрос об их переносе за городскую черту.
Проектирование и введение в эксплуатацию новых или реконструируемых предприятий, усовершенствование существующих или внедрение новых
422
Экология городов
технологических процессов и оборудования может производиться только при
обязательном соблюдении норм экологической безопасности, учета суммарного воздействия выбросов загрязняющих веществ на атмосферный воздух и
вредного влияния физических и биологических факторов от всех действующих и планируемых к строительству объектов. При этом учитывается накопление загрязнений в атмосфере, трансграничный перенос загрязняющих веществ и природно-климатические особенности местности.
В соответствии с классом экологической опасности предприятия вокруг
него устанавливается санитарно-защитная зона. Из пределов санитарно-защитной зоны должны быть отселены жители и выведены объекты социального назначения. Вопросы финансирования этих мероприятий и сроки их
реализации решаются предприятиями и местными органами власти.
К правонарушениям в области охраны атмосферного воздуха в городской
среде относят:
• нарушение прав граждан на экологически безопасное состояние атмосферного воздуха;
• превышение лимитов выбросов загрязняющих веществ и нормативов ПДВ;
• превышение нормативов предельно допустимых уровней вредного воздействия физических и биологических факторов;
• осуществление незаконной деятельности, негативно влияющей на погоду и климат;
• эксплуатация транспортных средств, технологического оборудования и
других объектов, которые не отвечают установленным требованиям по
охране атмосферного воздуха;
• отказ от выдачи своевременной, полной и достоверной информации о
состоянии атмосферного воздуха, источников загрязнения, а также сокрытие или искажение сведений об экологической обстановке, сложившейся в результате загрязнения атмосферного воздуха.
В соответствии с международными соглашениями, к которым присоединилась Украина, предприятия и другие объекты должны сократить и в дальнейшем полностью прекратить производство и использование химических
веществ, оказывающих вредное воздействие на озоновый слой атмосферы,
сократить выбросы диоксида углерода и других веществ, накопление которых
в атмосфере может привести к негативному изменению климата, сократить
выбросы сернистых и других кислотообразующих газов, наличие которых в
атмосферном воздухе приводит к выпадению кислотных дождей.
"Водный кодекс Украины", регулируя в правовом отношении вопросы водопользования, в частности городскими водными объектами, устанавливает
следующие нормативы в области использования и охраны вод.
Нормативы экологической безопасности водопользования установлены для
оценки возможностей использования воды из водных объектов для нужд населения и отраслей экономики. К ним относятся предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ, включая радиоактивные, в воде водных объектов,
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
423
используемых для удовлетворения питьевых, хозяйственно-бытовых и иных
нужд населения, и ПДК веществ для воды водных объектов, используемых
для рыбохозяйственных целей. В случае необходимости для вод водных объектов, используемых для курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных
и иных целей, могут устанавливаться более строгие нормативы экологической безопасности водопользования.
Для оценки экологического благополучия водных объектов и определения
комплекса водоохранных мер установлен экологический норматив качества воды
водных объектов, включающий общефизические, биологические, химические и
радиационные показатели и допустимые концентрации загрязняющих веществ.
С целью поэтапного достижения экологического норматива качества воды
водных объектов установлены нормативы предельно допустимого сброса (ПДС)
загрязняющих веществ.
Для оценки экологической безопасности производства установлены
отраслевые технологические нормативы образования веществ, сбрасываемых в
водные объекты. Они содержат ПДК веществ в сточных водах, которые образуются в процессе производства одного вида продукции при использовании
одного и того же сырья.
Для оценки и обеспечения рационального использования воды в отраслях экономики устанавливаются экологические нормативы использования воды.
Предусмотрены два уровня технологических нормативов:
для существующего уровня технологий — текущие;
на уровне достижений передовых технологий — перспективные.
"Водным кодексом Украины" установлен статус общего и специального
водопользования.
Общее зодопользование осуществляется гражданами для забора воды из
водных объектов без применения сооружений или технических устройств,
купания, плавания на лодках, любительского и спортивного рыболовства. В
целях охраны жизни и здоровья граждан, охраны окружающей природной
среды местные органы власти могут на отдельных водных объектах или их
участках ограничить или запретить общее водопользование.
Специальное водопользование — это забор воды из водных объектов с
применением сооружений и технических устройств или сброс в них сточных
(возвратных) вод. Приоритетом специального водопользования является удовлетворение питьевых, хозяйственно-бытовых, лечебных, оздоровительных и
иных нужд населения. Специальным водопользованием обеспечиваются промышленные, транспортные, энергетические и другие потребности города.
Для централизованного водоснабжения населения используются водные
объекты, качество воды которых соответствует нормативам экологической
безопасности водопользования. Организации, осуществляющие централизованное водоснабжение, постоянно контролируют качество воды в водном
объекте и в водопроводе. Согласно законодательству граждане вправе требовать от этих организаций сведения о качестве питьевой воды.
424
Экология городов
Качество воды водных объектов, используемых населением для нецентрализованного водоснабжения, должно отвечать требованиям стандарта
на питьевую воду.
Подземные воды питьевого качества должны использоваться преимущественно для водоснабжения населения и пищевой промышленности.
Места использования водных объектов в оздоровительных, рекреационных и спортивных целях устанавливаются местными органами власти.
Водные объекты, отнесенные к категории лечебных, используются исключительно в лечебно-оздоровительных целях.
Промышленные предприятия должны сокращать объемы использования воды
путем создания систем последовательного, оборотного и замкнутого (бессточного) водоснабжения, совершенствования технологических процессов производства, очистки сточных вод в соответствии с установленными нормативами ПДС.
Предприятия обязаны принимать меры по прекращению сброса сточных
вод, которые могут быть использованы в системах оборотного и последовательного водоснабжения, содержат ценные вещества, подлежащие изъятию,
а также возбудителей инфекционных заболеваний.
Запрещен сброс в водные объекты сточных вод с превышением нормативов ПДС, вод, содержащих вещества, для которых не установлены ПДК, подогретых вод, которые могут привести к повышению температуры воды водного объекта в летний период более, чем на 3° С. Запрещается сброс в водные
объекты, на поверхность их ледового покрова, а также в пределах площади
водосбора бытовых и производственных отходов.
Не допускается ввод в эксплуатацию предприятий и других объектов без
очистных сооружений, обеспечивающих очистку сточных вод в соответствии
с нормативами ПДС.
Все суда и другие плавучие средства морского и речного судоходства должны быть оборудованы емкостями для сбора загрязненных вод, бытовых отходов и мусора. Жидкие и твердые отходы с судов передаются в портах на
специальные очистные сооружения.
Заход судов, необорудованных средствами защиты морской среды, в морские порты Украины запрещен.
В местах стоянок маломерного флота должны приниматься все необходимые меры по предотвращению нефтяного загрязнения водных объектов.
В целях охраны поверхностных водных объектов от загрязнения, засорения и истощения вдоль береговой линии устанавливаются водоохранные зоны,
внешние границы которых определяются согласно разработанным проектам.
Внутри водоохранных зон выделяются прибрежные защитные полосы, непосредственно примыкающие к берегу. Ширина защитных полос составляет:
• для малых рек, ручьев и прудов площадью до 3 га — 25 м;
• для средних рек, водохранилищ на них, водоемов и прудов площадью
более 3 га — 50 м;
• для больших рек, водохранилищ на них и озер — 100 м.
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
425
Вдоль морского побережья, вокруг морских заливов и лиманов выделяется прибрежная защитная полоса шириной не менее 2 км от уреза воды.
В пределах городов прибрежная защитная полоса устанавливается с учетом сложившихся конкретных условий.
В пределах прибрежной защитной полосы запрещается мойка и обслуживание автотранспорта, строительство любых сооружений, кроме гидротехнических и гидрометрических, устройство свалок мусора, накопителей
жидких и твердых отходов, кладбищ, гаражей, стоянок автомобилей, автозаправочных станций и т.п.
В прибрежной защитной полосе вдоль морского побережья разрешается
строительство только лечебно-оздоровительных учреждений с централизованным водоснабжением и канализацией.
Сооружения, которые представляют опасность для водного объекта, должны быть вынесены за пределы прибрежных защитных полос.
Предприятия, деятельность которых связана с использованием накопителей жидких или твердых отходов, должны осуществлять меры по предотвращению загрязнения подземных вод.
Все пробуренные и неиспользуемые скважины должны быть затампонированы. Если эксплуатация самоизнашивающихся скважин возможна, то их
следует оборудовать регулирующими устройствами.
"Водным кодексом" определены виды нарушений водного законодательства, которые в пределах городской черты сводятся к следующему:
• загрязнение и засорение вод водных объектов;
• несоблюдение условий специального водопользования;
• ввод в эксплуатацию предприятий и других объектов без очистных сооружений, предусмотренных проектом;
• самовольный сброс сточных вод в водные объекты, городскую канализационную сеть или ливневую канализацию;
• нарушение природных условий формирования и отведения поверхностного стока при строительстве и эксплуатации автомобильных и железных дорог, других инженерных коммуникаций;
• самовольное строительство прудов, дамб, каналов, скважин;
• повреждение водохозяйственных сооружений и гидрометрических устройств.
"Земельный кодекс Украины" предусматривает три формы собственности
на землю в Украине — государственную, коллективную и частную.
В соответствии с целевым назначением земли подразделяются на: сельскохозяйственные; населенных пунктов; промышленности; транспорта; связи; обороны; природоохранного, оздоровительного, рекреационного и историко-культурного назначения; лесного и водного фонда, а также земли запаса.
До принятия законодательства независимой Украины все земли находились в исключительной собственности государства, составляя единый госу-
426
Экология городов
дарственный земельный фонд. Кодексом предусматривается передача части
земель из государственной собственности в коллективную и частную.
Однако по закону не все земли могут передаваться в коллективную и
частную собственность. В частности, не могут передаваться земли общего
пользования населенных пунктов: площади, улицы, проезды, дороги, набережные, парки, городские леса, скверы, бульвары, кладбища, места обезвреживания и утилизации отходов; земли, предоставленные для размещения зданий органов государственной власти; земли природоохранного, оздоровительного, рекреационного и историко-культурного назначения.
Оставаясь государственной собственностью, земли предоставляются в
пользование для строительства промышленных предприятий, объектов жилищно-коммунального хозяйства, железных и автомобильных дорог, линий
электропередачи и связи, магистральных трубопроводов.
К землям города относятся все земли в пределах городской черты.
Черта города — внешняя граница земель города, отделяющая их от земель другого назначения и определяемая проектом планировки и застройки
города или технико-экономическим обоснованием развития города. Использование городских земель осуществляется в соответствии с проектами планировки и застройки города и планами земельно-хозяйственного устройства.
Земли промышленности предоставляются для размещения и эксплуатации основных, подсобных и вспомогательных строений и сооружений, подъездных путей, инженерных сетей, административно-бытовых зданий и других
сооружений. Размеры этих земельных участков определяются в соответствии
с утвержденной проектно-технической документацией. Отвод участков производится с учетом очередности их освоения.
Создаваемые вокруг предприятий санитарно-защитные зоны должны благоустраиваться и озеленяться в соответствии с проектом. В пределах этих зон
жилищное строительство запрещается.
При производстве строительных и иных работ, связанных с нарушением
почвенного покрова, плодородный слой почвы должен быть снят и использован для улучшения малопродуктивных участков или для рекультивации
нарушенных земель.
К числу правонарушений в области земельного законодательства, в частности, относится самовольное занятие земельных участков. В соответствии с
законом самовольно занятые участки по решению суда возвращаются без возмещения затрат, произведенных за время незаконного пользования. Приведение земельных участков в пригодное для использования состояние, включая
снос строений и сооружений, производится предприятиями, организациями
или гражданами, самовольно занявшими земельные участки, или за их счет.
"Кодекс Украины о недрах" в части правового регулирования использования и охраны геологической среды города предусматривает пользование недрами для добычи пресных подземных вод, для строительства и эксплуатации подземных сооружений, например, метрополитенов, канализационных
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
427
систем глубокого заложения и др. Предусмотрено также пользование недрами для создания лечебно-оздоровительных учреждений, захоронения вредных отходов производства, сброса неподдающихся очистке сточных вод в
глубокие, надежно изолированные подземные горизонты.
Предоставление недр для захоронения вредных отходов производства и
сброса сточных вод допускается в исключительных случаях по результатам
специальных исследований и на основании проектов, согласованных с соответствующими государственными органами.
При проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию подземных
сооружений должно обеспечиваться рациональное использование извлекаемых горных пород, рекультивация нарушенных земель, меры, гарантирующие безопасность людей и окружающей природной среды.
Проектирование и строительство населенных пунктов и промышленных
комплексов производится на основе геологического изучения участков недр,
подлежащих застройке. Застройка площадей залегания полезных ископаемых допускается в исключительных случаях по согласованию с органами государственного горного надзора. При этом должна быть обеспечена возможность добычи полезных ископаемых.
К числу правонарушений в области законодательства о недрах, в частности, относятся:
• нарушение установленного порядка застройки площадей залегания полезных ископаемых;
• невыполнение правил охраны недр и требований по безопасности людей и окружающей природной среды от вредного влияния работ, связанных с пользованием недрами.
Самовольная застройка площадей залегания полезных ископаемых с
нарушением установленного порядка прекращается без возмещения понесенных расходов.
"Лесной кодекс Украины" относит леса населенных пунктов, зеленые зоны
вокруг населенных пунктов и промышленных предприятий, леса зон округов
санитарной охраны лечебно-оздоровительных территорий к категории санитарно-гигиенических и оздоровительных лесов. В лесах этой категории допускаются только рубки ухода, санитарные и лесовосстановительные рубки,
связанные с реконструкцией малоценных молодняков, и в древостоях, теряющих защитные и иные природоохранные свойства, а также при прокладке
просек и создании противопожарных разрывов. Леса в населенных пунктах
используются преимущественно в культурно-оздоровительных, рекреационных, спортивных и туристических целях. Заготовка древесины, живицы, древесных соков, лесной подстилки, а также выпас скота в лесах населенных
пунктов запрещается.
Государственная лесная охрана осуществляет меры по защите лесов от
пожаров, а также от вредителей и болезней, содействует разведению диких
зверей и птиц, обеспечивает их охрану.
428
Экология городов
К числу правонарушений в области лесного законодательства, в частности, относят:
• уничтожение или повреждение леса вследствие поджога или небрежного
обращения с огнем и нарушение требований пожарной безопасности
в лесах;
• загрязнение леса химическими и радиоактивными веществами, производственными и бытовыми отходами, сточными водами;
• использование земель лесного фонда для возведения построек без надлежащего разрешения.
Самовольно занятые участки лесного фонда возвращаются без возмещения затрат. Приведение их в пригодное для ведения лесного хозяйства состояние производится организациями или гражданами, самовольно занявшими
эти участки, или за их счет.
10.2. Организационная система управления
В соответствии с законодательством Украины управление экологической безопасностью городов осуществляют областные, городские и районные советы народных депутатов, их исполнительные и распорядительные
органы (местные органы власти) и специально уполномоченные государственные органы.
К специально уполномоченным государственным органам относят:
• органы по охране окружающей природной среды и использованию природных ресурсов (областные управления экологической безопасности, городские и районные экологические инспекции), входящие в систему Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности
Украины;
• городские и районные санитарно-эпидемиологические станции Министерства здравоохранения Украины;
• органы по использованию и охране водных ресурсов Государственного
комитета Украины по водным ресурсам;
• органы по использованию и охране земельных ресурсов Государственного комитета Украины по земельным ресурсам;
• органы геологического контроля Государственного комитета Украины
по геологии и использованию недр;
• органы горного надзора Государственного комитета Украины по надзору
за охраной труда;
• лесную охрану Министерства лесного хозяйства Украины.
Местные органы власти в пределах своей компетенции:
• дают согласие на размещение на подведомственной территории предприятий и организаций;
429
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
• утверждают проекты планировки и застройки населенных пунктов, их
генеральные планы и схемы промышленных узлов;
• выдают и отменяют разрешения на специальное использование местных
природных ресурсов;
• организуют разработку и утверждают местные экологические программы;
• утверждают лимиты выбросов в атмосферу, сбросов сточных вод и размещения отходов;
• организуют сбор, переработку, утилизацию и захоронение промышленных и бытовых отходов;
• согласовывают планы работы предприятий и организаций по охране
окружающей природной среды и использованию природных ресурсов;
• организуют изучение окружающей природной среды;
• предоставляют предприятиям, организациям и гражданам информацию
о состоянии окружающей природной среды и заболеваемости населения;
• осуществляют контроль за соблюдением природоохранного законодательства;
• ограничивают, приостанавливают или прекращают хозяйственную деятельность предприятий и организаций в случаях нарушения ими природоохранного законодательства;
• организуют работу по ликвидации экологических последствий аварий и
стихийных бедствий.
Организационные функции управления природопользованием в городской среде осуществляют отделы экологии при горисполкомах. Обычно они
входят в состав управления по капитальному строительству и жилищно-коммунальному хозяйству.
Специально
компетенции:
уполномоченные
государственные
органы
в
пределах
своей
• осуществляют управление и контроль за использованием и охраной атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, земель, недр, лесов;
• выдают разрешения на специальное использование природных ресурсов;
• устанавливают лимиты и выдают разрешения на выбросы в атмосферу,
сброс сточных вод и захоронение отходов;
• ограничивают или приостанавливают деятельность предприятий и организаций, если их эксплуатация ведется с нарушением природоохранного
законодательства;
• применяют административные санкции в отношении лиц, виновных в
нарушении природоохранного законодательства.
В городах функционируют управления или отделы (инспекции) специально уполномоченных государственных органов в области природопользования, подчиненных соответствующим министерствам и ведомствам Украи-
Экология городов
430
ны. Координация деятельности всех органов в области природопользования
осуществляется органами экологической безопасности Министерства охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины.
10.3. Экологический мониторинг городской среды
Экологический мониторинг — это система наблюдений, сбора, обработки,
передачи, хранения и анализа информации о состоянии окружающей природной среды, прогнозирования ее изменений и разработки научно обоснованных рекомендаций для принятия эффективных управленческих решений.
В пределах городской территории ведутся наблюдения за:
• качеством атмосферного воздуха и источниками его загрязнения;
• уровнем воздействия вредных физических и биологических факторов;
• гидрологическими и гидрохимическими характеристиками водных
объектов;
• качеством воды источников централизованного и нецентрализованного
питьевого водоснабжения;
• за сбросом сточных вод в городскую канализацию и поверхностные
водные объекты, влиянием сброса сточных вод на состояние водных
объектов;
• уровнем грунтовых вод;
• состоянием зеленых насаждений в городе и в зеленой зоне вокруг городской черты;
• санитарным состоянием дворов, улиц, площадей и других городских
территорий.
В результате наблюдений за загрязнением воздушного бассейна контролируется соблюдение нормативов ПДВ промышленными предприятиями, а также
соответствие состава атмосферного воздуха на внешней границе санитарнозащитных зон и в жилых кварталах нормативам ПДК.
Контроль за содержанием токсичных веществ в отработанных газах автотранспорта и других транспортных средств осуществляют специально созданные организации, имеющие соответствующую лицензию. Организационную и правовую помощь этим организациям оказывает госавтоинспекция.
Наблюдение за источниками вредных физических и биологических воздействий осуществляют городские и районные санэпидемстанции с использованием маршрутных постов. Измеряются уровни шума, радиации, напряженность электромагнитных полей, интенсивность вибрации и других видов физических воздействий. Результаты измерений сравниваются с нормативами
допустимых уровней воздействия физических факторов.
Контроль воздействия биологических факторов на городскую среду, которое связано в основном с работой предприятий по производству белкововитаминных препаратов, лекарственных средств, дрожжей и других продук-
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
431
тов биотехнологий, осуществляют городские и районные санэпидемстанции.
Контролируется соблюдение нормативов предельных выбросов в атмосферный воздух биологически активных веществ и штаммов микроорганизмов.
Измерение гидрологических и гидрохимических параметров городских рек
производят гидрометрические посты, расположенные в районе верхнего и
нижнего по течению створов городской черты.
Анализ запасов и состава подземных вод, наблюдения за источниками их
возможного загрязнения осуществляют местные органы геологического надзора. С этой целью создается сеть наблюдательных скважин для отбора проб
на гидрохимический анализ. Контроль качества подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, осуществляют санэпидемстанции.
Наблюдения за состоянием и режимом морских вод в приморских городах
осуществляют местные организации Госкомгидромета. Контроль санитарного состояния пляжей и морской среды, используемой для рекреации и в лечебно-оздоровительных целях, ведут городские и районные санэпидемстанции. Они также осуществляют наблюдения за возможными источниками загрязнения морской среды в местах использования ее населением.
Контроль качества воды городских рек и водоемов в местах их рекреационного использования населением осуществляют городские и районные санэпидемстанции. Санитарные службы контролируют также качество воды в
источниках централизованного и нецентрализованного питьевого водоснабжения, а также соответствие качества воды в водопроводной сети стандарту на
питьевую воду. Эти же параметры в порядке самоконтроля постоянно измеряют предприятия, обеспечивающие централизованное хозяйственно-питьевое водоснабжение города.
В пределах городской территории все сточные воды, а также поверхностный сток (талые, дождевые и поливо-моечные воды) должны направляться в
городскую канализационную сеть и после очистки отводиться в поверхностные водные объекты за городскую черту.
Контроль за сбросом производственных сточных вод в канализацию ведет
городская служба водоотведения в соответствии с установленными лимитами. Эта же служба в порядке самоконтроля определяет эффективность работы общегородских очистных сооружений и соблюдение установленных ПДС
очищенных сточных вод.
Промышленные предприятия ведут самоконтроль за работой собственных локальных очистных сооружений и определяют состав сточных вод, сбрасываемых ими в городскую канализацию или в водные объекты.
Экологические инспекции, санэпидемстанции в порядке государственного контроля осуществляют проверки работы очистных сооружений, состава сбрасываемых в водные объекты сточных вод и определяют влияние сбросов на состояние водных объектов — приемников сточных вод.
Наблюдения за возникновением и уровнем подтопления городской территории организует местная служба коммунального хозяйства. Она же организует
работы по предотвращению и ликвидации последствий этого явления.
432
Экология городов
Наблюдения за состоянием зеленых насаждений в городах, степенью повреждения их энтомовредителями и в результате фитозаболеваний также организует городская коммунальная служба.
В зеленых зонах вокруг городов наблюдения за степенью повреждения
насаждений токсичными выбросами, энтомовредителями, в результате фитозаболеваний, под воздействием рекреационной нагрузки, из-за смены гидрологического режима, засухи осуществляет служба лесной охраны. Она же осуществляет комплекс противопожарных мероприятий в зеленой зоне, включая систему наблюдения и оповещения.
Контроль за санитарным состоянием городской территории осуществляют
городские и районные санэпидемстанции.
Система наблюдений за состоянием окружающей природной среды, функционирующая в нормально текущем режиме, имеет название общий (стандартный) мониторинг. Получаемая от него информация дает возможность на основе
оценки и прогнозирования состояния окружающей природной среды регулярно разрабатывать предложения для принятия управленческих решений.
При возникновении аварий с серьезными экологическими последствиями, в местах повышенного экологического риска и в других подобных случаях вводится в действие оперативный (кризисный) экологический мониторинг. В
районе возникновения кризисной ситуации организуются наблюдения на
целевой сети пунктов по определенным показателям с максимально возможной частотой. Получаемая информация обеспечивает возможность оперативного реагирования и принятия решений в целях ограничения и ликвидации
последствий кризисных ситуаций и создания безопасных условий для жизни
и здоровья населения.
Примером ввода в действие оперативного экологического мониторинга
может служить организация системы наблюдений за состоянием городских
рек в период аварии на Диканевских очистных сооружениях Харькова, которая произошла в конце июня 1995 г. Причиной аварии послужил катастрофический ливень, в результате которого при переполнении канализационного коллектора глубокого заложения была затоплена главная насосная
станция, перекачивающая сточные воды из коллектора на высоту около
60 м в приемный резервуар очистных сооружений. Неочищенные сточные
воды через аварийные выпуски начали поступать в реки Харькова. С целью
контроля возникшей в результате аварии экологической обстановки, своевременного принятия и реализации решений, обеспечивающих защиту здоровья населения и расположенных ниже по течению р.Северский Донец
водозаборов, была введена в действие система оперативного (кризисного)
экологического мониторинга. В створах, расположенных ниже аварийных
выпусков неочищенных сточных вод в городские реки, через каждые 2 часа
отбирались и анализировались пробы речной воды. Ситуация, связанная с
загрязнением р.Северский Донец, была взята под контроль. С целью резкого сокращения объемов сточных вод, поступающих в городскую систему
канализации, централизованное водоснабжение в Харькове было приостановлено. В течение всего периода ликвидации аварии население обеспечи-
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
433
валось питьевой водой в основном с помощью водовозок-автоцистерн. Объемы водопотребдения на 1 жителя сократились с 300—350 л/сут. до 5—10 л/сут.
Резко сократили объемы водопотребления промышленные предприятия.
Были закрыты все пляжи и другие места отдыха на реках и водоемах, которые в той или иной степени могли иметь контакт с неочищенными сточными водами. Вода харьковских рек подвергалась усиленной искусственной
аэрации, применялись также другие меры для усиления самоочищающей
способности рек. На Северском Донце был ограничен забор воды для централизованного питьевого водоснабжения. Используемая для водоснабжения речная вода подвергалась усиленной обработке и обеззараживанию. Было
организовано оперативное оповещение населения о масштабах и последствиях аварии, состоянии речных экосистем, о принимаемых мерах по локализации и ликвидации последствий аварии.
В результате удалось удержать ситуацию под контролем, не допустить
вспышки инфекционных заболеваний и избежать серьезных последствий для
здоровья населения, обеспечить сравнительно быстрое самовосстановление
участков рек, подвергшихся загрязнению.
Координацию работ организаций, ведущих наблюдения за состоянием
окружающей природной среды, осуществляют органы экологической безопасности.
Метрологическое обеспечение измерений в системе экологического мониторинга осуществляют организации Госстандарта Украины. Госстандарт совместно с Министерством охраны окружающей природной среды и ядерной
безопасности, другими министерствами и ведомствами Украины, участвующими в функционировании экологического мониторинга, обеспечивает унификацию методик наблюдения и лабораторных анализов, содействует оптимизации сети наблюдений и совершенствованию приборной базы.
Накопление, обработку, обобщение и анализ информации о состоянии окружающей природной среды и источниках воздействия на нее ведут органы
экологической безопасности и местные организации Государственного комитета Украины по статистике.
На основе конкретной информации об экологической обстановке местные органы власти с привлечением научно-исследовательских организаций и
других творческих коллективов организуют разработку прогнозов изменения
состояния окружающей природной среды или отдельных ее составляющих с
целью подготовки и реализации необходимых упреждающих и компенсационных мероприятий.
По результатам работы экологического мониторинга Министерство охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности ежегодно подготавливает и издает Национальный доклад о состоянии окружающей природной среды Украины, а Государственный комитет по статистике — Статистический сборник "Охрана окружающей природной среды и использование
природных ресурсов Украины", где содержится также информация об экологической обстановке в городах Украины.
о-*
1
5
434
Экология городов
10.4. Экономический механизм
природопользования
Экономические меры, направленные на охрану окружающей природной
среды и рациональное использование природных ресурсов, включают:
• определение источников финансирования мероприятий по охране окружающей природной среды;
• установление лимитов использования природных ресурсов, выбросов в
атмосферный воздух, сбросов сточных вод в водные объекты и размещения отходов;
• установление нормативов и размеров сборов за использование природных
ресурсов, выбросы загрязняющих веществ в окружающую природную
среду, размещение отходов и другие виды вредного воздействия;
• сборы за ухудшение качества природных ресурсов (снижение плодородия
почв, продуктивности лесов, рыбопродуктивности водных объектов и т.д.);
• предоставление субъектам предпринимательской деятельности налоговых,
кредитных и иных льгот при внедрении ими энерго- и ресурсосберегающих процессов, малоотходных и безотходных технологий, развитии нетрадиционных источников энергии, осуществлении других эффективных
мер по охране окружающей природной среды и сбережению природных
и энергетических ресурсов;
• возмещение убытков, причиненных нарушением природоохранного законодательства;
• стимулирование деятельности по охране окружающей природной среды
и экономии природных и энергетических ресурсов.
Финансирование природоохранных мероприятий осуществляется за счет
государственного и местных бюджетов, средств предприятий и организаций, фондов охраны окружающей природной среды, добровольных взносов и иных средств.
Лимиты выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, размещения отходов промышленного, строительного и других
производств, других видов вредного воздействия устанавливаются для каждого предприятия и другого источника загрязнения окружающей природной
среды, а также для города в целом. Лимиты устанавливаются исходя из условий соблюдения экологических нормативов качества окружающей природной среды с учетом сложившейся производственной инфраструктуры и экологической обстановки в каждом конкретном городе. Лимиты периодически
пересматриваются обычно в сторону уменьшения.
Нормативы сборов за использование природных ресурсов устанавливаются с учетом их качества, доступности, распространения, возможности возобновления, комплексности, объемов добычи, местонахождения, возможности
переработки и утилизации отходов, других факторов. Нормативы сборов за
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города
435
использование природных ресурсов и за загрязнения окружающей природной среды являются едиными для всей страны.
На основании установленных лимитов и нормативов сборов определяются размеры платежей (сборов) за специальное природопользование. При соблюдении лимитов эти платежи (сборы) относят на издержки производства, а
при нарушении установленных лимитов сборы за ухудшение качества природных ресурсов взимают за счет прибыли предприятий и организаций.
Средства от сборов за использование природных ресурсов поступают в
государственный и местные бюджеты и направляются на выполнение работ
по воспроизводству и поддержанию этих ресурсов в надлежащем состоянии.
Средства от сборов за загрязнение окружающей природной среды направляются в местные, областные и государственный фонды охраны природы. Распределение средств между местными, областными и государственным природоохранными фондами производится в соотношении: 20, 50 и 30% соответственно, а между Киевским и Севастопольским городскими и государственным
природоохранными фондами — соответственно 70 и 3
