I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ 1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Инженерная экология — новая научная дисциплина, изучающая взаимодействие общества с природной средой в процессе общественного производства (определение общее). В решении проблемы рационального взаимодействия общества и природы в настоящее время участвует целый комплекс фундаментальных наук, научных и прикладных дисциплин, меж дисциплинарных направлений, которые ставят очень важные и сложные задачи по совершенствованию механизма этого взаимодействия. На сегодняшний день нет конкретной науки, которая могла бы взять на себя решение всех задач, учитывая их многогранность, специфику и разнородность. Такая наука должна синтезировать социальные, экономические, технологические, географические, экологические и другие аспекты, т. е. стать интегральной наукой о рациональном взаимодействии природы к общества. Сейчас можно говорить лишь о междисциплинарном комплексе наук, получившем название «экология человека», объектом изучения которого является система «общество — природа». Одним из важнейших направлений упомянутого комплекса является исследование взаимодействия общества с природой в процессе общественного производства. При этом, говоря о единстве природы и человека, в соответствии с диалектикой познания следует рассматривать не человека (общество) и воз действие на него природы и не природу, с точки зрения воздействия на нее человека, а новую систему, в которой общество и природа составляют единое целое. Что же является объединяющим звеном, позволяющим предположить вернее, подтвердить наличие такой системы? На этот вопрос есть однозначный ответ: «Труд есть, прежде всего, процесс, совершающийся между человеком и природой, процесс, в котором человек своей собственной деятельностью опосредствует, регулирует и контролирует обмен веществ между собой и природой». Таким обpазом при изучении взаимодействия общества с природой во главу угла нужно ставить исследование процесса общественного производства, что, невозможно без применения инженерных методов. В то же время большинство инженерных дисциплин замкнулось сейчас в рамках своего производства и видит свою задачу только в разработке замкнутых, безотходных и других «экологически чистых» технологий, позволяющих уменьшить отрицательное воздействие на природную среду. Но задачу о рациональном взаимодействии производства с природой подобным путем полностью не решить, так как один из компонентов системы — природа — исключается из рассмотрения. Иной подход, требующий при изучении процесса общественного производства применения не только инженерных, но и других методов — экологических, и привёл к развитию нового научного направления на стыке технических, естественных и социальных наук. В целом процесс общественного производства является общим объектом исследования многих научных направлений, поэтому в теоретическом плане для выделения нового научного направления — инженерной экологии — необходимо определить объект и предмет и установить отличия области исследований от таковой в других научных направлениях. Объектом исследования в инженерной экологии являются системы, образовавшиеся и длительное время функционирующие в результате взаимодействия конкретного вида общественного производства (далее — производства) с окружающей его природой (далее — природной средой). При этом теоретические и методические положения инженерноэкологических исследований и их реализация будут одинаковыми для всех видов общественного производства (промышленность, сельское хозяйство, градостроительство и т. д.), взаимодействующих с природной средой. Наиболее характерны и информативны системы, образовавшиеся в процессе промышленного производства, — природнопромыш-ленные системы (ППС). В качестве ППС в инженерной экологии чаще всего рассматриваются системы, возникшие в результате деятельности горного, обогатительного, металлургического, химического, энергетического и других видов производства. Особенностью горнодобывающего производства является непосредственное воздействие на природную среду в процессе извлечения полезных ископаемых, причем происходящие изменения природных компонентов часто очень наглядны, видимы. Этим объясняется наиболее интенсивное развитие инженерно-экологических методов при добыче и переработке полезных ископаемых. Проведенные инженерно-экологические исследования показали, что специфика технологии подземных горных работ приводит к появлению особых ППС. отличающихся по структуре и функционированию от ППС, возникших при открытой разработке месторождений или при обогащении полезных ископаемых. Горное производство в целом создает ППС, отличающиеся от ППС в энергетике, металлургии, химической промыиь ленности, так как каждой природно-промышленной системе свойственны не только определенные природные условия. Главной отличительной особенностью любого промышленного производства является специфика его технологических процессов. От их качественных и количественных параметров зависит характер взаимодействия производства с природной средой. С учетом многообразия качественных и количественных параметров технологических процессов и практически неповторимых в каждом случае экологических условий изучение этого взаимодействия требует разработки особого научно-методического подхода. Взаимодействие технологических и природных процессов и составляет предмет исследования в инженерной экологии. Это взаимодействие определяет структуру и функционирование образовавшихся ППС, т. е., другими словами, предметом исследования в инженерной экологии являются структура и функционирование природнопромышленных систем. Таким образом, на основании приведенных выше формулировок объекта и предмета исследований можно дать следующее определение, инженерная экология — это научная дисциплина, изучающая структуру и функционирование территориальных единиц ноосферы — природно-промышленных систем локального и регионального уровней (определение функциональное). При этом под ноосферой понимается современное состояние развития материальной оболочки Земли, в которой и происходит процесс взаимодействия общества с природой. Инженерная экология в отличие от всех других научных направлений, изучающих взаимодействие общества с природой, базируется на полном и глубоком знании технологии производства, использует качественные и количественные параметры технологических процессов для оценки их воздействия или влияния на природную среду. Одной из основных задач инженерно-экологического анализа является определение взаимосвязей между параметрами технологических процессов и изменениями в природной среде. Важной особенностью инженерно-экологических исследований следует признать их прикладной характер, поскольку результаты служат исходными данными при разработке конкретных природоохранных мероприятий. Кроме общих положений, изложенных выше, теоретические основы инженерной экологии как научного направления включают: методологические аспекты выделения объекта и предмета; учение о природно-промышленных системах, их структуре и функционировании; научно-методические основы оценки воздействия производства на природную среду, проведения и использования инженерно-экологических исследований; формирование понятийного аппарата дисциплины. Они рассматриваются ниже в соответствующих разделах. 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПРИРОДНОПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ Одна из главных категорий в инженерной экологии — природно-промышленная система, образовавшаяся в результате взаимодействия производства с природной средой, которая обладает определенной структурой и особенностями функционирования. Являясь объективной реальностью, ППС выделяется с целью использования целостного (холистического — от греч. целый) комплексного системного подхода при изучении взаимодействия производства с природной средой. На необходимость комплексного подхода при изучении природной среды указывали В. И. Вернадский, В. В. Докучаев, КМёбиус, Г. Ф. Морозов, А. Тенсли и другие видные ученые конца XIX и начала XX в. Реальной основой для такого подхода стало учение о биосфере, сформировавшееся в начале XX в. под влиянием работ целого ряда ученых, среди которых ведущая роль принадлежит академику В. И. Вернадскому. Подчеркивая значение общественной производственной деятельности, посредством которой человек вторгся в биосферные процессы, ученый говорил, что человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, ставится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Особенностью современного этапа развития общества, для которого реальной стала угроза глобального экологического кризиса, является то, что производственная деятельность человека должна стать геологической силой не только по масштабам (количественно), но и по характеру (качественно), тем самым оптимально включаясь в структуру природных круговоротов веществ и потоков энергии. В этом случае производственная деятельность может стать функционально необходимым компонентом биосферы, что и позволит решить возникшую проблему гармонического взаимодействия общества и природы. Однако теория, которая помогла бы описать общие закономерности взаимодействия природы и общества (именно общества как определенной социальноэкономической системы, а не отдельного человека), в настоящее время отсутствует. Необходимость такой теории очевидна. Общие принципы подобной теории, которые относятся в целом к экологии человека, сформулированы академиком С. С. Шварцем: — свое воздействие на биосферу, на природу человек оказывает в форме взаимодействия между человеческими коллективами и окружающей живой и косной природой; — характер взаимодействия определяется уровнем развития производительных сил и производственных отношений, а также свойствами природной среды; — развитие системы «общество - природа» заключается в неизбежности прогрессирующего антропогенного изменения природной среды. Дальнейшая разработка и детализация этой теории должна строиться на изучении элементарной структурной единицы, сохраняющей все свойства системы. Так, для участков биосферы, не подверженных воздействию человека, в качестве объекта исследования выступает биогеоценоз. Основоположник биогеоце-нологии — науки о биогеоценозах — академик В. Н. Сукачев и его ученики в своих работах дали детальное представление о структуре, характере взаимосвязи и взаимодействия 'компонентов них роли в функциональной организации биогеоценозов. В состав естественного биогеоценоза входят следующие компоненты: — растительный мир, представленный тем или иным растительным сообществом (фитоценозом) «а относительно однородном участке земной поверхности — древесным, кустарниковым, травяным и др.; — животный мир, состоящий из позвоночных и беспозвоночных, обитающих в наземной, воздушной и водной средах, почвах и образующих сообщества (зооценозы); — микроорганизменное сообщество (микробоценоз), состоящее из бактерий, грибков, актиномицетов и т. п. и развивающееся в почвах, воздухе, воде. В процессе совместного существования между компонентами живой природы возникают разнообразные связи и отношения, в результате чего образуются биологические единства более высокого ранга — биоценозы. Кроме указанных выше, в состав биогеоценоза входят еще два компонента, которые относятся к неживой природе и при взаимодействии которых друг с другом возникает косное единство — экотоп: — почва с подпочвенными горными породами, почвенно-грунтовые воды, которые взаимодействуют с компонентами биоценозов и образуют вследствие этого определенный комплекс (эдафотои); — атмосфера, содержащая биогенные газы (кислород, углекислый газ), а также осадки, атмосферную влагу и образующая при взаимодействии с другими компонентами климатоп. В ноосфере в качестве элементарной структурной единицы может быть выделен нообиогеоцепоз. Структура нообиогеоценоза в общем виде определяется на основании теоретических предпосылок марксистско-ленинской философии. В состав нообиогеоценоза входят три равноправных сообщества, которые и обусловливают существование и функционирование системы. Природная среда представлена экотопом (или косной частью), включающим воду, воздух и почву, и биоценозом (или живой природой), представленным растительностью, микроорганизмами и животным миром. Основным звеном третьего сообщества, который условно можно назвать «нооценозом», т. е. «сообществом разума», является общество с его социальными законами развития. Для удовлетворения своих материальных потребностей, обеспечения жизнедеятельности общество должно создавать средства существования. Эту роль выполняют, в частности, средства труда, через них общество и взаимодействует с природой, результатом чего является продукт труда. Таким образом, не только компоненты нооценоза взаимосвязаны друг с другом, но и каждый компонент, и нооценоз как целое взаимодействуют с природной средой. Итак, в основе взаимодействия системы «общество — природа» лежит общественное производство, все главные абстрактные моменты которого входят в состав нообиогеоценоза. Пред: метом процесса труда является природа, которая рассматривается как первоначальное поле приложения для труда. Остальные «моменты» процесса труда, т. е. средства труда, общество как носитель процесса труда и продукт труда объединены в «сообщество разума». Таким образом, основным процессом, определяющим функционирование нообиогеоценоза как элементарной ячейки системы «общество — природа», является процесс труда. Поэтому при исследовании взаимодействия компонентов системы «общество — природа» наибольшее внимание должно уделяться технологическим процессам и тем изменениям, которые они вызывают в природной среде. Естественно, что нооценоз лишь тогда станет по-настоящему неотъемлемой, функционально необходимой частью биосферы, когда все его компоненты достигнут планетарного уровня не только по масштабам, но и по харакеру (качеству), оптимально включившись в природные процессы. Чаще всего структурной основой, «каркасом» размещения структурных единиц нообиогеоценоза является природная система— биогеоценоз. Это объясняется, с одной стороны, тем, что на большей части земной поверхности биогеоценозы достигли определенного уровня развития, и только после этого в них появились компоненты нооценоза, а с другой стороны, тем, что именно биогеоценоз определяет в основном дальнейшее развитие нообиогеоценоза. Примерами таких систем в ноосфере могут быть агроценозы, степень развития которых обусловлена структурой и составом почв, климатическими условиями и т. д. Однако в развитии ноосферы появляются особенности. Речь идет о развитии нообиогеоценозов, приуроченных к какому-либо виду природных ресурсов, например минеральным. Как известно, минеральные ресурсы распространены по территории земли азонально. Например, уголь добывают и за Полярным кругом (Печорский бассейн), и в Средней Азии (Таджикистан), и в Сибири (Кузбасс). Следовательно, можно говорить о том. что структурной основой такого нообиогеоценоза будет нооценоз, имеющий сходные черты у всех подобных структурных единиц. Вопрос о структурной основе нообиогеоценоза не является праздным, так как он определяет все дальнейшее развитие последнего. В тех случаях, когда основой служит биогеоценоз, элементы нооценоза должны подбираться таким образом, чтобы они вписывались в те круговороты веществ и энергий, которые существуют в данном месте в природе. Например, при строительстве рыборазводящих хозяйств на естественных водоемах, чтобы не нарушить в них естественных сукцессии, нужно либо четко знать, какие экологические ниши здесь имеются, либо искусственно изменить развитие водоема в более благоприятном для человека направлении. Другим примером может служить строительство новых рабочих поселков на вновь открытом месторождении. В этом случае необходимо дома расположить так, чтобы сохранить естественный фитоценоз. Это позволит исключить такой трудоемкий вид работ, как последующее озеленение территории. Следовательно, мероприятия по развитию нооценоза должны сопровождаться максимальным сохранением биогеоценозов, или, иными словами, следует создавать возможности для их дальнейшего саморазвития. Заметим, что при проектировании и строительстве горнодобывающих предприятий эти вопросы практически не рассматриваются. В результате появляются полностью преобразованные природные комплексы, состояние которых зависит от уровня развития нооценоза. Понятие о нообиогеоценозе как об элементарной ППС требует следующих основных пояснений. Во-первых, нообиогеоценоз может рассматриваться как элементарная ППС, а значит, его свойства и функционирование могут переноситься на системы более высокого ранга. Во-вторых, нообиогеоценоз — это новообразование, и его нельзя идентифицировать с элементарными природными комплексами (биогеоценозами или фациями). Данной ППС свойственны своя особая компонентная структура и функционирование, где определяющая роль принадлежит средствам труда. Нооценоз представляет собой социально-техническую подсистему, характеризуемую конкретной структурой, которая во многом обусловливает его функционирование. Нужно отчетливо представлять, что нооценоз — это не застывшие формы- («техноген», «нооген» и т. д.), а постоянно действующее звено общей системы, определяющее в конечном счете функционирование всей ППС. Природные компоненты нообиогеоценоза, входящие в биоценоз и экотоп, составляют единство, которое в ППС может быть определено как природная среда. Однако в ППС эти компоненты функционируют уже в совокупности с производственными объектами, образуя совершенно новые комплексы, ранее в природе не существовавшие. Таким образом, в настоящее время нельзя ставить вопрос об изучении структуры и функционирования биоценозов и выделении в них тех комплексов, которые находятся под влиянием нооценоза, и ес тественных. Необходимо разрабатывать научные основы изучения функционирования нообиогеоценозов. В качестве объекта для изучения характера взаимодействия живого организма со средой его обитания часто выделяют не биогеоценозы, а экологические системы, что позволяет детально исследовать происходящие в них процессы с учетом всех внешних и внутренних факторов. По определению Одума, экосистема — это основная функциональная единица в экологии, поскольку в нее входят и организмы, и неживая среда — компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для поддержания жизни в той форме, которая существует на Земле. Структура экосистемы, по Одуму, состоит из следующих компонентов: 1) неорганические вещества (С, N, С02, Н20 и др.), участвующие в круговоротах; 2) органические соединения (белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и т. д.),. связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и другие физические факторы; 4) продуценты — автотрофные организмы, в основном зеленые растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; 5) макрокон-сументы, или фаготрофы (греч. phagos — пожиратель), — гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества; 6) микроконсументы, или сапротрофы (греч. sapros — гнилой), деструкторы, или осмотрофы (греч. osmos — толчок, давление),— гетеротрофные организмы, в основном бактерии и грибы, получающие энергию либо путем разложения мертвых тканей, либо путем поглощения растворенного органического вещества, выделяющегося самопроизвольно или извлеченного сап-рофитами из растений и других организмов. Она определяется потоком энергии, круговоротом веществ и сообществом живых организмов: автотрофов (А), гетеротрофов (Н). Запасы питательных веществ обозначены буквой S. В общем случае функционирование заключается в преобразовании сообществом части поступающей солнечной энергии в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии. Неиспользованная часть энергии выходит из системы в виде теплового стока. Запасенное органическое вещество используется сообществом для своего существования и развития. Совместное функционирование сообщества и неживой среды и обеспечивает образование экологической системы. Таким образом, экологические системы — это, как правило, локальные объединения или элементарные структурные единицы. Более крупную, региональную или субконтинентальную, систему принято называть биомом. Самой крупной системой в этой иерархии является биосфера (или экосфера). При появлении в структуре экологической системы объектов промышленного производства, оказывающих влияние на ее функционирование, возникает новая (искусственная) экологическая система, которую и предлагается называть природнопромышленной системой. В общем случае ППС включает в свою структуру все компоненты нообногеоценоза, но характеризуется совершенно различными пространственными параметрами, определяемыми интенсивностью воздействия производства на природную среду. Пространственная иерархия ППС может быть выражена следующей последовательностью: — нообиогеоценоз, — природно-промышленный комплекс (ППК), — территориально-производственный комплекс (ТПК). Природно-промышленный комплекс — это относительно самостоятельная природнопромышленная система, в структуру которой входят промышленные, природные, 'коммунально-бытовые и аграрные объекты, функционирующие как единое целое. Рационально функционирующий ППК характеризуется минимальными материальными, энергетическими, трудовыми и другими затратами при условии получения планируемого объема промышленной продукции, обеспечения необходимого качества окружающей природной среды и достижения оптимальной продуктивности сельско-, лесо-, рыбохозяйственных и других угодий, входящих в его состав. Границами природнопромышленного комплекса (выделенной ППС) будут границы зоны влияния промышленных предприятий, входящих в состав комплекса. Главным компонентом, определяющим направление и характер функционирования ППК в целом, является его промышленное звено. В структурной схеме промышленного звена можно выделить объекты основного производства, предприятия вспомогательного производства, объекты энергетики и организации, обеспечивающие строительство новых и реконструкцию действующих промышленных предприятий. Продукцией промышленного звена считается вся продукция, отправляемая за пределы ППК, а также предназначенная для удовлетворения собственных нужд ППК (коммунально-бытового звена) и поддержания заданной продуктивности (качества) экологической системы района. К продуктам промышленного звена относятся отходы производства — газообразные, жидкие и пылевидные промышленные выбросы, которые классифицируются как безвозвратные потери и загрязняют природную среду. В горнодобывающей промышленности объектами основного производства считаются предприятия по добыче (шахты, разрезы и карьеры), фабрики по обогащению руд и заводы но выплавке металлов, отвалы и хвостохранилища, где складируются и консервируются некондиционные руды и отходы всего промышленного комплекса. К объектам основного производства следует также относить промышленные предприятия по выпуску продукции, отправляемой за пределы ППК или используемой для удовлетворения его собственных нужд (предприятия энергетики, машиностроения, легкой и пищевой промышленности). Вспомогательное производство включает в себя организации, деятельность которых связана с обслуживанием основного производства. Сюда относятся ремонтномеханическая база, промышленный транспорт, склады готовой продукции, сырья и оборудования. Кроме того, сюда входят предприятия, обеспечивающие строительство новых и реконструкцию действующих шахт, карьеров, заводов, отдельных цехов, энергетических объектов, транспортных магистралей и т. п. Коммунально-бытовое звено обеспечивает жизнедеятельность людей, занятых в промышленности и на предприятиях, по производству сельскохозяйственной и другой продукции ППК. Основными объектами звена являются селитебная, территория, предприятия питания, торговли, медицинские учреждения, общественный транспорт, культурные и учебные учреждения, рекреационные объекты (парки, пляжи, стадионы, зоны отдыха и т. п.). Продукцией коммунально-бытового звена считаются продукты, потребляемые населением, а также отходы и выбросы коммунально-бытовых предприятий. Основная отличительная особенность экологической системы, в. которой функционирует ППК, состоит в том, что практически все элементы этой системы находятся под постоянным воздействием промышленных предприятий. В большинстве случаев сельскохозяйственные, лесные и другие угодья, расположенные в таком районе, снижают свою продуктивность, а иногда и полностью деградируют. Восстановление пли поддержание продуктивности природных объектов на оптимальном уровне требует проведения специальных агротехнических, лесохозяйственных. мелиоративных и других мероприятий. Основная продукция экологической системы включает в себя сельскохозяйственные продукты, в том числе животноводческие, а также продукты лесов и водоемов. При этом основная продукция экологической системы имеет не меньшее значение и ценность, чем вся продукция промышленного звена, а в ряде случаев ее значение даже больше. В структуру аграрного звена в общем случае могут входить три группы объектов: сельскохозяйственные (колхозы, совхозы, подсобные хозяйства промышленных и бытовых предприятий), производящие продукцию на полях, огородах, в садах и других угодьях, которые находятся в зоне влияния промышленных и коммунально-бытовых объектов; лесные, лесовосстановительные, охотничьи и другие промысловые хозяйства в пределах природно-промышленного комплекса, занятые переработкой продуктов леса; водохозяйственные объекты, рыбные хозяйства и другие предприятия, перерабатывающие полезную продукцию водоемов. К этой же группе относятся водозаборы и прочие гидротехнические сооружения, снабжающие водой все промышленные, коммунальнобытовые и сельскохозяйственные предприятия. При составлении структурной схемы аграрного звена, при выделении относительно самостоятельных объектов в составе хозяйств основным условием следует считать наличие продукции (сельскохозяйственной, лесной, рыбной и др.), по качеству и количеству которой можно оценивать эффективность использования соответствующих угодий. Все сельскохозяйственные, лесные и прочие угодья, входящие в состав аграрного звена, одновременно являются функциональными элементами экологической системы ППК. Состояние и продуктивность этих угодий определяются тремя группами факторов: 1) природными условиями, 2) характером и интенсивностью воздействия промышленных и коммунально-бытовых предприятий, 3) эффективностью мероприятий по повышению, сохранению или восстановлению продуктивности угодий с использованием дополнительных ресурсов. При анализе структуры ППК в целом и отдельных его частей можно выделить три основные составляющие: абиотическую, биотическую и производственную. Во всех случаях функционирование любого вида производства (промышленного, сельскохозяйственного, коммунального и др.) не может происходить обособленно, в отрыве от живых и неживых объектов окружающей среды. Все жизненно важные запросы общества, все потребности конкретного производства удовлетворяются только в результате его взаимодействия с абиотической и биотической составляющими. В основе этого взаимодействия лежит постоянный обмен веществом, энергией и информацией между отдельными компонентами ППК. Поэтому для изучения данного промесса в первую очередь необходимо выяснить, как осуществляются три указанных вида взаимосвязей. Обмен веществом между объектами ППК происходит путем вовлечения определенных технологических "и природных ресурсов в материальное производство, в процессе которого создается продукт труда (продукция ППК). Не вошедшие в продукт труда ресурсы возвращаются в природную среду. Суммарное количество веществ, вовлекаемых в производство и выходящих из него в границах отдельного ППК, остается примерно постоянным. Это дает возможность составить материальный баланс всего производственного процесса, на его основе оценить количественные и качественные превращения веществ и определить места их выхода из технологического процесса. Одновременно становится возможным определить пути дальнейшего распространения выбросов и отходов производства в экологической системе, выявить их роль в общем круговороте веществ и оценить качественные и количественные изменения, происходящие в основных природных объектах в пределах зоны действия предприятия. Обмен энергией между компонентами ППК происходит путем превращения природных источников энергии в энергетические ресурсы производства, а также путем выделения в окружающую среду неиспользованной в производстве доли энергии. Обмен информацией позволяет судить о состоянии отдельных компонентов, корректировать процессы обмена веществом и энергией. Информация естественного характера выражается через свойства природных компонентов, искусственная информация, получается посредством использования автоматизированных систем контроля, прогноза и управления процессами производства и состоянием (продуктивностью) природных объектов. Таким способом процессы обмена веществом и энергией в ППК могут контролироваться и целенаправленно управляться с помощью определенных инженерных мероприятии. Этим ППС отличаются от естественных природных систем. Возможность контроля и управления процессами обмена веществом н энергией между окружающей природной средой и промышленным производством является основой для повышения эффективности использования и охраны природных ресурсом при строительстве и эксплуатации промышленных предприятий и для обеспечения заданного уровня качества природной среды в зоне действия, т. е. основой для создания и эксплуатации высокопродуктивных и высокопроизводительных природнопромышленных комплексов. Давая общее определение, можно сказать, что природно-промышленный комплекс — это относительно устойчивая и самостоятельная структурная единица ноосферы, включающая в себя природные, промышленные, сельскохозяйственные и коммунальнобытовые объекты, которые функционируют как единое целое на основе определенного типа обмена веществом, энергией и информацией. На современном этапе развития экономики важное место занимает формирование крупных территориально-производственных комплексов (ТПК), промышленных районов и узлов и обеспечение их рационального функционирования. Территориальнопроизводственный комплекс объединяет в единую социально-экономическую систему функционально и территориально взаимосвязанные промышленные, сельскохозяйственные, коммунальные и другие производства, обеспечивая тем самым комплексное и эффективное использование природных богатств региона. Например, большое значение для нашей страны приобретает эффективное функционирование Братско-Усть-Илимского, Саянского и других ТПК на базе использования гидроресурсов Ангары и Енисея, а также Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК), Курской магнитной аномалии (К.МА), Южно-Амурского ТПК и многих других. Каждый конкретный ТПК, горно-промышленный район или промышленный узел, где комплексно и эффективно используются природные ресурсы, является структурной единицей ноосферы. В состав таких единиц входят отдельные функционально или территориально взаимосвязанные природно-промышленные комплексы, действующие на базе крупных промышленных объектов (шахт, заводов, обогатительных фабрик, ТЭЦ и т. п.). Практика показывает, что одна из сложных проблем обеспечения рационального функционирования ТПК как структурной единицы ноосферы заключается в охране и рациональном использовании природных ресурсов. В условиях, когда внедряются крупномасштабные методы добычи, переработки и использования минерального сырья, угля, нефти, газа и других полезных ископаемых, происходят региональные экологические изменения природной среды. Особенно остро эта. проблема стоит в районах с суровыми климатическими условиями, где природные комплексы очень чувствительны к любым формам нарушения и загрязнения почв, водного и воздушного бассейнов. Возникновение проблемы и трудность ее решения определяются в основном тремя причинами: — концентрация в одном регионе крупномасштабных и ресурсоемких промышленных объектов по добыче, обогащению к использованию полезных ископаемых; — неизученность процессов возможных экологических изменений природной среды в зоне влияния крупных промышленных объектов и отсутствие опыта по устранению последствий этого влияния; — организационные трудности, связанные с межведомственным характером использования минеральных, водных, земельных и других ресурсов. Одним из путей решения является разработка и внедрение территориальных комплексных схем. Развитие ППК и ТПК в целом должно осуществляться по единым планам, учитывающим комплексное использование и охрану недр, водного и воздушного бассейнов, земельных и других ресурсов региона. Интересы различных ведомств должны соответствовать интересам всего народного хозяйства. Перечисленные выше ППС (нообиогеоценоз, ППК, ТПК) целесообразно принять за основные при любых инженерно-экологических исследованиях. Для решения конкретных задач могут быть выделены и изучены и другие ППС по признакам, характерным только для них. Примеры выделения таких систем приведены в целом ряде работ. II. УЧЕНИЕ О ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ 1. СТРУКТУРЫ ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ В общем случае под структурой ППС понимается состав к взаимное расположение ее компонентов и элементов, определяющих характер и направление функционирования системы. В зависимости от назначения и целей использования можно выделить следующие типы структуры ППС: компонентная, иерархическая, функциональная, морфологическая. Структура может быть представлена в виде принципиальной схемы, блок-схемы, специальной карты-схемы или аэрофотоснимка. При этом вид представления структуры ППС должен соответствовать цели инженерно-экологических исследований или типу структуры. Структура ППС выражается набором соответствующих структурных единиц, которые в зависимости от степени обобщения и типа структуры могут носить различные наименования. Целесообразно на стадии разработки научных основ дать понятие о каждой структурной единице, а в дальнейшем сформулировать определение природно-промышленной системы. С этой целью рассмотрим перечисленные выше типы структуры ППС и выявим структурные единицы. Принципиальные схемы структур ППС (рис. 5) иллюстрируют различие методологических подходов к их выделению. Компонентная структура. Под компонентами ППС следует понимать ее однородные по составу части, наделенные определенными функциональными признаками. Компонентная структура должна отражать сущность теоретического и методологического подхода к выделению и исследованию ППС, раскрывать их состав и свойства как элементарных структурных единиц ноосферы. Целесообразность такого подхода подтверждается теорией и методологией формирования и функционирования ППС. Компонентную структуру можно представить в виде блок-схемы, которая позволяет в ППС (в данном случае нообиогеоценоз) выделить следующие структурные единицы: сообщества (экотоп, биоценоз, нооценоз); компоненты (литосфера, гидросфера, атмосфера, фитоценоз, зооценоз, микробоценоз, общество, средства труда и продукты труда) Природно-промышленные системы, содержащие перечисленные выше сообщества и компоненты, являются классическими. Именно по отношению к ним необходимо разрабатывать все методологические и методические аспекты инженерно-экологических исследований. В конкретных ситуациях, когда ППС не содержит какого-либо компонента или этот компонент представлен отдельными элементами (растительность — отдельными видами деревьев, общество — работниками только данного производства, продукты труда — только промышленной продукцией), исследование системы должно проводиться с учетом данных особенностей. Иерархическая структура. С методологической точки зрения иерархическая структура должна раскрывать понятие четырех" иерархий: пространства, времени, организации и научных исследований. Природно-промышленные системы приурочены к определенному виду производства и соответствующей территории. С целью выявления приоритетности и подчиненности составляется пространственная иерархическая структура, которая должна отражать взаимное расположение ППС различного уровня на конкретной площади. Природно-промышленная система глобального уровня пространственной иерархии — ноосфера — представляет собой совокупность систем регионального уровня — территориально-производственных комплексов. Один ТПК может включать несколько природно-промышленных комплексов, каждый из которых может быть расчленен на несколько нообиогеоценозов — элементарных природно-промышленных систем. Наиболее информативна такая структура в виде специальной карты-схемы, которую целесообразно составлять по результатам комплексных инженерно-экологических исследований, когда имеются качественные и количественные характеристики всех структурных элементов систем. На примере ППК здесь выделены основные структурные элементы промышленного, коммунально-бытового и аграрного звеньев и показано, что добыча полезного ископаемого, обогащение, энергетика создают свои природно-промышленные системы меньшего ранга (нообиогеоценозы), границы которых определяются границей воздействия этого производства на природную среду. Общая граница ППК определяется границей влияния основного производства, в данном случае горного и обогатительного. Иерархия времени раскрывается в разделе «Функционирование ППС». так как является в основном характеристикой процессов. Структура временной иерархии отражает возможность прогнозирования появления новых структурных элементов ППС в результате строительства промышленных объектов или расширения зоны воздействия производства в результате перемещения работ (например, при поджигании фронта очистных работ в случае подземной разработки месторождений). Возможности временной иерархии структур ППС можно проиллюстрировать двумя картами-схемами на одну и ту же территорию. Построение структурных карт-схем, отнесенных к разному периоду времени, позволяет проанализировать процессы развития ППС, выявить их тенденции и направления, оценить состояние и составить прогноз изменения компонентов системы. Иерархия организации ППС раскрывает уровни структур ной дифференциации объектов, выделяемых для инженерно-экологического исследования. Основываясь па этом методическом подходе и принимая за элементарную ППС нообиогеоценоз, рассмотрим иерархическую структуру природно-промышленных систем, выделяя уровни организации в трех средах: биотической и абиотической, совокупность которых определяет понятие «природа», и производственной (социальной), которую определяет понятие «общество» в системе «общество — природа». Элементы (I—V уровень организации) являются структурными единицами ППС, которые могут быть выделены с помощью мерологического (от греческого meros — часть) метода исследовании, когда изучаются свойства составных частей, а затем эти свойства используются для анализа работы системы в целом. Принцип выделения элементов — получение необходимой и достаточной информации для анализа и изучения структуры и характера функционирования системы. В биотической среде, учитывая специфику инженерно-экологических исследований, выделение элементов целесообразно проводить в соответствии с представлениями современной экологии. Это позволяет использовать в инженерно-экологических исследованиях законы, методы и результаты работ по общей экологии, биогеоценологии и биологии. Элементы абиотической среды выделяются аналогично, исходя из возможности использования в инженерной экологии методологии, методов и результатов геохимических исследований, работ по гидрологии, гидрогеологии, инженерной геологии, почвоведению и других наук, изучающих абиотическую среду. Особую категорию составляют образования — структурные элементы литосферы (почвы или педосфера, материнские и горные породы), гидросферы (атмосферные, поверхностные, почвенные и подземные воды) и атмосферы (газы в приземном слое, воде, почвах и горных породах). Выделение образований определяется необходимостью объединения элементов в пределах одной сферы при вертикальной ее дифференциации. Несмотря на реальное существование образований, их границы наметить довольно сложно, но необходимо. В противном случае результаты не будут комплексными, а в некоторых случаях и достоверными. Это совсем не значит, что при всех инженерноэкологических исследованиях должны быть структурно выделены и изучены, например, газы в почвах или горных породах, но существование их и свойства должны быть учтены при анализе функционирования ППС. Принципы выделения элементов производственной (социальной) среды определяются целями инженерно-экологических исследований ППС и задачами, которые необходимо решать на конкретном этапе. Каждый элемент должен существовать реально, быть однородным, характеризоваться одним или группой общепринятых показателей, которые можно измерить существующими методами. Детализацию «средств труда» на элементы проводят по уровням организации общественного производства. Она включает следующие структурные единицы: производства, участки, технологические площадки, машины и механизмы, материалы и инструменты. Детализация «общества» производится применительно к возможной градации населения, оказавшегося в зоне воздействия предприятия, по видам деятельности и категориям. Детализация «продуктов труда» на элементы по стадиям переработки сырья позволяет привести их в соответствие с элементами производственного процесса, что имеет важное значение при определении эффективности использования ресурсов на разных стадиях их переработки. Необходимо отметить, что указанное деление уровней организации наиболее соответствует промышленному производству и построено на основе материалов исследований при добыче к переработке полезных ископаемых. Предлагаемые термины носят обобщенный характер и не раскрывают функциональных признаков элементов. Например, производства в ППС могут быть как промышленные, так и сельскохозяйственные, но в том и в другом случае они являются структурными элементами средств производства. Каждый из предложенных терминов имеет свое определение, а в случае конкретных исследований — свою классификацию и структуру. Особый уровень организации составляют компоненты (VI уровень организации) — базовые структурные единицы всех ППС, ее подсистемы. Компоненты являются единицами любой структуры и рассматриваются на любом уровне исследований. Эти структурные единицы лежат в основе холистического подхода к исследованию ППС, так как сохраняют свойства целого, включаясь в системы в качестве подсистем. Особые (эмерджентные) свойства компонентов, которые можно установить только при изучении их как своего рода систем, используются и при выявлении эмерджентных свойств ППС. Например, при добыче полезных ископаемых подземным способом необходимо исследовать не массив горных пород, почвы или подстилающие породы (это предмет исследования других научных направлений), а следует определить формы изменения литосферы как подсистемы. Поэтому нужно изучать формы геомеханических нарушений и литосферных загрязнений, представляющих собой особые (инженерно-экологические) свойства этого компонента. В некоторых случаях в качестве подсистемы целесообразно выделить сообщества (VII уровень организации). Объектами исследований в инженерной экологии являются структурные элементы VIII— XI уровней организации — системы и комплексы. Комплексы являются надсистемами, что обусловливает необходимость их структурной дифференциации на системы, сообщества, компоненты и элементы. Иерархия научных исследований в инженерной экологии тесно связана с иерархией организации и предполагает в общем случае четыре уровня детализации. На первом уровне объектами исследовании являются системы, их структура и основные свойства. Последующие уровни детализации предполагают в качестве объектов сообщества (II уровень организации), компоненты (III уровень) и элементы (IV уровень). Такая иерархия носит общеметодологический характер и должна быть интерпретирована в каждом конкретном случае в зависимости от целей и задач инженерно-экологических исследований. Функциональная структура. Данная структура раскрывает специфику образования ППС и совокупность взаимодействующих структурных единиц. Представленные на рисунке категории относятся к понятиям функционирования ППС, и их формулировки приведены в разделе 2 гл. II. Здесь они использованы для раскрытия методологии построения функциональной структуры. Целью построения функциональной структуры на первом этапе инженерно-экологических исследований является определение структурных единиц, находящихся во взаимодействии. Главным фактором при этом служит установление наличия между ними обмена веществом, энергией или информацией. Цель построения структуры на втором этапе заключается в выделении структурных единиц, оказывающих влияние (производства) и испытывающих это влияние (хозяйства непроизводственной сферы и население). Третий этап должен ставить целью выявление структурных единиц, оказывающих воздействие (источники воздействия) и испытывающих его (природные компоненты и элементы). Завершается построение выделением структурных единиц («реципиентов»), в которых проявляются последствия воздействия. Приведенный выше методологический подход является общим при изучении структуры и функционирования ППС. Методика выявления и представления функциональной структуры в системах различной иерархии организации имеет свою специфику. С методологической точки зрения главным фактором при построении функциональной структуры нообиогеоценоза является характер функционирования нооценоза, и в первую очередь специфика средств труда. Например, если на данной территории построены шахты, то основным процессом в деятельности шахт будет добыча и переработка полезных ископаемых, что и определит степень изменения природных компонентов. Структура средств труда характеризуется структурой основных фондов, что обусловливает характер их распределения по территории. Специфика общественного производства отражается. И в названиях элементарных структурных единиц: технобиогеоценоз — термин подчеркивает принадлежность ППС к промышленности; урбабиогеоценоз означает новую экологическую систему района жилой застройки; агробиогеоценоз — окультуренные сельскохозяйственные угодья. Структура и пространственное размещение компонента «общество в составе нообиогеоценоза во многом обусловлены характером производства; трудоемкостью, специфичностью, связью с другими производственными и непроизводственными сферами и т. д. От этого зависит численность трудовых ресурсов, а значит и общее количество людей, проживающих на данной территории. Удаленность населенных пунктов от предприятий, мест отдыха, объектов питания и т. д. зависит от структуры и функционирования нооценоза. Продукт труда определяется характером производства, степенью развития средств труда и потребностями общества. Продукт труда включает как готовую продукцию, так и отходы, и выбросы производства в твердом, жидком и газообразном состояниях. Характер распределения продукта труда в пространстве обусловлен не только свойствами самого продукта, но и структурными особенностями и свойствами природных компонентов нообиогеоценоза, т. е. природными компонентами, структурой естественных биогеоценозов. Функциональная структура ППС может быть представлена в виде блок-схемы или картысхемы. В качестве примера рассмотрим функциональную структуру элементарного технобиогеоценоза, образовавшегося в процессе складирования пустых пород в отвал при добыче полезных ископаемых подземным способом. Пространственное размещение объектов раскрывает структуру компонентов системы. Нооценоз в данном случае представлен отвалом пустых пород и частью поселка, которая попала в зону загрязнения породной пылью, сдуваемой с отвала. В биоценоз входят луговые сообщества, также оказавшиеся в зоне воздействия отвала. Почвы, грунтовые воды и атмосферный воздух в этой зоне объединяются в экотоп. Все перечисленные компоненты ППС показаны в виде блоксхемы. Аналогично можно рассмотреть функциональную структуру ППС, образовавшейся в результате использования и сброса сточных вод жилищнокоммунальным хозяйством поселка. В этом случае нооценоз будет представлен населением поселка (общество), канализацией и очистными сооружениями (средства труда) и жидкими отходами (продукты труда). Биоценоз в зависимости от характеристик реки — приемника сточных вод будет включать фито- и зоопланктон, рыбу различных видов. Воды реки и донные отложения — компоненты экотопа. Результатом построения функциональной структуры является установление объектов и предметов исследования. Объектом исследования в первом примере служит зола влияния породного отвала, которая и определяет существование природно-промышленные системы. Предмет исследования — это процесс сдувания пыли с породного отвала, распространение ее в атмосфере и последствия загрязнения пылью всех компонентов системы. Во втором случае объектом исследования является система водоснабжения и водоотведения в поселке, а предметом — образование сточных вод, их очистка и разбавление водами реки, а также последствия загрязнения вод реки в биоценозе и экотопе. Более сложная задача возникает при определении функциональной структуры более крупных, чем нообиогеоценоз, природно-промышленных систем, таких, как ППК и ТПК. Сложность состоит в том, что здесь каждый из компонентов может включать по нескольку элементов одного уровня иерархии. Например, в ППК, а тем более в ТПК может входить несколько производств различных отраслей промышленности, еще больше производственных участков и очень много технологических площадок. Причем категорию «производство» можно выделить не, только в промышленном звене, но и в коммунально-бытовом и аграрном (котельные, ремонтные мастерские автохозяйства и т. д.). В целях обеспечения единого методического подхода к исследованию таких крупных систем, как ППК и ТПК, для определения функциональной структуры в каждом конкретном случае целесообразно использовать принципиальную схему составления функциональной структуры ППК. В соответствии с принятой методологией на первом этапе исследований все структурные единицы ППК разбиваются на три звена: промышленное, аграрное и коммунальнобытовое, включающее в себя все взаимодействующие структурные единицы. Такое деление предполагает некоторую условность, которая на первом этапе исследований не имеет принципиального значения. Отнесение к тому или иному звену производится на этой стадии в основном по внешним признакам, по общему характеру функционирования, виду выпускаемой продукции и территориальному размещению объектов. На втором этапе все структурные элементы группируют в производства, хозяйства и объединяются по территориальному признаку. Производства (основное и вспомогательное) выделяются: по отраслям промышленности, характеру деятельности и другим признакам, по общим является то, что они оказывают влияние на природную среду, а через нее на хозяйства (совхозы, лесхозы, рыбхозы и т. д.) и территории (селитебная, рекреационная, особого режима и т. д.), оказавшиеся в зоне этого влияния. На третьем этапе исследования в производстве выделяют участки, имеющие источники воздействия на природную среду, а также угодья (растениеводческие, животноводческие, лесоустроительные) и зоны (жилая, курортная, лечебная, заповедная, отдыха). Выделение объектов необходимо проводить во взаимосвязи, которая определяется параметрами зоны воздействия источников. Четвертый этап исследований заключается в выявлении последствий воздействия технологических процессов на природную среду. В первую очередь выделяют реципиенты: выделы (пашни, пастбища, сенокосы, лесные биогеоценозы, водотоки и водоемы, места нереста или откорма рыбы и т. п.) и объекты (жилые массивы, парки, санатории, заповедники и заказники и др.), в разной степени испытывающие воздействие и обладающие различной устойчивостью к нему. Для определения степени воздействия выделяют технологические площадки, которые включают источники нарушения и загрязнения природной среды, что позволяет в дальнейшем определить качественные и количественные показатели воздействия. Такое выделение объектов инженерно-экологических исследований показано на принципиальной блок-схеме. Необходимо отметить, что принципиальная схема и блоксхема не могут отразить всего многообразия функциональных структур ППК, но их применение позволяет осуществить исследования с единых методических позиций. Принципиальная схема составления функциональной структуры ППК была использована при обследовании одного из рудников по добыче руд цветных металлов. В результате была построена карта-схема функциональной структуры ППК. Промышленное звено здесь представлено основным (рудник и обогатительная фабрика) и вспомогательным (закладочный комплекс, котельная, отвал и хвостохранилище) производствами. Аграрное звено объединяет объекты сельского хозяйства, детализация которых на угодья и выделы (пашня, сенокосы) показана соответствующими границами. Коммунально-бытовое звено включает жилой массив и парк. Карта-схема отражает в основном первые два уровня функциональной структуры, и только отдельные объекты выделены более детально. Особенность функциональной структуры ППК заключается в том, что карта-схема может быть построена только по результатам исследования характера функционирования производства. Однако чтобы это исследование было полным и комплексным, необходимо предварительно составить принципиальную схему функциональной структуры применительно к конкретным условиям, для чего могут быть использованы принципиальные схемы. Морфологическая структура. Под морфологической структурой ППС следует понимать пространственное размещение всех компонентов нооценоза, биоценоза и экотопа и их элементов во взаимосвязи и с учетом последствий взаимодействия. Она представляет собой структурное оформление пространственных и функциональных связей и отношений между источниками воздействия и объектами, воспринимающими воздействие и изменяющимися в результате этого. Морфологическая структура отражает зафиксированное на конкретный момент времени состояние, которое определяется путем выявления и описания экологических изменений, происшедших посредством воздействия производства на природную среду. Элементами, позволяющими построить морфологическую структуру ППС, являются контуры, ареалы, слои и зоны. Контур — это граница, отделяющая компоненты или элементы системы друг от друга, условно показанная на карте-схеме и соответствующая по конфигурации этой линии в натуре. Контур имеют все элементы и компоненты нооценоза, отдельные элементы биоценоза и экотопа, а также нарушения в них. В некоторых случаях целесообразно на карте оконтурить отдельные элементы и компоненты, даже если в натуре такая линия и невидима, но является границей компонента, элемента или их структурного изменения. Особый интерес в инженерной экологии представляют контуры структурных изменений, произошедших в результате воздействия производства на природную среду. Изменения числа, формы и расположения элементов и компонентов целесообразно отнести к одному виду — нарушениям. В результате воздействия производства нарушения могут произойти в любом компоненте и элементе природной среды, поэтому при классификации их следует разделить на типы: геомеханические (в литосфере), гидродинамические (в гидросфере), аэродинамические (в атмосфере) и биоморфологические (в биоценозе). Последние дополнительно делятся на подтипы: фитоценотические, зооценотические и микробоценотические. При составлении морфологической структуры ППС важно выделить не только типы нарушений, но и их конкретные формы, что дает возможность оконтурить каждую из них, а в дальнейшем и определить необходимые параметры; Рассмотренные ниже формы геомеханических нарушений наиболее часто встречаются в ППС, образовавшихся в зоне действия горнодобывающих и перерабатывающих минеральное сырье предприятий. Формы нарушений, условно объединенные в группу деформации, представляют собой изменения, происходящие в почвенном слое, подстилающих породах и массиве горных пород в результате различных процессов. Так, уплотнение и разрыхление наиболее часто имеют место при перевозках грузов автомобильным или гусеничным транспортом, длительном складировании тяжелых грузов, при мелких ремонтных работах подземных коммуникаций. Контур этих изменений в силу большой протяженности может уходить за пределы ППС и ограничиваться условно. Прогиб возникает при добыче любых полезных ископаемых подземным способом и при заборе воды из подземных горизонтов. Глубина прогиба колеблется от нескольких миллиметров до нескольких метров. Контур прогибов в натуре наметить трудно, поэтому предварительно, до исследований, необходимо сделать расчет зон сдвижения и определить параметры прогиба с использованием соответствующих методик, например. Трещины появляются также при подземных разработках, но иногда возникают и при сползании бортов карьера, у других выемок. Контур этих нарушений ограничивает или каждую форму отдельно (если размеры трещин велики), или всю зону развития трещиноватости. Нарушения, объединенные в группу провалы, специфичны для отработки месторождений подземным способом. Однако провалы возникают и при наличии карстовых пород и их осушении водозаборами. Форма нарушений зависит от параметров горных работ горно-геологических условий и рельефа. Кольцевые провалы образуются при отработке рудных месторождений с обрушением. Контур при этом четкий и легко фиксируется на аэрофотоснимке и в натуре. Каньонообразные провалы имеют место в случае разработки угольных крутопадающих мощных пластов щитовыми системами, слоями с обрушением. Контур такого нарушения вытянут вдоль простирания пласта. При выемке сближенных мощных пластов может образоваться система из нескольких (по количеству пластов) каньонообразных провалов. Тогда вся система оконтуривается по крайним формам. Котловинные провалы характерны для отработки мощных рудных и пластовых месторождений с обрушением или с целиками, разрушающимися через конкретный промежуток времени. Отличительной особенностью таких нарушений является обнажение по контуру почвенного слоя, а иногда и материнских пород. Террасированные провалы образуются при отработке месторождений под склонами гор и сопок системами с обрушением. Они также сопровождаются обнажением почв и материнских порот по контуру. Формы нарушения, включенные в группу выемки, связаны с добычей полезных ископаемых и строительством зданий, сооружений, коммуникаций. Карьерные выемки могут иметь разнообразную форму и различные параметры в зависимости от условий залегания полезного ископаемого. Котлованные и траншейные выемки, как правило, имеют место непродолжительное Бремя, необходимое, например, для закладки фундамента или прокладки трубопровода, но в некоторых случаях (вскрываю щая или транспортная траншеи карьера, прокладка дорог) они существуют довольно долго. Резервные выемки вдоль дорог характеризуются незначительными параметрами, но имеют широкое распространение. Придонные выемки образуются при добыче полезных ископаемых по руслам рек, добыче твердых полезных ископаемых на шельфе, при прокладке трубопроводов через водные преграды. Их контур предварительно можно определить по проектам работ с последующей привязкой на местности. Формы нарушений, составляющие, группу насыпи сопутствуют добыче и переработке полезных ископаемых, дорожному строительству и образуются при складировании исходного сырья, промпродуктов, отходов. Отвальные насыпи возникают при складировании пород, извлеченных из массива при проходке горных выработок на шахтах и рудниках, вскрышных работах на карьерах и разрезах. В зависимости от технологической схемы горных и отвальных работ отвальные насыпи могут иметь разнообразные формы. Специфика складирования требует выделения в отдельную форму гидротехнических насыпей (гидроотвалов, хвостохранилищ), контур которых в отдельных случаях определяется по зеркалу воды. И, наконец, дорожные и кавальерные насыпи характерны для любых ППС и так же, как и уплотнения и разрыхления, оконтуриваются по длине границами ППС. Формы нарушений, объединенные в группу застройки, относятся к наиболее стабильным по времени структурным единицам. Занимая постоянное место в ППС, здания, сооружения коммуникации могут быть самостоятельными единицами, а могут служить составной частью промплощадок и жилого массива. Во втором случае их включают в пределы контура данных форм без выделения, если в этом нет необходимости для дальнейших исследовании. Учитывая постоянство местоположения этих форм в системе, их целесообразно использовать для привязки при' любых структурных построениях. Геомеханические нарушения являются результатом прямого воздействия на литосферу в процессе ведения технологических процессов и зависят от параметров производственных процессов. Другими словами, между параметрами технологических процессов и показателями, существует корреляционная зависимость. Это позволяет по выявленным формам нарушения найти источник их возникновения и перейти к анализу характера функционирования системы с целью прогнозирования изменений, оценки их последствий, выбора мероприятии по устранению этих последствий и т. д. В перечисленные формы не включены изменения, которые являются последствиями первичных нарушений, возникших в результате протекания природных процессов (эрозия) или независимо от процессов производства (оползни, обвалы). Выявление и фиксирование форм геомеханических нарушений совместно с почвенными и орографическими исследованиями позволяют представить существующую в ППС морфологическую структуру компонента «литосфера». Гидродинамические нарушения связаны с изменением расположения, режима и динамики поверхностных, грунтовых и подземных вод. Формирование группы поверхностных гидродинамических нарушений обусловлено морфологическими изменениями водотоков и водоемов. Так, зарегулирование как форма нарушения проявляется в структуре ППС в виде водохранилищ или водоканалов. Изменения в естественном режиме и расположении водотоков и водоемов вызваны необходимостью осушения поверхности над месторождением или, наоборот, необходимостью создания водохранилищ. Контур нарушений в этих случаях выражен четко. При переносе и зарегулировании водотоков в ППС часто входит старое русло или ложе водоема. Затопление характерно для тех случаев, когда производство имеет избыток воды и полностью в водообороте ее не использует. Тогда воды сбрасываются на землю, в водотоки или водоемы, и происходит затопление дополнительных площадей земель, т. е. изменяется контур зеркала воды. При наличии мощных водозаборов на водотоках и водоемах может происходить обратный процесс и возникать форма нарушения истощение, которая может быть выявлена и показана на карте измененным контуром зеркала воды. Формы гидродинамических нарушений в ППС, объединенные в группу подземные, являются наиболее специфичными. Специфика заключается в том, что для их характеристики необходимо установить не только территориальное (площадное), но и вертикальное (слоевое) распределение. Наиболее распространенными формами, связанными с грунтовыми и подземными водами и влияющими на функционирование ППС, являются затопление (подтопление) и осушение. Затопление поверхности грунтовыми водами вызвано геомеханическими нарушениями (прогиб), и его появление определяется уровнем грунтовых вод. Контур этого нарушения имеет ярко выраженную сезонную динамику, что требует разработки специального подхода к его выделению и анализу. Часть прогиба не покрывается водой, но на этом участке уровень грунтовых вод поднимается ближе к поверхности, чем до нарушения. Это и является подтоплением, контур которого с одной стороны ограничен зеркалом воды, а с другой — контуром прогиба. Затопление и подтопление территории может происходить и в результате возведения препятствий на пути движения грунтовых вод (здания, сооружения, коммуникации). С целью выделения этих особенностей подобные нарушения предлагается объединить в подпоры. Осушение значительных территорий происходит в результате дренажа грунтовых и подземных вод горными выработками и скважинами. Контур нарушения определяется параметрами воронки депрессии, которая на период выделения структуры фиксируется по границе восстановления нормального уровня грунтовых вод. Контур депрессионной воронки является очень важной морфологической структурной единицей, поскольку имеет значительные размеры, и часто ее границы совпадают с одной из границ ППС. Заводнение как форма нарушений возникает при захоронении жидких отходов производства, использовании специальных способов отработки месторождений (выщелачивание, растворение), а также при предварительной гидравлической обработке массива горных пород. Необходимость ее оконтуривания вызвана тем, что поступившие в массив горных пород воды и содержащиеся в них вещества могут взаимодействовать с природными водами и вновь оказаться на поверхности. Выявление и фиксирование контуров форм гидродинамических нарушений, а также неизмененных естественных водотоков и водоемов, грунтовых вод, «верховодки» позволяют представить существующую в ППС морфологическую структуру компонента «гидросфера». Аэродинамические нарушения в ППС могут возникать в результате возведения высоких зданий, сооружений, отвалов, формирования глубоких выемок. Вместе с естественными возмущениями, наличие которых определяется орографией территории, в ППС должны быть выявлены разряжения и возмущения, обусловленные размещением элементов нооценоза. Аэродинамические ветровые тени оконтуриваются границей своего возникновения и определяются расчетным путем по параметрам препятствия, которое их вызывает (высота, глубина, длина и ширина). Контур возмущения по направлению также устанавливается или путем расчета, или путем натурных измерений. Особую форму атмосферных нарушений представляют температурные инверсии, возникающие в результате попадания в атмосферу больших потоков тепловой энергии, выделяемой нооценозом. Эти формы оконтуриваются по перепаду температур в приземных слоях атмосферы над объектами нооценоза и в естественных условиях над природными компонентами ППС. Фиксирование контуров форм аэродинамических нарушений совместно с установлением климатических факторов (скорость и направление ветра, динамика осадков, влажность) позволяет представить существующую в ППС морфологическую структуру компонента «атмосфера». Это необходимо для определения функциональных параметров, связанных с рассеиванием загрязняющих веществ. Биоморфологические нарушения могут возникать в результате строительства и эксплуатации элементов нооценоза на территории ППС, а также одновременно с геомеханическими и гидродинамическими нарушениями, вызванными добычей полезных ископаемых. Фитоценотические нарушения — повреждение и уничтожение растительности — наиболее часто встречающаяся форма, контур нарушений данной группы выявляется достаточно легко. Труднее оконтурить формы зооценотических нарушений: распугивание, уничтожение, интродукция. Это объясняется тем, что в естественных условиях популяция животных оконтуривается их ареалом на территории, и фиксирование нарушений необходимо вести по изменению естественного ареала. Аналогично фиксируются и оконтуриваются участки мик-робоценотических нарушений с учетом их слоевого распределения в растительности и почвах. Выявление и фиксирование контуров форм биоморфологических нарушений одновременно с выделением границ естественных (неизмененных) природных компонентов (фитоценозы, зооценозы и микробоценозы) позволяют определить морфологическую структуру биогеоценозов. Последующее изучение характера функционирования ППС с учетом биоморфологических изменений дает возможность оценить устойчивость, продуктивность и другие параметры измененных экологических систем. Совокупность контуров выделенных форм нарушений составляет особую морфологическую единицу ППС — зону структурной перестройки. Границей этой зоны является ломаная непрерывная линия, проходящая по внешним сторонам форм нарушения, т. е. сам контур должен находиться внутри зоны. При этом в пределах зоны могут оказаться отдельные ненарушенные части нарушенных компонентов. Ареал — это оконтуренное пространство, в котором элементы ППС находятся в рассеянной (неоднородной) форме. Границей ареала служит условная линия, являющаяся геометрическим местом точек с одинаковой (заданной) плотностью или концентрацией. Выделившиеся в результате технологических процессов вещества в форме жидких, твердых или газообразных отходов, попадая в природные компоненты, накапливаются, рассеиваются или мигрируют в природных системах и образуют особый вид изменения их качественных характеристик — загрязнение. Участки этих изменений могут быть оконтурены по количественным показателям (концентрация загрязняющих веществ) условной линией — границей ареала. Необходимо отметить, что границы форм загрязнения очень подвижны, изменчивы в пространстве и во времени, жестко связаны с технологией и значительно зависят от природных условий. Поэтому фиксирование этих форм и представление их в морфологической структуре ППС — сложный методический и практический процесс. Однако без выявления форм загрязнения нельзя анализировать и исследовать характер функционирования природных компонентов. Одним из возможных методических решений является выделение форм загрязнения по аналогии с формами нарушения. В соответствии с названием компонентов ППС, в которых зафиксировано наличие загрязняющих веществ, можно выделить следующие типы загрязнения: геохимические (в литосфере), гидросферные, атмосферные и биоценотические. В таблице приведены показатели, которые характеризуют конкретную форму как морфологическую единицу ППС и могут быть отражены на специальной карте-схеме морфологической структуры. Все геохимические формы можно объединить в группы поверхностные, фильтрационные и подземные загрязнения по принципу их слоевого расположения в природной среде. Первые две группы иногда обозначаются понятием «загрязнения почв и земель», а третья — «загрязнения недр». Засорение как форма поверхностного загрязнения возникает при строительстве, транспортировке, складировании различных материалов, твердых отходов. Особой, специфической для горнодобывающего производства формой загрязнения является скопление на поверхности пыли, т. е. запыление. Запыление происходит, как правило, через атмосферу при осаждении тонкодисперсных, пылеватых частиц и прослеживается на большие расстояния от места их выделения. Это и есть основное отличие запыления от засорения. Замазучивание поверхности является следствием разлива нефти, мазута, горюче-смазочных материалов при транспортировке или использовании. Ареал форм поверхностных загрязнений может быть выявлен визуально, в процессе обследования. Граница ареала неизменна до начала каких-либо функциональных изменений (например, до очередного массового взрыва), и только замазучивание может распространяться по территории до устранения источника (например, ликвидация аварии на нефтепроводе). Формы фильтрационного загрязнения — закисление, засоление и заражение — включены в одну группу по признаку единства причин образования. Разделение на формы проведено на основании характеристики водной вытяжки (рН) из почвы в ареале загрязнения (закисление при рН<6,5; засоление при рН>8,5). В особую форму — заражение — целесообразно выделить загрязнения тяжелыми металлами, радиоактивными и другими сильно токсичными веществами (ртуть, мышьяк, ванадий). Такое выделение подчеркивает особенности функционирования ППС при этих формах изменения. Ареал форм фильтрационного загрязнения литосферы может быть определен путем отбора проб; их анализа па содержание какого-либо элемента и сравнения полученных результатов с фоновым (кларковым) значением. Особенностью данных форм является их постоянная динамика в пространстве и во времени (перемещение границы ареала), а также изменение концентрации веществ. Поэтому при выявлении морфологической структуры необходимо четко фиксировать и временной интервал. Группа форм подземных загрязнений выделена по отношению к массиву горных пород, в котором при проведении работ может возникать заиливание (когда загрязняющими веществами являются твердые частицы) или заражение (с участием кислот, щелочей, металлов и их соединений). Форма захоронение подчеркивает использование массива горных пород, его отдельных горизонтов для твердых или жидких отходов производства. Гидросферные формы загрязнения можно разделить на три группы: сапробные (органические), галобные (соленые) и твердые. В первом случае состояние водоемов оценивается по содержанию в воде мельчайших микроорганизмов и других веществ (трофо-сапробные показатели). Формы евтрофия или гипертрофия определяются классом сапробности, который соответствует или отношению между общим количеством микроорганизмов (млн. кл/мл) и количеством сапрофитов (тыс. кл/мл), или отношению значений БПК5 (мг 02/л) к перманганатной окисляемости (мг О2/л), или совокупностью показателей. Указанные формы оконтуриваются границей их ареала па основе результатов анализа проб воды. Аналогично устанавливаются ареалы в водотоках и водоемах форм гидросферного загрязнения, относящихся к группам галобных и твердых: солоноватые, засоленные, щелочные, закисленные, минерализованные, замутненные. Различными являются только показатели, по которым они выделяются. Атмосферные формы загрязнения разделяются по физическому состоянию загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, на следующие группы: газообразные и парообразные, жидкие, твердые и смешанные. Формы удобно выделять по качественным признакам загрязняющих веществ: запыление, загазование или заражение (твердыми или газообразными веществами). Особые формы составляют жидкие загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в виде тумана, состоящего из частиц различной дисперсности. Конфигурация ареалов гидросферного и атмосферного загрязнений изменяется в зависимости от параметров процесса, в результате которого вещества поступили в эти компоненты, и особенностей их естественного состояния. Береговой выпуск сточных вод в зависимости от содержащихся в них веществ приводит к определенной форме и особому ареалу загрязнения водотока. При этой же форме загрязнения, но при русловом выпуске вод ареал приобретает иную конфигурацию. В водоеме загрязняющие вещества распространяются по другим законам, поэтому и ареалы будут иметь своеобразную конфигурацию. Конфигурация ареалов атмосферного загрязнения зависит от параметров источников выброса загрязняющих веществ, ме теорологических условий и целого ряда других факторов. Конфигурация ареала может иметь вид факела, шлейфа, пылегазового облака. В процессе длительного действия источника загрязнения ареал постоянно меняет свое направление в соответствии с направлением ветра, образуя зоны влияния и воздействия, конфигурация которых определяется конфигурацией ареалов. Например, точечный источник выброса создает вокруг себя зону влияния в виде концентрической окружности с центром в устье источника. Биоценотические формы загрязнения целесообразно разделить на две группы: фитоценотические, зоо- и микробоценотиче ские. Наиболее часто встречающимися формами являются зарастание и размножение. В первом случае выявляются «пионерные» виды растений на отвалах, бортах карьеров и других формах геомеханических нарушений, а также в пределах контура гидрогеологических нарушений. Чаще всего в этих местах появляются сорные растения, распространение которых представляет угрозу для сельско-, лесо- и рыбохозяйственных угодий. Размножение отдельных микроорганизмов и животных на территории ППС может быть связано с технологией производства (вынос микроорганизмов с твердыми и жидкими отходами, создание условий для размножения при повреждении растительности). Некроз можно расценивать как последствие загрязнения воздуха или почв. Но для оценки характера функционирования системы в конкретный момент времени площадь поражения должна выделяться в фитоценозах соответствующим поражению ареалом для правильного определения дальнейшего направления развития системы. Рассмотренные выше формы загрязнения природных компонентов, являясь элементами морфологической структуры ППС, изменяют в основном функциональные параметры ППС, поэтому площади системы, оказавшиеся внутри ареалов этих форм, целесообразно объединить в зону функциональной перестройки. Такую зону можно выделить не только по каждому компоненту природной среды, но и по их совокупности. Как правило, зона ! функциональной перестройки за счет процессов массопереноса загрязняющих веществ в атмосфере и гидросфере имеет большую протяженность и определяет границы ППС в целом. Совокупность структурных и функциональных единиц морфологической структуры ППС дает представление о ней как бы в одной плоскости — в плоскости «поверхности земли». Вместе с тем каждая ППС обладает и вертикальной дифференциацией, которая оказывает значительное влияние на характер функционирования системы. В качестве элементов морфологической структуры ППС «по вертикали» могут быть приняты слои. Слой — это элемент морфологической структуры, с помощью которого производится вертикальная дифференциация либо структуры в целом, либо ее отдельного контура или ареала. В наиболее общем виде в ППС выделяются следующие слои: атмосферный, растительный, педосферный, гидросферный, литосферный. Каждый из слоев, в свою очередь, включает несколько горизонтов. Примером может служить вертикальная дифференциация почвенного слоя, атмосферы, выделение горизонтов грунтовых и подземных вод. Как отмечалось выше, четкой границы между слоями часто не бывает изза взаимного проникновения компонентов в процессе функционирования. Поэтому границы слоев в морфологической структуре выделяют условно. Наиболее крупной единицей морфологической структуры ППС является зона. В результате воздействия производства на природную среду может возникнуть несколько зон экологических изменений. Для отражения морфологической структуры ППС необходимо и достаточно выделение зон структурной, функциональной и информационной перестройки. Понятие о первых двух зонах и принципы их выделения приведены выше. Границы этих зон, установленные в результате аналитических, лабораторных, натурных или дистанционных исследований, представляют собой условную грань между влиянием производства на природную среду и отсутствием этого влияния. Условность заключается в том, что показатель влияния (например, какая-то концентрация веществ в атмосфере, ниже которой влияния пет) предварительно задается. Часто это значение зависит от чувствительности приборов, с помощью которых определяется условный показатель. Поэтому между границей зоны функциональной перестройки и местом достижения фонового значения концентрации веществ во всех природных компонентах целесообразно выделить еще одну зону — зону информационной перестройки, в пределах которой концентрации выбрасываемых вредных веществ меньше предельно допустимых, но выше кларковых. Изменения здесь не вызывают перестройки структуры или характера функционирования природных систем, но могут влиять на информационные признаки (наследственность), приводить к накоплению вредных веществ, стать причиной мутагенеза и т. д. Кроме этого, и данной зоне продуктивность природных биогеоценозов, агроценозов, водоемов и др. практически сохраняется на уровне, соответствующем отсутствию влияния производства. Собственно морфологическая структура ППС является совокупностью всех перечисленных выше элементов (контуров, ареалов, слоев, зон) и по каждому компоненту ППС представляется в форме инженерно-экологической карты. Спецнальное содержание инженерно-экологической карты составляют элементарные ППС, выделенные по совокупности признаков, которые отражают процессы их формирования и функционирования. При этом применяются генетические классификационные признаки отдельных компонентов и классификационные признаки их изменений (нарушения и загрязнения). Для анализа каждой из выделенных ППС могут быть использованы комплексные показатели, обобщающие и характеризующие их структуру и функционирование. Получение таких показателей и является целью исследования в инженерной экологии. 2. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ Функционирование ППС основано на принципах обмена веществом, энергией или информацией между ее структурными единицами, происходящего в результате процесса общественного производства. В зависимости от вида и характера производства, специфики его технологии взаимосвязь этих видов обмена с природными процессами может иметь форму взаимодействия, влияния и воздействия. Взаимодействие. С природной средой взаимодействие осуществляется прямо или опосредованно при любом виде производства. Интенсивность взаимодействия определяется количеством ресурсов, которыми обмениваются предприятие и природная среда в процессе функционирования. Поэтому одна из задач инженерной экологии заключается в определении интенсивности взаимодействия, степени его рациональности и комплексности. Все структурные единицы любой ППС находятся в постоянном взаимодействии, поэтому только при условии учета и использования процессов этого взаимодействия можно обеспечить достаточную полноту и рациональность использования природных ресурсов, и оптимальный уровень качества природной среды, повышение продуктивности экологических систем и эффективности производства. Обмен веществом, энергией и информацией между структурными единицами ППС осуществляется в результате ведения производственных технологических процессов. При этом из природной среды извлекаются вещества и энергии, которые непосредственно или в измененном виде служат ресурсами производства и участвуют в создании продукта труда (продукции). Вещества и энергии в виде отходов и выбросов поступают в природные процессы; дальнейшее участие в создании продук-ции природного процесса определяется их свойствами и характером естественных процессов. Поэтому при инженерно-экологическом' анализе взаимодействия производства и природной среды необходимо выделить весь процесс, который можно назвать природнотехнологическим. Результатом взаимодействия технологического и при родного процессов является их совместная продукция, которая и будет продукцией природнотехнологического процесса ППС. Эффективность последнего оценивают по объему суммарной продукции с учетом заданного качества компонентов природной среды. Количества вещества и энергий, поступающих в природный процесс, в общем случае можно установить путем составления уравнений материального и энергетического баланса технологического процесса: МВ = МПР + МОЗ ; EB = EПР +ЕВС где МВ — масса веществ, участвующих в технологическом процессе; МПР — масса веществ, входящих в продукцию технологического процесса; МОВ — масса веществ, составляющих отходы и выбросы; ЕВ — количество энергии, вводимой в технологический процесс; ЕПР— количество энергии, израсходованной на производство продукции; ЕВС — количество энергии, выделяющееся в природную среду. Химический состав вещества и виды энергии при завершении процесса определяются составом веществ и видами энергий в начале процесса, они зависят также от характера химических превращений веществ и вида преобразования энергий. Следующим этапом анализа является составление уравнения материального баланса природного процесса для определения его продуктивности: МИ + МОВ = МПР + МКВ Здесь МП — масса веществ, вовлекаемых в природный процесс из природных компонентов: МОВ — масса веществ, поступающих из технологического процесса в природный; МПР — масса веществ, входящих в состав продукции природного процесса; МКВ — масса веществ, участвующих в круговороте. Аналогично составляется уравнение энергетического баланса природного процесса. Качественный состав природных компонентов зависит от химического состава поступивших в процесс веществ и характера биохимических превращений. Эффективность функционирования природно-промышленных систем определяется качественными и количественными показателями эффективности использования ресурсов и состоянием последних. Ресурсами в ППС являются все вещества и виды энергий, участвующие в природно-технологическом процессе и входящие в состав продукции или способствующие ее производству. Исходя из структуры и общих принципов функционирования ППС, можно выделить материальные, энергетические, экологические и трудовые ресурсы. Использование балансового метода для их анализа и определения качественных и количественных характеристик, необходимых для оценки эффективности, рассмотрим на примере анализа материальных ресурсов горнодобывающего производства. В общем случае все материальные ресурсы делятся на главные, вспомогательные и сопутствующие. Эта классификация в целом применима и для других ресурсов ППС. По уравнению материального баланса можно рассчитать расход ресурсов в единицу времени или на единицу выпускаемой продукции. По каждому виду ресурсов определяются его объем, покидающий технологическую линию в составе готовой продукции, а также потери с выбросами и отходами производства. Дефицит баланса характеризует неучтенные потери материальных ресурсов. Для конкретного вида ресурса формула материального баланса имеет следующий вид: МВХ = МПР + МОТХ + МУТР где МВХ, МПР, МОТХ, МУТР — модули ресурса соответственно на входе в процесс, в готовой продукции, в уловленных пли заскладированных отходах (жидких, твердых и газообразных) и в потерях, которые образуются при выбросах в атмосферу, выносе веществ из отвалов, хвостохранилищ, в промстоках и т. п. Многообразие видов и форм производственных энергетических ресурсов, а также существенное их отличие от природных видов энергии определяют особенности потоков энергии в ППС. Степень преобразования энергии зависит от вида первичных энергетических ресурсов и характера производства. В общем случае первичные ресурсы участвуют в технологическом процессе либо в готовом виде (например, электроэнергия), либо в виде энергетического сырья (уголь для котельной и т. п.). ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОИЗВОДСТВА НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В настоящее время применяется множество терминов, которые определяют различие между естественным и измененным состоянием природной среды, между естественными изменениями в экологических системах (сукцессиями) и положительными и (или) отрицательными изменениями в результате деятельности людей. В литературе наиболее часто встречаются термины «влияние» (effect) и «воздействие» (impact). При этом воздействие чаще всего рассматривается как положительное и (или) отрицательное последствие влияния. Но существует и другое толкование этих терминов. Например, Научный комитет по проблемам окружающей среды (СКОПЕ), который был организован в 1969 г. Международным советом научных союзов (МНПО) и является ведущей организацией в области изучения воздействия производства на природную среду, придерживается следующих истолкований: изменение может быть и естественным (природным), и антропогенным; влияние — это изменение, вызванное деятельностью человека; воздействие включает также и оценку значимости влияния. Таким образом, различие между влиянием и воздействием заключается в том, что воздействие проявляется более интенсивно и. как правило, приводит к значительным изменениям качественных и количественных показателей природных компонентов. Теоретической основой изучения воздействия производства на природную среду является учение о природно-промышленных системах, изложенное в предыдущем разделе. Основываясь на этих положениях и понятиях, необходимо более детально рассмотреть вопрос об источниках воздействия видах воздействия, формах проявления воздействия и последствиях воздействия производства. Из анализа структуры и характера функционирования ППС можно сделать вывод о том, что источниками воздействия на воздействия на окружающую среду (ОВОС) — это определение и прогнозирование результатов действия на биогеофизическую среду, на здоровье и благополучие человека, а также интерпретация и передача информации о воздействии. В такой постановке ОВОС предусматривает целую серию процедур, которые в общем случае должны включать: — описание и количественную оценку предполагаемого (существующего) воздействия; — прогнозирование снижения или увеличения интенсивности воздействия па природную среду по времени и пространстве; — оценку изменений (положительных и (или) отрицательных) в природной среде и их последствий; — заключение о целесообразности внедрения или отклонения предлагаемого проекта или о мероприятиях по достижению оптимального состояния природной среды. В настоящее время используются следующие основные методы оценки воздействия: 1) контрольные списки, 2) матрицы, 3) диаграммы потоков, 4) совмещенный анализ карт. Метод контрольных списков предполагает наличие заранее составленного перечня (списка) видов воздействия, которые могут возникать при осуществлении данного проекта, например при строительстве шахт, или гидроэлектростанций, в котором каждому виду предварительно дана количественная оценка (как правило, в баллах). Процедура оценки вариантов проекта, отличающихся технологией ведения работ (например, открытый или подземный способ отработки месторождения, различные варианты способов управления горным давлением), заключается в выявлении видов предполагаемого воздействия и их ранжировании в соответствии с показателями контрольного списка. Результаты этой процедуры оформляются в виде таблицы, а заключение формулируется на основании суммы полученных каждым вариантом баллов. Основными требованиями к данному методу оценки являются достаточное количество видов воздействия в контрольном списке и объективность способа придания им численных весов. Наиболее репрезентативным методом, соответствующим перечисленным требованиям, является метод Бателле, разработанный в США для оценки воздействия проектов развития водных ресурсов, автомагистралей, атомных электростанций. Для каждого вида воздействия установлен индекс качества среды, нормализованный таким образом, чтобы ранжирование осуществлялось по шкале от 0 до 1 с использованием метода значимой функции. Каждый индикатор воздействия задается как разность между показателями состояния окружающей среды при осуществлении воздействия и без него. Факторы окружающей среды в методе Бателле классифицированы по четырем категориям (сферам): сфера экологии, физнко-химическая сфера, сфера чувственного восприятия, сфера человеческой деятельности. В каждой сфере выделены показатели воздействия и каждому из них дан относительный вес, фиксированный для всех сходных проектов. При заданном значении и весе каждого показателя подсчитывают общее воздействие каждого из альтернативных проектов. В целом методы оценки воздействия, базирующиеся на контрольных списках, довольно просты, объективны и надежны. Однако область их применения ограничена как наличием списков, подходящих для рассматриваемого проекта, так и наличием двух и более альтернативных проектов. Метод матриц использует причинно-следственные зависимости между воздействием и его последствиями в природной среде и обществе. Наиболее известной является матрица Леопольда. Она представляет собой открытую матрицу, содержащую по горизонтальной оси 100 наименований видов воздействия, а по вертикальной — 88 характеристик окружающей среды. Таким образом, при оценке проекта может быть использовано 17 600 единиц информации, обработка которых требует применения ЭВМ. Матрицы составляют как по количественным, так и, но качественным показателям воздействия, при этом значимость каждого показателя задается лицом, выполняющим оценку. Отсутствие четких критериев придания числовых значений каждому показателю делает метод неопределенным, сравнительным. Однако он обладает достаточной информативностью и наглядностью и является предпочтительным при оценке сложных альтернативных проектов. Метод диаграмм потоков представляет собой последовательное выявление или прогнозирование зависимостей между воздействием и его последствиями. Построение диаграмм потоков возможно только при наличии точного описания процесса, происходящего в природной среде без оказания воздействия и при его появлении. В качестве примера рассмотрим воздействие на массив горных пород при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Системы разработки с обрушением могут привести к возникновению провалов на поверхности, что способствует дополнительному поступлению воды в пиле атмосферных осадков в горные выработки. Это, в свою очередь, вызывает увеличение объема откачиваемых и очищаемых шахтных вод и соответственно снижение, качества их очистки и увеличение загрязнения поверхностных водотоков, куда сбрасываются шахтные воды. Последствия такого загрязнения для обитателей водоема зависят от состава и концентрации загрязняющих веществ и в конечном счете могут отрицательно повлиять на организм людей, потребляющих продукцию водотока (рыбу). Рассмотренный метод применяется в случае сравнения двух конкретных технологических решений, когда количественные параметры самого воздействия и его последствий не определены, но требуется выбрать одно из них при заданных безоговорочных ограничениях (например, известно, что водоток представляет собой нерестилище ценных сортов рыбы, и возможность его загрязнения исключена). Оценка сложных проектов с помощью данного метода затруднительна из-за большой раз-ветвленности диаграммы. Совмещенный анализ карт заключается в выделении территории предполагаемого воздействия и ее анализе по картографическому материалу, аэрофотоснимкам, материалам землеустройства. По каждому показателю воздействия сначала строится своя карта-схема, а затем определяется суммарное воздействие путем совмещения (наложения) этих карт и последующей визуальной оценки. Наиболее часто рассматриваемый метод используется при оценке проектов по прокладке автотрасс, газопроводов, линий электропередач, строительству аэродромов, предприятий, городов и поселков. При этом учитывается состояние территории до и после внедрения проекта, экономические и социальные факторы. Для каждого фактора и каждого земельного участка имеется количественная характеристика (в баллах), что позволяет формализовать принятые решения. Рассмотренные выше методы оценки воздействия применяются, как правило, при экспертизе крупных (региональных) проектов, когда ставится вопрос о возможности осуществления проекта или выбора одного из вариантов. На действующих предприятиях указанные методы применять невозможно. Поэтому требуется разработка новой методики, позволяющей дать оценку воздействия в условиях функционирующего предприятия. Теоретической базой нового подхода может стать учение о структуре и функционировании ППС. На его основе оценка воздействия производства на природную среду должна включать следующие процедуры: — анализ технологического процесса производства с целью выявления источников воздействия, выделения и выброс (сброса); — определение показателей интенсивности, степени и опасности воздействия; — выявление форм нарушения и загрязнения природной среды и определение их параметров; оценку последствий изменения природной среды в компонентах ППС с использованием интегральных показателей (например, экономического ущерба). На основе изложенных выше теоретических и методологических основ была разработана методика проведении инженерно-экологических исследований и апробирована при оценке воздействия на природную среду дробильно-сортировочной фабрики. Практически все отрасли промышленности имеют подобные предприятия, поэтому приведенные ниже результаты могут представлять и методический и практический интерес. Анализ технологического процесса необходимо начинать с технологической схемы предприятия в целом, затем его участков и технологических площадок, используя при этом паспорта на отдельные операции. Результатом такого анализа на первом этапе инженерно-экологических исследований является определение в технологической цепочке мест входа и выхода природных ресурсов. В рассматриваемом примере технологический процесс осуществляется с помощью машин и механизмов, выполняющих дробление, грохочение и транспортировку известняка таким образом, что поступивший из карьера автомобильным транспортом известняк превращается в готовую продукцию— дробленую породу трех фракций: — 10+0, — -130+70 и —150+130 мм. Все продукты дробления находят применение в различных отраслях народного хозяйства, т. е. производство можно считать безотходным и высокоэффективным, по использованию природных ресурсов. Однако при дроблении, грохочении и транспортировке образуется известняковая пыль, т. е. указанные процессы являются источниками атмосферного загрязнения твердыми частицами. Источниками выделения пыли в анализируемой технологической схеме являются дробилки (3, 5 и 6), грохота (4 и 7), место загрузки сырья в бункер (1), пластинчатый конвейер (2), а также все места пересыпа транспортируемого по цепочке материала (на рисунке отмечены стрелками). Как показали исследования, интенсивность выделения пыли зависит от конструкции и производительности источника, от характеристик дробимого материала (влажность, крупность, прочность) и по результатам измерения составила: при дроблении — 71,3— 37,7 г/с; при грохочении — 14,5—9,6 г/с, при пересыпе — 7,8 г/с. Такое количество пыли приводит к сильному загрязнению воздуха в производственных помещениях и значительно превышает допустимые для рабочих мест нормы. Поэтому все места выделения пыли укрываются и оборудуются аспирационными системами, с помощью которых осуществляется организованный выброс пыли в асмосферу через трубы (в рассматриваемом примере через 5 труб). Определением характеристик аспираиионных систем и источников выброса (скорость и запыленность воздушных потоков, длина и площадь сечения воздуховодов, высота и диаметр трубы) и закапчивается исследование технологического процесса. Результатом этих работ служит расчет фактической эффективности улавливания пыли в пылеулавливающих установках аспираиионных систем. Следующим этапом в соответствии с приведенной выше последовательностью является определение интенсивности, степени и опасности воздействия. В приведенном примере интенсивность воздействия зависит от количества пыли, поступающей из источника выброса в атмосферу. Степень воздействия, равная отношению интенсивности воздействия к интенсивности выделения пыли, позволяет ранжировать источники загрязнения по принципу возможности и целесообразности снижения интенсивности воздействия. По льтатам исследований максимальная степень воздействия (0,438) оказалась у самого слабого по интенсивности источника загрязнения, и наоборот, источник с максимальным пылевыделением (71,3 г/с) имеет минимальную степень воздействия (0,094) за счет высокой эффективности пылеулавливания. Определение опасности загрязнения атмосферы в результате выброса пыли требует замера ее концентраций в приземном слое на различных расстояниях от источника выброса и последующего сравнения с ПДК. В принципе проведение таких замеров возможно, но для высокой информативности и достоверности сведений об опасности загрязнения необходим большой объем измерений. Поэтому для определения опасности загрязнения атмосферы целесообразно пользоваться методом моделирования процессов рассеивания загрязняющих веществ, который позволяет получить необходимую и достаточную информацию с помощью ЭВМ. В нашем примере в качестве основы для построения моделей был принят подход, изложенный в работах. Целью моделирования являлось также установление границ зон воздействия и влияния. Первая модель имитировала выброс в атмосферу всей пыли, выделившейся в процессах переработки известняка" с интенсивностью, приведенной п табл. 6. В этом случае максимальная опасность загрязнения атмосферы составила 38,6; расстояние до границы зоны воздействия — 1600 м, до границы зоны влияния — 10 км от источников выброса. Эти показатели убедительно доказывают, что работа предприятия без пылеулавливающих устройств невозможна из-за высокой степени опасности. Максимальная опасность загрязнения составила 3,2, зона воздействия ограничена на расстоянии 300 м, а зона влияния ~1.5 км от источников выброса. По результатам моделирования на карте-схеме района расположении дробильносортировочной фабрики были построены ареалы загрязнения атмосферы (границы зон воздействия и влияния), что позволило завершить процесс выделения образовавшейся ППС и перейти к следующему этапу инженерно-экологических исследований — обследованию зоны влияния. Цель данного этапа заключалась в определении последствии загрязнения растительности известняковой пылью. Обследование показало, что. несмотря на наличие в фитоценозах явно выраженных запыленных участков, особенно в зоне воздействия, патологических изменений в морфологии растений не произошло. Индикатором чувствительности к воздействию среди древесных пород была выбрана лиственница, которая па обследуемых участках не только не проявляла признаков угнетения, по и активно участвовала в подросте. Не обнаружено отрицательных последствий и в луговой растительности, где исследования велись путем сравнения видового состава растений на запыленных участках и вне зоны влияния. Был сделан вывод, что запыление в данных конкретных условиях не приводит к отрицательным последствиям. Это, конечно, не означает, что в зоне влияния всех предприятий по дроблению известняка растительность не изменяется от запыления. В каждом конкретном случае такой вывод можно делать только на основании результатов исследований. Рассеивание пыли в атмосферном воздухе приводит к неравномерному ее оседанию на почву по площади зоны влияния из-за изменяющихся метеорологических условий (скорость и направление ветра), наличия зон с аэродинамической тенью за препятствиями на пути воздушных потоков (лесопосадки, здания и сооружения). Поэтому фактический ареал загрязнения: почв будет отличаться от построенного по результатам моделирования ареала загрязнения атмосферы. Исследовать особенности загрязнения территории зоны влияния при оседании пыли можно методом снегосъемки. Метод заключается в отборе проб снега с последующим их растоплением и фильтрованием для получения твердого осадка, что позволяет определить его концентрацию в объеме пробы. Результатом снегосъемки является установление закономерности изменения концентрации твердых частиц в снеге в зависимости от расстояния. Анализ подобного графика целесообразно вести, имея карту-схему морфологической структуры ППК и данные по ветровому режиму за период накопления пыли снегом. Только совместное рассмотрение указанных материалов позволяет объяснить аномальность отдельных значений концентраций. По многолетним наблюдениям в исследуемом районе наименьшая встречаемость отмечена для ветров восточного направления, а наибольшая — для ветров северного направления. Этим и объясняется, что минимальные концентрации известняка и пробах зафиксированы вдоль западного профиля, а максимальные — на юг от центра промплощадки. По всем направлениям наблюдается постоянное снижение концентрации с расстоянием, за исключением нескольких аномальных точек. Так, точка 9 с концентрацией 7,61 г/л и точка 20 (12,8 г/л) оказались вблизи дороги с интенсивным движением грузовых автомобилей, точки 4, 5 и 6 — на границе с крупным лесным массивом. Исследования показали, что растительность создаст аэродинамические нарушения в виде зон разряжения (аэродинамических теней) и изменяет характер рассеивания пыли. За этими препятствиями концентрации пыли в снеге лишь незначительно (на 10—20%) превышают фоновые. Проведенные исследования позволили получить зависимости между количеством пыли, выпадающей на поверхность почвы, и повторяемостью ветра, по которым рассчитывалась интенсивность запыления земель. Процедура оценки последствий изменения природной среды и зоне влияния производства должна заканчиваться суммарной оценкой всех выявленных отклонений в структурных единицах ППС. Таким интегрированным критерием может служить, например, экономический ущерб, представляющий собой денежное (стоимостное) выражение всех видов последствий. По существу, экономический ущерб — это своего рода «взвешивание» различных по размерности количественных показателей, характеризующих воздействие производства на природную среду. Условность его заключается в «присвоении» обществом каждому компоненту ППС определенной стоимости, которая зависит от уровня развития общества, принципов ценообразования и ряда субъективных факторов, в частности от методики расчета. Существующие в настоящее время методы определения экономического ущерба позволяют привести к единому экономическому показателю только некоторые из видов воздействия: загрязнение атмосферы и гидросферы, нарушение земель, шумовое воздействие. Это объясняется слабой изученностью последствий других видов. В то же время, очевидно, что если в каком-то компоненте природной среды в результате воздействия производства произошло структурное или функциональное изменение, т. е. возникла какая-либо форма нарушения или загрязнения, то обязательно появятся последствия (инженерные, экологические или социальные). Задача заключается в том, чтобы выявить их и дать соответствующую экономическую оценку. Экономический ущерб определяют как сумму двух видов затрат: 1) на предупреждение воздействия загрязненной среды на реципиентов, когда такое предупреждение, частичное или полное, технически возможно; 2) вызываемых воздействием на них загрязненной среды. При этом в качестве основных реципиентов рассматриваются: население; объекты жилищно-коммунального хозяйства: селитебная территория, жилой фонд, городской транспорт, участки зеленых насаждений и др.; сельскохозяйственные угодья, животные и растения; лесные массивы; элементы основных фондов промышленности и транспорта; рыбные ресурсы; рекреационные и лечебно-курортные объекты. Другими словами, под реципиентами понимаются структурные единицы ППК, оказавшиеся под воздействием производства. При расчете экономического ущерба необходимо использовать классификацию изменений природной среды. Экономический ущерб (руб/год) в общем виде будет определяться по формуле, которую для конкретных расчетов можно интерпретировать следующим образом: Уобщ =Ул+Уа+Уг+Ур+Уж+Ум ; т. е. годовой экономический ущерб Уобщ представляет собой сумму значений экономического ущерба от нарушения и загрязнения литосферы Ул, атмосферы Уа, гидросферы Уг, растительного Ур и животного Уж мира и микроорганизмов Ум. В зависимости от уровня детализации инженерно-экологических исследований экономический ущерб можно рассчитать укрупненным методом, основанным на использовании удельных величин ущерба по каждому компоненту и показателям интенсивности воздействия, или методом прямого счета, когда расчет ведется по каждой конкретной форме нарушения или загрязнения с выявлением последствии в каждом реципиенте и их экономической оценкой. Очевидно, что второй метод требует проведения детальных инженерно-экологических и специально-экономических исследований. Оценку воздействия с применением метода расчета экономического ущерба рассмотрим на следующем примере. Воздействие производства выражается через загрязнение воздушного бассейна нетоксичной пылью и двуокисью серы. Рассчитанные радиусы зон воздействия, на границах которых концентрация загрязняющих веществ равна ПДК, составили для пыли 5 км, для двуокиси серы = 15,4 км, а площади этих зон соответственно 7850 и 74 730 га. В первой зоне имеет место эффект суммарного воздействия пылью и двуокисью серы, а во второй — часть территории испытывает воздействие только газообразными веществами. Обследование зоны воздействия, анализ карт и материалов аэрофотосъемки позволили выявить и определить площадь структурных единиц коммунально-бытового и аграрного звеньев, которые являются в данном случае реципиентами. Расчет экономического ущерба заключается в определении нагрузки на единицу площади, находящейся под воздействием, с учетом приведенной массы вещества (пыль и двуокись серы). Для зоны суммарного воздействия нагрузка составила 0,472 т/год, а для зоны воздействия только двуокиси серы — 0,262 т/год на каждый гектар площади. С учетом структуры указанных двух зон годовой экономический ущерб равен соответственно 25,5 и 33,2 тыс. руб. Расчет показывает, что, несмотря на существенно большую площадь, подвергающуюся воздействию только двуокиси серы (~ в 10 раз по сравнению с площадью суммарного воздействия), экономический показатель изменился незначительно. Это свидетельствует о высокой степени опасности суммарного воздействия пылью и двуокисью серы. Приведенная выше методика оценки воздействия производства на природную среду для действующих предприятий может быть использована и для инженерно-экологической экспертизы проектов строительства и эксплуатации предприятий, отдельных технологических процессов, при выборе машин, механизмов и материалов в процессе проектирования. 4. УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ Отличительной особенностью природно-промышленных систем является возможность управлять их структурой и функционированием. Объектом управления служат компоненты нооценоза, а компоненты природной среды выступают в роли факторов и условий, определяющих параметры управления. Этим обусловлена особая обратная связь в ППС, позволяющая рассчитать параметры оптимального регулировании обмена веществом, энергией и информацией между производством и при родной средой. Прикладное значение этого раздела инженерной экологии заключается в научном обосновании выбора природоохранных мероприятий и планирования показателей эффективности использования и охраны природных ресурсов. Алгоритм управления структурой и функционированием ППС включает в себя последовательность работ, которые необходимо выполнить в процессе инженерно-экологических исследований. Наиболее трудоемким является сбор исходных данных для оценки воздействия производства на природную среду. На этом этапе необходимо установить все источники воздействия, определить их качественные и количественные параметры. Кроме того, требуется выявить целый ряд природных условий и факторов, влияющих на специфику структуры и функционирования исследуемых ППС. В таких условиях невозможно обойтись без формализации показателей в виде таблиц, номограмм, графиков и карт-схем, которые целесообразно свести в единый инженерно-экологический паспорт предприятия. Инженерно-экологический паспорт должен стать основным природную среду являются технологические процессы любого общественного производства, потому что только в процессе осуществляется обмен веществом и энергией с природной средой. Поэтому источниками воздействия на природную среду нельзя считать структурные элементы ППС разного уровня (трубы, отвалы пустых пород, котельные, шахты), выполняющие совершенно разную роль в процессе функционирования. Источники воздействия служат причиной (прямой или косвенной, осознанной или неосознанной) изъятия преобразования или создания новых форм в природных компонентах, т.е. причиной изменения структуры и (или) характера функционирования последних. После окончания воздействия новые формы, возникшие в этот период, включаются в природнопромышленных процесс, который уже осуществляет воздействие на другие природные компоненты, а также на общество и средства труда. Поэтому при исследованиях иногда совершается методическая ошибка, заключающаяся в том, что за источник воздействия принимается результат (продукт труда) какого-то технологического процесса, т. е. процесс воздействии рассматривается не с истока, а с наиболее заметного промежуточного результата. Для исключения этой ошибки источник воздействия целесообразно искать по формам нарушения и загрязнения природных компонентов и разделить их на источники нарушения и источник загрязнения. Источниками геомеханических нарушений являются технологические процессы, связанные с разведкой, добычей, транспортировкой и переработкой полезных ископаемых, строительством зданий, сооружений, коммуникаций и др., вследствие которых происходит нарушение почв, земель, массива горных пород. При геологоразведочных работах геомеханические нарушения могут быть вызваны устройством площадок под буровые работы, проходкой разведочных выработок (шурфов, што скважин), перемещением буровой техники и материалов. При этом параметры изменении незначительны, но нарушения гократио повторяются и тем самым интенсивно воздействуют на природную сред. Наиболее мощными источниками геомеханических нарушений являются технологические процессы добычи полезных ископаемых подземным и открытым способами. При подземной отработке источниками нарушений служат проходка горных выработок, очистные работы, строительство объектов технологического назначения, транспортировка полезного ископаемого и пустой породы. Проходка горных выработок при вскрытии месторождения приводят к необходимости складировать пустые породы в породные отвалы. Чем глубже залетает месторождение, тем больше объем пустых пород, а значит, интенсивность и степень воздействия на природную среду. Кроме того, объем складируемых пород определяется схемой вскрытия, которая выбирается путем сравнения нескольких вариантов. Технология проходческих работ при вскрытии месторождения определяет форму геомеханических нарушений. Так, проходка вертикальных стволов на угольных и многих рудных шахтах предполагает возведение породных отвалов в форме террикоников, а при проходке штолен или наклонных стволов породы чаще всего складируются в плоские породные отвалы. На следующем этапе освоения месторождения — добыче полезных ископаемых — источниками геомеханических нарушении являются процессы выемки и управления горным девлением. Формы нарушения будут определяться горно-геологическими условиями (глубина залегания, мощность пласта или рудного тела угол падения) и технологией горных работ. Прогибы на поверхности образуются при разработке пластовых месторождений системами с полным обрушением или камерными и камерно-столбовыми системами с последующим разрушением целиков. Источником воздействии, при ко тором на поверхности массива образуются конические провалы, являются технологические процессы отбойки и выпуска руды при отработке рудных тел средней мощности или мощных рудных месторождений на большей глубине по аналогичной системе. Технология работ в данном случае предусматривает разрыхление залегающих «ад рудным телом пород для создания, так называемой «подушки», позволяющей обеспечить безопасность выпуска руды. Каньонообразные провалы возникают в процессе добычи угля из мощных пластов с применением подвижных механизированных щитов или комплексов, для движения которых также необходима породная подушка. При работе таких механизмов с поверхности подушка создается за счет почвенного покрова и пород, вынутых при строительстве монтажной камеры. Если же комплекс монтируется в подземных условиях, то до начала его движения производят обрушение надкамерного целика, что и влечет за собой образование провала вытянутой (по длине комплекса) формы с шириной, превышающей мощность пласта в 1,2—1,5 раза. Добыча полезных ископаемых открытым способом предполагает образование таких геомеханических нарушений, как выемки и насыпи. Их вид и параметры определяются технологией: системой вскрытия и разработки месторождения, способом транспортировки и складирования вскрышных пород и добытого материала. Для этих процессов характерны разнообразные формы отвалов: плоские конвейерные и автоотвалы, хребтовые, чернозема и скальных пород. Строительство зданий, сооружении и коммуникаций сопутствует практически любому производству. Их назначение, а значит конструкция и взаимное расположение определяются технологией ведения работ. Само строительство как технологический процесс предполагает целый ряд операций: рытье котлована, укладка бетона под фундамент, проходка траншей для коммуникаций или отсыпка насыпей. В законченном виде эти объекты становятся структурными единицами ППС. и в дальнейшем их роль в функционировании определяется как формами гсомеханических нарушений, так и технологическими процессами, которые происходят внутри сооружений, зданий или н трассах коммуникаций. Таким образом, между технологией ведения работ, отдельными технологическими операциями, характеристиками техники и параметрами геомеханических нарушений существует жесткая взаимосвязь. Далее целесообразно выявить качественные и количественные характеристики источников нарушения, которые необходимы при исследовании структуры и характера функционирования ППС, определении интенсивности и степени воздействия на природную среду. Основными качественными характеристиками источников геомехапических нарушений являются: подвижность или стационарность, периодичность или постоянство, расположение относительно поверхности (наземный или подземный), направление перемещения. Количественные характеристики отражают параметры технологических процессов: скорость подвигания фронта работ (суточная, месячная, годовая), его длина или площадь, объемы выдаваемых на поверхность и складируемых в единицу времени горных пород, мощность обрушающихся пород и т. д. Каждому источнику воздействия присущи свои количественные характеристики, поиск и определение которых является одной из главных задач инженерно-экологических исследований. Совместно с горногеологическими факторами, такими, как глубина залегания и мощность полезного ископаемого, прочность и другие физико-механические свойства пород, мощность почвенного слоя и материнских пород, количественные характеристики источников определяют не только интенсивность и степень воздействия, но и служат основой для прогнозирования функционирования ППС. Источниками гидродинамических нарушений являются технологические процессы, связанные с предварительной подготовкой месторождений и развитием добычи, строительством водохранилищ, каналов и других гидротехнических сооружений, прокладкой транспортных магистралей и т. д. Предварительная подготовка месторождения к разработке или территории для строительства объектов часто сопровождается зарегулированием водотоков, переносом русел или перекачиванием (спуском) водоемов. Примером может служить система осушения шахтных полей. В настоящее время с целью исключения дренирования воды из водотоков через сильно закарстованные породы в горные выработки прокладывают новые (бетонные), русла рек, устанавливают регулирующие устройства для пропускания допустимых объемов коды, создают компенсационные водоемы. В процессе подготовки месторождения к отработке естественные водотоки полностью изменяются (нарушаются). Подготовка месторождения в сильно обводненных районах включает проведение дренажных работ, заключающихся в проходке специальных выработок для отвода излишних количеств подземных вод, В зависимости от принятой технологической схемы дренаж может быть осуществлен скважинами или специальными выработками. Гидродинамические нарушении возникают и в результате воздействия процессов добычи на водоносные горизонты. При этом последние пересекаются горными выработками, например стволами, разведочными и эксплуатационными скважинами, технология проведения которых определяет дальнейшее развитие и параметры нарушения. Интенсивное воздействие на водоносные горизонты оказывает отработка месторождений подземным способом, с обрушением вмещающих пород. В зависимости от способа и параметров управления горным давлением может произойти полное осушение массива пород над выработанным пространством или только близко залегающих над пластом водоносных горизонтов, а грунтовые воды сохранят свои первоначальные характеристик. В этих случаях появление таких форм нарушения, как затопление и подтопление. Как видно из приведенных примеров, одни и те же технологические процессы горного производства (проходка, выработка, управление горным давлением) могут служить источниками как геомеханических, так и гидродинамических нарушений, Такая же связь существует и между формами этих нарушений, но не всегда достаточно жестко. Например, прогиб поверхности не обязательно приведет к затоплению, потому что остальной массив, полностью «разбитый» трещинами, будет осушен. Поэтому при инженерно-экологических исследованиях одни и тот же технологический процесс может быть исследован как источник воздействия на два и более компонентов ППС. Качественные характеристики источников гидродинамических нарушений могут быть дополнены, по сравнению с характеристиками источников геомеханических нарушений, привязкой их к поверхностным или подземным водам, к водотокам или водоемам. Количественные параметры показывают дебит притоков или оттоков, площади, и скорости осушения или затопления, напор и уровень воды в период ведения работ. К источникам аэродинамических нарушений необходимо отнести все технологические процессы, создающие постоянные или временные препятствия на пути движения воздушных потоков (здания и сооружения, насыпи или выемки). Отличительной качественной характеристикой источников этого типа нарушений является их расположение в ППС — взаимное и относительно господствующего направления ветра. Количественные параметры — геометрические размеры, температура и влажность воздушных потоков — служат основой для определения параметров аэродинамических нарушений. Источниками биоморфологических нарушений являются в первую очередь процессы, связанные с подготовкой площадей для строительства и отработки, вырубкой леса для получения крепежного материала и других производственных нужд, снятием и складированием плодородною слоя почвы. Повреждение растительности часто возникает в процессе транспортировки, погрузочных и разгрузочных работ, складирования. Биооморфологические нарушения могут быть обусловлены подработкой лесного массива при подземной добыче полезных ископаемых. В этом случае они часто могут быть выявлены только по биоморфологическим нарушениям (поваленным деревьям и кустарникам). Качественные и количественные характеристики рассматриваемых источников воздействия совпадают с таковыми для других источников нарушения. Обобщая приведенные выше понятия, можно дать следующее определение: источники нарушения — это технологические процессы, в результате воздействия которых изменяется структура и динамика функционирования ППС. В отличие от них источники загрязнения — это технологические процессы, в результате ведения которых в природную среду выделяются вещества и энергии, оказывающие воздействие «а отдельные компоненты ППС. Основными качественными характеристиками таких процессов являются состав вещества, принимающих в них участие, и характер химических или других превращений, которые с этими веществами происходят. Хорошо зная технологию производства, исследователь может без замеров установить, какие вещества, в каких количествах и на какой стадии (операции) технологического процесса поступили в природную среду. В этих целях используются уравнения химических реакций (окисление, разложение), балансовый метод и метод удельных значений, а также другие аналитические методы. Технологические процессы, обеспечивающие или включающие в себя складирование материалов, веществ, промпродуктов, отходов, мытье машин и оборудования, захоронение отходов на поверхности и в недрах, являются источниками, геохимического загрязнения. Эти процессы протекают па конкретной территории, но выделившиеся загрязняющие вещества распространяются в различных направлениях и поступают в природные компоненты, в том числе и в литосферу. Например, обогащение полезных ископаемых связано с использованием различных реагентов и сопровождается образованием отходов, которые в виде пульпы попадают в хвостохранилище. Если в зоне действия хвостохранилища почвы окажутся загрязненными веществами, содержащимися в реагентах, то этот процесс и нужно рассматривать как источник воздействия. Аналогично источником загрязнения является транспортировка и хранение нефте- продуктов, когда при разрыве трубопровода происходит разлив нефти и замазучивание земель. К источникам гидросферного загрязнения при добыче и переработке полезных ископаемых относятся все технологические процессы, в которых используется вода, попадающая в водотоки и водоемы. Особый процесс представляет собой образование шахтных вод, что приводит к появлению на шахтах и рудниках наиболее мощного источника загрязнения — шахтного водоотлива. На качество шахтных вод при этом значительное влияние оказывают все технологические процессы, происходящие как под землей, так и на ее поверхности. Как правило, качественный состав шахтных вод полностью соответствует условиям и технологии производства. Вода включает те вещества, которые попадают в нее в процессе движения по горным выработкам (пыль, нефтепродукты, фенолы, биогенные вещества), по массиву горных пород (хлориды, нитраты, карбонаты и другие соли металлов). Количественные показатели источников гидросферного загрязнения характеризуют в первую очередь интенсивность воздействия (м3/с, тыс м3/год) в целом и по каждому загрязняющему веществу (г/с, т/год), а также концентрацию этих веществ в сточных водах (мг/м3 или в специальных единицах). Источниками атмосферного загрязнения являются следующие технологические процессы: сжигание топлива, погрузка, бурение, взрывание, транспортировка, сушка продукта, дробление, грохочение, экскавация и др., в результате которых в воздушный бассейн поступают загрязняющие вещества в твердом, жидком, газообразном и смешанном виде. Качественные характеристики источников загрязнения атмосферы включают перечень выбрасываемых веществ и их агрегатное состояние, а также длительность воздействия, подвижность, расположение источников по отношению к другим объектам. Основные количественные показатели отражают интенсивность воздействия по каждому веществу (г/с, т/год), степень воздействия (при наличии улавливающих установок). По ним определяются параметры пылегазовоздушной смеси: объем, скорость выброса, температура, размер частиц. К источникам загрязнения можно отнести в первую очередь процессы транспортировки материалов, продуктов, веществ, в результате которых происходит привнесение в животный и растительный мир других видов и организмов. Этот процесс наименее изучен, и в каждом конкретном случае он характеризуется своими показателями. Любой технологический процесс в современном производстве выполняется с помощью машин и механизмов, которые при более детальном исследовании источников загрязнения классифицируют как источники выделения и источники выброса (сброса). Источник выделения — это аппарат, механизм или агрегат, в котором в результате технологического процесса происходит превращение веществ. К ним относятся топки котлов, дробилки, сушилки, грохота, двигатели, бурильные станки и т. д. Образовавшиеся вещества выбрасываются в природную среду через каналы, трубы, окна, аэрационные фонари, которые и являются источниками выброса (сброса). При этом выбросы загрязняющих веществ называют организованными. Неорганизованные (площадные, линейные, точечные) выбросы (сбросы) веществ в атмосферу, гидросферу и литосферу происходят, когда отсутствует источник выброса. В зависимости от высоты устья источника выброса над уровнем земли различают высокие (≥50 м), средней высоты (от 10 до 50), низкие (от 2 до 10 м), наземные (≤2м) источники. На характер распространения загрязняющих веществ в атмосфере и гидросфере оказывают влияние и такие параметры источника, как форма и площадь сечения, конструкция устья: многоствольная труба или: рассеянный сброс. Все перечисленные характеристики и параметры измеряются в процессе инженерно-экологического исследования с последующей паспортизацией источников воздействия. В соответствии с характеристиками технологических процессов воздействие производства на природную среду целесообразно разделить на виды: механическое, физическое, химическое и биологическое (возможны их сочетания). Механическое воздействие имеет место в случае применения механических средств труда (экскаваторы, комбайны, механизированные комплексы). Кроме того, оно может быть вызвано резанием, скалыванием, спиливанием, бурением, сжатием, ударом, вибрацией в случае использования специальных разрушающих приспособлений: органов, инструментов. Как правило, природный компонент испытывает механическое воздействие или при непосредственном соприкосновении с источником, или через другой природный компонент. Физическое воздействие обусловлено применением физических Процессов в технологии ведения работ — тепловых, световых, электромагнитных, которые в форме различного рода излучений (потоков энергии) влияют на природные компоненты и разрушают в них структурные и функциональные связи. Химическое воздействие возникает в случае использования в производственных процессах различных превращений веществ, происходящих при их взаимодействии друг с другом. При этом образуются новые соединения, которые поступают в природные компоненты и загрязняют их. Биологическое воздействие предполагает наличие живых организмов, поступивших в природную среду либо в результате их использования в технологии производства (например, биологическое выщелачивание металлов), либо при транспортировке. Воздействие современного предприятия на природную среду, как правило, носит комплексный характер, поскольку в технологических схемах широко используются физико-механические, физико-химические, химико-биологические процессы. Их выявление, определение качественных и количественных характеристик позволяет детально разобраться в функционировании ППС и установить причины изменения природных компонентов. Воздействие иногда протекает в конкретной форме — выброс (в атмосферу), сброс (в гидросферу и литосферу), поле (излучение) — каждая из которых характеризуется качественными и количественными показателями. Воздействие производства на природную среду обязательно должно проявляться в природных компонентах в виде нарушения или загрязнения того компонента, на который произошло воздействие, а во всех остальных компонентах ППС — как последствие воздействия. Под последствием воздействия понимается состояние, в которое переходят все компоненты ППС в результате нарушения или загрязнения одного из природных компонентов. Необходимо отметить, что если формы нарушения и загрязнения становятся явными сразу после воздействия, то последствия этого воздействия будут сказываться в продолжение определенного, иногда длительного времени. Иными словами, последствия воздействия — это результат функционирования ППС, в морфологической структуре которых имеются формы нарушения или загрязнения. Инженерные (производственные) последствия от нарушения и загрязнения природной среды проявляются в средствах производства и продуктах труда и приводят либо к преждевременному износу, «старению», а иногда и разрушению зданий, сооружений, коммуникаций, машин и механизмов, либо к ухудшению качества выпускаемой продукции. Например, геомеханические нарушения вызывают увеличение водопритоков в горные выработки за счет атмосферных осадков, «подсос» воздуха, разрушение коммуникаций. Загрязнение атмосферы активными веществами и соединениями способствует коррозии металлических деталей машин и механизмов. Кислые шахтные воды выводят из строя насосы, трубопроводы. Экологические последствия проявляются в первую очередь в тех природных компонентах, которые подверглись нарушению и загрязнению, а затем, в процессе функционирования, в других природных компонентах. Проявление последствий можно проследить по трофическим цепям, геохимическим циклам и круговоротам веществ, а также по изменению характера эрозионных и денудационных процессов. В качестве показателей могут быть использованы и конкретные характеристики, и обобщенные критерии. Наиболее важно обнаружить и оценить экологические последствия воздействия в сельском, лесном и рыбном хозяйствах, где оценку можно произвести по изменению продуктивности угодий и качества продукции. Социальные последствия воздействия заключаются прежде всего в ухудшении условий труда и отдыха населения, находящегося в зоне воздействия. Отклонение качества природных компонентов от санитарно-гигиенических норм вызывает заболевания, требует осуществления дополнительных коммунально-бытовых услуг, организации новых мест отдыха, снижает возможность проведения массовых мероприятий и т. д. В качестве социальных выступают и отдельные экологические последствия — уменьшение или полное исчезновение дикоросов в лесу (ягод, грибов), рыбы в водоемах и водотоках. Необходимо отметить, что последствия можно оценить только тогда, когда оценочные показатели определялись до воздействия и после воздействия или одновременно в зоне воздействия и вне зоны влияния данного производства в максимально одинаковых условиях. Интегральной оценкой последствий каждого вида воздействия производства на природную среду является его стоимостное выражение (руб.), сумма которых определит экономический ущерб от нарушения и загрязнения: , где п, т и k — число последствий одного вида. Стоимостное выражение ущерба в виде дополнительных затрат в народном хозяйстве в целом или на отдельном предприятии промышленного, аграрного и коммунально-бытового звеньев возможно только в том случае, если удается, во-первых, количественно оценить последствия, а во-вторых, выразить их через стоимость работ по предотвращению или ликвидации воздействия и его последствий. Трудности чисто методического характера приводят к тому, что некоторые последствия не удается пока представить в денежном выражении, поэтому их относят к социальному ущербу. В приведенном разделе сделана попытка дать краткое описание основных понятий, терминов и определений, которые используются в инженерно-экологических исследованиях по оценке воздействия производства на природную среду, при этом очевидно, что потребуются дополнительные работы, чтобы обеспечить четкость формулировок и однозначность толкования. Это одна из актуальных методологических задач инженерной экологии, решение которой позволит повысить эффективность и результативность исследований. 2. ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ Отличительной особенностью инженерно-экологических исследований является необходимость количественной оценки всех параметров, которые отражают структуру и характер функционирования ППС. Это не значит, что в инженерной экологии не используются качественные показатели, однако применяются только те, которые дополняют и поясняют количественные параметры. Структура и функционирование ППС обусловливаются большим количеством природных и социальных факторов, учет всей совокупности которых невозможен. Поэтому при проведении инженерно-экологических исследований требуется выявить и дать количественную оценку тем условиям и факторам, которые являются определяющими. В экологии широко применяется концепция лимитирующих условий и факторов (закон толерантности). Она заключается в том, что существование и развитие любого организма или его популяции зависят от комплекса 'Конкретных условий. При этом любое условие или фактор, приближающееся к пределу толерантности или превышающее его, называется лимитирующим условием, или лимитирующим фактором. В качестве последнего может выступать как недостаток веществ и энергий, так и их избыток. Диапазон между этими двумя параметрами (min и mах) принято называть пределами толерантности. Как правило, этот закон соблюдается в стабильных условиях развития экосистем, если нет каких-либо более существенных биологических ограничений. Концепция лимитирующих факторов имеет важное значение и в инженерной экологии — она дает возможность значительно сократить объем работ. Из всего многообразия взаимоотношений организма со средой необходимо выделить наиболее слабые звенья, т. е. те факторы и вещества, по отношению к которым у организма узкий диапазон толерантности. И наоборот, если фактор или условие отличаются относительным постоянством, то воздействие на него производства чаще всего не будет лимитирующим. Поэтому в инженерно-экологических исследованиях определяются показатели и параметры только тех факторов и условий, которые лимитируют существование и развитие экологических систем при постоянном допустимом воздействии на них со стороны производства. Аналогичная ситуация возникает при выявлении необходимых для инженерноэкологического анализа социально-экономических показателей и определении их параметров. Современные предприятия, непроизводственная сфера, сельское, лесное и рыбное хозяйства характеризуются целым рядом натуральных и технико-экономических показателей. Из этой совокупности выбираются те, которые лимитируют использование в технологических процессах ресурсов и воздействие последних на природную среду. Следует подчеркнуть, что в инженерной экологии необходимо использовать экономические показатели, так как рассматривается функционирование в некоторой степени социальной системы. Технические показатели характеризуют источники воздействия на природную среду — технологические процессы, а также машины, механизмы, взаимодействующие с природными ресурсами или использующие их для получения продукта труда. Кроме того, с помощью технических показателей можно оценить эффективность инженерных решений, обеспечивающих определенные условия взаимодействия процессов производства и природной среды. Экологические показатели применяются для характеристики природных процессов и позволяют оценить способность природной среды к самоочищению, самовосстановлению ресурсов. Сюда включают показатели, отражающие степень изменения природной среды в зоне действия предприятия и экологические последствия воздействия. Экономические показатели должны характеризовать эффективность использования и охраны природных ресурсов на основе технических и экологических показателей. Каждая группа показателей (технические, экологические и экономические) подразделяется на следующие категории: директивные, нормативные, фактические, расчетные и плановые. Каждая категория имеет свое значение и место в системе инженерно-экологических показателей. Директивные показатели устанавливаются органами, осуществляющими управление использованием ресурсов и являются обязательными для каждого предприятия. Директивные показатели содержатся: в Законах СССР и Союзных республик по охране природных ресурсов; в Постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР, Президиума Верховного Совета СССР; в документах, принятых странами-членами СЭВ; в соглашениях СССР с другими странами. По масштабу применения эти показатели делят на сквозные и дифференцированные. Сквозные показатели — общие для всех регионов и отраслей народного хозяйства, а дифференцированные разрабатываются для конкретных регионов, бассейнов морей, континентального шельфа, и т. д. или для отраслей промышленности. Нормативные показатели устанавливаются с целью обеспечения научно обоснованного использования и охраны природных ресурсов и включают стандарты, нормы и нормативы. Стандарт — строго определенное качество природного ресурса, установленное в государственном общесоюзном порядке; норма — максимально допустимое количество используемого ресурса требуемого качества, необходимое для производства единицы продукции, или выбрасываемого в природную среду; норматив — поэлементное составляющее нормы, характеризующее удельный расход природных ресурсов в основных и вспомогательных процессах, размеры безвозвратного потребления и потерь. В зависимости от уровня прогрессивности нормы разрабатываются по двум показателям — балансовому и оценочному. Балансовые нормы (первый уровень прогрессивности) определяют максимально допустимое количество ресурса, потребляемое (отводимое) для изготовления единицы продукции в условиях данного производства, и рассчитываются по данным технической и технологической документации. В соответствии с этими нормами определяют плановые показатели предприятий, устанавливают лимиты расхода ресурсов, проводят детализацию баланса ресурсов по разным уровням, осуществляют контроль за эффективностью использования ресурсов. С помощью оценочных норм (второй уровень прогрессивности), разработанных на основании опыта отечественных и зарубежных предприятий по повышению эффективности использования и охраны природных ресурсов, планирующие организации. (Госплан, министерства) устанавливают производственные задания, разрабатывают критерии оценки хозяйственной деятельности и перспективные нормы. Соответственно периоду действия нормы делятся на текущие и перспективные, соответственно целям использования ресурсов — на технологические, вспомогательного подсобного производства, хозяйственно-бытовых нужд, соответственно степени укрупненности — на индивидуальные и групповые, соответственно масштабу применения — на операционные, попередельные, заводские и отраслевые. Нормативы устанавливаются в целом по отрасли, а при их отсутствии — отдельно для каждого предприятия. Фактические показатели отражают современный уровень эффективности использования и охраны природных ресурсов и служат исходными данными при анализе состояния природной среды и прогноза его изменения, а также при расчете количественных характеристик. Для нахождения фактических показателей используются определенные методики. Расчетные показатели определяются в соответствии с фактическими показателями и служат основанием для принятия решения о необходимости проведения мероприятий по повышению эффективности использования и охраны природных ресурсов. Эти показатели делятся на прогнозные, оценочные и проектные. Первые характеризуют интенсивность воздействия технологических процессов на природную среду или использования ресурсов в производстве. К ним относятся показатели распространения загрязняющих веществ в природной среде (радиус распространения, концентрация в расчетной точке, максимальная концентрация и т. д.); показатели распространения нарушений (радиус депрессионной поверхности, размер зоны сдвижения и пр.); показатели эффективности использования ресурсов в процессе производства (потери, коэффициенты использования, модули и т. д.). Эти показатели применяются для долгосрочного и краткосрочного прогнозирования воздействия предприятия на природную среду. Оценочные показатели характеризуют степень опасности загрязнения и нарушения природной среды или эффективность использования ресурсов в производственном цикле. К ним относятся: степень опасности загрязнения, степень опасности нарушения, степень эффективности использования ресурсов и др. Проектные показатели нормируют необходимую степень эффективности проектируемых мероприятий. Эти показатели включают степень улавливания загрязняющих веществ: где Mi — реальный нарушенных ресурсов: выброс загрязняющего где SH — площадь нарушения; природных ресурсов: вещества; степень восстановления степень повышения эффективности использования Проектные показатели разрабатываются отдельно по ресурсам и процессам производства при условии, что необходим проведения мероприятий уже установлена по оценочным показателям. Приведенная классификация инженерно-экологических показателей построена на основе концепции о предельно допустимой экологической нагрузке (ПДЭН) при воздействии на природную среду производства. Неотъемлемой составной частью этой концепции является нормирование санитарно-гигиенических и экологических условий путем установления предельно допустимых концентраций. С гигиенической точки зрения качество среды определяется совокупностью физических, химических, биологических и социальных факторов, влияющих на человека в целом и на его здоровье в особенности. Качество среды оценивают путем сравнения ее фактического состояния с нормативом, который устанавливается на основе концепции порога. Минимальное значение величины, вызывающее первичное изменение в организме, называют пороговым. Исходя из этой концепции в настоящее время разработано свыше 700 значений ПДК для загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, 800 — в воде, 30 — в почве, нормативы уровня шумов, интенсивности ионизирующего излучения, степени освещенности и вибрации. Ведутся исследования по определению допустимых концентраций веществ при воздействии на растения и животных. На этой основе рассчитываются такие инженерно-экологические показатели, как предельно допустимый выброс (ПДВ). Предельно допустимый сброс (НДС), предельно допустимое нарушение (ПДН).
