![](/user_photo/_userpic.png)
Инженерная экология
..pdfлях знаний (охрана окружающей среды, промышленная безопасность, инже-
нерная защита окружающей среды и др.).
Современные методы и технологии в области инженерной экологии,
включают:
• альтернативные источники энергии, с анализом их влияния на эколо-
гию;
• методы сокращения твердых, жидких и газообразных выбросов про-
мышленных предприятий и транспорта;
• методы сокращения воздействия на население и окружающую природ-
ную среду загрязняющих веществ химического и биологического происхож-
дения, а также таких факторов, как шум, вибрация, ионизирующие и неиони-
зирующие излучения, электрическое поле и др.;
•технологии и оборудование для очистки промышленных и бытовых сточных вод;
•оборудование, машины и технологии обезвреживания и переработки бытовых и промышленных отходов;
•нанотехнологии в экологии;
•мембранные технологии очистки воды и др.
Как экологическая наука, инженерная экология исследует экологические процессы, на которые оказывают влияние современные технические устройст-
ва и производственные комплексы, изучает требования к конкретным техниче-
ским средствам, которые вытекают из особенностей жизнедеятельности чело-
века и биосферы. Иначе говоря, решает задачу приспособления техники,
сложных производств к естественным условиям жизни и деятельности челове-
ческого общества и экосистем планеты.
Как техническая наука, инженерная экология изучает принципы по-
строения сложных систем, технологические процессы для изучения и выпол-
нения требований, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности челове-
ка и биосферы. Многие из этих проблем, вырастающие до уровня чрезвычай-
ных экологических ситуаций, появляются в результате частных позиций, од-
10
ной из которых является ориентация предпринимателя на достижение прибы-
ли.
Проблематика инженерной экологии может быть разделена на несколько направлений. Основные из них: методологическое, экологическое, системо-
техническое, эргономическое, эксплуатационное и мониторинговое.
Методологические проблемы позволяют выделить предметы в объект исследований, определить методы их изучения, установить принципы раскры-
тия закономерностей в исследуемой области, определить место инженерной экологии в системе наук.
Экологическое направление связано с изучением тех свойств биосферы и отдельных экосистем, а также лимитирующих факторов, которые имеют значение в процессе эксплуатации технических средств и производственных комплексов.
Системотехническое направление инженерной экологии связано с изу-
чением инженерно-экологических вопросов разработки эргатических систем ЧТС «человек – техника – среда». В это направление входят следующие груп-
пы задач:
1. Разработка инженерно-экологических принципов построения техни-
ческих элементов системы ЧТС, включая разработку принципов конструиро-
вания средств защиты окружающей среды и обеспечения безопасности жизне-
деятельности человека.
2. Инженерно-экологическое проектирование, анализ и оценка проекти-
руемой эргатической системы.
3. Проектирование и разработка принципов и методов инженерной эрго-
номики, оценка условий труда оператора эргатической системы, рабочего мес-
та и всего комплекса управления, анализ и проектирование деятельности опе-
ратора.
4. Определение экономической эффективности и оценка социальных ха-
рактеристик, а также разработка методов и критериев оценки надежности и эффективности системы ЧТС в целом.
11
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma13x1.jpg)
Эксплуатационное направление инженерной экологии связано с обес-
печением эффективности и безопасности функционирования эргатической системы. Большую роль здесь играют ошибки человека, связанные с недостат-
ками в подготовке оператора, слабыми знаниями и навыками в управлении и безопасности обслуживания техники, плохой организацией труда.
Новейшим направлением в проблематике инженерной экологии является мониторинг, который позволяет выявлять факторы воздействия эргатической системы, в частности еѐ технических средств воздействия на окружающую среду, производить оценку экологичности эксплуатируемых систем и влияния объектов техносферы на среду.
1.3. Принципы инженерной экологии
При решении задач инженерной экологии используются различные ме-
тодологические принципы. Основные из них следующие.
Принцип комплексности. Использование этого принципа связано с необходимостью развития междисциплинарных связей инженерной экологии,
взаимодействия ее с другими науками о человеке, технике и окружающей при-
родной среде. Основой для практической реализации этого принципа является системный подход.
Принцип гуманизации труда. Этот принцип исходит из требова-
ний, предъявляемых человеком к технике и организации труда, и учитывает такие аспекты как повышение производительности, качества и эффективности труда, создание условий для этого, творческую роль человека в процессе тру-
да.
Принцип экологичности техники. Согласно этому принципу вы-
полнение инженерно-экологических требований должно быть обеспечено на всех этапах существования системы: проектирования, производства и эксплуа-
тации.
Принцип конструкции технического средства. Одной из основных особенностей конструкции должно быть обеспечение безопасности жизнедея-
12
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma14x1.jpg)
тельности человека и соответствие современным нормам и требованиям эко-
логичности изделия. Еще одно существенное свойство принципа конструкции
– необходимость исследовательского подхода к конструкции технических средств, входящих в эргатическую систему.
Принцип ответственности за новое техническое средство. Обес-
печение высоких знаний, профессионального опыта, кругозора, высокой от-
ветственности и добросовестности всех работников отражают суть требований принципа.
Принцип эмерджентности3. Характерной особенностью иерархи-
ческой организации является то, что объединение различных составляющих биологических уровней в новые функциональные единицы приводит к воз-
никновению у этих единиц качественно новых, эмерджентных, свойств. Новые единицы, возникшие при объединении разных составляющих, проявляют свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Эмерджентные свойства можно выразить через понятие о несводимых свойствах, смысл которого за-
ключается в том, что свойства целого не могут быть представлены в виде сум-
мы свойств его частей. Этот принцип несводимости свойств целого к сумме свойств его частей – принцип эмерджентности – служит одной из основных заповедей специалиста, инженера-эколога.
Современная техника позволяет на высоком уровне изучать большие сложные системы, включая экосистемы. Совершенными инструментами для этого сегодня служат автоматический мониторинг, математическое моделиро-
вание, компьютерная техника, новые физико-химические методы.
1.4. Связь инженерной экологии с другими науками
Инженерная экология развивается в тесной взаимосвязи с другими фун-
даментальными и прикладными науками, связана с инженерно-
технологическими дисциплинами отрасли и базируется на знаниях, получен-
3 Эмерджентность (англ. emergence — возникновение, появление нового) в теории систем — наличие у какойлибо системы особых свойств, не присущих еѐ подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств еѐ компонентов.
13
ных в ходе изучения следующих дисциплин «Химия», «Экология», «Общая химическая технология» «Химическая технология неорганических веществ», «Процессы и аппараты химической технологии» и других.
Развитие инженерной экологии происходит во взаимной связи с эколо-
гической наукой в целом и, комплекса инженерных наук.
Инженерная экология имеет тесную связь с экономикой, организацией труда, социологией, социальной экологией и рядом других дисциплин, изу-
чающих социотехнические системы.
Винженерной экологии широко используются математические методы,
вчастности, при изучении деятельности человека или для построения моделей экосистем, планирования и обработки данных динамики состояния экосистем
вусловиях антропогенных загрязнений, при получении количественных ха-
рактеристик и соотношений параметров технических средств в стадии их про-
ектирования и конструирования.
Особой темой научно-технического применения инженерной экологии являются работы, связанные с созданием космических эргатических систем.
Исследование космических пространств – передний край сегодняшней науки – имеет прямое отношение к основам инженерной экологии. Решение приклад-
ных задач создания космических ракет, межпланетных станций, глубоковод-
ных океанских технических устройств, требует дальнейшего развития инже-
нерной экологии. Сегодня уже можно говорить о реальном переходе от иссле-
дования космического пространства к его освоению человечеством.
В последние годы наметилось усиление связи инженерной экологии с экономикой, открывающее резервы роста производительности труда и эффек-
тивности производства.
Изучение инженерной экологии опирается на некоторые разделы фун-
даментальных и прикладных дисциплин. Знания из области физики, химии и биологии необходимы при проведении инженерно-экологических исследова-
ний и экспериментов. Математические знания нужны при изучении количест-
венных характеристик экосистем, а в эргатических системах – также при изу-
14
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma16x1.jpg)
чении деятельности человека-оператора. Общая теория надежности помогает изучать надежность оператора и эргатической системы «человек – техника – среда». Знание возможностей и принципов построения ЭВМ позволяет изучать вопросы распределения функций между человеком и машиной и моделирова-
ния экологической ситуации, деятельности оператора и всей системы в целом.
Инженерная экология является базой для изучения таких дисциплин как конструирование машин, станков, агрегатов; приборов; эксплуатация техниче-
ских средств; охрана окружающей среды; технология неорганических ве-
ществ; экономика и организация промышленного производства; инженерная эргономика4 и др.
Полноценная инженерная деятельность может быть обеспечена на базе широкого образования, включающего не только фундаментальную математи-
ческую, прикладную, но и методологическую подготовку в области техники и технических наук.
2. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ
2.1. Структура и состав атмосферы
Атмос – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля.
Внутренняя еѐ поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Толщина атмосферы – примерно 2000 – 3000 км от поверхности Земли.
Суммарная масса воздуха – (5,1-5,3)×1018 кг. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966. Давление при 0°C на уровне моря – 101,325 кПа;
критическая температура – 140,7°C; критическое давление – 3,7 МПа; раство-
римость воздуха в воде при 0°C – 0,036 %, при 25 °C – 0,22 % [2].
Опоясывающая Землю атмосфера состоит из множества слоев (рис. 1).
4 Эргономика – наука о правильной организации человеческой деятельности. (от др.-греч. ἔργον
— работа и νόμος — закон) — соответствие труда физиологическим и психическим возможностям человека, обеспечение наиболее эффективной работы, не создающей угрозы для здоровья человека и выполняемой при минимальной затрате биологических ресурсов.
15
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma17x1.jpg)
Рис. 1. Строение атмосферы Каждый из таких слоев выполняет задачи, направленные на обеспечение
полезных свойств живых организмов. Каждый из слоев способен возвращать обратно вещества или лучи, достигшие его границ, либо в космическое про-
странство, либо к земной поверхности. Например, тропосфера, расположенная в 13-15 км от поверхности Земли, уплотняет массы водяного пара, поднимаю-
щиеся с земной поверхности, и возвращает их на Землю в виде дождя. Озоно-
вый слой атмосферы, т.е. озоносфера, расположенная на высоте 25 км от Зем-
ли, отражая идущие из космического пространства радиацию и ультрафиоле-
товые лучи, возвращает их обратно, не позволяя пробиться к земной поверх-
ности.
Рассматривая различные экологические функции атмосферы Земли,
можно сделать вывод, что жизнь на Земле без этой воздушной оболочки не-
возможна.
16
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma18x1.jpg)
Атмосфера Земли состоит, в основном, из газов и примесей (пыль, кап-
ли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
Как показано в таблице 1, концентрация газов, составляющих атмосфе-
ру, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа
(CO2).
|
|
Таблица 1 |
|
|
Состав воздуха в приземном слое |
||
|
|
|
|
Газ |
Содержание по объему, % |
Содержание по массе, % |
|
|
|
|
|
Азот |
78,084 |
75,50 |
|
|
|
|
|
Кислород |
20,946 |
23,10 |
|
|
|
|
|
Аргон |
0,932 |
1,286 |
|
|
|
|
|
Вода |
0,5-4 |
- |
|
|
|
|
|
Углекислый газ |
0,032 |
0,046 |
|
|
|
|
|
Неон |
1,818×10−3 |
1,3×10−3 |
|
|
|
|
|
Гелий |
4,6×10−4 |
7,2×10−5 |
|
|
|
|
|
Метан |
1,7×10−4 |
- |
|
|
|
|
|
Криптон |
1,14×10−4 |
2,9×10−4 |
|
|
|
|
|
Водород |
5×10−5 |
7,6×10−5 |
|
|
|
|
|
Ксенон |
8,7×10−6 |
- |
|
|
|
|
|
Закись азота |
5×10−5 |
7,7×10−5 |
|
|
|
|
|
Кроме указанных, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углево-
дороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначитель-
ных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твѐрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Крупнейшие глобальные экологические проблемы современности –
«парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дож-
дей – связаны в том числе с антропогенным загрязнением атмосферы.
Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окру-
жающей природной среды.
17
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma19x1.jpg)
В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формиру-
ются климат и погода, задерживается масса метеоритов.
Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, при турбулентном пере-
мешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на по-
верхности земли и т. д. Однако в современных условиях возможности природ-
ных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны.
2.2. Классификация загрязнителей атмосферы
Загрязнение – это привнесение в среду или возникновение в ней новых,
не характерных для среды химических, физических, биологических или ин-
формационных агентов; или повышение концентрации этих агентов сверх среднего наблюдавшегося количества или уровня.
Выбросы загрязняющих веществ или сами загрязнители делятся на три
типа:
приводящие к загрязнению в глобальном масштабе – выбросы ве-
ществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться в окружающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полу-
распада от одного месяца и больше);
приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион мо-
жет охватывать территорию нескольких государств) – выбросы веществ с ог-
раниченным (обычно до нескольких суток) временем жизни в атмосфере, при-
водящие к загрязнению крупного региона, за пределами которого концентра-
ция загрязнителя быстро падает, однако в следовых количествах может на-
блюдаться повсеместно (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);
приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на сравнитель-
но небольшой территории) – выбросы веществ с малым временем жизни в ат-
мосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород и другие вещества, а также
18
![](/html/65386/197/html_kN0x15fAVO.cGfL/htmlconvd-kHDOma20x1.jpg)
некоторые представители предыдущего типа, например, оксиды серы и азота,
если они выбрасываются из низких источников).
2.3. Источники загрязнения атмосферы
Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изме-
нение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.
Существует два вида источников загрязнения атмосферы: естественные и антропогенные. Источники загрязнения атмосферы имеют различную при-
роду и происхождение. Основные источники загрязнения атмосферы [4,5]
представлены на рис. 2.
Рис. 2. Основные источники загрязнения воздуха Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К
ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, вет-
ровая эрозия, массовое цветений растений, дым от лесных и степных пожаров и др.
Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняю-
щих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно зна-
чительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.
В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые
19