7.7. Особенности энергетического для вещества баланса и его моделирования

Освещение потоков вещества и энергии в урбоэкосистемах положено в основу методологии экосистемологических исследований, в первую очередь анализу разнообразных трофических ланок и сетей и энергетических потоков. Благодаря таким анализам устанавливаем, что городская экосистема функционирует главным образом в результате ее солярно-энергетического обеспечения и постоянно зависит от него. Все жизненные и много геофизических процессов происходят благодаря солярной энергетике (радиальные и латоральные газо-дымовые и тепловые потоки в атмосфере города).

Сложность установления энергетического для вещества баланса связана с отдалением природно-сырьевых источников, которые обеспечивают города высококонцентрированной энергией топлива и сырьем.

Особенное место занимают потоки средств питания людей и домашних животных. Эта частица является значительной в общем балансе, однако следует отметить, что трофические звенья в цепях не так тесно связаны между собой, как это бывает в естественных экосистемах, тем более, что здесь преобладает снабжение из внешне. Потребители - человек и ее домашние животные - в урбанизированных экосистемах преобладает, тогда как продуценты и деструкторы в трофических сетях играют подчиненную роль.

Существуют прямые взаимосвязи между употреблением городом разных веществ и изменением жизненных условий растений и животных, особенно относительно долгосрочных изменений условий существования.

Материальные балансы, которые применяют в промышленности, являют собой хорошую основу для анализа в сфере городской экологии, направленной на планирование окружающей среды. Города относительно других территориальных единиц характеризуются высоким уровнем заселения и густой транспортной сетью. Правда, в густонаселенных районах города можно выделить субурбанизированные зоны с низким процентом застройки и незначительной транспортной сетью. Такие субурбанизированные зоны могут в значительной мере влиять на городской центр, снижая концентрацию эмиссии. Чем большим является город, тем более оно пользуется открытыми близлежащими землями и тем большей является опасность нанести вред этим ячейкам природы.

С такими неодинаковыми условиями жизни и труда в разных зонах городской экосистемы связаны значительные отклонения относительно количества употребленного вещества и энергии. Потребность в энергии городских экосистем прямо зависит от интенсивности хозяйственной деятельности и количества транспорта, которые есть, как правило, не пропорционально высокими. В этой связи город всегда зависит от загородной зоны, которая является резервуаром сырья, чистой воды и воздуха, а также кормов.

Определяя баланс вещества и энергии городской экосистемы, трудно избежать абстракций, поскольку не так просто собрать цифровой материал, который бы характеризовал объемы этих потоков на входе, на выходе и внутри сложного городского организма. Поэтому за основу рассмотрения баланса взяли урбосистему города-миллионера Брюсселя. Подобная работа осуществлялась по Гонконгу (1983). Однако, к сожалению, сообщений об изучении этой проблемы в других городах в дальнейшем в литературе нет.

Энерго - вещественные балансы Брюсселя исследовали в трех направлениях: баланс энергии, баланс вещества и баланс воды.

В урбоэкосистему Брюсселя, площадь которой составляет 16178 гектаров, поступает энергия в количестве 3210¹² ккал/год, в том числе 210¹² ккал/год в виде пищевых продуктов, 410¹² ккал/год — чистой электроэнергии и 2610¹² ккал/год— уголь; солнечная энергия добавляет к этому количеству 5810¹² ккал/год газа, нефти и бензина. Соотношение вещества, которое поступает ежегодно в урбоэкосистему, составляет: продукты питания — 45010³ т; уголь — 43010³; нефть — 90010³; бензин — 50010³; газ — 54010³ т. Водный годовой баланс достигает 10⁶ т.

В обмене веществом и энергией берут участие 1075000 чел. населения (5910³ т) и растительность — 150010³ т.

Подобно естественной экосистеме, потек вещества и энергии в урбо-экосистеме двигается слева направо, теряя на каждом этапе технологических превращений определенное количество энергии, которая пойдет на удовлетворение производственных и других процессов, выделяется в естественную среду в виде тепла, пару, газовых субстанций, пыли, твердых отходов.

Рис. 7.7. Блок промышленно городской экосистемы

Приведенная схема дает возможность выделить две взаимодействующих сферы - "натуральное" и "антропогенное" хозяйства, которые во многих случаях трудно распределить. В естественную среду ("натуральное хозяйство"), например, попадают отходы и избыточная энергия промышленного города, которые негативно влияют на климат, геологию и гидрологию. Однако кислые дожди, которые недавно были еще просто газовыми эмиссиями, изменениями естественного состава атмосферного воздуха, выпав на землю, могут приносить вред как "натуральному" (подкисление почв, вод и тому подобное), так и "антропогенному" (содействие коррозийным процессам, разрушение достопримечательностей архитектуры и тому подобное) хозяйствам.

Большое количество вещества в виде сырья и топлива, которое используется производством и транспортом города, входит в систему в одном виде изделий и отходов. Следовательно, мы имеем дело, как и в случае с естественными экосистемами, с "черным ящиком", куда входят одни переменные, а выходят совсем другие.

Лучше всего системный анализ вести, избирая какую-то одну переменную, например, количество и качество воды, которая поступает в урбоэкосистему, а дальше наблюдать, в каком виде (количественному и качественному) она выбывает из экосистемы. Такой анализ можно осуществлять и относительно отдельных особенно токсичных загрязнителей, например, свинца.

Общее значение баланса можно записать таким образом:

Аккумуляция = транспорт + превращение.

Рис. 7.9. Экосистема Брюсселя

Аккумуляция энергии на входе, которая поддается подсчету (тонны угля, нефти, газа, древесины и тому подобное, ккал электрического тока), транспортируется многочисленными потоками, превращаясь из одной формы в другую. Этот отрезок превращений энергии является самым сложным для вычислений, поскольку рассредоточивается в многообразии хозяйственных процессов. Кое-что проще является подсчет суммарного количества энергии, вынесенного за пределы городской экосистемы в виде выбросов в атмосферу, воду и почвы (рис. 7.9). Задание заключается в выяснении "эндогенных" (внутригородских) источников выноса энергии: отдельных предприятий, транспортных отраслей, домашнего хозяйства и тому подобное.

Чтобы осуществить анализ загрязняющих компонентов, необходимы такие данные: 1) количество внесенного материала носителя; 2) концентрация вещества в материале носителя; 3) переходная функция на каждом этапе процесса, то есть часовая зависимость выхода от изменения при входе каждого компонента.

Как видим из схемы-модели (рис. 7.9), ее совершенствование возможно путем расширения анализа "на выходе", то есть за пределами уже достаточно изученного внутригородского балансового пространства. Ведь город, как подтверждает анализ балансов, тесно связан со своими околицами и рассматривается как результат внутренних и межрегиональных процессов обмена.

Балансовый анализ вещества и энергии м. Брюсселя свидетельствует, что в процессе хозяйственной деятельности желательные и нежелательные эффекты выступают одновременно. Анализируя поток вещества и энергии, который продвигается слева направо, обнаруживаем нежелательные эффекты и принимаем определенные эколого-компенсационные меры, таких, как совершенствования технологических процессов и установок с целью уменьшения эмиссий или теплонагревания.

Как видим, основным методом "экологической бухгалтерии" и "экологического баланса" является анализ непрерывного процесса, который происходит на входе, внутри урбоэкосистемы и на ее выходе.

Сердцевиной баланса является противопоставление количества доставленного и количества употребленного вещества и энергии. Принимая во внимание, как и при условиях естественной экосистемы, первый закон термодинамики, убеждаемся в его закономерном действии в условиях урбоэкосистемы большого города. Ведь ни масса, ни энергия не появляются в урбоэкосистемы "ниоткуда" и не исчезают неизвестно куда. Эти объемы можно подсчитать и вывести "экобаланс" путем "экологической бухгалтерии".

Рядом с этими типами баланса есть еще балансы, которые связаны с "процессами" и "продуктами" или группами "продуктов":

1. Балансы, связанные с процессами. Заключаются в расчете количества вещества и энергии, которая потребляется и превращается в процессе производства.

2. Балансы, связанные с веществом или группой веществ. Анализируются пути выбора одного вида вещества (например, свинцу) или целой группы веществ (например, тяжелые металлы) в конкретных пределах балансовой территории.

3. Балансы, связанные с каким-то одним или группой продуктов. Такой баланс можно составить относительно обращения такого продукта, как стеклянные бутылки, или группы продуктов (бумажные или пластиковые упаковки для напитков).

Выделение для анализа по балансовому принципу конкретного вещества дает возможность выяснить все процессы превращения вещества и энергии, связанные с изготовлением, переработкой и потреблением продукта вплоть до переработки веществ остаток.