2. Экологическое равновесие в природно-технических геосистемах

Интегральным критерием, являющимся мерой экологической эффективности трудовой деятельности, может служить опасность нарушения природного баланса как в узко территориальном плане, так и в общегосударственном масштабе. Такая опасность является потенциальной характеристикой необратимости потерь (или необратимых процессов), количественно связанных с антропогенными факторами результатов деятельности.

Общий принцип охраны природы с позиций инженерной экологии заключается в минимизации интегральных потерь неживой и живой природы, формально выражаемых в виде:

• абсолютно невосполнимых потерь, связанных с уничтожением биологических популяций (изменения биогеоценозов) за пределами границ самовосстанавливаемости;

• качественных потерь неживой природы в первоначальных количественных пропорциях (ухудшение плодородной структуры почв, изменение гидрогеологического режима течений, деградации почв в наиболее экологически уязвимых районах, например районах Крайнего Севера, и т. д.);

• обратимых потерь живой природы в границах самовосстанавливаемости или восстанавливаемости при содействии человека.

Анализируя механизм формирования экологических потерь, следует весь процесс функционирования экосистемы «человек — природа» условно разделить на три стадии.

На первой стадии развития процесса происходит закономерное использование природных ресурсов в результате целенаправленного взаимодействия человека с окружающей средой. Эта стадия, как правило, характеризуется некоторым условным максимумом, совпадающим с окончанием активной фазы производственного цикла.

Далее процесс переходит во вторую стадию, которая в случае полного отсутствия восстановительных мероприятий характеризуется некоторым периодом сравнительно устойчивого состояния с сохранением имевшихся потерь. Этот период, по существу, является переходным к третьей стадии развития процесса, протекающей в одной из двух возможных форм:

• естественного восстановления (самовосстановления) частично утраченного экологического потенциала;

• смешанного (или комплексного) восстановления, включающего в себя ряд восстановительных мероприятий, которые в сочетании с естественными процессами самовосстановления дают наибольший эффект сохранности и воспроизводимости природных ресурсов.

Понятие экологического равновесия в природе имеет глубокий смысл, поскольку оно опирается на обширную систему научных знаний и представлений о состоянии и свойствах биогеоценозов. Естественный природный баланс вследствие закономерного антропогенного изменения имеет тенденцию смещения, проявляющегося в формах единичного или общего явления, в виде явного или неявного следствия, значительных диспропорций и т. д.

Поэтому понятие экологического равновесия экосистемы условно с точки зрения предельно допустимых норм по всем экологическим критериям.

Однако понятие предельно допустимой нормы (или предельно допустимой потери) требует глубокого обоснования с точек зрения:

• локального экологического скачка (или интенсивности местных потерь данного вида);

• возможности развития необратимых смещений экологического равновесия;

• характера экологического противодействия (экологической реакции) на функционирующий объект;

• потенциальных экологических резервов в рассматриваемом интервале взаимодействия искусственного объекта с окружающей средой.

Планирование и оптимизация природоохранных структур в сфере промышленного производства предопределили современные тенденции развития региональной экологии, в рамках которой реализуются прикладные задачи формирования экологически чистых промышленных объектов и создания систем надежной охраны окружающей среды. Такие задачи по своей сути являются многоплановыми, и их эффективное решение опирается на глубокий инженерный анализ реальной экологической обстановки в конкретной природно-технической геосистеме. Одним из основных аспектов такого анализа является опытно-промышленное исследование возможных источников вредных воздействий на объекты геосферы и биосферы.

В общем случае источники загрязнения природной среды можно классифицировать по происхождению: искусственные — антропогенные (удельный вес около 90% общего объема) и естественные; по месту поступления — континентальные, морские и атмосферные; по временному признаку — постоянные, эпизодические, разовые, случайные; по пространственно-временному признаку — фиксированные и нефиксированные и т. п.

В рамках рассмотренной классификации могут, быть исследованы любые регионально-экологические системы типа «человек — промышленный объект — природа». Например, определяющими факторами глобального нефтегазопромышленного техногенеза являются масштабы добычи этих природных компонентов и уровень их потерь в естественном и переработанном виде.

В ряду формирующих стадий инженерно-экологического цикла особое место занимает проектирование с экологической ответственностью, поскольку обеспечение на этом этапе необходимого природоохранного потенциала во многом определяет закладываемый уровень экологической безопасности, а следовательно, и возможные материальные затраты на его устойчивое сохранение в процессе функционирования природно-технических геосистем. До настоящего времени отсутствуют единые методы природосберегающего проектирования и технологического нормирования с экологической ответственностью.

Каждый формируемый объект и промышленное производство наделены комплексом техногенных свойств, обусловливающих потенциально опасный уровень антропогенных изменений природных объектов в соответствии со спецификой взаимодействия с окружающей средой.

Любой создаваемый объект или промышленное производство можно оценивать с позиций возможных антропогенных состояний объектов природы, являющихся мерой экологической чистоты данного объекта (промышленного производства).

Требование экологической чистоты при создании объектов и промышленных производств обусловлено необходимостью минимального отрицательного воздействия на компоненты окружающей природной среды. В настоящее время разработано много технологических процессов, при которых исключаются потери и выбросы в окружающую среду отходов- загрязнителей. В таких процессах наиболее полно реализуются принципы так называемой безотходной технологии.

Многочисленные экологические исследования, выполненные в разных странах, показали, что строительством очистных сооружений невозможно полностью решить задачу по предотвращению загрязнения объектов гео- и биосферы. Более того, огромное количество разнообразных веществ, необходимых обществу, потребляют и перерабатывают с большими отходами, которые выбрасывают в окружающую среду. Ценное сырье в ряде случаев перерабатывают по схеме так называемого однократного неполного использования, что сопровождается выбросом значительной его части со всеми отрицательными последствиями этого для окружающей среды.

Одним из основных условий ускорения темпов внедрения безотходной технологии является разработка новых инженерно-экологических принципов проектирования и создания промышленных производств, отвечающих требованиям максимальной экологической безопасности. В настоящее время отсутствие в должной мере учета экологических вопросов при проектировании объектов и технологических процессов приводит к тому, что главную нагрузку в области охраны среды в ближайшее десятилетие будут по-прежнему нести водо- и газоочистные сооружения. В лучшем случае, учитывая рост количества и мощностей указанных сооружений, повышением эффективности их работы можно будет добиться стабилизации накопления веществ-загрязнителей.

Рассмотрим некоторые инженерно-экономические аспекты создания замкнутых производственных процессов, обеспечивающих в принципе на любом этапе их функционирования безотходный технологический цикл.

Характеристика экологического состояния любого объекта или производственного процесса может быть определена двумя путями:

1. по среднестатистическим параметрам свойств техногенных источников, определяющим меру воздействия на объекты окружающей среды;

2. по единичным и комплексным показателям антропогенного изменения объектов окружающей среды;

Оба подхода к рассмотрению состояния промышленной экосистемы позволяют ввести некоторые аксиоматические принципы, касающиеся формирования ее антропогенных свойств с позиции некоторых термодинамических аналогий потери качества системы.

Будем считать замкнутый технологический цикл экологически непроницаемым в том смысле, что формирующийся антропогенный поток локализуется в границах самого технологического процесса, внешнее его проявление на объектах окружающей природной среды равно нулю в теоретическом или практическом отношении. В противном случае имеет место уход антропогенного потока («экологический прорыв») за пределы технологического цикла, сопровождающийся отрицательным воздействием производственного процесса на окружающую среду.

Центральное место в аксиоматическом построении принципов формирования антропогенных свойств промышленной экосистемы в процессе ее создания и функционирования принадлежит условию равновесия системы по различным критериям ее состояний.

С термодинамической точки зрения промышленная экосистема (типа «искусственный объект — окружающая среда», «производственный цикл — окружающая среда» и т. д.) находится в равновесии в том случае, если среднестатистические значения параметров ее состояния остаются постоянными в регламентированных пределах.

Согласно термодинамическому принципу смещения равновесия Ле-Шателье, если систему, находящуюся в равновесии, подвергнуть внешнему воздействию, нарушающему это равновесие, возникает новое равновесие, переход к которому осуществляется процессом, стремящимся противодействовать указанному воздействию.

Направленное техногенное воздействие, являющееся внешним по отношению к экосистеме, обусловливает ответную реакцию системы, выражающуюся плавным или скачкообразным изменением антропогенных свойств. Формы проявления реакции системы не влияют на собственно переход экосистемы в новое равновесное состояние с точки зрения взаимной обусловленности такого перехода. Изложенный принцип смещения равновесия — удобная аналогия механизма развития антропогенных свойств замкнутой промышленной экосистемы по критериям ее техногенного состояния.

Организационно-технологическая структура управления промышленной экосистемой, направленная на минимизацию экологического риска, предусматривает активные формы экологического контроля промышленных экосистем.