Экология города

Учебник

города
Под общей редакцией доктора технических наук, профессора Стольберга Ф.В.
Допущено Министерством образования Украины как учебник для студентов высших учебных заведений Решение коллегии № 13/6-18 от 24 ноября 1999 г.

Киев "Либра" 2000







ББК 28.081я7
Э 35 УДК 504.75
Рецензенты: В.Я. Шевчук, д-р экономических наук, профессор, министр охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины
И.Г. Черванёв, д-р технических наук, профессор, зав. кафедрой соц.-экон. географии, природоохранного менеджмента и геоинформатики Харьковского национального университета, член УМК по экологии Минобразования Украины
Общее редактирование Ф.В. Стольберг, д-р технических наук, профессор, зав. кафедрой инженерной экологии городов Харьковской государственной академии городского хозяйства (ХГАГХ), лауреат Государственной премии
Научное редактирование В.Н. Ладыженский, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной экологии городов Харьковской государственной академии городского хозяйства (ХГАГХ)
Э 35 Экология города: Учебник. К.: Либра, 2000. 464 с.
ISBN 966-7035-29-8
Рассмотрены экологические проблемы городов, которые к концу XX века стали преимущественным местом обитания человека. Описаны источники воздействия на природную среду города и мероприятия по защите атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного покрова, геологической среды и зеленых насаждений в пределах городской черты. Дан анализ экологической обстановки более чем в 80 городах Украины.
Отличительной особенностью настоящего издания является комплексное рассмотрение и инженерный подход к решению экологических проблем городов.
Предназначена для студентов высших учебных заведений по специальности "Экология и охрана окружающей природной среды", а также для специалистов-экологов, работников городской и районной администрации.
ISBN 966-7035-29-8 ББК 28.081я7
© Коллектив авторов, 2000
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 7
Раздел 1. Город и городская среда 9
Основные понятия 9
История и перспективы урбанизации 18
Городское хозяйство 23
Ресурсопотребление городов 26
Контрольные вопросы 27
Рекомендуемая литература 28
Раздел 2. Геологическая среда города 29
Антропогенные изменения рельефа 29
Почвы городских территорий 30
Литогенная основа городских территорий 38
Опасные геологические процессы на городских территориях 47
Защита городских территорий от опасных геологических процессов 58
Контрольные вопросы 62
Рекомендуемая литература 62
Раздел 3. Водная среда города 63
3.1. Водные объекты городов 63
3.1.1. Родники в городской черте 65
3.2. Использование водных объектов города 68
Централизованное водоснабжение 68
Децентрализованное водоснабжение 70
Рациональное использование водных ресурсов 71
3.3. Оценка состояния водных объектов 74
Показатели качества воды 74
Методика оценки качества воды 78
3.4. Источники воздействия на водные объекты 81
3.5. Системы водоотведения и очистки сточных вод 86
3.5.1. Системы водоотведения 86
Общегородские очистные сооружения 90
Очистные сооружения небольших населенных пунктов 93
Методы очистки производственных сточных вод 95
Условия приема производственных сточных вод в городскую систему водоотведения 103
Условия сброса сточных вод в водные объекты 104

Поверхностный сток с городской территории и территорий промышленных предприятий 107
Процессы формирования качества поверхностных вод 113

Гидравлические процессы формирования качества воды 114
Самоочищение водных объектов 117
3.8. Методы защиты и восстановления поверхностных водных объектов 124
Уменьшение внешнего воздействия на поверхностные водные объекты 124
Интенсификация внутриводоемных процессов 125
3.9. Прогнозирование состояния поверхностных вод 128
3.10. Формирование подземных вод на урбанизированных территориях 139
4 Содержание
Охрана подземных вод от истощения и загрязнения 144
Методы пополнения запасов подземных вод 145
Зоны санитарной охраны скважинных водозаборов 146
Прогнозирование состояния подземных вод 147

Прогноз состояния подземных вод в связи с их эксплуатацией 147
Прогноз загрязнения фунтовых вод вблизи хранилищ жидких отходов 150
Самоочищение подземных вод 152
Моделирование гидрогеологических процессов 153
Контрольные вопросы 154
Рекомендуемая литература 155
Раздел 4. Воздушная среда города 156
4.1. Атмосферный воздух. Основные понятия, определения и характеристики 156
Состав, строение, свойства и функции атмосферы 156
Характеристика загрязняющих атмосферу веществ и классификация источников загрязнения 159
Нормирование качества атмосферного воздуха 163
4.2. Основные источники образования и выбросов загрязняющих атмосферу веществ... 166 4.2.1. Источники образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ
по отраслям промышленности 167
4.3. Процессы формирования состава атмосферного воздуха в населенном пункте 179
Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере 179
Трансформация примесей в атмосфере 188
Смоги 192
4.4. Мероприятия по защите воздушного бассейна 193
Санитарно-защитные зоны 193
Архитектурно-планировочные мероприятия 195
Инженерно-организационные мероприятия 196
Малоотходные и безотходные технологии 197
Технические средства и технологии очистки выбросов 197
4.5. Контроль уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах 209
Система контроля 209
Методы контроля и приборы для измерения концентрации примесей
в атмосфере и в промышленных выбросах 212
4.5.3. Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пунктов... 215
Выполнение требований международных конвенций по защите атмосферы 219
Микроклимат городской среды 220
Вредные физические воздействия 225

Радиационное воздействие 225
Магнитные, электрические и электромагнитные поля и излучения 228
Акустические воздействия и вибрация 232
Контрольные вопросы 234
Рекомендуемая литература 235
Раздел 5. Городская флора и фауна 236
5.1. Пути и особенности формирования флоры и фауны городов 236
5 Содержание
5.1.1. Роль растительного и животного мира в урбоэкосистеме и жизни
городского населения 236
Роль городов в динамике ареалов видов флоры и фауны 239
Пути формирования флоры и фауны городов 245
5.2. Урбанизированные биогеоценозы 248
Антропогенный и урбанизированный ландшафт 249
Урбанизированные биотопы 253
5.3. Фитомелиорация городской среды 260
Функции растительного покрова в городах 260
Фитомелиоративные системы и их классификация 262
Свойства растений, используемых в составе городских и пригородных насаждений 264
Принципы создания насаждений в городах и пригородных зонах 269
5.4. Комплексные зеленые зоны городов 271
Назначение, структура и статус комплексных зеленых зон городов 271
Выделение и определение размеров зеленых зон городов Украины 273
Охрана и использование лесов зеленых зон городов 274
Контрольные вопросы 276
Рекомендуемая литература 276
Раздел 6. Человек и городская среда 277
Преимущества и привлекательность городской жизни 277
Негативные воздействия городской среды на население 278
Городская среда и здоровье населения 280
Контрольные вопросы 282
Рекомендуемая литература 282
Раздел 7. Энергетические объекты городов основной техногенный фактор
воздействия на биосферу 283
Структура и тенденции развития энергоснабжения 283
Традиционная энергетика 289

Основные типы электрических станций 289
Энергогенерирующие мощности Украины 291

Объекты малой энергетики . 294
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии 295
Воздействие энергетических объектов на окружающую природную среду 296

Взаимодействие ТЭС и окружающей среды 298
Взаимодействие АЭС и окружающей среды 301
Взаимодействие ГЭС и окружающей среды 303
Экологические аспекты нетрадиционной энергетики 304
7.6. Энергоснабжение и экологическая ситуация в Украине 307
Контрольные вопросы 309
Рекомендуемая литература 309
Раздел 8. Бытовые и производственные отходы. Санитарная очистка городов 310
Состав, свойства и объем твердых бытовых отходов 311
Сбор, удаление и утилизация ТБО 318
Уборка городских территорий 323
6 Содержание
Полигоны твердых бытовых отходов 324
Мусороперерабатывающие заводы 330
Мусоросжигательные заводы 334
Характеристика твердых промышленных отходов 337
Методы подготовки и переработки твердых отходов 338
Технология складирования твердых отходов 344
8.10. Утилизация промышленных отходов 348
Утилизация отходов топливно-энергетического комплекса 348
Утилизация отходов металлургического комплекса 353
Утилизация отходов машиностроительного комплекса 360
Утилизация отходов химического производства 362
Утилизация отходов переработки древесины 373
Утилизация отходов производства строительных материалов 376
8.11. Полигоны твердых промышленных отходов 377
Контрольные вопросы 379
Рекомендуемая литература 380
Раздел 9. Экологические проблемы городов Украины 381
Крупнейшие индустриальные центры 383
Крупные портовые города 390
Города с преимущественным развитием определенной отрасли производства 395
Города, пострадавшие от катастрофы на Чернобыльской АЭС 410
Города с относительно благополучной экологической обстановкой 412
Города-курорты и туристские центры 414
Контрольные вопросы 418
Рекомендуемая литература 418
Раздел 10. Управление экологической безопасностью города 419
Правовые основы управления 419
Организационная система управления 428
Экологический мониторинг городской среды 430
Экономический механизм природопользования 434
Экологическая экспертиза и экологический аудит 436
Общественные экологические организации и движения 438
Контрольные вопросы 440
Рекомендуемая литература 440
Раздел 11. Развитие городов XXI столетии 441
Общие положения и проблемы 441
Стратегии адаптации и выживания 444
Развитие теории урбанизации 447
Первые шаги в решении проблемы развития городов в будущем 450
Контрольные вопросы 457
Рекомендуемая литература 457
Список сокращений 459
Словарь терминов 460
Предметный указатель 463
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие городов во всем мире и рост их влияния на природу и судьбу цивилизации обусловили активное развитие в последнее тридцатилетие науки урбоэкологии. Она превратилась из отдельной научной ветви биологии в научную дисциплину очень важного прикладного характера, обеспечивающую решение проблем локального и регионального планирования, а также экологизации человеческой деятельности. Сегодня урбоэкология развивается с учетом вклада в формирование ее концептуальных положений не только таких наук, как биология, почвоведение, инженерная геология, геоморфология, гидрология, но и таких, как экономика, социология, демография, психология и др. Необходимость решения тесно взаимосвязанных социальных и природоохранных проблем привела к высокой степени интеграции, а новая наука теория развития городов ориентирована не только на изучение вопросов и проблем, связанных с улучшением условий жизнедеятельности больших и малых городов, решением специфических эколого-экономических национальных вопросов, менеджментом региональных городских агломераций, но также и на глобальное рассмотрение процессов урбанизации.
В связи с этим резко возросла потребность в специалистах-урбоэкологах нового поколения, воспитанных и обученных с учетом новых подходов к решению урбоэкологических проблем современности.
Однако серьезным препятствием в деле подготовки высококвалифицированных урбоэкологов нового поколения продолжительное время было отсутствие соответствующих учебников и пособий по экологии городов.
Издание настоящего учебника является первой попыткой восполнить этот пробел.
Впервые подготовка инженеров-экологов в Украине была начата в Харьковской государственной академии городского хозяйства (в 1988 г. здесь был открыт факультет инженерной экологии городов и создана одноименная кафедра). За этот период авторами накоплен значительный опыт в изучении урбоэкологических проблем и подготовке специалистов-урбоэкологов.
Новая ключевая идея подготовки инженеров-экологов на базе настоящего учебника состоит в том, чтобы будущий специалист научился оценивать экологическую обстановку во всех элементах городской экосистемы: социосфере, биосфере, литосфере, гидросфере и атмосфере, предлагать и обосновывать инженерные решения по снижению техногенного воздействия на природную среду в целях нормализации экологической обстановки, проводить экологическую экспертизу действующих и проектируемых объектов, разрабатывать технологии защиты и восстановления городских экосистем.
В учебнике впервые не только исследован весь комплекс важнейших экологических проблем, порожденных процессами урбанизации, но также показаны пути нормализации экологических условий в городских агломерациях, приведена характеристика современных экологических условий большинства крупных городов Украины.
Учебник состоит из 11 логически взаимосвязанных разделов, в которых всесторонне освещены наиболее актуальные экологические проблемы городов. В первом
8 Экология города
разделе приведены основные понятия урбоэкологии, предмет, объект, цели, задачи и методология исследования. Второй раздел посвящен рассмотрению геологических фундамента и процессов, мерам по защите геологической среды города. В третьем рассматриваются вопросы водообеспечения горожан, мероприятия по охране и восстановлению городских водных объектов. Четвертый раздел освещает состояние и пути улучшения качества атмосферного воздуха наиболее значимого для горожан компонента природной среды. В пятом описываются особенности формирования, пути сохранения и развития городской флоры и фауны. В шестом дан краткий анализ экологических, психосоциальных и некоторых медицинских проблем горожан. В седьмом разделе исследуются наиболее распространенные и опасные в экологическом отношении энергетические объекты городов. В восьмом предлагаются мероприятия по удалению, утилизации и складированию твердых бытовых и производственных отходов. В девятом разделе на основе предложенной классификации анализируется экологическая обстановка в ряде городов Украины. В десятом дано краткое описание правовых, организационных, экономических и социальных аспектов управления экологической безопасностью города. В одиннадцатом разделе сделана попытка заглянуть в ближайшее будущее урбанизации, дать прогноз развития городов в XXI веке.
При написании учебника учтен отечественный и зарубежный опыт преподавания инженерно-экологических дисциплин, накопленный в результате многолетнего сотрудничества кафедры инженерной экологии городов с высшими учебными заведениями Украины и ведущими университетами Великобритании, Германии, Фин-дяндии и ряда других стран, а также стажировок преподавателей кафедры инженерной экологии городов в университетах США и Европы.
Учебник подготовлен авторским коллективом в составе:
Белявский Г.А. (11), Брыгинец Е.Д. (8.78.11), Вергелес Ю.И. (1.1; 5, кроме 5.4), Дмитренко Т.В. (3.1.1), Евтухова Г.П. (4.1; 4.3.3; 4.6), Катков М.В. (10.4), Коваленко Ю.Л. (1.3; 4.2; 4.3, кроме 4.3.3; 4.4; 4.5), Ладыженская Р.С. (6; 9.6), Ладыженский В.Н. (3.1, кроме 3.1.1; 3.2, кроме 3.2.2; 3.5, кроме 3.5.6; 9, кроме 9.6; 10, кроме 10.4), Маляренко В.А. (7), Немцова А.А. (3.4; 3.6; 3.9 совместно со Стольбергом Ф.В.), Пономаренко Е.Г. (3.3; 3.5.6; 3.7; 3.8), Саратов И.Е. (8.18.6), Свиренко Л.П. (2; 4.8), Спирин А.И. (4.7; 5.4; словарь терминов), Стольберг Ф.В. (Введение; 1.2; 1.4; 3.9 совместно с Немцовой А.А.), Яковлев В.В. (3.2.2; 3.103.14) под общей редакцией д.т.н., проф. Ф.В. Стольберга. Большую помощь в подготовке рукописи к изданию оказала Т.П. Коваленко.
Учебный материал подготовлен при частичной поддержке Европейского союза в рамках образовательного проекта TEMPUSTACIS и исследовательского проекта INKO-COPERNICUS.
Раздел 1
ГОРОД И ГОРОДСКАЯ СРЕДА 1.1. Основные понятия
Город это место компактного поселения людей, отгороженное крепостной стеной или условной границей от "внешнего" по отношению к нему пространства. Изначально такие ограждения были неотъемлемой чертой городов, служивших их жителям защитой от агрессивных соседей.
Современный город это достаточно крупный населенный пункт, жители которого в основном заняты в сферах промышленности, услуг, управления, науки, культуры и др. Существенными признаками города являются:
преобладание застроенной части территории над незастроенной, искус- ственных и видоизмененных естественных покрытий над естественны ми неизмененными;
наличие, а зачастую и преобладание многоэтажной застройки;
наличие промышленных предприятий и предприятий сферы услуг;
развитая система общественного транспорта, наземных и подземных коммуникаций;
развитая торговая сеть;
высокий уровень загрязненности окружающей среды (на 12 порядка выше, чем на прилегающей к городу территории);
так называемые "болезни урбанизации", в том числе связанные с быст- рым распространением инфекций при высокой плотности населения и интенсивных контактах друг с другом;
наличие специально созданных рекреационных территорий общего пользования;
высокая плотность размещения учреждений образования, здравоохра- нения и культуры;
культовые сооружения одной или нескольких конфессий;
разнообразие социального выбора (по сравнению с сельской местно- стью);
наличие одной или нескольких ежедневных газет, распространяемых не только в городе;
наличие пригородной зоны переходной между городом и прилегаю щей к нему территории с преобладанием сельскохозяйственного про- изводства; в эту зону из города постепенно переносятся наиболее вред- ные производства.
В разных странах исторически сложились неодинаковые подходы к определению минимальной численности жителей городского поселения от не-
10
Экология города
скольких сот человек до нескольких тысяч (табл. 1.1). Тем не менее, показатель численности населения городов широко используется в качестве классифицирующего признака.
В Украине приняты следующие категории городов по численности населения: до 50 000 человек малые, от 50 000 до 100 000 средние, от 100 000 до 250 000 большие, от 250 000 до 500 000 и от 500 000 до 1 000 000 крупные, свыше 1 000 000 человек крупнейшие.
Таблица 1.1. Критерии численности населения для выделения городов в разных странах (по Beaujeu-Garnier, Chabot)

Страны
Минимальная численность населения, принятая для определения статуса города, человек
Дополнительные критерии

Дания
250


Исландия
300


Канада, Малайзия, Шотландия
1000


Ирландия
1500


Аргентина, Португалия, Франция, Германия, Чехия, Словакия
2000


США, Таиланд
2500


Южная Корея
4000


Индия, Турция, Грузия, Туркменистан
5000
Менее 25% населения города в Грузии и 33% в Туркменистане заняты в сельском хозяйстве

Украина, Молдова, Греция, Испания
10 000
Менее 50% населения города в Украине и Молдове заняты в сельском хозяйстве

Российская Федерация
12 000
Менее 15% населения города заняты в сельском хозяйстве

Израиль, Боливия, Бразилия, Коста-Рика, Эквадор, Сальвадор, Гаити, Гондурас, Никарагуа
Количественный критерий не применяется
Городом считается центр не сельскохозяйственного производства и услуг

Англия и Уэльс, Болгария, Венгрия, Новая Зеландия, Норвегия, Парагвай, Польша, Румыния, Финляндия, Швеция, ЮАР, Япония
Статус города определяется законодательно
В Финляндии менее 50% населения города занято в сельском хозяйстве

Раздел 1. Город и городская среда 11
В 1949 г. Европейская конференция по статистике, проходившая под эгидой ООН в Праге, рекомендовала считать городом компактное поселение с минимальной численностью населения 2000 человек, причем при числе жителей менее 10 000 человек доля занятого в сельском хозяйстве населения не превышает 25% от общей численности. Компактное поселение численностью более 10 000 человек автоматически считается городом. Тем не менее какого-либо универсального критерия или совокупности критериев, позволяющих отнести то или иное поселение к городу, не существует. Категория города присваивается населенному пункту согласно действующему национальному законодательству.
Сущность урбанизации. Возникновение и постоянное увеличение площади и численности населения городов, приобретение сельскими поселениями городских признаков, повышение роли городов в социально-экономическом развитии общества, формирование городского населения, ведущего специфический образ жизни, а также «городских» популяций растений и животных составляет сущность процесса, называемого урбанизацией (от лат. urbanus городской).
Показатель урбанизированности страны или региона это доля населения, проживающего в городах. Сравнение уровней урбанизации различных стран осуществляется с использованием данных национальных переписей населения.
В настоящее время наиболее урбанизированными (не считая таких городов-государств, как Сингапур и Гонконг) являются Великобритания (92% населения проживает в городах), Кувейт (91%), Израиль (90%), Австралия (85%), Швеция (83%). Наименьшие показатели урбанизированности (710%) характерны для развивающихся стран Африки и Южной Азии. Украине в настоящее время каждые два жителя из трех проживают в городах. Различия уровней урбанизации прослеживаются и по континентам в целом (табл. 1.2).
Демографический взрыв в XX столетии сопровождался интенсивным увеличением численности городского населения. Эта тенденция прогнозируется и в наступившем столетии. Двадцатый век по праву считается веком урбанизации (урбанистическая революция, исход в города). Тем не менее только лишь рост количества городов и общая численность городского населения в той или иной стране не могут считаться истинными показателями урбанизации. В развивающихся странах Азии, Африки, Латинской Америки наблюдается явление так называемой "ложной урбанизации": доля городского населения быстро растет, но степень урбанизированности не увеличивается, поскольку мигранты из сельской местности долго сохраняют прежний уклад жизни в "поясах нищеты" на окраинах городов. В развитых странах показатель урбанизированности остается высоким и без увеличения доли городского населения. Например, в США распространение городского уклада сопровождается снижением доли населения, проживающего в городах. Поэтому можно сделать вывод, что городским считается население, ведущее особый городской образ жизни.
Как атрибуты двух различных социальных групп городской и сельский образы жизни отличаются друг от друга. Каждый из них имеет свои преиму-
12
Экология города
щества и недостатки. Так, "среднестатистический" житель города по сравнению со "среднестатистическим" жителем сельской местности имеет более широкий выбор товаров и услуг, которые он потребляет, не выходя за пределы своего населенного пункта, возможность получить хорошее образование и профессионально реализовать себя, доступ к культурным ценностям и информационным ресурсам. Уровень профессиональной специализации индивидуумов также выше в городах. Горожане намного чаще пользуются общественным и личным транспортом для перемещения внутри и за пределы своего населенного пункта. Места проживания и работы горожанина, как правило, пространственно разобщены, в то время как усадьба и земельный участок сельского жителя (ферма) являются и местом проживания, и главной производственной единицей в сельской местности. Исключение составляют коллективные сельхозпредприятия, все еще доминирующие в сельском хозяйстве Украины, некоторых странах СНГ и Восточной Азии. Но даже и в этом случае все сказанное является справедливым по отношению к личному хозяйству сельских жителей. Средние уровни энерго- и водопотребления горожан значительно выше, чем жителей сельской местности.
Таблица 1.2. Показатели урбанизированности населения Земли (по состоянию на 1.01.1995)

Континент
Общая численность населения, млн. чел.
Численность городского населения, млн. чел.
Доля стран (%) с показателями урбанизированности
Средняя урба-
низи-
рован-ность, %









<20%
20-40%
40-
60%
60-
80%
>80%
нет данных


Австралия и Океания

27,9

19,6

25,00

25,00

0,00

0,00

16,67

33,33

70,25

Азия
3322,6
1097,1
15,91
25,00
22,73
18,18
13,64
4,55
33,02

Америка (Северная)

386,2

286,5

0,00

0,00

0,00

100,00

0,00

0,00

74,17

Америка (Центральная и Южная)


382,2


268,0


0,00


18,75


37,50


18,75


15,63


9,38


70,12

Африка
720,4
222,2
15,38
51,92
21,15
5,77
1,92
3,85
30,84

Европа
750,0
535,7
0,00
6,67
24,44
40,00
20,00
8,89
71,43

Распространенная в Украине, ряде стран СНГ и Восточной Европы практика садоводства и огородничества горожан на индивидуальных участках как в городской черте, так и за ее пределами, равно как и летние дома городских жителей Западной Европы в сельской местности, скорее закрепляют городской образ жизни, чем являются возвратом к традиционно сель-
Раздел 1. Город и городская среда 13
скому укладу. Потребности в отдыхе и восстановлении сил горожан удовлетворяются в основном на специально оборудованных для этих целей территориях парках, садах, лесопарках, спортивных комплексах. Отдых как времяпровождение "без цели" является признаком городского уклада, в то время как для сельского жителя отдых есть своего рода смена вида активности. Туризм и спорт как виды активного отдыха могут также рассматриваться в качестве порождения городского уклада. Политическая жизнь человека практически всецело сосредоточена в городах. Американский географ Т.Хартсхорн (1992), характеризуя городской образ жизни, отмечает более высокие темпы и степень организованности городской жизни, более жесткое планирование деятельности, требования большей определенности и пунктуальности по сравнению с более размеренным, "неопределенным" и менее "жестким" сельским укладом. В целом, по замечанию немецкого социолога прошлого века Тённиса (1887), сельская жизнь проходит в рамках общины (community), в то время как городской уклад характеризуется жизнью в обществе (society).
С другой стороны, высокая плотность населения и постоянная конкуренция на рынке труда делают жизнь горожанина более насыщенной стрессами. Кроме того, считается, что вызванный развитием промышленности и транспорта высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв в городах сказывается в изменении частоты и структуры общих и специфических патологий у городского населения, по сравнению с сельским. В городах ниже рождаемость, чем в сельских поселениях, что дает повод рассматривать урбанизацию как фактор регуляции численности населения в глобальном масштабе. В городах Европы и Северной Америки выше доля женщин и уроженцев других стран, а показатели жизнеспособности мужской части популяций ниже, чем в сельской местности того же региона. Среди социальных "болезней", уровень которых выше в городах, нерешенный жилищный вопрос, преступность, наркомания. С этим, по-видимому, связано большее число самоубийств в городах. Высокая численность и плотность населения в городе изменяют и характер социальных контактов городских жителей. Разрушение семейных связей, сужение "ближнего круга" общения приводят к большей замкнутости и отчуждению личности в городе по сравнению с жизнью "на виду" в селе, где члены общины связаны тесными соседскими и родственными отношениями. Индивидуализм, рационализм и прагматизм городской жизни противопоставляются традиционному общинному укладу селян.
Идеализация села и "демонизация" города, равно как и обратная тенденция, находили свое отражение в литературе и произведениях искусства, по крайней мере, начиная с античности, хотя противников урбанизации всегда было больше. Тем не менее вряд ли есть основания считать урбанизацию чем-то противоестественным для человека, учитывая хотя бы тот факт, что около половины населения Земли уже проживает в городах. Урбанизация имеет как социально-экономические, так и биологические корни. Среди причин, вызвавших рост городов и их роли в мировом и национальных хозяйствах, называют необходимость:
14 Экология города
накопления и распределения природных и человеческих ресурсов, кон- центрации производства, обмена, управления на небольшой площади с целью их более эффективного использования;
наибольшего удовлетворения разнообразных общественных и индиви- дуальных потребностей человека биологических, психологических, этнических, трудовых, экономических, социальных.
С другой точки зрения, урбанизация это развитие "видовой программы" homo sapiens, а город является одним из типов местообитания человека, то есть частью его генеральной пространственной экологической ниши. Процесс урбанизации носит глобальный характер и, таким образом, является фактором преобразования географической оболочки Земли в целом. Несмот-ря на различные точки зрения на суть урбанизации, а также ее последствия, бесспорным является то, что в процессе урбанизации происходят существенные изменения как биологических и социальных характеристик человека, так и среды его обитания (подробнее см. разд. 11).
Окружающая среда города. Город, как феномен социально-экономической активности человека, является вместе с тем и специфической средой его обитания. Она включает все внешние по отношению к человеку или обществу объекты, обеспечивающие условия его существования и оказывающие на него то или иное влияние. Термин "окружающая среда" (англ. environment, нем. Umwelt, т. е. внешний мир, укр. довкілля) принято применять только по отношению к человеку или человеческому обществу. Применительно к другим организмам используются понятия "внешняя среда", "среда обитания". Употребление термина "окружающая среда" безотносительно к субъекту (т.е. окружающая среда может быть только чья-то) также является бессмысленным.
Окружающая среда города (синонимы городская среда, урбанизированная среда) это часть географической оболочки (глобальной среды обитания человека и всех других живых организмов), ограниченная территорией, занятой городом, его пригородами и связанными с ними инженерными и транспортными сооружениями. Городская среда включает в себя природные и искусственные компоненты, а также людей и их социальные группы.
Природные компоненты представлены физическими телами и полями, являющимися объектами физической среды обитания, и отличными от человека живыми организмами, являющимися объектами биотической среды обитания.
В свою очередь, физическая среда обитания подразделяется на воздушную, водную, геологическую среду. Физическая среда иначе называется абиотической.
Состав биотической среды, а также роль живых организмов в жизни города и аспекты взаимодействия человека с живыми компонентами освещены в разделе 5.
Искусственные компоненты это физические или духовные объекты: предметы, средства и результаты деятельности человека как познающей субстанции. Сюда относятся не только жилища, производственные, деловые и куль-
Раздел 1. Город и городская среда 15
товые здания, сооружения, системы коммуникаций и жизнеобеспечения, орудия производства и предметы домашнего обихода, технические средства передвижения, энергоносители и пищевые продукты, а также отходы производства и жизнедеятельности (объекты искусственной техногенной среды), но и объекты духовно-культурной среды результаты проявления человеческого духа, как выраженные в материальной форме (книги, произведения живописи, музыки, скульптуры, архитектуры, драматургии, фото-, кинематографии и т.п.), так и не существующие в вещественной форме (идеи, знаки). Все объекты искусственной среды человека, существующие в вещественной форме, являются результатами преобразования объектов природной среды. Последние, в свою очередь, также взаимодействуют с объектами искусственной среды обитания человека.
Наконец, люди, объединяемые в половозрастные, психологические, социальные, профессиональные и этнокультурные группы, также являются компонентами городской среды и составляют социально-психологическую среду обитания.
Таким образом, городская среда подразделяется на (1) физическую (абиотическую), (2) биотическую, (3) искусственную техническую, (4) искусственную духовно-культурную и (5) социально-психологическую среду (рис. 1.1).
Урбогеосоциосистема. Города представляют уникальное сочетание места и населяющих его людей и своим происхождением и развитием обязаны социально-экономической активности человека. Город занимает определенную часть земной поверхности, имеет в составе популяцию человека с высоким показателем плотности, производственный комплекс, инфраструктуру и специфическую природную, искусственную и социально-культурную среду обитания и, таким образом, представляет собой урбогеосоциосистему, или, сокращенно, урбосистему (Голубец, 1994, рис. 1.2). Социальный блок в такой системе выполняет системообразующую и управляющую функции.
Города являются открытыми системами, элементы которых связаны между собой и со своей внешней средой потоками энергии, вещества и информации. Город потребляет ресурсы энергии в виде ископаемого топлива и пищи, воды, использует поступающие извне информационные ресурсы, "вбирает" в себя новых обитателей. Результат функционирования городской системы выражается не только в производстве материальных и духовных благ, новой информации, но и значительного количества твердых, жидких и газообразных отходов, являющихся загрязнителями окружающей природной среды, и разного рода воздействий, изменяющих местный климат (рис. 1.3).
Природная подсистема урбогеосоциосистемы, через которую город "вмонтирован" в структуру биогеоценотического покрова Земли и через которую он сохраняет связи с биосферой, называется урбоэкосистемой.
Состояние и устойчивость урбоэкосистемы, включая ее способность к самоочищению, зависит от размеров городской территории и ее особенностей (характер ландшафта и городской застройки, наличие открытых пространств, водоемов, зеленых насаждений), климатических условий, количества поступающих загрязнений.
16 Экология города

Рис .1.1. Окружающая среда города

Рис. 1.2. Город как урбогеосоциосистема
Раздел 1. Город и городская среда 17

Рис. 1.3. Город как открытая система ~ объект экологического исследования
В этой зависимости заложены определенные возможности управления состоянием урбоэкосистемы путем уменьшения поступления загрязняющих примесей и соответствующей организацией городского пространства, например, улучшением условий проветривания городской территории за счет рациональных архитектурно-планировочных решений, перенесением транспортных потоков в объезд города, увеличением площади зеленых насаждений и водной поверхности и т.д.
18 Экология города
Взаимодействие урбоэкосистемы, технической и социально-экономической подсистем урбогеосоциосистемы. Город формируется на основе природной экосистемы, которая изменяется и функционирует под влиянием техногенных и социальных факторов. К техногенным факторам относятся архитектурно-планировочное решение городов, промышленное производство, транспортные потоки и другие виды хозяйственной деятельности. К социальным управление функционированием городского комплекса через органы власти и средства массовой информации, демографические процессы и т.д.
Таким образом, город представляется как комплексная система, в состав которой входит:
урбоэкосистема, т.е видоизмененная под воздействием человека при родная экосистема городской территории;
социальная подсистема, т.е функционально дифференцированная со- вокупность людей, или социосфера города;
промышленный комплекс, или техносфера города.
Причем социосфера берет на себя "представление интересов" природной экосистемы перед техносферой, соответственно ограничивая негативные воздействия последней.
Урбоэкология как прикладная наука изучает экологические проблемы городов и формирует оптимальные пути их решения.
Объектами урбоэкологии являются урбогеосоциосистемы в их совокупности, а также отдельные биотические и абиотические компоненты городской среды.
Предмет исследований состояние и прогнозирование путей развития урбогеосоциосистемы в целом и взаимное воздействие ее отдельных компонентов, а также влияние городской среды на прилегающие к городу территории и их биогеосистемы.
Основными задачами урбоэкологии как науки являются изучение масштаба и интенсивности антропогенного и технического воздействия на урбогеосоциосистему, определение допустимого уровня такого воздействия, разработка мероприятий, обеспечивающих стабильное поддержание допустимого уровня воздействия, прогнозирование возможных отдаленных последствий этого воздействия и соответствующая корректировка системы средозащитных мероприятий.
1.2. История и перспективы урбанизации
Первые города на нашей планете появились более 5000 лет назад. Это были небольшие компактные поселения людей, объединенных общими интересами: безопасность, возделывание земли, скотоводство. Символом древнего города была крепостная стена, которая защищала жителей. Население этих городов составляло несколько тысяч человек, а их небольшая террито-
Раздел 1. Город и городская среда 19
рия была окружена пастбищами. Размеры этих поселений обычно лимитировались расстоянием, которое человек мог пройти пешком.
Возникали древние города в основном в долинах и поймах рек, таких как Нил, Тибр, Евфрат, Инд, Хуанхэ, наиболее благоприятных для земледелия и выпаса скота.
Улучшенные условия жизни в этих поселениях, большая безопасность, возможность общения между людьми постепенно активизировали рост древних городов. Так начали возникать достаточно крупные города-государства, такие как Рим, население которого к началу нашей эры достигло 1 млн. человек, Афины, Спарта и некоторые другие. Эти города дали человеческой цивилизации фундаментальные основы государственного устройства и юриспруденции, культуры и искусства, военного мастерства и воспитания молодежи.
Однако это еще не были города в современном понимании, поскольку представляли собой просто очень разросшиеся деревенские поселения с отдельными крупными строениями, хотя условия жизни в них, во всяком случае для элиты, по уровню удобств были достаточно комфортными.
Процесс формирования городов можно условно подразделить на три стадии. На первой стадии урбанизации, которая длилась до XVIXVII века, горожане в основном использовали местные источники питания и воды, энергию водяных и ветряных мельниц, лошадей и других домашних животных, в производстве преобладал ручной труд. Отходы, поступающие в окружающую среду, представляли собой в основном продукты жизнедеятельности людей и домашнего скота. Экологические проблемы древних городов были связаны с загрязнением этими отходами источников водоснабжения и, как следствие, периодическими вспышками инфекционных заболеваний.
Вторая стадия урбанизации совпала с развитием сухопутного и водного транспорта, дорог, открытием возможностей использования тепловой энергии для транспортных и производственных целей.
В XVI веке отмечается крупный рост количества городов и численности их населения. На этой стадии уровень воздействия промышленной составляющей города на окружающую природную среду в основном не превышал пределов ее самоочищающей способности.
Начало третьей стадии урбанизации относится к XIX веку и связывается с промышленной революцией, ознаменовавшейся резким увеличением воздействия на природную среду.
К 1900 г. первой урбанизированной страной в современном понимании стала Великобритания, а ко второй половине XX столетия практически все индустриальные страны превратились в урбанизированные.
Ускоряющийся темп урбанизации на современном этапе связан с дальнейшим расширением энергетических потребностей общества, появлением и развитием новых типов транспорта, увеличением системы коммунальных услуг, высоким уровнем комфорта жизни, интеллектуального общения.
На рубеже XX и XXI веков население Земли, по данным ООН, достигло 6 млрд. человек (рис. 1.4). При этом темпы роста населения резко усилились
20 Экология города
во второй половине XX столетия. К этому же периоду приурочено резкое увеличение городского населения, численность которого на рубеже веков приблизилась к 3 млрд. человек, что составляет половину населения Земли.

Рис. 1.4. Рост численности населения мира
Доля крупных городов с населением 1 млн. человек и более в общей численности городского населения промышленно развитых стран составляет около 30%, а в развивающихся менее 10%. По состоянию на 1.01.1997 в мире насчитывалось 94 города с население свыше 2 млн. человек. При этом число крупных городов растет во всех странах.
Особенностью современного этапа урбанизации является укрупнение городов, слияние близко расположенных городов и поселков в единый гигантский городской комплекс мегаполис. Примерами их являются Большой Нью-Йорк, Бостон и Вашингтон, образовавшие гигант с населением более 30 млн. человек, так называемый «дельта-полис» в треугольнике Амстердам Брюссель Кельн с численностью населения около 50 млн. человек, Большая Калькутта (3040 млн. человек), Иокогама Кобэ Нагоя Осака Токио, занимающие площадь размерами 50x70 км, с населением около 60 млн. человек и др. В Украине подобные городские объединения сформировались в Донбассе: Горловка Донецк Макеевка, Краматорск Константиновка Славянск и др. Эти сверхгорода получили название конурбаций.
Каковы же перспективы процесса урбанизации? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть современную структуру урбанизированных территорий и попытаться выявить основные тенденции. Прежде всего, процесс урбанизации развивается весьма неравномерно. Интенсивность урбанизации в странах существенно зависит от уровня их промышленного развития.
Раздел 1. Город и городская среда 21
В наименее индустриально развитых странах уровень урбанизации едва достигает 10%, а в наиболее развитых составляет 6070%. По мере промышленного роста развивающихся стран степень их урбанизации будет стремиться к уровню развитых в промышленном отношении государств. Это первый крупный резерв роста урбанизации. Второй резерв это дальнейший рост городов промышленно развитых стран.
По некоторым прогнозам, в перспективе практически все население планеты будет жить в городах. В то же время во многих странах среди наиболее зажиточных слоев населения наблюдается устойчивая тенденция селиться далеко за пределами городской черты, на благоприятных в экологическом отношении территориях, используя город в основном как место приложения труда и затрачивая на ежедневные поездки туда и обратно по несколько часов.
Далее рассмотрим территориальный аспект урбанизации современное состояние и перспективы размещения городов на планете.

Рис. 1.5. Территориальные возможности развития урбанизации
На рис. 1.5 показаны территориальные возможности урбанизации. Если представить себе поверхность земного шара в форме квадрата А площадью 510 млн км2, то общая площадь суши, равная 146 млн км2, может быть условно обозначена квадратом Б со сторонами около 12,1 тыс. км. Площадь суши, пригодная к жизни по климатическим условиям, квадрат В со сторонами 8400 км. При этом площадь, пригодная к городской застройке, отображается как квадрат Г, стороны которого равны 5300 км. Внутри этого квадрата заштрихован меньший квадрат Д со сторонами около 2000 км, а его площадь составляет не более 3% от общей площади суши, или 5% от площади суши, пригодной к жизни по климатическим условиям, и 15% от площади суши, пригодной к городской застройке.
22 Экология города
Вот на такой территории в начале XXI века размещаются все города планеты, в которых проживает половина ее населения. При этом средняя плотность населения людей на Земле оценивается в 50 чел ./км2, а в городах в среднем в 10 раз выше, т.е. до 500 чел./км2.
Из того же рис. 1.5 видно, что возможности расширения площади городов значительны. И этими возможностями городское население широко пользуется. Отмечено, что в последние десятилетия темп роста территории городов в 2 раза превышает темп роста их населения. При этом расширение территории городов происходит за счет трансформации пригородных зон. Город наступает на пригород, а пригород на сельскую местность, поглощая деревни и небольшие поселки.
Территориальный аспект урбанизации, как лимитирующий фактор, очень важен. Из рис. 1.5 видно, что существует по крайней мере 7-кратный запас площадей, пригодных к урбанизации. Это создает достаточный резерв роста городов при снижении плотности их населения.
На рис. 1.6 представлена динамика основных показателей территориальных аспектов урбанизации в период 19902010 гг.



Численность городского населения, млн. чел.
Площадь городов, тыс. км2
Плотность городского населения, чел./км2
Рис. 1.6. Сравнительная динамика численности городского населения, площади городов и плотности городского населения во второй пол. XX нач. XXI вв.
Представленные зависимости наглядно иллюстрируют, что площадь городов растет существенно быстрее численности городского населения, а плот-
Раздел 1. Город и городская среда 23
ность населения, отражая эти процессы в комплексе, падает. По-видимому, отмеченная тенденция развития урбанизации будет сохраняться и в будущем.
Однако горожане испытывают потребность не только в территории, но и в других жизненно важных ресурсах и продуктах, таких как вода, пища, энергия и т.д. Наращивание потребления усугубляет экологические проблемы урбанизации.
1.3. Городское хозяйство
В состав объектов городского хозяйства входят сооружения, а также эксплуатирующие их предприятия и организации, которые обеспечивают функционирование города как сложной социально-эколого-экономической системы. К ним относятся сети водоснабжения, водоотведения, энергоснабжения, связи, газоснабжения и теплоснабжения, благоустройство и санитарная уборка городской территории, городской транспорт, а также городские водоемы и зеленые насаждения.
Чем крупнее город, тем сложнее система организации его хозяйства и тем более зависимо от него жизнеобеспечение горожан. Одной из главных задач городского хозяйства является создание благоприятной экологической обстановки.
Водоснабжение должно обеспечить круглосуточную подачу воды населению и промышленным предприятиям в необходимом количестве и по качеству, соответствующему требованиям государственного стандарта. С этой целью городская администрация и предприятия, эксплуатирующие системы водообеспечения, постоянно развивают сети водоснабжения, включают в эксплуатацию новые источники питьевой воды, расширяют станции водоподготовки. Заботой городских властей является сокращение использования питьевой воды для производственных нужд, уменьшение непроизводительных расходов воды. Вместе с тем в летний период необходимо обеспечивать систематическую поливку газонов, зеленых насаждений и проезжей части.
Наряду с централизованным водоснабжением в городах все большее развитие получает децентрализованное снабжение населения водой улучшенного качества, добываемой из глубоких подземных горизонтов, а также из самоизливающихся источников.
Вода, использованная населением и промышленными предприятиями, а также дождевые, талые и поливомоечные воды по системам водоотведения после очистки поступают в водные объекты. Очистка сбросных вод производится на общегородских очистных сооружениях. Пропускная способность и эффективность их работы должны соответствовать общему объему водопотребления города и характеру поступающих на очистку вод. Одной из важных задач городских властей является развитие системы водоотведения и расширение общегородских очистных сооружений в соответствии с ростом объемов водопотребления. Наряду с многоэтажной застройкой системы водоотведения должны охватывать и районы индивидуальной застройки, так как тради-
24 Экология города
ционно используемые выгребные ямы, предназначенные для временного накопления жидких бытовых отходов, служат источником загрязнения подземных вод и не соответствуют санитарно-эпидемиологическим требованиям.
В целях защиты рек, ручьев и водоемов, находящихся в пределах городской черты, от загрязнения и засорения сброс сточных вод в них должен быть запрещен, а наиболее загрязненная часть поверхностного стока в начальный период дождя должна по системам водоотведения подаваться на общегородские очистные сооружения.
Вокруг городских водных объектов должны быть сформированы защитные прибрежные полосы, в пределах которых не допускается размещение свалок мусора, складов, автостоянок, автозаправочных станций и других объектов, которые могут явиться источником загрязнения поверхностных вод.
Набережные и берега городских водных объектов должны укрепляться и благоустраиваться. Система водоподпорных и водопропускных сооружений на водотоках обеспечивает поддержание необходимых с экологических позиций глубин и скоростей течения, а также аэрацию речной воды. Городские водоемы и водотоки улучшают микроклимат городской среды в летний период и являются, как правило, местом отдыха горожан.
Санитарная уборка проезжей части, тротуаров и внутриквартальных территорий способствует уменьшению загрязненности дождевых вод, снижает запыленность воздушного бассейна, улучшает общую экологическую обстановку в городе. С санитарной уборкой городских территорий непосредственно связано своевременное удаление твердых бытовых отходов (ТБО).
Для сбора и временного хранения ТБО организуют специальные площадки с твердым покрытием, позволяющим избежать загрязнения почвы. Периодичность удаления накопленных отходов определяется в соответствии с существующими санитарными нормами и правилами и зависит от среднесуточной температуры воздуха, при которой происходит разложение остатков органических продуктов. Вывоз накопленных ТБО осуществляют организации, имеющие специально предназначенный для этого автотранспорт, снабженный закрытыми емкостями и проходящий с заданной периодичностью санитарную обработку. Эти организации могут находиться в собственности как городской администрации, так и в ведении предприятий любых форм собственности. Складирование ТБО является одной из самых сложных экологических проблем для большинства крупных городов Украины. Полигоны по захоронению ТБО (свалки), располагаемые обычно в пригородной зоне, занимают значительные площади земельных участков, требуют обустройства санитарно-защитных зон размером до 500 м, служат потенциальными источниками загрязнения подземных вод. Гниющие и горящие поверхности свалок создают стойкое загрязнение атмосферного воздуха, что вызывает недовольство жителей ближайших к полигонам населенных пунктов и является постоянным очагом социальной напряженности.
В ряде крупных городов (Днепропетровск, Киев, Севастополь, Харьков) имеются специализированные заводы по сжиганию ТБО. Эксплуатация мусоросжигательных заводов, как правило, связана с выделением в атмосферу
Раздел 1. Город и городская среда 25

большого количества продуктов сгорания, что требует дополнительных затрат на строительство и эксплуатацию высокоэффективных систем пылегазоочистки. Высоки энергоемкость и, соответственно, стоимость переработки единицы объема отходов. Площадки для складирования шлака из-за нерешенности проблемы его использования и переработки постоянно растут. Поверхности шлаковых отвалов практически не закрепляются и являются мощным источником пылевыделения.
В ряде стран решение проблемы утилизации ТБО основано на их сортировке по видам отходов: черные и цветные металлы, стекло, бумага, текстиль и т.д. с последующей их утилизацией. По такой технологической схеме работают мусороперерабатывающие заводы, один из которых создается в окрестностях Харькова.
В большинстве западноевропейских стран раздельный сбор ТБО производится самим населением по нескольким видам отходов в момент их образования. Отходы складируются жителями в разные контейнеры, установленные в жилых кварталах. Таким образом достигается утилизация 92% ТБО, остальные 8% сжигаются, а шлак используется для наращивания территории суши.
В городах, где отсутствуют объекты горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, крупные теплоэлектростанции, работающие на угле, и другие мощные промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха, основным фактором негативного воздействия на состояние воздушного бассейна является автотранспорт. Если движение городского электротранспорта (трамвай, троллейбус) сопровождается только повышенным вторичным пылением, то эксплуатация транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания, приводит к выбросам в атмосферу продуктов сгорания, содержащих такие вредные вещества, как угарный газ, оксиды азота, соединения свинца, серы, сажа, бенз(а)пирен и ряд других компонентов.
В настоящее время удельный вес автотранспорта в загрязнении воздуха центральной части крупных городов достигает 70% и более. В целях защиты воздушного бассейна от выбросов автотранспорта создают объездные автодороги для пропуска транзитного потока, строят транспортные развязки в двух и более уровнях, формируют зоны проветривания и пешеходные зоны, ограничивают въезд грузового автотранспорта в центральную часть города, ремонтируют и реконструируют проезжую часть, предъявляют повышенные требования к работе автотранспортных двигателей и качеству топлива.
Большое значение для улучшения экологического состояния воздушного бассейна имеет отказ от использования угля в городских котельных, теплоэлектроцентралях и перевод их на природный газ. Газификация и теплоснабжение жилого фонда и прекращение использования твердого топлива в быту также способствуют оздоровлению воздушного бассейна города.
Исключительная роль в формировании экологически благоприятной городской среды принадлежит зеленым насаждениям. В городах Украины их площадь занимает от 1520% до 5060% городской территории. Важное экологическое и рекреационное значение имеют зеленые пояса вокруг городов.
26 Экология города
Таким образом, городское хозяйство является исключительно важным многофункциональным инструментом, направленным на обеспечение экологически благоприятной среды обитания горожан.
1.4. Ресурсопотребление городов
Ускорение процесса урбанизации сопровождается нарастанием потребления природных ресурсов. Растущим городам требуется все больше продуктов питания, воды и энергии.
Потребности современного города обширны, и прежде всего ему нужна территория. Город отбирает ее у природы путем переустройства естественных ландшафтов, строительства жилых массивов, прокладки улиц и магистралей, сооружения аэропортов, вокзалов и т.д. Это сопровождается вырубкой лесов, засыпкой болот и оврагов, регулированием стока рек, созданием водохранилищ. Ориентировочно площадь города с населением 1 млн. человек составляет 200 км2.
Естественной потребностью людей является воздух. Город с населением
1 млн. человек нуждается примерно в 3 млн. т кислорода в год. Поступление его в атмосферу осуществляется за счет фотосинтеза, осуществляемого фито планктоном Мирового океана и массивами лесов. Даже при интенсивном озеленении городской территории и наличии собственных водных объектов городские возможности воспроизводства кислорода существенно ниже по- требности, которая может быть покрыта лишь за счет растительности и вод ной поверхности неурбанизированных пространств, общая площадь которых в 2030 раз превышает городскую территорию.
Потребность миллионного города в воде оценивается в 400500 млн. м3/год. На территории города не может сформироваться такое количество поверхностного стока, а запасов подземных вод, как правило, недостаточно. Естественно, что город получает воду из рек, водохранилищ и озер, водосборный бассейн которых в несколько раз превышает его собственную территорию.
Миллионный город нуждается в больших количествах пищи. Суточная потребность человека в ней составляет от 1 до 2 кг. Для города в 1 млн. жителей необходимо ежедневно завозить и производить на месте около
2 тыс. т продовольствия, или 35 железнодорожных вагонов в день. Для про изводства такого количества пищи необходимо, в зависимости от качества питания и плодородия почв, в среднем около 0,2 га сельскохозяйственных земель на человека, или около 2 тыс. км2 для миллиона горожан, что на порядок превышает площадь самого города.
Город нуждается в значительном количестве энергии. Ориентировочно эта потребность может быть оценена в 10 кг условного топлива на человека в сутки, т.е. для миллионного города 10 тыс. т, или более 150 вагонов условного топлива ежедневно. Установлено, что рост потребления энергии на производственные и коммунальные нужды опережает рост городского населения
Раздел 1. Город и городская среда 27
и составляет 56% в год. Резкий подъем в потреблении энергии совпадает с пиком урбанизации. Основные источники энергии для города это тепловые, атомные и гидравлические электростанции. Первые две группы станций обеспечивают базисную (дневную) потребность города в электроэнергии, а гидравлические вечернюю и утреннюю (пиковую) потребность. Однако ресурсы невозобновляемых (уголь, газ, нефть) и возобновляемых (вода) источников энергии не безграничны. К концу XX столетия стало очевидным, что запасы традиционных источников энергии приближаются к исчерпанию, и для выхода из грядущего глобального энергетического кризиса человечеству придется решать проблему освоения новых видов энергии. При этом должен учитываться опыт, приобретаемый человечеством на путях выхода из современного экологического кризиса. Это значит, что поиск и разработка новых технологий получения энергии должны вестись с соблюдением требований защиты окружающей природной среды.
Современный город нуждается в рекреационных ресурсах, т.е. местах и сооружениях для отдыха горожан. Внутренние рекреационные возможности города в виде пригородных зеленых зон, скверов, парков, водоемов составляют в разных городах, по имеющимся оценкам, от 1015% до 5060% его общей территории. Однако этой площади совершенно недостаточно для рекреации. По современным представлениям (Кучерявый, 1999), площадь рекреационных зон должна в 510 раз превышать собственную территорию города. Обычно это комплексная зеленая зона города.
Таким образом, территория, обеспечивающая минимально необходимые потребности миллионного города в воздухе в 20, а в воде, пище и рекреации в 10 раз превышает территорию самого города.
Удовлетворение запросов растущих городов в воде, пище, энергии, рекреации и других ресурсах потребует в ближайшие годы качественного изменения технологий их получения и использования. Это относится в первую очередь к сокращению забора воды из природных источников путем снижения водопотребления производств и увеличения повторного использования воды, снижению удельной энергоемкости во всех сферах человеческой деятельности, повышению урожайности сельскохозяйственных угодий и рекультивации, развитию новых форм рекреации и формированию психологии жизни "без излишеств". Такое направление технологического и социального развития общества диктуется ресурсными ограничениями нашей планеты.
Контрольные вопросы
Что такое город? Как бы вы могли определить город?
Современные тенденции мировой урбанизации.
Тенденции изменения природной и социальной подсистем города в процессе промыш- ленной революции.
Типичные черты урбанизации XX в.
Какие факторы влияют на размещение городов? Покажите их действие на примерах различных городов.
28 Экология города
Как классифицируются города?
Какая классификация городов используется в Украине?
Понятие и составляющие урбогеосоциосистемы.
Тенденции и резервы развития урбанизации.

Структура городского хозяйства.
Урбоэкология как наука цели, задачи, предмет исследования.
Рекомендуемая литература
Голубець М.А. Урбанізація, її соціальна суть та екологічні наслідки//Урбанізація як фактор змін біогеоценотичного покриву/Редкол.: М.А. Голубець (відп. ред.) та ін. Львів: Академічний експрес, 1994. С.35.
Кучерявий В.П. Урбоекологія. Львів: Світ, 1999. 346 с
Мильков Ф.Н. Общее землеведение. М.: Высш. шк., 1990. С. 141234.
Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. Т.2. Пер. с англ. М.: Мир, 1993. - С. 199-230.
Перцик Е.Н. География городов (геоурбанистика). М.: Высш. шк., 1991. 319 с.
Розенберг Г. С. Комплексный анализ урбоэкологических систем (на примере городов Самарской области)//Экология. 1993. № 4. С.1319.
Раздел 2 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА ГОРОДА
Геологические факторы формы рельефа, качество почв, свойства горных пород, наличие полезных ископаемых, а также экзогенные и эндогенные процессы влияют на выбор места заложения города и его последующую судьбу.
С усовершенствованием технической вооруженности человека влияние хозяйственной деятельности на геологическую среду возрастает. Эффекты антропогенного воздействия на геологическую среду имеют тенденцию к кумуляции. Активизация опасных геологических процессов в городах Украины, обусловленная техногенной деятельностью человека, привела к ряду катастрофических последствий. Огромный экономический ущерб, связанный с этим, и сопутствующие им человеческие жертвы свидетельствуют о необходимости особого внимания к эколого-геологическим факторам при хозяйственном освоении территорий.
2.1. Антропогенные изменения рельефа
В процессе урбанизации рельеф осваиваемой территории подвергается преобразованиям в соответствии с потребностями определенного этапа развития города.
Сравнение нескольких временных срезов рельефа одного и того же участка городской территории позволяет установить происшедшие за определенный исторический период существенные преобразования: исчезновение озера или речной протоки, оврагов и балок, спрямление русла реки или появление нового водоема, изменения высотных отметок отдельных точек территории.
Основной тенденцией в изменении городского рельефа можно считать его выравнивание, связанное с планировкой территории в процессе подготовки площадок под строительство.
Отрицательные формы рельефа антропогенного происхождения представлены выемками, образующимися при прокладке транспортных магистралей, строительными котлованами и карьерами по разработке полезных ископаемых, чаще всего строительных материалов. Отработанные карьеры при наличии в составе пород основания водоупорных слоев наполняются водой и после соответствующих рекультивационных работ могут быть преобразованы в участки рекреации.
Появление в городах вновь образованных положительных форм рельефа может быть связано с возведением насыпей при прокладке транспортных магистралей. В городах, являющихся центрами добывающей или металлургической промышленности, формируются положительные формы рельефа в результате накопления твердых отходов в виде высоких отвалов конусовидной, гребневидной или платообразной формы.
30 Экология города
После проведения необходимых рекультивационных работ, включающих озеленение, эти отвалы могут стать своеобразными элементами городского ландшафта. Примеры подобного ландшафтного решения можно найти в угледобывающих районах Германии или Донецкого угольного бассейна в Украине.
В настоящее время в связи с дефицитом свободных земель на территории городов, ростом их населения, расширением транспортных сетей и инженерных коммуникаций определилась тенденция заглубления городских строений ниже отметки поверхности земли. В Москве, Нью-Йорке, Париже, Праге под землей расположены современные торговые комплексы и концертные залы, подземные гаражи и складские помещения. Возможности использования подземного пространства весьма широки.
Подземные сооружения в зависимости от назначения и характера использования включают следующие основные группы:
транспортные (пешеходные и транспортные тоннели, автостоянки и гаражи, станции метрополитена);
предприятия торговли, коммунально-бытового обслуживания, связи, объекты складского хозяйства, в том числе холодильники;
зрелищные, административные, спортивные сооружения;
объекты городской инженерной сети (трубопроводы тепло-, водо-, га- зоснабжения и канализации, кабели различного назначения и т.д.);
отдельные цеха, лаборатории и производства.
Глубина заложения городских подземных сооружений достигает 40 и более метров.
В некоторых городах использование подземного пространства связано с наличием выработок, оставшихся после извлечения полезных ископаемых (Артемовск, Одесса, Солотвино и др.).
Влияние процессов современного рельефообразования на территории городов неоднозначно. Уменьшение крутизны склонов и перепада высот благодаря засыпке балок и оврагов, планировке и намыву площадок под строительство снижает энергию склоновых и эрозионных процессов. С другой стороны, при этом уменьшаются дренирующие возможности территории, изменяются естественные области разгрузки подземных вод, что приводит к формированию верховодки на местных водоупорах, повышению уровня грунтовых вод, а нередко и к подтоплению территории. Кроме того, засыпанные понижения рельефа могут включать старые свалки, содержащие токсичные отходы. Такие участки должны выявляться и учитываться для последующей локализации и обезвреживания.
2.2. Почвы городских территорий
Разнообразие природных условий на Земле привело к формированию неоднородного почвенного покрова с определенной закономерностью смены типа почв по природным зонам и в связи с высотной зональностью. В любой точке
Раздел 2. Геологическая среда города 31
местности почва также неоднородна и характеризуется дифференциацией профиля на более или менее четко выраженные генетические горизонты. Пример дифференцированного почвенного профиля представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема строения почвенного профиля:
А гумусово-аккумулятивный горизонт; А2 элювиальный горизонт; А2В элювиально-иллювиальный горизонт; В иллювиальный горизонт; С материнская порода
На формирование определенного типа почвы и почвенного профиля влияют климат, материнские горные породы, которые ее подстилают, рельеф, характер водообменных процессов, тип природной растительности, характерной для данной климатической зоны, животные и микроорганизмы, обитающие в почве. Типичными для Украины являются черноземы, серые и бурые лесные, каштановые и дерново-подзолистые почвы.
В последние столетия важным фактором почвообразования стала деятельность человека. На урбанизированных территориях, по сравнению с природными, антропогенный фактор в почвообразовании можно считать ведущим. Для городов характерны так называемые техноземы почвы, создаваемые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов или хозяйственного освоения участков земли. Техноземы частично наследуют свойства зональных нарушенных почв и горных пород, частично формируются под влиянием мощной техники, используемой при укладке почвенного слоя. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, зачастую мозаичный характер окраски, повышенная плотность и, соответственно, меньшая пористость.
Полнопрофильные почвы, близкие к естественным, могут сохраняться в городе в зоне лесопарков и старых парковых насаждений.
Вне зависимости от типа почв основным свойством, по которому проводится их оценка, является плодородие. Плодородие почв обусловлено наличием в их составе органических и минеральных питательных веществ, определенными параметрами структуры, поддерживающими нормальный газообмен и
32 Экология города
водообмен, физико-химическими характеристиками (концентрацией водородных ионов и солевым режимом), поддерживающими нормальное протекание физиологических процессов в растениях. Плодородие почвы обеспечивает определенную биологическую продуктивность природной растительности и урожай сельскохозяйственных культур. Являясь важнейшим звеном биологического круговорота веществ, почва продуцирует основной пищевой и энергетический материал для остальных обитателей планеты. При этом она выполняет функции регулятора, поддерживающего естественный состав атмосферы за счет преобразования отмирающей биоты и продуктов производственной деятельности человека. Именно эта сторона участия почвы в биологическом круговороте веществ делает ее важнейшей составляющей экосистем городов. Использование почв в городах, как правило, имеет несельскохозяйственный характер. Важнейшее направление их использования создание парков, скверов, газонов, покрытий для спортивных сооружений. Дерновый слой почвенного профиля используют для крепления откосов при строительстве транспортных выемок, насыпей и т.п. Неплодородные почвы наряду с суглинками и другими грунтовыми материалами применяют для оснований при строительстве зданий. Благодаря высокой поглотительной способности почва выполняет роль фильтра для очистки поверхностного стока. Глины и суглинки используют для противофильтрационных экранов полигонов захоронения бытовых и производственных отходов.
Загрязнение почв. На территории городов почвы подвергаются загрязнению, которое можно подразделить на механическое, химическое и биологическое.
Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломочным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства почв.
Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ, изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня, превышающего норму, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распространенным, долговременным и опасным.
Биологическое загрязнение связано с привнесением в почвенную среду и размножением в ней опасных для человека организмов. Бактериологические, гельминтологические и энтомологические показатели состояния почв городских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности. Эти виды загрязнения подлежат контролю прежде всего на территории селитебных и рекреационных зон.
Рассмотрим более детально процессы химического загрязнения почв.
На урбанизированных территориях загрязнение почв обычно происходит в результате выбросов промышленных предприятий, транспорта, предприятий теплоэнергетики, утечек из канализации и отстойников, воздействия промышленных и бытовых отходов, а также в определенной мере за счет использования удобрений и пестицидов.
Раздел 2. Теологическая среда города 33
Выбросы промышленных предприятий являются источником загрязнения почв городских территорий тяжелыми металлами, канцерогенными веществами, соединениями азота и серы. Однако данных, позволяющих оценить корреляционные связи между содержанием химических элементов в выбросах, их концентрацией в атмосферном воздухе, в выпадениях на поверхность земли и степенью загрязнения почв, недостаточно. Поэтому оценить зависимость распределения химических элементов в выбросах и выпадениях из воздушных потоков можно лишь приближенно.
График на рис. 2.2 отражает количественную связь между концентрацией свинца в составе выброса предприятия цветной металлургии, в пыли, осажденной снегом из атмосферного воздуха, и в почве.

Рис. 2.2. Зависимость между содержанием свинца в атмосферном воздухе (х, мг/м3), в снежном покрове (у мг/м3) и в почве (у2, мг/м3) (по Саету, 1990)
Иловые осадки станций биологической очистки сточных вод и компост из городских бытовых отходов содержат большое количество органических и питательных для растений минеральных веществ, поэтому их используют как удобрение. Однако они, как правило, содержат многие металлы в концентрациях, которые являются токсичными (табл. 2.1).
При внесении в почвы иловых осадков и компоста в дозах, определяемых по их удобрительной ценности, можно прогнозировать увеличение содержания токсичных элементов в почвах в несколько раз.
Внесение отходов с повышенным содержанием токсичных элементов как удобрений приводит к концентрации металлов в растениях. На рис. 2.3 показан уровень накопления химических элементов в салате при выращивании его на участках с использованием компоста из городских бытовых отходов.
Более предпочтительным является использование удобрений, полученных на основе городских отходов, для повышения плодородия почв городских зеленых насаждений.
Поступление загрязняющих химических веществ из почвы в организм человека связано с процессом их миграции по биологическим цепям: почва
34 Экология города
растение человек, почва растение животное человек; почва вода человек; почва атмосферный воздух человек.

Рис. 2.3. Избыточное накопление химических элементов в салате, выращенном на участках с компостом (в процентах относительно контрольного участка)
Таблица 2.1. Содержание химических элементов в иловых осадках городских сточных вод очистных сооружений (по Саету, 1990)

Элемент
Иловые осадки
в промышленных городах
Иловые осадки
в малопромышленных городах


Средняя концент-
рация, мг/кг
Коэффициент концентрации
Средняя концен-
трация, мг/кг
Коэффициент
концентрации

Ртуть
1,29-1,7
129-177
0,75
75

Кадмий
33,64-60
112-165
3,25
11

Серебро
13,42-36,23
134-362
13,03
130

Хром
792,14-1260,39
17-27
423,78
9

Молибден
28,2-29,9
28-29
14,79
15

Цинк
258,6-1818,0
5-35
117,3
2,3

Медь
503,5-518,3
18-19
220-240
8-83

Вольфрам
22,7-25,9
23-26
22,8
23

Олово
45,29-58,26
9-12
30,98
6

Никель
91,2-210,5
5-11
391
2

Свинец
191,57-235,8
7-9
201,3
6

Стронций
145,2-184,1
5,2-6,6
42,4
1,5

Кобальт
2,1-15,0
0,3-2,2
4,8
0,7

Бор
44,0-76,3
1,2-2,0
43,0
1,2

Фтор
450,0
2



Барий
147,4302,6
0,6-1,3
227,9
0,9

Висмут
2,5
8



Суммарный показа-





тель загрязнения





(без учета серебра)

370-610

190

Раздел 2. Теологическая среда города 35
Для почв сельскохозяйственного использования оценку уровня загрязнения вредными веществами ведут на базе предельно допустимых концентраций, причем приоритетным является транслокационный показатель вредности, учитывающий поступление в организм человека вредных веществ из почвы через растения.
Для городских условий загрязненные почвы рассматривают прежде всего как источник вторичного загрязнения атмосферного воздуха. На основе сопряженных геохимических и гигиенических исследований установлена возможность использования уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагополучного состояния атмосферы и оценки степени опасности загрязнения территории для здоровья населения. Базой для оценки уровня загрязнения почв в этом случае является значение фоновой концентрации рассматриваемого вещества в почвах региона. Обычно такие подходы используют при анализе загрязнения территории тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.
Геохимическим фоном называют среднее содержание химического элемента в почвах по данным изучения статистических параметров его распределения. Геохимический фон является региональной или местной характеристикой почв и пород.
Участок территории, в пределах которого статистические параметры распределения химического элемента достоверно отличаются от геохимического фона, называется геохимической аномалией. Геохимические аномалии, в пределах которых содержание загрязняющих веществ достигает концентраций, оказывающих неблагоприятное влияние на здоровье человека, называют зонами загрязнения. Уровень загрязнения характеризуется величиной коэффициента концентрации Кс, которую определяют из соотношения: КCi = Сi/Сфi, где Сi концентрация загрязняющего вещества в почве; Сфi фоновая концентрация загрязняющего вещества, мг/кг почвы.
Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчитывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:
13 EMBED Equation.3 1415, где КCi коэффициент концентрации элемента; п чис-
ло элементов с КC > 1.
Химические элементы, условно называемые тяжелыми металлами (свинец, цинк, медь, кадмий, ванадий и др.), не только сами являются опасными для здоровья человека, но и служат индикаторами присутствия более широкого спектра загрязняющих веществ (газов, органических соединений). Величину суммарного показателя загрязнения почв используют для оценки уровня опасности загрязнения территории города. Значения суммарного показателя загрязнения до 16 соответствуют допустимому уровню опасности для здоровья населения; от 16 до 32 умеренно опасному; от 32 до 128 опасному; более 128 чрезвычайно опасному.
36 Экология города
Геохимическое изучение почв в городе на регулярной основе позволяет получить пространственную структуру загрязнения селитебных территорий и выявить участки, проживание на которых сопряжено с наибольшим риском для здоровья населения.
Отрицательное влияние на состояние почвы в городе оказывает использование поваренной и других солей для борьбы с гололедом в зимний период и утечки высокоминерализованных технологических растворов. Это приводит к возрастанию количества фитотоксичных соединений в составе почв. Известно, что хлориды натрия и кальция разрушительно действуют на почвенные коллоиды и вызывают при определенных концентрациях гибель растений. В талой снеговой воде крупного промышленного города может содержаться хлор-иона в 150 раз больше, чем в природной речной воде.
Аналогичные последствия может иметь использование сточных вод с высоким солесодержанием для полива зеленых насаждений. Поэтому предельная величина минерализации воды, используемой для полива, не должна превышать 23 г/дм3, а концентрация бикарбоната натрия в воде 2, 5 мг экв/дм3.
Во избежание осолонцевания почв необходимо поддерживать оптимальное соотношение катионов в составе солевого комплекса. Критерием является показатель SAR, который рассчитывают по формуле Ричардсона:
13 EMBED Equation.3 1415
Предельно допустимая величина SAR составляет 10 при минерализации вод до 1 г/дм3 и снижается до 4 при повышении минерализации до 3 г/дм3.
Сохранение почвенного слоя при инженерно-строительной деятельности. Необходимым условием создания в городе благоприятной среды проживания человека с достаточным количеством зеленых насаждений (по нормам Украины от 16 до 23 м2 на человека для разных климатических зон) является бережное отношение к плодородному слою почвы.
Интенсивная инженерно-строительная деятельность в пределах городских агломераций включает большой объем земляных работ (прокладка дорог, коммуникаций, рытье котлованов под фундаменты, мелиоративные работы и т.д.), при выполнении которых страдает почвенный слой. Для его сохранения необходимо проводить обязательное снятие плодородного и потенциально плодородного слоя почвы отдельно от подстилающих слоев на всех категориях земель.
К плодородным почвам относят такие, у которых содержание гумуса на нижней границе слоя составляет не менее 1,52%, величина рН водной вытяжки не выходит за пределы интервала 5,58,2, гидролитическая кислотность по Аl3+ не превышает 3 мг экв на 100 г почвы, а содержание Na+ в обменном комплексе не более 5%. Количество токсичных солей в почвах должно быть не более 0,25%, а в гранулометрическом составе почв количество частиц размером менее 0,01 мм должно быть в пределах 1075%. Если количество гумуса снижается до 1%, почвы относят к потенциально плодородным.
Раздел 2. Геологическая среда города 37
Мощность снимаемого слоя почвы определяется уровнем плодородия малопродуктивных угодий, подлежащих землеванию в данном районе. Если снятый плодородный слой не используется сразу же для землевания или ре-культивационных работ, проводят его селективное складирование в виде буртов, откосы и поверхность которых при длительном хранении (сроком более 2 лет) засевают травами.
Если санитарные показатели плодородного слоя соответствуют требованиям, предъявляемым к почвам сельскохозяйственных территорий, снятый плодородный слой почвы может быть использован для восстановления эродированных почв сельскохозяйственной зоны.
Поскольку почвы в городе часто загрязнены токсикантами, необходимо производить закрепление их поверхности посевом трав во избежание вторичного загрязнения атмосферы.
Мелиорация загрязненных почв. Для восстановления почв, сильно загрязненных тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, нет универсальной методики. Действие каждого метода обработки зависит от особенностей почвы и специфики произрастающих на ней растений. Поэтому для каждого случая необходимы специальные исследования. Самыми распространенными методами восстановления почв, загрязненных металлами, является выщелачивание легкоподвижных элементов из почв путем их промывки и перевод катионов тяжелых металлов и микроэлементов в трудноподвижные формы внесением извести и фосфатов с добавкой органических веществ. Однако иммобилизация микроэлементов при этом достигается не всегда, так как металлы, присутствующие в почве в форме сложных органических комплексов, даже после сильного известкования могут сохранять подвижность.
Кроме способов физико-химической обработки загрязненных металлами почв, используют перемешивание верхнего слоя с незагрязненной почвой или снятие верхнего загрязненного слоя и засыпку привозным незагрязненным грунтом.
Для восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, используют методы микробиологической очистки и обработку почв негашеной известью с поверхностно-активными веществами.
Для предотвращения загрязнения почв необходимо сокращать выбросы в атмосферу от транспортных средств и промышленных предприятий, ликвидировать на территории города неорганизованные свалки бытового мусора, а захоронение отходов проводить в соответствии с существующими экологическими нормами.
Рекультивация земель промышленных агломераций. Городские агломерации крупных промышленных центров нередко включают участки техногенного ландшафта, т.е. территорий, основные особенности которых, выраженные прежде всего в рельефе, связаны с добычей и переработкой полезных ископаемых. Пространственно техногенный ландшафт часто сочетается с урболандшафтом. Примерами городов с элементами техногенного ландшафта
38 Экология города
являются промышленные центры Донбасса, Кривой Рог, Марганец, Никополь. При разработке полезных ископаемых и строительстве промышленных комплексов нарушается растительный и почвенный покров, литологический разрез толщи и гидрогеологический режим, изменяются рельеф и животный мир, загрязняются поверхностные воды и атмосферный воздух. После завершения строительства или отработки участка месторождения необходимо провести рекультивацию земель, т.е. комплекс работ, направленных на восстановление их продуктивности и улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. Ценность рекультивированных земель и почв должна быть не ниже той, что была до их нарушения.
Рекультивация земель должна являться завершающим этапом тех производственных процессов, которые приводят к нарушению почвенного покрова или литогенной основы территории. Составление проектов рекультивации следует проводить одновременно с проектированием основного производственного объекта и учитывать весь комплекс природных, хозяйственных, экономических, социальных и санитарно-гигиенических факторов. Они определяют выбор направления рекультивационных работ, например, рекреационного (создание зон отдыха и спорта с парками, водоемами для оздоровительных целей, туристических баз и др.), водохозяйственного, строительного и др.
Многостороннее воздействие техногенеза на природные ландшафты и различная ответная реакция экосистем не позволяют однозначно подходить к решению вопроса о рекультивации какой-либо территории. Не всегда оказывается целесообразным восстановление прежних комплексов, которые были до нарушения природной среды. Однако рекультивируемые земли и прилегающие к ним территории после завершения всего комплекса работ должны представлять собой организованный и устойчивый к техногенному воздействию ландшафт.
2.3. Литогенная основа городских территорий
Литосфера, включающая материки и ложе океанов, не является сплошной твердой оболочкой. Она состоит из ряда литосферных плит, которые медленно, но непрерывно перемещаются относительно друг друга. Так, плиты, граница между которыми проходит вдоль Западного побережья США по разлому Сан-Андреас, движутся во встречных направлениях со скоростью 5 см в год, так что города Лос-Анджелес и Сан-Франциско через 1012 миллионов лет могут оказаться рядом.
Граница между Евразийской, Африканской и Австралийской плитами проходит через Альпы, Кавказ, Гималаи, включая в пограничную полосу Карпаты и горный Крым. Зоны контакта между плитами характеризуются активным тектоническим режимом, т.е. высокой частотой землетрясений, проявлением вулканической деятельности, современными вертикальными движениями большой амплитуды. Это находит отражение в особенностях быта, строительства и других видов практической деятельности жителей городов,
Раздел 2. Теологическая среда города 39
расположенных в этих зонах. В срединной части плит тектонический режим в современную геологическую эпоху более спокойный, так называемый платформенный.
Основная часть территории Украины относится к структурам платформенного типа. Их геологическое строение в схематическом виде можно представить как трехслойное: поверхностный покров современных и четвертичных отложений залегает на складчатом осадочном основании, которое базируется на кристаллическом фундаменте, представляющем собой массивную толщу магматических и метаморфических пород (рис. 2.4). Основная инженерно-строительная деятельность в пределах городских территорий связана с верхним осадочным чехлом, но в зависимости от урболандшафтных условий и специфики производственной деятельности жизненно важную роль в формировании условий городской среды могут играть и породы более глубоко залегающих структурных ярусов.

Рис. 2.4. Схема геологического строения территории:
I чехол современных отложений; II складчатое основание;
III кристаллический фундамент
Все горные породы применительно к строительной деятельности можно рассматривать как основание для строительства здания или сооружения, как материал для строительства или как среду, в которой размещается сооружение. Горные породы, а также современные отложения естественного и техногенного происхождения, используемые в строительных целях, называются грунтами.
С инженерно-геологических позиций все горные породы подразделяют на два класса скальные и нескальные. Среди нескальных пород выделяют песчаные и крупнообломочные породы, взаимодействие между частицами которых определяется лишь трением и зацеплением, и пылевато-глинистые, или связные, породы. Взаимодействие между частицами связных пород обусловлено наличием водно-коллоидных связей. Различный характер связей, присущий этим породам, определяет различие в их свойствах и поведении в городской среде.
Скальные породы залегают чаще на значительной глубине от поверхности земли и относительно редко, по сравнению с рыхлыми осадочными породами,
40
Экология города
служат основанием городских сооружений. Они являются средой, в которой осуществляется подземное строительство (шахты по добыче полезных ископаемых, тоннели метро, подземные выработки другого назначения). Обнажения таких пород в черте города можно видеть, например, в Запорожье, Изюме, Севастополе, в городах предгорной зоны. Характерной особенностью скальных пород является их монолитность, обусловленная прочными связями между частицами. Связи эти носят кристаллизационный или цементационный характер и определяют высокую плотность, малую пористость и высокую прочность пород как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии (табл. 2.2).
Таблица 2.2. Показатели плотности и пористости некоторых видов твердых пород

Наименование породы
Плотность, г/см3
Пористость, %



породы
сухой породы
частиц



Габбро Мрамор Доломит Мел Опока
2,87-2,95 2,70
2,68
1,35
1,71
2,86-2,95 2,70
2,68

1,42
2,99-3,92
2,71
2,83
2,68
2,35
0,08-4,5
0,1
3,4-12,4

44

Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с развитием в их массивах трещиноватости. Влияние степени трещиноватости на водопроницаемость пород иллюстрируют данные табл. 2.3.
Таблица 2.3. Показатели водопроницаемости для пород различной степени
трещиноватости

Степень трещиноватости пород
Коэффициент
фильтрации, м/сут
Удельное
водопоглощение, л/мин

Нетрещиноватые
0,01
0,005

Слаботрещиноватые
0,0110,0
0,005-5,0

Трещиноватые
10-30
5-15

Сильнотрещиноватые
30-100
15-50

При величине пористости пород более 5% их прочностные показатели значительно ухудшаются и их классифицируют как полускальные породы. Под воздействием движущегося потока воды трещиноватые и пористые породы карбонатного или сульфатного состава могут выщелачиваться с образованием карстовых пустот. Скальные и полускальные породы в условиях воздействия строительных нагрузок ведут себя как упругие твердые тела.
Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементированных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их роль дренирующих или водовмещающих элементов в осадочном комплексе.
Раздел 2. Геологическая среда города
41
Показателем водопроницаемости породы является коэффициент фильтрации, величина которого зависит от пористости породы и структуры порового пространства. Пористость обломочных пород колеблется обычно в пределах 20 45%. Эти характеристики, в свою очередь, определяются диаметром и окатанностью слагающих породу частиц, а также однородностью зернового состава. С увеличением среднего диаметра породообразующих частиц и их окатанности при неоднородном зерновом составе водопроницаемость породы возрастает.
Величина водопроницаемости пород изменяется в широких пределах. Диапазоны колебаний коэффициента фильтрации пород различного гранулометрического состава приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4. Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации

Наименование породы
Коэффициент фильтрации, см/с

Глина
< 1 10-7

Суглинок

1 10-7 1 10-5

Супесь

1 10-6 1 10-3

Песок: пылеватый

1 10-5 1 10-3

мелкий

1 10-4 1 10-2

средней крупности

1 10-3 1 10-2

крупный

1 10-2 1 10-1

Гравий, галька

1 10-1 1 101

Движение фильтрационного потока в несвязной дисперсной породе создает гидродинамическое давление и может вызвать фильтрационные деформации, которые носят название суффозионных явлений.
Фильтрационные деформации будут развиваться в рыхлой обломочной породе в том случае, если в ней имеются частицы, диаметр которых меньше наибольшего фильтрационного хода, и если скорости фильтрационного потока достаточны для перемещения этих частиц.
Собственно суффозия, или механическая суффозия, явление выноса фильтрационным потоком из толщи породы мелких частиц. При этом увеличивается пористость пород и размеры пор.
Контактный выпор происходит в случае, если фильтрационный поток выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в пригружающий его слой более крупнозернистого материала. Задерживаясь в этом материале, мелкозернистые частицы формируют слой, отличный по составу и свойствам от исходных пород. Выпор такое разрушение породы, при котором приходит в движение некоторый ее объем со всеми слагающими породу фракциями, что приводит к разрыхлению части породы, увеличению пористости и размеров пор.
К суффозионным породам относят такие, из которых суффозионным потоком выносится более 3% частиц. Скорость фильтрации, при которой
42 Экология города
нарушается предельное равновесие суффозионных частиц в породе, называется критической скоростью фильтрации.
Негативные последствия суффозионных деформаций проявляются в формировании зон ослабленной прочности, трещин в связи с изменением гранулометрического состава, плотности и пористости пород, обрушении бортов котлованов, нарушении кровли перекрывающих пород. Следствием изменения водопроницаемости пород является увеличение водопритоков в подземные выработки и котлованы, кольматация и выход из строя обратных фильтров и дренажей водопонижающих устройств.
Характерной особенностью пылевато-глинистых пород является способность изменять свою консистенцию при изменении влажности. Показателями этих граничных состояний являются предел пластичности и предел текучести. При влажности ниже предела пластичности глинистая порода имеет твердую консистенцию и свойства, близкие к свойствам твердых тел. При влажности выше предела пластичности порода приобретает текучую консистенцию и свойства жидкости. Содержание физически связанной воды в такой глине достигает 50%. Высокая водопоглотительная способность глинистых пород связана с преобладанием в их составе частиц, обладающих коллоидными свойствами. Для глинистых пород характерна слабая водопроницаемость. В геологическом разрезе они выполняют роль водоупорных слоев. Глинистые породы характеризуются такими свойствами, как усадка и набухание, т.е. уменьшением объема при высыхании и увеличением при увлажнении. Набухание связано с увеличением толщины гидратных оболочек на поверхности глинистых частиц, при этом в породе возникает давление, величина которого может достигать 0,8 МПа, что оказывает деструктивное воздействие на откосы выработок и основания сооружений. Усадка сопровождается неравномерной деформацией породы при высыхании, появлением в ней трещин и увеличением водопроницаемости. Это снижает устойчивость пород на естественных склонах, в бортах карьеров и котлованов. В результате растрескивания на склонах образуются рыхлые продукты разрушения породы в виде глинистой щебенки, которая, осыпаясь по склонам, образует скопления. При водонасыщении они могут служить материалом для формирования грязевых потоков.
Некоторые тонкообломочные породы в водонасыщенном состоянии обладают специфическим свойством, характерным для коллоидных систем, при вибрационном воздействии переходить из геля в золь, т.е. разжижаться. Это явление носит название тиксотропии и может быть вызвано также электрическими и ультразвуковыми колебаниями. При снятии воздействия система, постепенно застывая, может снова переходить в гель. Породы, обладающие тиксотропными свойствами и ведущие себя наподобие вязких жидкостей, называют плывунами. При разнообразии зернового состава плывуны обязательно содержат глинистые минералы. Формированию плывунных свойств способствует наличие гидрофильных глинистых минералов типа монтмориллонита и особых микроорганизмов. Для истинных плывунов характерна низкая водопропускная способность и нулевая водоотдача вследствие коллоидных связей между частицами. Плывуны представляют большую опас-
Раздел 2. Геологическая среда города 43
ность при проходке подземных выработок. Катастрофические последствия имело вскрытие плывуна при проходке тоннеля ленинградского метро в 1974 г. На глубине 80 м на незамороженном участке в выработку хлынули тысячи кубометров плывунной породы. Масштабы перемещения масс были так велики, что даже на поверхности земли образовалась мульда проседания.
Серьезные проблемы при строительстве создает просадочность пород, т.е. их способность к осадке при замачивании под действием собственного веса или совместного действия собственного веса и внешней нагрузки. В результате просадок происходит опускание поверхности земли на величину до нескольких десятков сантиметров. Это приводит к деформациям зданий и сооружений, построенных на просадочных породах. Морфологическими признаками, указывающими на возможность просадочных явлений на данной территории, являются такие формы рельефа, как промоины, просадочные воронки вдоль берегов рек, просадочные блюдца на террасах и водоразделах. Типичными для Украины просадочными породами являются лессы и лессовидные породы, образующие в степной и лесостепной зонах почти сплошной покров на водоразделах и речных террасах мощностью от 3 до 4080 м. Лессы распространены также в Предкавказье, Азово-Кубанской низменности. Мощные (до 100 м) лессовые толщи характерны для Китая.
Кроме площадного распространения, для лессов характерны высокая пористость (как правило, 4258%) с большим количеством макропор, вертикальная отдельность и устойчивость крутых откосов в сухом состоянии, содержание водорастворимых солей (преимущественно сульфатов и карбонатов) до 15%, что обеспечивает связность частиц породы, относительно устойчивый зерновой состав, отвечающий суглинкам (содержание пылеватых фракций от 50 до 82%, глинистых от 10 до 30%, песчаных до 1520%), легкая размокаемость при увлажнении. Просадочность лессовидных пород связана как с их природной разуплотненностью, так и с наличием большого количества водорастворимых солей.
Количественная оценка просадочности характеризуется величиной начального просадочного давления и относительной просадочностью пород. Начальное просадочное давление Рпр это минимальное давление, при котором проявляется просадочность породы в условиях ее полного водонасыще-ния. Относительная просадочность породы отношение дополнительной осадки (или просадки породы после замачивания) к первоначальной высоте образца или слоя в его природно напряженном состоянии. К просадочным относят породы, у которых величина относительной просадочности
·пр
· 0,01.
Просадки на территории городов могут происходить при отсутствии регулирования поверхностного стока, при утечках из подземных коммуникаций и подтоплении грунтовыми водами. На просадочность пород влияет инфильтрация из каналов, водохранилищ, подпор рек при их зарегулировании.
Под сооружениями влажность лессовых пород возрастает на 1015%, что приводит к увеличению пластичности и снижению прочности. Длительное пребывание лессовидных пород ниже уровня грунтовых вод, что характерно для подтопленных городских территорий, приводит к растворению и выносу
44 Экология города
гипса и других растворимых солей, вызывает утрату несущей способности и приобретение грунтом тиксотропных свойств.
Современные техногенные отложения являются характерным и требующим внимания элементом геологической среды города. Источниками этих отложений могут быть хозяйственная и строительная деятельность, твердые отходы промышленности и горнодобывающих производств. Общим для них является широкое площадное распространение, рыхлое сложение и неоднородный качественный и зерновой состав. Наибольший объем и площадь распространения имеют отходы горнодобывающей промышленности. Например, в Донецке площадь под терриконами занимает 15 км2, не считая других видов отложений. Кроме насыпных техногенных отложений, выделяют намывные, представленные перемещенными с помощью гидротранспорта материалами. В таких городах Украины, как Киев и Харьков, есть жилые районы, построенные на намывных песках. Для районов добычи полезных ископаемых характерны намывные отложения отходов обогащения руд.
Недооценка свойств современных техногенных отложений может привести к развитию опасных геологических процессов, деформации и разрушению зданий и сооружений, человеческим жертвам.
Антропогенное воздействие на компоненты геологической среды городов проявляется в:
возрастании интенсивности выветривания за счет изменения состава атмосферного воздуха (выпадение кислотных дождей и кислотных рос);
изменении уровня грунтовых вод и их состава, что приводит к измене- нию свойств пород несущего основания;
изменении состава литогенной основы городских территорий за счет отсыпки и намыва техногенных отложений и аэрозольных выпадений из атмосферы;
изменении характеристик физических полей в пределах городских аг- ломераций.
Кислотные осадки воздействуют не только на растительность и водоемы, они повреждают здания и конструкции из различных материалов, в том числе из известняка, мрамора, песчаника и стали. От разрушительного воздействия загрязненной атмосферы страдают памятники античности в Афинах и Риме, мраморные скульптуры и здания в Англии, Италии, Канаде и других странах. Изучение геологического спектра воздействия кислотных дождей помогло бы предсказать интенсивность их воздействий в будущем. Динамику скорости растворения горных пород под воздействием кислотных дождей предполагают изучить ученые из США на материале более чем 2,5 млн. памятников погибшим военнослужащим. С 1875 г. эти памятники изготовляют единой формы и размеров, используя камень всего лишь из трех карьеров на территории страны.
Под влиянием преобразования рельефа, регулирования поверхностного стока, утечек из водонесущих коммуникаций происходит изменение гидрогеологического режима городской территории. Следствием является повышение
Раздел 2. Геологическая среда города
45
уровня грунтовых вод, а нередко и подтопление определенных участков города. Связанное с этим водонасыщение пород снижает их прочность и приводит к деформации и разрушению зданий и сооружений.
Физическое воздействие крупного города с развитой транспортной сетью, большим промышленным и энергетическим потенциалом проявляется в местном изменении температурного, электрического и магнитного полей. Возникают вибрационные поля. Создается так называемое физическое загрязнение геологической среды города.
Проявляясь на локальной территории, эти техногенные физические поля по интенсивности значительно превосходят естественные аналоги, создавая на территории города высокие градиенты характеристик. Сравнительная характеристика естественных и техногенных физических полей дана в табл. 2.5.
Таблица 2.5. Сравнительная характеристика физических полей городской территории (по Коффу, 1990)

Вид поля
Интенсивност ь


единицы
измерения
естественное
техногенное

Вибрационное




(динамическое)
Вт/м2
отсутст.
10-5 10-04

Тепловое
Вт/м2
10-2 10-1
более 1

Электрическое




(плотность блуждающих




токов)
А/м2
менее 10-3
до 10

Как видно из представленных данных, техногенное воздействие сообщает геологической среде дополнительное количество энергии через статические (вес сооружений), динамические (вибрация), температурные и электрические поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит основанием фундаментов или вмещает инженерные сооружения и коммуникации, несет в себе опасность ухудшения качества этой среды.
Воздействие вибрационного поля на литогенную основу городской среды различно в зависимости от типа пород, на которые воздействует вибрация. Скальные и полускальные грунты, обладающие упругими свойствами, передают вибрацию от источника к объекту воздействия без значительного поглощения энергии колебаний. При вибрационном воздействии на дисперсные породы зачастую происходят необратимые изменения их структуры, следствием чего является уменьшение прочности, неравномерное уплотнение и т.п. При предрасположении массива пород к проявлению таких геологических процессов, как оползни, обвалы, карст, плывунные явления, воздействие вибрации может вызвать подвижки пород и тем самым значительно усилить интенсивность и отрицательные последствия этих явлений.
46 Экология города
Основным источником вибрации по отношению к литогенной основе территории и инженерным объектам, находящимся в ней, являются транспортные магистрали. В качестве верхнего предела допустимого вибрационного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соответствует скорости перемещения частиц породы примерно 225 10-6 м/с. Эти условия создаются, когда наряду с автомобильным транспортом или независимо от него функционирует рельсовый транспорт с регулярным движением.
Стимулирует проявление обвально-оползневых процессов в сочетании с вибрацией подрезка склонов при прокладке транспортных магистралей, выемка большого количества породы при строительстве и другие изменения равновесия в пределах массивов пород и грунтов.
Тепловое загрязнение геологической среды в городах представляет собой повышение ее температуры относительно естественных значений. На территории большого города нарушение температурного режима может наблюдаться до глубины 100150 м и более. При этом на горизонтах 1030 м наблюдается тенденция к расширению по площади геотермических аномалий с повышением на 26 °С фоновых значений температуры горных пород и подземных вод.
Под влиянием избыточного тепла может происходить локальное просушивание пород с изменением их прочности. С повышением температуры грунтовых вод возрастает скорость химических реакций в зоне их контакта с материалами подземных сооружений. Установлено, что скорость коррозии строительных марок стали линейно возрастает при изменении температуры от 0 до 80 °С. Увеличение температуры пород и подземных вод активизирует деятельность микроорганизмов, являющихся агентами биокоррозии. Наиболее распространенными источниками теплового загрязнения геологической среды городских территорий являются магистральные теплопроводы и сети горячего водоснабжения.
На участках промораживания грунтов при строительстве котлованов в обводненных условиях и прокладке трасс метрополитена в сложных инженерно-геологических условиях под воздействием хладоносителя с температурой от 10 до 26 °С существенно меняются свойства водонасыщенных пород, нарушаются сложившиеся режимы водо-, массо- и теплообмена, микробиоценозов.
Электрическое поле блуждающих токов в земле связано с рельсовым электротранспортом. Воздействие его выражается в повышении коррозионной активности среды. Опасность коррозии возникает при плотности блуждающих токов 510-2 А/м2, тогда как реально наблюдаемая их плотность в городах в 200 раз выше. При высоком уровне электрического воздействия скорость коррозии стали составляет до 2 мм в год, а сроки безаварийной службы трубопроводов сокращаются вдвое. Утечки из трубопроводов в свою очередь служат новыми источниками загрязнения геологической среды городов.
Для избежания критических ситуаций, представляющих угрозу для жизни людей и приводящих к деформации и разрушению зданий и сооружений, важна достоверная оценка современного состояния геологических объектов
Раздел 2. Геологическая среда города 47
и процессов, прогноз их изменения во времени при взаимодействии с объектами техносферы.
Горные породы являются одним из естественных источников облучения жителей городов. От содержания в породах радионуклидов радия, тория и калия зависит как внешнее, так и внутреннее облучение людей. Внутреннее облучение в наибольшей степени связано с поступлением через органы дыхания газа радона, который является продуктом радиоактивного превращения элементов урановой цепи. Этот газ обладает способностью эманировать из пород, проникать через отверстия в полу и стенах, через стыки элементов конструкций в помещения и накапливаться на первых этажах зданий.
Непосредственным источником выделения радона является радий-226. По содержанию этого изотопа горные породы сильно различаются. Особенно высокие содержания радия могут быть в некоторых разновидностях гранитов, а из осадочных пород в глинистых сланцах, обогащенных органическим веществом. Уровень радоновыделения зависит не только от концентрации в них радиоизотопов, но и от структурно-тектонических особенностей территории. В зонах тектонических разломов и повышенной трещиноватости пород выделение радона происходит более интенсивно.
В Украине районы с повышенным радоновыделением приурочены в основном к территории Украинского кристаллического щита и северо-западной части Донецкого бассейна (см. также раздел 4.8.1). В Соединенных Штатах Америки повышенный уровень радоновыделения связан с участками распространения темных сланцев, а также трещиноватых гранитов и наблюдается в штатах Вирджиния, Калифорния, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Пенсильвания, Флорида.
Повышенная радиоактивность пород основания и техногенных отложений, на которых построены города и другие населенные пункты, установлена в Австралии, Германии, Финляндии, Швеции и других странах.
2.4. Опасные геологические процессы на городских территориях
Геологический облик любой территории постоянно меняется, порой быстро, чаще незаметно для человека. Геологические процессы, приводящие к этим изменениям, называют эндогенными, если они связаны с проявлением внутренней энергии Земли, и экзогенными, когда вызываются действием внешних факторов ветра, поверхностных вод и т.д.
Активная хозяйственная деятельность приводит к интенсификации экзогенных геологических процессов, иногда их называют техногенным или инженерно-геологическим .
Геологические и инженерно-геологические процессы, которые оказывают отрицательное воздействие на территории, хозяйственные и промышленные объекты, жизнедеятельность людей, называют опасными геологическими процессами (ОГП).
48 Экология города
Землетрясения и извержения вулканов связаны с глубинными процессами Земли и по своим последствиям являются одними из наиболее разрушительных природных явлений. С начала XX столетия в результате землетрясений погибло более 1,5 млн. человек. Из крупнейших землетрясений этого периода можно назвать толчок в Сан-Франциско в апреле 1906 г. Под обломками зданий и вследствие вспыхнувших пожаров там погибло более 1 тыс. человек. В декабре 1972 г. два толчка с двухчасовым интервалом унесли жизнь почти 10 тыс. человек в Манагуа, столице Никарагуа. В декабре 1988 г. в Армении произошло землетрясение, жертвами которого стали 25 тыс. жителей городов Спитак и Ленинакан.
Землетрясения кратковременные колебания земной коры, связанные со скачкообразным освобождением энергии в некотором пространстве внутри Земли. При сильных землетрясениях в их очаге гипоцентре выделяется энергия до 1018 Дж. На поверхности Земли, особенно в области эпицентра, находящейся над гипоцентром, возникают трещины длиной до нескольких километров, шириной до нескольких метров и глубиной до 10 м, провалы, поглощающие строения и людей. Землетрясения часто стимулируют развитие оползней, обвалов, наводнений, цунами.
Наиболее активно и с большой частотой землетрясения проявляются в областях развития молодой (альпийской) складчатости и опусканий земной коры. Расположение этих зон в виде двух поясов: широтного Альпийско-Индо-Гималайского и кольцевого Тихоокеанского показано на рис. 2.5. В Украине сейсмически опасными зонами являются Карпаты и Крым.

Рис. 2.5. Схема расположения зон сейсмической активности
(широтная Альпийско-Индо-Гималайская и кольцевая Тихоокеанская)
Интенсивность землетрясений определяется по 12-бальной шкале Рихтера, учитывающей характер и внешний эффект землетрясения: максимальное ускорение деформации почвы, степень повреждения и разрушения зданий, реакцию людей и животных и т.п. Опасными для жизни людей и целостности сооружений обычно являются землетрясения силой более 5 баллов.
Интенсивность землетрясений зависит от свойств горных пород, в которых распространяются сейсмические волны, глубины залегания подземных
Раздел 2. Теологическая среда города 49
вод, тектонических нарушений и глубины гипоцентра землетрясения. В рыхлых породах, особенно обводненных, интенсивность землетрясения возрастает. Повышению сейсмичности территории способствует высокий уровень стояния подземных вод, наличие резко очерченных форм рельефа крутых склонов, холмов, оврагов.
Перераспределение масс в геологической среде за счет откачки газа, нефти, подземных вод, создание водохранилищ и отвалов горных пород большого объема также повышают сейсмичность территории. Геологические структуры и тектонические нарушения, расположенные поперек движения сейсмических волн, уменьшают интенсивность землетрясения.
Непосредственной причиной разрушения строительных конструкций при землетрясении является инерционная сила Рс, возникающая в массе сооружений в результате сейсмического толчка. Величина ее определяется выражением: Рс = Кса М, где Кс коэффициент сейсмичности; а сейсмическое ускорение, м/с2; М масса сооружения, т.
Большая часть современных вулканов, так же, как и места проявления землетрясений, приурочена к Тихоокеанскому кольцу и Альпийско-Гималай-скому поясу. В настоящее время на суше насчитывают около 600 действующих вулканов и несколько тысяч потухших. За месяц в среднем от 5 до 15 из них проявляют активность, выделяя горячие газы и лаву. Крупные извержения случаются значительно реже, однако их последствия бывают катастрофическими. Несмотря на опасность, люди селятся на склонах вулканов, привлеченные высоким плодородием почв, которые формируются на вулканическом пепле. Примерами могут служить плотно заселенные склоны вулканов Везувия и Этны, хотя известно, что в 79 году до н.э. пепел, выброшенный Везувием, уничтожил целый город Помпею.
При извержении вулкана выбрасывается огромное количество пепла, который рассеивается в воздухе, а наиболее легкие частицы остаются в верхних слоях атмосферы годами.
В июне 1991 г. за время двухнедельного извержения вулкана Пинатубо, расположенного примерно в 100 км от Манилы, столицы Филиппин, в воздух было выброшено от 2 до 5 км3 эффузивного материала и около 20 млн. т серы. При этом столб пепла и газов поднялся на высоту до 25 км. По результатам моделирования эти объемы выбросов должны способствовать глобальному похолоданию на 0,5 °С. Обстановка в районе вулкана Пинатубо, не проявлявшего активности на протяжении 600 лет, была столь серьезной, что с американской военной базы, расположенной поблизости, были вывезены ядерные боеголовки к ракетам, поскольку возникла опасность разрушения подземных хранилищ. Жертвами этого извержения стали 136 человек. В тот же год извержение вулкана Узен вблизи Нагасаки в Японии унесло жизни 38 человек, хотя и было заранее предсказано.
Довольно распространенным явлением в нефтегазоносных районах является грязевой вулканизм. Грязевулканические постройки могут иметь диаметр от сотни метров до нескольких километров, но не всегда достаточно четко выражены в рельефе. В Украине грязевые вулканы локализуются в Крыму на
50 Экология города
Керченском полуострове, в том числе три из них расположены на территории г.Керчи. Грязевые вулканы начинают действовать, когда пластовое давление в глинистых породах, к которым они обычно приурочены, превысит гидростатическое. Тогда газы, в состав которых входит метан, оксид углерода, азот, сероводород, аргон, выбрасывают из глубины воду, обломки пород, перетертый глинистый материал. Во время извержения 1982 г. один из вулканов в г.Керчи выбросил до 100 тыс. кубических метров так называемой сопочной брекчии, что привело к просадкам земной поверхности и разрывам водоводов. В г.Тамани грязевой вулкан периодически выбрасывает обломки мраморных колонн храма, место строительства которого во времена греческих поселений в Причерноморье, по-видимому, было выбрано неудачно.
Формирование своеобразного селитебного ландшафта с большим количеством выемок, рыхлых техногенных отложений, освоением склонов и заболоченных участков на территории промышленно-городских агломераций привело к резкой активизации экзогенных геологических процессов, приобретающих очень опасный характер. В Украине насчитывают более 320 городов и поселков городского типа, которые нуждаются в защите от тех или иных опасных геологических процессов.
Одним из наиболее распространенных опасных процессов на территории городских агломераций являются оползни. Оползень скользящее смещение масс пород природного склона или искусственного откоса под влиянием силы тяжести.
Тело оползня представляет собой сползающую по склону массу породы, ограниченную снизу поверхностью скольжения. Поверхность тела оползня обычно неровная, с локальными понижениями и одним или несколькими террасовидными уступами. В месте отрыва тела оползня образуется отрицательная форма рельефа, которую называют цирком оползня. В нижней части тела оползня наблюдается возвышение, называемое валом выпора.
Схема строения оползневого склона на правом берегу р.Прут у города Черновцы показана на рис. 2.6.
По форме, объему, типу, скорости движения и другим признакам оползни очень разнообразны. Объем оползней может изменяться от десятков до сотен тысяч кубических метров, скорость движения от миллиметров в неделю до десятков километров в час. Кроме действующих оползней, выделяют замершие, движение которых в течение длительного времени геодезическими методами не фиксируется.
Причиной схождения оползня является нарушение равновесия склона. Факторы, вызывающие образование оползня, можно подразделить на природные и антропогенные.
К природным факторам относят: ослабление прочности пород, слагающих склон, вследствие переувлажнения атмосферными осадками и выветривания, увеличение крутизны склона вследствие подмыва его водой, сейсмические толчки.
К антропогенным факторам относят: переувлажнение пород за счет утечек, подтопления или полива территории, подрезка склонов при прокладке
Раздел 2. Геологическая среда города 51

Условные обозначения:

дорог, трубопроводов или разработке карьеров, дополнительная нагрузка на склон вследствие его застройки, вибрационное воздействие транспортных средств или взрывов.
Рис. 2.6. Схема строения оползневого склона на правом берегу р.Прут близ Черновцов (по Адаменко, Рудько, 1998)
Как правило, на территории городов несколько факторов действуют совместно, что приводит к повышению частоты проявлений оползневых процессов.
Разнообразны примеры оползнеобразовния. В Гонконге оползни были вызваны застройкой и подрезкой склонов. В районах угледобычи в Англии оползнеобразование связано с водонасыщением отвальных пород. В 1980 г. схождение оползня на западе США было вызвано сейсмическими толчками, сопровождавшими извержение вулкана Святой Елены (Сент-Хеленс). На протяжении последних лет активизировались оползневые процессы в Днепропетровске и Черновцах. Впервые развитие оползневого процесса в центральной части Черновцов наблюдалось в конце прошлого века. Детально описал его немецкий геолог Бекке в 1895 г. В дальнейшем катастрофическая активизация оползней в пределах городской территории происходила в 1962, 1963, 1965, 1974, 1979, 1991, 1995 и 1999 годах. Оползень, который произошел в феврале 1995 г., имея площадь 150 м2, захватил жилые дома, инженерные сооружения, складские помещения. Всего было разрушено около 30 жилых домов, серьезный мате-
52 Экология города
риальный ущерб нанесен четырем промышленным предприятиям, под угрозой функционирования оказалась городская больница. Основной причиной оползней в Черновцах является переувлажнение пород склона вследствие неупорядоченности поверхностного стока, нарушения условий дренирования территории и повышения уровня грунтовых вод в результате утечек из водонесущих коммуникаций. Эти факторы действуют на фоне естественной высокой увлажненности территории (количество атмосферных осадков составляет 600700 мм в год).

Условные обозначения:

Рис. 2.7. Схема подтопления правобережной части Днепропетровска (по "Информ. бюл. Мин. геологии", 1997 г.)
В июне 1997 г. катастрофический оползень в Днепропетровске на жилом массиве "Тополь1" привел к разрушению многоэтажного жилого дома, школы, двух детских садов, одноэтажных жилых строений, вывел из строя инженерные коммуникации. Основным фактором оползнеобразования явился подъем уровня грунтовых вод, происходивший на этой территории в последние десятилетия со скоростью 0,51 м в год вследствие утечек из водонесущих коммуникаций и нарушения режима подземных вод при застройке склона речной долины (рис. 2.7).
Раздел 2. Геологическая среда города 53
В 1997 г. питание грунтовых вод вследствие атмосферных осадков составило 801 мм/год при среднемноголетней норме 483 мм/год, а за счет техногенных утечек на участке оползня 800 мм/год. Процессу оползнеобразования способствовало экранирование участка разгрузки грунтовых вод делювием и вибрационная нагрузка от проходящих по балке поездов. Особенностью оползня в Днепропетровске была его "молниеносность". Сползание водонасыщенных лессовых пород, сформировавших оползень, произошло в течение 10 часов.
Широко развиты оползни в приморских городах Украины Керчи, Мариуполе, Одессе, Очакове, Севастополе, где они сочетаются с абразионными процессами.
Оползни часто являются поставщиками материала для грязевых потоков селей. Сели водные потоки, насыщенные твердым материалом. Формируются чаще всего во время ливневых осадков и снеготаяния в холмистых или горных районах при наличии большого количества рыхлого, выветренного материала. Сели обладают значительными скоростями движения и большой разрушительной силой. Область питания селя представляет собой обычно верхнюю часть водосборного бассейна, имеющую крутые склоны. Область транзита путь движения селя по линии наибольшего падения (с углом падения 2540°), где скорость движения селя максимальна. Область разгрузки представляет собой нижнюю часть долины реки или равнину, где сель резко замедляет движение и происходит разгрузка принесенного материала. В зависимости от количественного соотношения в составе селя воды и твердого материала, а в составе твердого глинистых, мелкообломочных частиц и обломков пород их подразделяют на связные, несвязные, грязекаменные и водокаменные. Наибольшая плотность у связных селей (до 1900 кг/м3), наименьшая у водокаменных (около 1100 кг/м3). Широко известны селепроявления в Алматы, расположенном в предгорьях Заилийского Алатау, в Казахстане. Наиболее разрушительным был сель 1921 г. Погибло более 400 человек, разрушено большое количество зданий. Территория города была покрыта двухметровым слоем твердого материала, застывшего наподобие бетона. Общая масса вынесенного селем материала составила свыше 3,5 млн м3.
В Украине активное селепроявление наблюдается в Карпатах в долинах рек Днестр, Прут, Тиса, Черемош, в районах с количеством осадков 1000 1600 мм/год. В Крыму водокаменные сели с периодичностью от 20 до 7 лет наблюдаются в долинах рек Альма, Бельбек, Кача.
Образование селей часто провоцируется наличием техногенных отложений. В Киеве в 1961 г. при строительстве трамвайно-троллейбусного депо в районе Бабьего Яра осуществлялась планировка территории методом гидронамыва песка с возведением серии ограждающих дамб. Утром 13 марта 1961 г., в воскресенье, перенасыщенные водой грунты дамбы превратились в селевый поток, который обрушился на жилой район города Куреневку, где преобладали одноэтажные дома. Катастрофа сопровождалась многочисленными человеческими жертвами.
54 Экология города
Подобная трагедия произошла в октябре 1966 г. в пос. Аберран в Англии на отвалах угольных шахт. Распавшиеся при хранении на мелкие обломки куски сланцев и других отвальных пород превратились в рыхлую массу, которая при насыщении атмосферными осадками пришла в движение. Образовавшийся на отвале поток со скоростью 32 км/час устремился в долину, поглотив школу, ферму и ряд домов. Погибло 144 человека.
На территории городов Украины широко распространено такое явление, как подтопление. Оно установлено в 244 городах и поселках, причем площадь подтопления может достигать 30, а с учетом потенциального подтопления даже 50% территории города, как, например, в Харькове.
К подтопленным городским территориям относят такие, на которых уровень грунтовых вод расположен выше 2,5 м от отметки поверхности земли. На территории зеленых насаждений в соответствии с санитарными нормами допускается повышение уровня грунтовых вод до 1 м от поверхности.
Подтопление в силу большого разнообразия природных условий и состава пород, слагающих территорию городской агломерации, происходит по-разному. В одних случаях может происходить повышение уровня грунтовых вод, в других формирование техногенной верховодки или техногенного водоносного горизонта. Наряду с изменением уровня грунтовых вод происходит изменение их состава. Вследствие обводнения снижается несущая способность пород основания сооружений, разрушаются материалы подземных коммуникаций и конструкций, загрязняются в результате утечек из канализации грунтовые воды. Подтопление провоцирует развитие оползневых процессов, как в Днепропетровске и Черновцах. На подтопленных территориях возрастает влажность почв и изменяется состав их поглощенного комплекса. Устойчивая тенденция такого рода приводит к заболачиванию местности, обводнению подвалов и погребов, смене фито- и зооценозов данной территории. Типичным примером является распространение в домах с затопленными подвалами комаров родов Culex, Anopheles и Aedes.
Основными причинами развития подтопления в городах Украины являются:
изменение условий поверхностного стока, в частности создание водо- хранилищ;
засыпка естественных дрен оврагов, балок, стариц;
недостаточное развитие сети ливневой канализации и плохое ее состо- яние;
развитие сетей водоснабжения без соответствующего строительства си- стемы водоотведения;
утечки из сетей водопровода и канализации и аварии на них;
барражное воздействие дорожных насыпей, свайных полей, коллекто- ров большого диаметра и тоннелей метрополитена.
Затопление, т.е. образование свободной поверхности воды над земной поверхностью, является одним из наиболее распространенных природных
Раздел 2. Геологическая среда города 55
процессов, связанных с выходом рек из берегов. Оно наносит большой материальный ущерб и сопровождается человеческими жертвами. По данным американских исследователей, наводнение на р. Миссисипи в 1973 г. нанесло ущерб в 1 млрд. 200 млн. долларов, а осенний паводок в Аризоне в том же году нанес ущерб в 413 млн. долларов и сопровождался гибелью 13 человек. Затопление в поймах рек зависит от общего количества и распределения атмосферных осадков, инфильтрационных характеристик и рельефа местности. Затопление может происходить в результате быстрого таяния снега и льда, нагонных явлений в устьях рек, подпора речного стока или прорыва дамб.
Затопление на урбанизированных территориях характеризуется уровнем подъема воды и частотой повторяемости. Эти характеристики находятся в прямой зависимости от площади с водонепроницаемым покрытием (застройка, асфальт и т.п.) и от объема ливневого стока.
Практически все города Украины, расположенные в поймах рек, частично подвергаются затоплению, особенно в годы с высокой водообеспеченностью.
Периодические затопления нагонной природы характерны для Санкт-Петербурга, где под действием морского ветра многоводная Нева начинает двигаться вспять, заливая городские улицы и строения.
Для защиты городов от временного и постоянного затопления применяют искусственное повышение уровня поверхности территорий или дамбы обвалования, повышение дренирующей способности водосборных площадей, регулирование ливневого стока на территории городов.
Эрозия почв на территории городов развивается под воздействием сосредоточенного поверхностного стока, а иногда в результате утечек из водонесущих коммуникаций. Наиболее интенсивно эрозия почв происходит при строительных работах вследствие разрыхления и выемки почв и грунтов. Интенсивность эрозии в период строительства в 10 раз выше, чем на землях сельскохозяйственного использования. Содержание взвешенных частиц в водных потоках на территории строительства повышается в десятки раз.
Речная эрозия является результатом воздействия водного потока на русло и заключается в размыве, транспортировке и аккумуляции наносов. Эрозионная работа реки зависит от расхода и скорости потока, петрографического состава пород, в которых река прокладывает русло. Наибольшая интенсивность эрозии наблюдается при больших расходах реки и малой устойчивости к размыву пород, в которых сформировано русло. В результате эрозии возникает угроза сооружениям, расположенным на подмываемых берегах. Отложение наносов в реке приводит к ее обмелению, затрудняет судоходство, усиливает угрозу подтопления прилегающих территорий. Зарегулирование речного стока в пределах городских территорий позволяет снизить негативное влияние этих процессов.
Карстообразованием называют сложный геологический процесс, основным компонентом которого является выщелачивание растворимых горных пород подземными и поверхностными водами с образованием крупных пустот в по-
56 Экология города
родах (воронок, пещер и т.д.), выносом дисперсных частиц из перекрывающих и смежных отложений, а также оседанием и обрушением кровли. Поэтому чаще говорят о комплексе карстово-суффозионных процессов. По форме проявления различают поверхностный (открытый) карст, характерным примером которого служит Крымская Яйла, и подземный (скрытый) карст. Подземный карст образуется в случае, если карстующиеся породы перекрыты толщей нерастворимых, но водопроницаемых пород. Карст может развиваться в карбонатных породах (известняках, доломитах, мело-мергельных толщах), сульфатолитах (гипсах, ангидритах), галолитах (каменной, калийной солях). На интенсивность формирования карста влияет степень трещиноватости пород, глубина залегания подземных вод, что определяет скорость фильтрации и водообмена, а также гидрохимический состав вод. Естественными факторами, способствующими карстообразованию, являются пересеченный рельеф, наличие мощного подземного стока, высокие скорости фильтрации, присутствие в воде свободной углекислоты, трещиноватость пород. На активизацию карстообразования могут оказать влияние техногенные факторы, способствующие обводнению покровных отложений, понижению уровня трещинно-карстовых вод, резкому колебанию уровня подземных вод, например, при откачке подземных вод или при сбросе сточных вод и отходов в карстовые пустоты, а также изменение гидрохимического состава подземных вод.
На территориях городских агломераций развитию карста способствует формирование значительных по размерам депрессионных воронок в районах водозаборов (Краматорск, Луганск, Ровно и др.), а также в районах разработок полезных ископаемых (Залещики, Стебник, Хотин), где наблюдаются оседания и провалы поверхности. Антропогенная активизация сульфатного карста создает угрозу застройке юго-западной части Львова, составляющей до 30% территории города.
В Одессе над подземными пустотами катакомбами, образовавшимися в результате разработок известняка-ракушечника, наблюдаются оседание поверхности земли, провалы, деформация фундаментов.
В зоне добычи полезных ископаемых, где наблюдается нарушение земной поверхности над горными выработками, расположены города Белозерск, Горловка, Донецк, Макеевка и др.
Крупная катастрофа, связанная с процессами карстообразования и подработки, произошла в августе 1964 г. в Трансваале (Южная Африка). Там вблизи золотодобывающего предприятия образовался провал, куда обрушились здания, 29 человек погибло. Причиной его было нарушение устойчивости кровли карстующихся пород при понижении уровня грунтовых вод на 300 м.
Просадки поверхности характерны для зон залегания лессовых пород. На современном этапе развития городов Украины резко увеличилась площадь застройки на лессовых основаниях. Способность этих отложений к проседанию при замачивании обусловливает специфику строительства на этих участках. В Днепропетровской и Запорожской областях почти 80% хозяйственных объектов построено на просадочных лессовых грунтах, из них более чем в 10 тысячах обнаружены существенные деформации.
Раздел 2. Геологическая среда города 57
Просадки лессовых толщ от собственного веса при замачивании достигают в Днепропетровске 0,30,6 м, Никополе 1,01,4 м, Запорожье 1,42,2 м.
Для городов, расположенных на берегах морей, водохранилищ, озер, серьезную проблему представляет переработка берегов и разрушение сооружений в прибрежной полосе. Обрушение берегов происходит в результате волнового воздействия.
Ветровые волны появляются вследствие сил трения между воздушным потоком и поверхностью воды. По Ф. Шепарду, высота Н, м, и длина L, м, морской волны зависят от скорости ветра W, м/с, его продолжительности D, с, и длины разгона F, м, т.е. размеров водоема: Н, L = f(W, D, F).
Сила удара волны достигает, по подсчетам В. Зенковича, 0,060,07 МПа для внутренних морей и 0,300,60 МПа для океанов.
Приливные волны имеют небольшую энергию размыва, но высота прилива достигает в некоторых местах 10 м и более и может представлять значительную угрозу для сооружений.
Процессы на границе суши и моря подразделяют на две группы: абразионные и аккумулятивные.
Абразия процесс разрушения горных пород волнами и течениями в береговой зоне моря, озера или водохранилища. В результате выноса абразионного материала образуются высокие и крутые абразионные берега (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Влияние крутизны берега и условий залегания слагающих его пород
на скорость абразии:
а) накат волны на пологий берег (Н высота волны); б) крутой берег с горизонтальным залеганием пластов; в) то же, падение пластов в сторону моря; г) то же, падение пластов в сторону берега 1 глинистые породы; 2 песчаники; 3 известняки
58 Экология города
Интенсивность абразии обусловлена контуром береговой линии, петрографическим составом пород, слагающих берег, условием их залегания, разрушительной силой волны, углом наклона шельфа. В некоторых местах серьезную роль в абразионных процессах играет антропогенный фактор.
Берега, сложенные известняками, конгломератами, являются относительно устойчивыми к абразии, особенно при падении пластов в сторону моря.
Береговые глинистые отложения не только размываются, но и сползают вниз при переувлажнении. Сочетание абразии и оползнеобразования характерно для района Одессы. Абразионные формы рельефа развиваются также на незакрепленных участках побережья Днепровского каскада водохранилищ.
На пологих берегах по мере приближения к надводной части берега волна деформируется, распластывается, в результате чего теряет энергию, а сила удара уменьшается. Откат волны происходит медленно, масса воды тормозит следующую волну. В этих условиях аккумуляция наносов преобладает над абразионными процессами. При направлении движения волн или течения перпендикулярно к линии берега образуются береговые валы. При движении волн под углом к берегу образуются бары, подводные валы, косы и пересыпи, отделяющие от моря лагуны или лиманы. Перемещение наносов вдоль берега может идти со скоростью 100700 м/сут. Строительство в полосе пляжа или срезка части его при строительных работах может привести к нарушению динамического равновесия "море берег", увеличению размыва берега в одних местах и накоплению наносов в других.
2.5. Защита городских территорий от опасных геологических процессов
Для городов и вновь застраиваемых территорий прогнозы развития опасных геологических процессов разрабатываются на основе геологической модели среды, которая включает комплект карт и разрезов разной специфики: геологических, геоморфологических, гидрогеологических, инженерно-геологических. Прогноз реализуется в схеме или плане мероприятий по защите территорий от опасных геологических процессов.
В последние годы для сбора, анализа и представления информации, относящейся к геологической среде, используют компьютерные технологии, объединенные в географическую информационную систему (ГИС). Использование этой системы позволяет на базе имеющихся данных быстро получать новый информационный продукт, в том числе прогнозные карты. При рассмотрении альтернативных вариантов защиты, кроме экологических аспектов, учитывают технические и экономические возможности реализации намеченных мероприятий.
При выборе места строительства будущего сооружения в сейсмическом районе необходимо учитывать инженерно-геологические факторы, влияющие на возможное усиление собственных колебаний здания породами ос-
Раздел 2. Геологическая среда города 59
нования. Для повышения прочности и устойчивости сооружений и оснований применяют конструктивные меры (жесткие каркасы, анкеры и т.п.) и укрепительные мероприятия (улучшение свойств пород оснований). Строительство в районах сейсмичностью более 9 баллов не допускается.
При защите от распространенных на территории нашей страны оползневых процессов, а также обвалов обрывистых склонов используют мероприятия по активной и пассивной защите. Активная защита включает как инженерные, так и управленческие решения. К инженерным мероприятиям относят:
изменение рельефа склона в целях повышения его устойчивости;
регулирование стока поверхностных вод с помощью системы поверхно- стного водоотвода, предотвращение инфильтрации воды в почву и под- стилающие породы, противоэрозионные меры;
искусственное понижение уровня подземных вод;
агролесомелиорация;
закрепление рыхлых и трещиноватых пород, слагающих склоны;
строительство удерживающих откос сооружений.
К управленческим мероприятиям относят установление охранных зон, ограничение или запрещение движения транспорта и другие подобные решения.
Мероприятия по пассивной защите дополняют группу активных мер или используются при их нецелесообразности. К пассивным мероприятиям можно отнести приспособление сооружений к обтеканию их оползнем, устройство улавливающих сооружений.
В целях защиты от эрозии почвенного покрова городской территории выполняются мероприятия по организованному отводу и регулированию выпуска поверхностного стока, что обеспечивается развитием ливневой канализации. На свободных участках производится посев трав и посадка древесно-кустарниковой растительности.
Как уже отмечалось, суффозионные процессы создают в несвязных осадочных породах ослабленные зоны, которые способствуют нарушению устойчивости склонов, развитию карстовых процессов, увеличению водопритоков в горные выработки. Предупреждение фильтрационных деформаций в несвязных осадочных породах основывается на снижении градиентов напора, удлинении пути фильтрации, уменьшении фильтрационного диаметра пор и предусматривает проведение следующих инженерных мероприятий: устройство пригрузки водонепроницаемыми породами в местах выхода на поверхность восходящего фильтрационного потока; дренажей для понижения уровня грунтовых вод; обратных фильтров между слоями крупно- и мелкозернистого материала; фильтрационных завес для удлинения пути фильтрации.
Противокарстовые мероприятия разрабатывают для территорий, в строении которых участвуют растворимые горные породы и имеются карстовые проявления на поверхности или в глубине массива этих пород. Основные
60 Экология города
противокарстовые мероприятия зависят от особенностей карстующихся пород, их залегания, специфики защищаемых сооружений и могут включать следующие инженерные решения: заполнение карстовых полостей; создание искусственного водоупора и противофильтрационных завес; водопонижение и регулирование режима подземных вод; организацию отвода поверхностного стока; устройство оснований зданий и сооружений ниже зоны опасных карстовых проявлений.
Городское строительство в степной и лесостепной зоне, где широко развиты лессовидные толщи, должно проводиться с использование мер, предупреждающих просадочные явления: предохранение лессовидных пород от замачивания путем отвода дождевых и талых вод, гидроизоляции для предупреждения инфильтрации; устранение просадочных свойств лессовидных пород на застраиваемом массиве путем мелиорации пород; предварительное замачивание с доуплотнением лессовых пород; прорезка глубокими фундаментами лессовых пород при строительстве зданий.
Противоселевая защита территорий включает комплекс технических сооружений и инженерно-технических мероприятий. В состав селезадерживающих и селенаправляющих сооружений входят: плотины, каналы, селеспуски, мосты. Для ослабления динамических характеристик селевого потока и прекращения его движения используют каскады запруд, дренажные устройства, террасирование склонов и их агролесомелиорацию. Для предотвращения селей сооружают плотины, регулирующие паводок, водосбросы на озерных перемычках, а также дамбы для перехвата селевого потока. Служба наблюдения и оповещения призвана оперативно информировать население городов, которым угрожают селевые потоки, о прогнозе их образования.
Для территорий, которым угрожает подтопление, проводят инженерную подготовку, обеспечивающую разгрузку подземных вод путем соответствующей организации рельефа; устраивают водостоки; используют локальные средства инженерной защиты дренажи разной конструкции, противобарражные меры и т.п.; ликвидируют утечки из водонесущих коммуникаций и емкостей.
На подтопленных территориях проводится дренирование иногда в сочетании с повышением отметок территории путем создания искусственного насыпного или намывного рельефа.
Меры борьбы с меандрированием рек сводятся к спрямлению и углублению русл, а также к укреплению берегов. Спрямление и углубление русл рек способствует возрастанию транспортирующей силы речного потока, увеличению его скорости. При выходе потока из спрямленного участка возможно отложение транспортируемых наносов.
Для укрепления берегов строятся струенаправляющие и защитные сооружения. На вогнутых берегах это обычно продольные дамбы, бетонные берегоуглубительные сооружения, набережные. На выпуклых участках при отсутствии набережных создаются сооружения, задерживающие наносы и способствующие наращиванию размытого берега. С техническими методами берегоукрепления комбинируют биологические в виде лесонасаждений вдоль берегов, высева трав на откосах дамб и берегов.
Раздел 2. Геологическая среда города 61
При защите берегов от разрушения в приморских городах создаются активные береговые сооружения, которые, используя энергию потока по намыву наносов, способствуют сохранению и расширению пляжной зоны. К таким сооружениям относят галечниковые и песчаные пляжи в сочетании с бунами и подводными волнорезами, гасящими энергию волны. Вдольбереговые волногасящие сооружения применяют также в сочетании с использованием широкой железобетонной плиты, представляющей искусственный пляж. Такая защита прибрежной зоны использована на побережье Черного моря в Алуште.
К пассивным сооружениям, препятствующим размыву берегов благодаря прочности своих элементов, относятся волноприбойные стенки, набережные, насыпи из массивных фигурных блоков. Эти сооружения, несмотря на прочность, все же разрушаются и потому должны использоваться в сочетании с конструкциями активного типа.
При недостаточной прочности или повышенной деформативности горных пород, на которых или в которых строят сооружение, проводят улучшение их свойств, называемое технической мелиорацией фунтов. При разработке и выборе средств мелиорации исходят из специфики разных типов горных пород, обусловленной характером внутренних связей между частицами. Для скальных, полускальных, рыхлых несвязных пород и пород с водно-коллоидными связями применяют различные способы технической мелиорации, подразделяющиеся на физико-механические, физико-химические и химические.
Механические методы состоят в уплотнении пород с целью уменьшения их пористости и изменения структурно-текстурных особенностей. Уплотнение осуществляется укаткой, трамбованием, грунтонабивными сваями, вибрацией, с помощью направленного взрыва.
Физические методы используют для упрочнения дисперсных пород с помощью обжига или замораживания. Термическое упрочнение получило распространение при ликвидации аварийных просадок сооружений на лессовых породах. Замораживание широко применяют при проходке трасс метрополитена и тоннелей различного назначения, для упрочения обводненных пород плывунного типа и для закрепления песчаных, глинистых, лессовых пород.
Физико-химические методы направлены на изменение структуры пород, увеличение их водоотдачи, изменение обменных характеристик пород и почв, образование в них новых соединений. К группе этих методов относится электрохимическое закрепление пород путем пропускания постоянного электрического тока, иногда с введением растворов химических веществ, способствующих образованию новых структурных связей, гидрофобизация пород, глинизация, осолонцевание и т.п. Эти методы применяют в основном для обработки глинистых пород.
Химические методы предусматривают использование различных веществ для поверхностного и глубинного упрочнения пород. Поверхностное упрочнение состоит в создании покрытий, гидроизоляции, укреплении поверхностей подземных сооружений. Глубинное упрочнение обеспечивается нагнетанием в толщу пород цементных растворов, жидкого стекла, смол, битумов.
62 Экология города
Контрольные вопросы
Как изменяется рельеф территории в процессе ее урбанизации и как это влияет на геологические процессы ?
Какие геологические процессы относятся к опасным ?
Какие меры предусматриваются для сохранения плодородного слоя почвы на урбани- зированных территориях?
Как оценивают степень загрязнения почв городских территорий и уровень опасности его для населения?
Существуют ли ограничения по использованию иловых осадков для удобрения почв ?
На какие группы подразделяют горные породы в соответствии с их инженерно- геологической классификацией ?
Что такое тиксотропность и для каких пород она характерна?
Какие методы используются для улучшения свойств пород в качестве основания зданий и сооружений?
Каким образом влияют залегающие в основании территории породы на дозу радиоак- тивного облучения населения?

С какими факторами связано подтопление?
Какие инженерные мероприятия направлены на предупреждение карстово-суффози- онных процессов?
Как предупредить подтопление территории города ? Какие меры позволяют снизить уровень подземных вод на подтопленных территориях?
Рекомендуемая литература
Адаменко О., Рудько Г. Екологічна геологія. Підручник для студентів вищих навч. закл. К.: Манускрипт, 1998. 370 с
Василенко В.М. и др. Атмосферные нагрузки загрязняющих веществ на территории СССР. М.: Гидрометеоиздат, 1991. 137 с.
Говард А., Ремсон И. Геология и охрана окружающей среды. Пер. с англ. Л.: Недра, 1982. - 583 с.
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения проектирования. СНиП 2.01.15-90. Госстрой СССР. - М.: АПП ЦИТЛ, 1991. - 32 с.
Кофф Г.Л. и др. Методические основы оценки техногенных изменений геологической среды городов. М.: Наука, 1990. 197 с.
Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях/ Справочное пособие к СНиП 2.06.15-85. М.: Стройиздат, 1991. - 277 с.
Радиация: дозы, эффекты, риск. М.: Мир, 1990. 78 с.
Сает Ю.Е. и др. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
Чорний І.Б. Географія грунтів з основами ґрунтознавства. К.: Вища шк., 1995. 240 с Экологическая геология Украины: справочное пособие. К.: Наук. думка, 1993. 407 с.
Раздел 3
ВОДНАЯ СРЕДА ГОРОДА
Городские поселения издавна возникали по берегам рек и озер, которые служили источником водоснабжения, а зачастую удобным транспортным путем. Одновременно реки использовались для удаления жидких и твердых отходов жизнедеятельности людей и домашнего скота, что приводило к их загрязнению, ограничивая расположенные ниже по течению населенные пункты возможности пользоваться ими для питьевого водоснабжения. Реки становились разносчиками возбудителей инфекционных заболеваний, таких как холера, дизентерия, брюшной тиф и др. Понадобилось не одно тысячелетие, пока люди научились предотвращать загрязнение водных объектов, очищать и обеззараживать сточные воды.
С ростом благоустройства городов расположенные в городской черте водоемы и водотоки приобретают все более важное архитектурно-планировочное, рекреационное и эстетическое значение. Благодаря комфортному микроклимату и привлекательной эстетике городские набережные являются наиболее престижным районом расселения, любимым местом прогулок горожан. Чистота водных объектов, архитектурное обустройство, озеленение берегов и прибрежной части является важной заботой городских властей.
3.1. Водные объекты городов
К водным объектам, расположенным в городской черте, относятся водотоки, водоемы, моря, подземные воды. Водотоки подразделяются на реки, каналы, ручьи; водоемы на озера, водохранилища, пруды. Моря подразделяются на открытые и внутренние. Устьевая область реки, впадающей в море безрукавным руслом, называется эстуарием, или лиманом.
Подземные воды подразделяются на водоносные горизонты и комплексы, образуя в пространстве бассейны и месторождения. Подземные воды, изливающиеся на поверхность, называются родниками (источниками).
Водотоки. Реки подразделяются на малые, средние и большие. Примерные классификационные признаки рек приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Классификация городских рек по размеру

Категория реки
Общая площадь водосбора, км2
Расход воды*,
м3/с
Скорость течения*, м/с
Колебания уровня*,м

Малая Средняя Большая
до 2000
2000 50 000 свыше 50 000
до 5
5 100 свыше 100
до 0,2 0,2 1 свыше 1
до 1
1 2 свыше 2

* В непаводковый период.
64
Экология города
В период паводков расходы воды, скорость течения и колебания уровня существенно увеличиваются, особенно в горных районах.
Городские каналы искусственные водотоки, прокладываемые для судоходства, переброски стока рек или для предотвращения наводнений при сгонно-нагонных явлениях. Русло канала устраивается из железобетона, реже из каменной кладки, в отдельных местах канал забирается в трубу.
Ручьи небольшие водотоки, берущие начало от родников.
Водоемы по размеру подразделяются на 4 категории. Примерные классификационные признаки водоемов приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Классификация водоемов по морфометрическим параметрам

Категория
водоема
Площадь
поверхности, км2
Объем,
км3
Максимальная
глубина, м

Малый
до 10
до 0,5
до 5

Средний
10 100
0,5 1
5 10

Большой
100 1000
1 10
10 50

Очень большой
свыше 1000
свыше 10
свыше 50

При расчетах, связанных с прогнозированием водности и качества воды водоемов, используется информация о колебаниях уровня воды и величине водообмена. Колебания уровня воды и водообмен озер являются результирующей величиной притока впадающих в озеро водотоков, испарения и расходов водотоков, вытекающих из озера, с учетом расходов воды, забираемой для водоснабжения и орошения. Колебания уровня воды и водообмен в водохранилищах оценивают величиной притока в верхний бьеф и сбросным расходом в нижний бьеф с учетом отбора воды для хозяйственных целей. При расчетах учитывают также величину испарения с поверхности водоема и вероятную фильтрацию воды в подземные горизонты. Величину колебаний уровня воды озер и водохранилищ определяют по разности между наибольшими и наименьшими уровнями, наблюдающимися за многолетний период. Колебания уровня поверхности водоема до 3 м относятся к малым, от 3 до 20 м к средним, свыше 20 м к большим колебаниям уровня. Интенсивной считается кратность водообмена за год, равная 5, умеренной от 5 до 0,1, замедленной до 0,1.
Моря Украины классифицируются следующим образом: Черное море относится к открытому типу, Азовское к внутреннему.
Эстуарии классифицируются по преобладающему гидрологическому режиму: стоковые, приливно-отливные, сгонно-нагонные, и по колебаниям уровня: до 0,5 м малые, от 0,5 до 1 м средние, свыше 1м большие.
Примерные классификационные признаки подземных вод приведены в табл. 3.3 и 3.4.
Раздел 3. Водная среда города
65
Таблица 3.3. Классификация подземных вод по водности

Категория месторождения подземных вод
Площадь бассейна, м2
Мощность водоносного горизонта, м
Подземный сток,
м3/с

Большое Среднее Малое
свыше 1000
от 1000 до 100 до 100
свыше 100
от 100 до 10 до 10
свыше 100
от 10 до 100 до 10

Таблица 3.4. Классификация подземных вод по характеру водообмена
и защищенности

Глубина залегания уровня воды от дневной поверхности, м
Характер залегания вод
Характер циркуляции вод
Гидравлическая связь водоносных горизонтов
Характер водообмена
Защищенность подземных вод водоносных горизонтов

до 50
открытый
трещиновато-карстовый
явная
активный
слабая

от 50 до 300
наличие "гидрологических окон"
трещиноватый
неявная
замедленный
средняя

свыше 300
изолированный
поровый
отсутствует
весьма замедленный
надежная

Водные объекты в пределах городской черты, как уже отмечалось, служат градообразующим фактором. Вдоль них и вокруг формируются жилые кварталы, строится ориентация улиц и проездов. Городские водоемы и водотоки имеют эстетическое значение и используются для рекреации. На судоходных реках и каналах, в приморских городах в пределах городской черты располагаются порты.
Месторождения подземных вод, расположенные как в пригородной зоне, так и в пределах городской территории, пригодные по качеству и защищенности для питьевых целей, используются для централизованного водоснабжения города. Самоизливающиеся источники подземных вод родники используются населением для нецентрализованного водоснабжения. Они оборудуются в соответствии с санитарно-гигиеническими и эстетическими требованиями.
3.1.1. Родники в городской черте
В природных условиях выходы подземных вод на дневную поверхность проявляются в виде нисходящих источников, приуроченных обычно к склонам горных возвышенностей и долин оврагов, балок, рек и питающихся за счет безнапорных вод и восходящих источников, образующихся за счет напорных вод, прием которых осуществляется в соответствии с их движением снизу вверх, через дно каптажного устройства.
66 Экология города
Подавляющее число родников относится к нисходящим. Формирование изливающихся вод происходит в верхней части зоны активного водообмена, ограниченной снизу глубиной вреза эрозионной сети. Зоной питания подземных вод, формирующих родники, являются водораздельные участки, а зоной разгрузки долины местных рек и балок. Таким образом, для родников, расположенных в городской черте, зоны питания расположены также в пределах города.
Родниковые, или ключевые, воды по своему качеству соответствуют воде того пласта, из которого они изливаются.
Поверхность и освоенное подземное пространство городов оказывают крайне неблагоприятное воздействие на качество фунтовых вод. Восходящие напорные источники являются более защищенными от загрязнения и им следует отдавать предпочтение при использовании населением.
По расходу воды источники бывают: малые с расходом менее 1 л/с, средние 1 10 л/с и крупные более 10 л/с. Наибольший интерес представляют родники со значительным расходом. Они обычно располагаются в трещинах скальных пород и зонах их дробления. К этому типу не относятся карстовые родники, имеющие иногда вид подземной реки, а также гейзеры. Средние и крупные родники, вода которых соответствует питьевому качеству, могут быть использованы как источники водоснабжения. Однако, используя родник для постоянного водоснабжения какого-либо объекта, необходимо иметь гарантию длительности функционирования и достаточности расхода для покрытия всех нужд объекта в воде.
Родники города местные жители широко используют как источник питьевой воды. Они могут быть также альтернативным источником питьевого водоснабжения в период чрезвычайных ситуаций. Однако, из-за прогрессирующего негативного воздействия городской среды на качество подземных вод, лишь отдельные источники после тщательных гидрогеохимических, микробиологических и радиологических исследований могут быть рекомендованы для использования населением. В связи с существующим традиционным положительным отношением к родникам очень важно своевременно информировать население о качестве воды конкретных источников.
Для источников, расположенных в городской черте, в которых сохранилось природное качество воды, необходимо предусматривать специальные охранные мероприятия: оборудование каптажей и организацию зон санитарной охраны. Такие зоны предназначены для предотвращения загрязнения подземных вод в месте их выхода. Они состоят из трех поясов. Так как родниковые воды по степени естественной защищенности могут быть приравнены к грунтовым водам, то первый пояс зона строгого режима должен иметь радиус не менее 50 м. Размеры и конфигурация второго пояса зоны ограничений, предназначенной для защиты от бактериального загрязнения, определяются расчетом. Размеры пояса в зависимости от фильтрационных свойств водонесущих и перекрывающих пород, а также от дебита источника могут варьироваться от десятков до нескольких сотен метров. Третий пояс, относящийся также к зоне ограничений и предназначенный для защиты от
Раздел 3. Водная среда города 67
химического загрязнения, тоже определяется расчетным путем. Размеры его зависят от срока эксплуатации и при достаточно длительном сроке достигают границ зоны питания водоносного горизонта.
Каптаж источников представляет собой сооружение для захвата подземных вод и удобства пользования. Конструкция каптажных сооружений выбирается в зависимости от гидрогеологических условий выхода подземных вод на поверхность земли, морфологии места выхода источника, мощности отложений, покрывающих водоносный пласт, и расхода источника. Примеры конструкций железобетонной и глиняно-каменной камер для каптажей родников приводятся на рис. 3.1 и 3.2.

Рис. 3.1. Железобетонная каптажная камера:
1 расходная труба; 2 переливная труба; 3 кольца; 4 вентиляционная труба; 5 растительный слой; 6 глиняно-щебеночная отмостка; 7 плотно утрамбованный глинистый грунт; 8 железобетонная плита днища; 9 фильтр из гравия и гальки; 10 засыпка песком; 11 водоприемные отверстия; 12 водоупорный пласт или нижняя граница каптируемой части водоносного пласта; 13 водоносный пласт; 14 нагорная канава

Рис. 3.2. Глиняно-каменная каптажная камера:
1 вентиляционная труба; 2 утрамбованный глинистый грунт; 3 крепление растительным грунтом; 4 каменная наброска; 5 переливная труба; 6 латунная сетка; 7 расходная труба; 8 гравийный защитный слой; 9 насыпной грунт; 10 нагорная канава; 11 водоупорный пласт
68 Экология города
Рекомендуется вести постоянный контроль состава вод родников города. В случае необходимости возможна очистка воды родников от появившихся нежелательных примесей непосредственно в месте водоразбора.
Территория в районе источника и подходы к нему должны быть благоустроены.
3.2. Использование водных объектов города
Расположенные в городской черте водотоки и водоемы используются главным образом для рекреации купания, отдыха на берегу, катания на весельных и моторных лодках, ловли рыбы. Судоходные водные объекты для прохождения и стоянки в портах судов и других плавсредств. Места рекреации, а также правила поведения на воде устанавливаются местной администрацией. Качество воды в районе пляжей должно соответствовать нормам и требованиям коммунально-бытового водопользования. Контроль качества воды водных объектов, используемых для рекреации, осуществляет местная санэпидемслужба.
Специальные правила устанавливаются местной администрацией для пользования маломерным моторным флотом. Они направлены на защиту здоровья отдыхающих и охрану вод от загрязнения.
На судоходных реках, озерах и водохранилищах условия прохождения и стоянки судов, а также других плавучих средств, включая меры по охране вод от загрязнения и засорения, определены законодательством.
Сброс сточных вод в водные объекты в пределах городской черты, согласно законодательству, запрещен. Имеющиеся в отдельных городах такие сбросы сегодня постепенно ликвидируются. Сточные воды отводятся на общегородские очистные сооружения, сброс из которых в реку расположен за пределами города. В случае сброса сточных вод в городские реки состав сбросных вод в месте выпуска должен соответствовать качеству воды водных объектов коммунально-бытового водопользования.
3.2.1. Централизованное водоснабжение
Забор воды из поверхностных водных объектов в пределах городской черты осуществляется, как правило, для технического водоснабжения, поливки городских территорий и пожаротушения.
Для централизованного водоснабжения городов используют водные объекты, отвечающие нормам и требованиям к источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения и находящиеся на экологически благополучных территориях. Так, например, водозабор Киевского водопровода находится на р.Десне за 12 км от Киева, Харьков забирает питьевую воду из р.Северский Донец у пос.Кочеток, удаленного от города на 24 км, питьевой водозабор Днепропетровска расположен в пос.Аулы за 8 км от города.
Раздел 3. Водная среда города 69
В пределах городской черты забор воды для питьевых целей из поверхностных водных объектов производится в исключительных случаях. Это могут быть искусственные водные объекты каналы или водохранилища, специально предназначенные для питьевого водоснабжения, в которых другие виды водопользования запрещены. Вокруг них оборудуется зона санитарной охраны.
Зона санитарной охраны оборудуется в целях обеспечения надежной санитарно-эпидемиологической обстановки. Зона состоит из трех поясов: первого строгого режима, второго и третьего режимов ограничения. Границы I пояса для водотока: вверх по течению не менее 200 м от водозабора, вниз не менее 100 м, по берегу не менее 100 м от уреза воды, к противоположному берегу не менее 100 м по акватории, а при ширине реки менее 100 м вся акватория и 50 м от уреза воды вглубь противоположного берега; для водоема в радиусе 100 м от водозабора по акватории и берегу. Границы II пояса определяются: вверх по течению водотока временем протекания воды не менее 3 суток до водозабора; вниз не менее 250 м; боковые границы от 500 м до 1000 м в зависимости от рельефа; для водоема в радиусе не менее 3 км от водозабора, а по берегу так же, как и для водотока. Границы III пояса по акватории совпадают с границами II пояса, а по берегу составляют 35 км от уреза воды. Территория I пояса должна быть огорожена, спланирована и озеленена. На акватории устанавливаются предупредительные буи. Территория охраняется, доступ посторонних лиц запрещен. В пределах I пояса могут находиться только здания и сооружения, связанные с эксплуатацией водопровода. В пределах II и III поясов принимаются меры по предупреждению загрязнения источника водоснабжения.
Зоны санитарной охраны водозаборов подземных вод описаны в разд. 3.13.
Контроль качества воды источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения осуществляется ежедневно местной санэпидемслужбой и предприятием, эксплуатирующим водозаборные сооружения.
Питьевые водозаборы из подземных водоносных горизонтов обычно располагаются в пределах городской территории. Вокруг них образуется зона санитарной охраны. Подземные воды используются как для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, так и для децентрализованного.
Одна из важнейших частей жизнеобеспечения городов централизованное водоснабжение сталкивается в последние десятилетия с большими трудностями. Дефицит водных ресурсов нужного качества приводит к необходимости транспортировать воду на сотни километров. Изношенность и санитарное состояние водоводов и разводящих сетей во многих городах Украины достигли критического уровня.
Существенным недостатком централизованного водоснабжения является применение хлора для обеззараживания воды, что приводит к образованию и воздействию на население токсичных хлорорганических соединений. Хлорирование воды эффективно только по отношению к холерному вибриону, возбудителям брюшного тифа и дизентерии. Относительно устойчивыми к хлорированию остаются возбудители паратифа и микрококки, споровые
70 Экология города
формы, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка и др. Применение других методов обеззараживания воды сдерживается в связи с их более высокой стоимостью.
Централизованное водоснабжение населения городов находится в зависимости от работы систем водоотведения. Аварии на очистных сооружениях, происходившие в 80-х и 90-х годах в Днепропетровске, Изюме, Первомайске Луганской области, Мариуполе, Харькове приводили к вынужденному прекращению подачи воды в городские водопроводы на продолжительное время.
3.2.2. Децентрализованное водоснабжение
Потребность человека в питьевой воде не превышает 10 л/сут., что составляет менее 5% от общего объема воды, приходящегося на одного городского жителя при централизованном водоснабжении. Качественная питьевая вода в таком количестве может быть предоставлена горожанам из подземных источников, в первую очередь кондиционных питьевых подземных вод из глубоких, надежно изолированных горизонтов. Могут рассматриваться следующие варианты децентрализованного водоснабжения: бутилирование и пакетирование экологически чистой воды, развоз специальными автомашинами и отпуск воды в тару потребителя, организация водоразборных пунктов и бюветов в жилых кварталах. Опыт использования подземных вод для децентрализованного водоснабжения накоплен в Бердянске, Киеве, Харькове и некоторых других городах Украины. Также могут использоваться поверхностные воды, прошедшие очистку. Так, в Одессе и других южных городах Украины через торговую сеть поступает очищенная на фильтрах речная вода, забираемая населением в свою тару. В Киеве после Чернобыльской катастрофы в срочном порядке было организовано децентрализованное питьевое водоснабжение из сети артезианских скважин с отбором воды населением через колонки. В Бердянске водоразборные пункты оборудованы на магистральном водоводе, подающем кондиционную питьевую воду к головным сооружениям централизованной системы водоснабжения. Разбор воды осуществляется бесплатно (Бердянск, Киев) или за сравнительно небольшую плату от 3 до 15 коп. за литр (Одесса, Харьков). Стоимость бутилированной и пакетированной воды значительно выше до 1 грн. за литр и выше.
Особый интерес представляет способ децентрализованного водоснабжения из бюветов на базе специальных артезианских скважин, размещенных непосредственно в жилых кварталах городов. Возможность такого способа питьевого водоснабжения существует в городах, тяготеющих к Днепровско-Донецкому, Волыно-Подольскому и частично Причерноморскому артезианским бассейнам. Здесь имеются большие запасы кондиционных питьевых вод, защищенных от техногенного воздействия.
Скважинные водозаборы оборудуются погружными насосами и накопительными резервуарами. Устраиваются зоны санитарной охраны и удобные для населения подходы. Водоразборные пункты должны находиться за пределами зоны строгого режима. В расчете на неизбежные потери воды оборудуются системы водоотвода в ливневую систему.
Раздел 3. Водная среда города 71
При наличии в подземных водах сверхнормативных концентраций железа или фтора следует оборудовать скважины обезжелезивающей или обесфторивающей установкой.
В целях повышения надежности работы локальных водозаборов необходимо предусмотреть запасные системы автономного энергообеспечения дизельные электростанции, а также запасные накопительные емкости.
Экономические расчеты показывают, что в условиях плотной жилой застройки даже при глубине водозаборной скважины 800 м затраты на строительство бювета при отпускной цене на воду 5 коп. за литр окупятся за 22,5 года, а прибыль при последующей эксплуатации одного бювета будет превышать 350 тыс. грн. в год.
Технология децентрализованного питьевого водоснабжения имеет следующие преимущества:
появляется независимая, надежно защищенная система питьевого водо- снабжения на случай аварий и других чрезвычайных ситуаций;
повышается надежность системы питьевого обеспечения, так как при выходе из строя одного источника население может пользоваться сосед- ними;
экономно расходуется артезианская вода высокого питьевого качества, запасы которой ограничены.
для питьевых целей используется вода, требующая меньших, по сравне- нию с поверхностными водоисточниками, затрат на ее подготовку;
питьевая вода, разбираемая населением в бюветах, на порядок дешевле бутилированной.
Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные варианты децентрализованного водоснабжения являются лишь дополнением к централизованным системам водоснабжения городов и предлагают альтернативный источник качественной питьевой воды, что повышает устойчивость системы жизнеобеспечения в кризисных ситуациях.
3.2.3. Рациональное использование водных ресурсов
Хотя водные ресурсы относятся к категории возобновляемых, их интенсивное использование в отдельных районах и на некоторых производствах нередко неоправданно завышено, что приводит к возникновению их дефицита и, как следствие, тормозит экономическое и социальное развитие данной территории. Практически во всех видах водопотребления имеются существенные резервы экономии водных ресурсов. Особенно велики они в промышленности. Для большинства промышленных производств требования к качеству используемой воды значительно менее жесткие, чем к составу вод, подлежащих сбросу в водный объект или в городскую систему водоотведения. Поэтому производственные сточные воды гораздо выгоднее направлять на повторное использование в системах оборотного и последовательного водо-
72 Экология города

Рис. 3.3. Градирня башенного типа:
1 нагретая вода; 2 подача воздуха; 3 охлажденная вода
снабжения, чем подвергать очистке, удовлетворяющей условиям сброса. В системах оборотного водоснабжения вода, использованная в технологическом процессе, после соответствующей обработки многократно используется для производственных нужд. В системах последовательного водоснабжения вода, использованная в одном технологическом процессе, после обработки или без таковой направляется для использования в другом технологическом процессе или на другом производстве. Обработка воды обеспечивает поддержание ее свойств в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса, что достигается охлаждением или очисткой от излишнего содержания взвешенных веществ или плавающих примесей, повышенной минерализации и т.д. Наибольшее распространение оборотные системы водоснабжения получили в теплообменных циклах, где технологическая вода используется для отведения излишнего тепла от работающих агрегатов, после чего сама подается на охлаждение. Охлаждение воды происходит в градирнях (рис. 3.3) или в брызгальных бассейнах (рис. 3.4). В процессе охлаждения 23% воды испаряется или разбрызгивается. Кроме того, из-за негерметичности теплообменной или водопроводной сети имеют место утечки воды. Поэтому оборотные системы должны постоянно пополняться свежей водой. За счет испарения в оборотном цикле возрастают минерализация и жесткость воды, что приводит к отложению солей (карбонатов кальция и магния) на стенках теплообменной аппаратуры и водопроводных труб. Для снижения минерализации и жесткости воды в оборотной системе часть технологической воды (810%) периодически заменяют свежей. Этот процесс называется продувочным циклом. Для повторного использования технологической воды, которая имела контакт с сырьем или готовой продукцией, ее подвергают очистке в соответствии с требованиями технологического процесса. Оборотное водоснабжение позволяет в десятки раз уменьшить потребление свежей воды. Так, например, в производстве синтетического каучука при прямоточной системе водоснабжения на каждую тонну продукции расходуется 2100 м3 воды, при оборотной системе добавка свежей воды составляет 165 м3 на 1 т каучука.
Раздел 3. Водная среда города 73

Рис. 3.4. Брызгальный бассейн:
1 бассейн с охлажденной водой; 2 водозабор; 3 здание насосной; 4 насос; 5 запасной бак; 6 конденсатор; 7 трубопровод нагретой воды; 8 фонтаны
Эффективность использования воды в производстве оценивается:

коэффициентом использования воды 13 EMBED Equation.3 1415
коэффициентом водооборота 13 EMBED Equation.3 1415


безвозвратными потерями воды 13 EMBED Equation.3 1415

где Q расход свежей воды, забираемой из источника водоснабжения, м3/сут.; Qc расход сбросной воды, м3/сут.; Qo6 расход оборотной системы водоснабжения, м3/сут.
Во многих технологических процессах и производствах созданы замкнутые системы водоснабжения, исключающие сброс сточных вод. В состав замкнутых систем водоснабжения входят сооружения для очистки технологической воды, обеспечивающие поддержание ее состава и свойств в соответствии с требованиями данного технологического процесса.
Для преодоления нарастающего дефицита водных ресурсов, а также с целью уменьшения платы за забор воды создаются замкнутые системы водного хозяйства промышленных узлов и территориально-промышленных комплексов (рис. 3.5). Пополнение безвозвратных потерь воды в замкнутых системах производится из водных объектов или за счет использования очищенных сточных, дождевых и талых вод. Последние особенно предпочтительны благодаря их низкой минерализации.
74 Экология города

Рис. 3.5. Замкнутая система водного хозяйства:
1 водный объект; 2 водозабор; 3 водоподготовка питьевой воды; 4 водопровод; 5 жилой массив; 6 коллектор хозяйственно-бытовых сточных вод; 7 сооружения механической очистки сточных вод; 8 сооружения биологической очистки; 9 земледельческие поля орошения с подземными коллекторами; 10 метантенки; 11 подача ила на земледельческие поля орошения; 12 промышленные предприятия; 13 коллектор производственных сточных вод; 14 повторное использование сточных вод; 15 сброс оросительных вод; 16 накопитель оросительных вод; 17 повторное использование оросительных вод
3.3. Оценка состояния водных объектов
Разнообразие видов водопользования порождает и разнообразие требований к воде. Исходя из этого, понятие качества воды должно быть увязано с ее использованием.
Согласно Водному кодексу Украины качество воды есть характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретного вида водопользования.
3.3.1. Показатели качества воды
Поскольку не существует единого показателя, который характеризовал бы весь комплекс характеристик воды, оценка качества воды ведется на основе системы показателей. Показатели качества воды делятся на физические, бактериологические, гидробиологические и химические. Другой формой клас-
Раздел 3. Водная среда города 75
сификации показателей качества воды является их разделение на общие и специфические. К общим относят показатели, характерные для любых водных объектов. Присутствие в воде специфических показателей обусловлено местными природными условиями, а также особенностями антропогенного воздействия на водный объект.
К основным физическим показателям качества воды относятся:
Температура воды. В водных объектах температура является результатом одновременного действия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой, переноса тепла течениями, перемешивания водных масс и поступления подогретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на все процессы, от которых зависят состав и свойства воды. Температура воды измеряется в градусах Цельсия (°С).
Запах. Запах воды создается специфическими веществами, поступающими в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложения органических веществ, химического взаимодействия содержащихся в воде компонентов и поступления из внешних (аллохтонных) источников. Запах воды измеряется в баллах.
Прозрачность. Прозрачность воды зависит от степени рассеивания солнечного света в воде веществами органического и минерального происхождения, находящимися в воде во взвешенном и коллоидном состоянии. Прозрачность определяет протекание биохимических процессов, требующих освещенности (первичное продуцирование, фотолиз). Прозрачность измеряется в сантиметрах.
Цветность. Цветность воды обусловливается содержанием органических окрашенных соединений. Вещества, определяющие окраску воды, поступают в воду вследствие выветривания горных пород, внутриводоемных продукционных процессов, с подземным стоком, из антропогенных источников. Высокая цветность снижает органолептические свойства воды, уменьшает содержание растворенного кислорода. Цветность измеряется в градусах.
Содержание взвешенных веществ. Источниками взвешенных веществ могут служить процессы эрозии почв и горных пород, взмучивание донных отложений, продукты метаболизма и разложения гидробионтов, продукты химических реакций и антропогенные источники. Взвешенные вещества влияют на глубину проникновения солнечного света, ухудшают жизнедеятельность гидробионтов, приводят к заиливанию водных объектов, вызывая их экологическое старение (эвтрофирование). Содержание взвешенных веществ измеряется в г/м3 (мг/л).
Бактериологические показатели характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К числу важнейших бактериологических показателей относят: коли-индекс количество кишечных палочек в одном литре воды; коли-титр количество воды в миллилитрах, в котором может быть обнаружена одна кишечная палочка; численность лактозоположительных кишечных палочек; численность колифагов.
76 Экология города
Гидробиологические показатели дают возможность оценить качество воды по животному населению и растительности водоемов. Изменение видового состава водных экосистем может происходить при столь слабом загрязнении водных объектов, которое не обнаруживается никакими другими методами. Поэтому гидробиологические показатели являются наиболее чувствительными. Существует несколько подходов к гидробиологической оценке качества воды.
Оценка качества воды по уровню сапробности. Сапробность это степень насыщения воды органическими веществами. В соответствии с этим подходом водные объекты (или их участки) в зависимости от содержания органических веществ подразделяют на полисапробные,
·-мезосапробные,
·-мезосапробные и олигосапробные. Наиболее загрязненными являются полисапробные водные объекты. Каждому уровню сапробности соответствует свой набор индикаторных организмов-сапробионтов. На основе индикаторной значимости организмов и их количества вычисляют индекс сапробности, по которому определяется уровень сапробности.
Оценка качества воды по видовому разнообразию организмов. С увеличением степени загрязненности водных объектов видовое разнообразие, как правило, снижается. Поэтому изменение видового разнообразия является показателем изменения качества воды. Оценку видового разнообразия осуществляют на основе индексов разнообразия (индексы Маргалефа, Шеннона и др.).
Оценка качества воды по функциональным характеристикам водного объекта. В этом случае о качестве воды судят по величине первичной продукции, интенсивности деструкции и некоторым другим показателям.
Физические, бактериологические и гидробиологические показатели относят к общим показателям качества воды.
Химические показатели могут быть общими и специфическими. К числу общих химических показателей качества воды относят:
Растворенный кислород. Основными источниками поступления кислорода в водные объекты является газообмен с атмосферой (атмосферная реаэрация), фотосинтез, а также дождевые и талые воды, которые, как правило, перенасыщены кислородом. Окислительные реакции являются основными источниками энергии для большинства гидробионтов. Основными потребителями растворенного кислорода являются процессы дыхания гидробионтов и окисления органических веществ. Низкое содержание растворенного кислорода (анаэробные условия) сказывается на всем комплексе биохимических и экологических процессов в водном объекте.
Химическое потребление кислорода (ХПК). ХПК определяется как количество кислорода, необходимого для химического окисления содержащихся в единице объема воды органических и минеральных веществ. При определении ХПК в воду добавляется окислитель бихромат калия. Величина ХПК позволяет судить о загрязнении воды окисляемыми веществами, но не дает информации о составе загрязнения. Поэтому ХПК относят к обобщенным показателям.
Раздел 3. Водная среда города 77
Биохимическое потребление кислорода (БПК). БПК определяется как количество кислорода, затрачиваемое на биохимическое окисление содержащихся в единице объема воды органических веществ за определенный период времени. В Украине на практике БПК оценивают за пять суток (БПК5) и двадцать суток (БПК20). БПК20 обычно трактуют как полное БПК (БПКполн), признаком которого является начало процессов нитрификации в пробе воды. БПК также относится к обобщенным показателям, поскольку оно служит оценкой общего загрязнения воды легкоокисляемыми органическими веществами.
Водородный показатель (рН). В природных водах концентрация ионов водорода зависит, главным образом, от соотношения концентраций угольной кислоты и ее ионов. Источниками содержания ионов водорода в воде являются также гуминовые кислоты, присутствующие в кислых почвах и, особенно, в болотных водах, гидролиз солей тяжелых металлов. От рН зависит развитие водных растений, характер протекания продукционных процессов.
Азот. Азот может находиться в природных водах в виде свободных молекул N2 и разнообразных соединений в растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии. В общем азоте природных вод принято выделять органическую и минеральную формы. Основными источниками поступления азота являются внутриводоемные процессы, газообмен с атмосферой, атмосферные осадки и антропогенные источники. Различные формы азота могут переходить одна в другую в процессе круговорота азота. Азот относится к числу важнейших лимитирующих биогенных элементов. Высокое содержание азота ускоряет процессы эвтрофирования водных объектов.
Фосфор. Фосфор в свободном состоянии в естественных условиях не встречается. В природных водах фосфор находится в виде органических и неорганических соединений. Основная масса фосфора находится во взвешенном состоянии. Соединения фосфора поступают в воду в результате внутриводоемных процессов, выветривания и растворения горных пород, обмена с донными отложениями и из антропогенных источников. На содержание различных форм фосфора оказывают влияние процессы его круговорота. В отличие от азота круговорот фосфора несбалансирован, что определяет его более низкое содержание в воде.
Поэтому фосфор наиболее часто оказывается тем лимитирующим биогенным элементом, содержание которого определяет характер продукционных процессов в водных объектах.
Минеральный состав. Минеральный состав определяется по суммарному содержанию семи главных ионов: К+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, HСO3-. Основными источниками повышения минерализации являются грунтовые и сточные воды. С точки зрения воздействия на человека и гидробионты неблагоприятными являются как высокие, так и чрезмерно низкие показатели минерализации воды.
К наиболее часто встречающимся специфическим показателям качества воды относят:
Фенолы. Содержание фенолов в воде, наряду с поступлением из антропогенных источников, может определяться метаболизмом гидробионтов и
78 Экология города
биохимической трансформацией органических веществ. Источником поступления фенолов являются гуминовые вещества, образующиеся в почвах и торфяниках. Фенолы оказывают токсическое воздействие на гидробионты и ухудшают органолептические свойства воды.
Нефтепродукты. К нефтепродуктам относятся топлива, масла, битумы и некоторые другие продукты, представляющие собой смесь углеводородов различных классов. Источниками поступления нефтепродуктов являются утечки при их добыче, переработке и транспортировке, а также сточные воды. Незначительное количество нефтепродуктов может выделяться в результате внутри-водоемных процессов. Входящие в состав нефтепродуктов углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы.
ПАВ и СПАВ. К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относят органические вещества, обладающие резко выраженной способностью к адсорбции на поверхности раздела "воздух-жидкость". В подавляющем большинстве попадающие в воду поверхностно-активные вещества являются синтетическими (СПАВ). СПАВ оказывают токсическое воздействие на гидробионты и человека, ухудшают газообмен водного объекта с атмосферой, снижают интенсивность внутриводоемных процессов, ухудшают органолептические свойства воды. СПАВ относятся к медленно разлагающимся веществам.
Пестициды. Под пестицидами понимают большую группу искусственных хлорорганических и фосфорорганических веществ, применяемых для борьбы с сорняками, насекомыми и грызунами. Основным источником их поступления является поверхностный и дренажный сток с сельскохозяйственных территорий. Пестициды обладают токсическим, мутагенным и кумулятивным действием, разрушаются медленно.
Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных тяжелых металлов относятся свинец, медь, цинк. Тяжелые металлы обладают мутагенным и токсическим действием, резко снижают интенсивность биохимических процессов в водных объектах.
Химические показатели измеряются в г/м3, мг/дм3 (мг/л).
3.3.2. Методика оценки качества воды
В соответствии с Водным кодексом Украины оценка качества воды осуществляется на основе нормативов экологической безопасности водопользования и экологических нормативов качества воды водных объектов.
Оценка качества воды на основе нормативов экологической безопасности водопользования. Действующие нормативы позволяют оценить качество воды, используемой для коммунально-бытового, хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного водопользования.
К коммунально-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха. К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения и для водоснаб-
Раздел 3. Водная среда города 79
жения предприятий пищевой промышленности. К рыбохозяйственному водопользованию относится использование водных объектов в качестве среды обитания рыб и других водных организмов. Водные объекты рыбохозяйственного назначения подразделяются на высшую, первую и вторую категории. Разные участки одного водного объекта могут относиться к различным категориям водопользования.
Нормативную базу оценки качества воды составляют общие требования к составу и свойствам воды и значения предельно допустимых концентраций веществ в воде водных объектов.
Общие требования определяют допустимые состав и свойства воды, оцениваемые наиболее важными физическими, бактериологическими и обобщенными химическими показателями. Они могут задаваться в виде конкретной величины, изменения величины показателя в результате воздействия внешних факторов или в виде качественной характеристики показателя.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) это установленный уровень концентрации веществ в воде, выше которого вода считается непригодной для конкретного вида водопользования. ПДК, как правило, задаются в виде конкретного значения концентрации.
Все вещества по характеру своего отрицательного воздействия делятся на группы. Каждая группа объединяет вещества одинакового признака действия, который называют признаком вредности. Одно и то же вещество при различных концентрациях может проявлять различные признаки вредности. Признак вредности, который проявляется при наименьшей концентрации вещества, называют лимитирующим признаком вредности (ЛПВ). В водных объектах коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования различают три ЛПВ органолептический, общесанитарный и санитарно-токсикологический. В водных объектах рыбохозяйственного водопользования, кроме названных, выделяют еще два ЛПВ токсикологический и рыбохозяйственный.
При оценке качества воды в водоемах коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования учитывают также класс опасности вещества. Его определяют в зависимости от токсичности, кумулятивности, мутагенности и ЛПВ вещества. Различают четыре класса опасности веществ: первый чрезвычайно опасные; второй высокоопасные; третий опасные; четвертый умеренно опасные.
При оценке качества воды учитывается принцип аддитивности однонаправленного действия. В соответствии с этим принципом принадлежность нескольких веществ к одному и тому же ЛПВ проявляется в суммировании их негативного воздействия.
С учетом сказанного оценка качества воды с точки зрения экологической безопасности водопользования производится по следующей методике.
Водные объекты считаются пригодными для коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водопользования, если одновременно выполняются следующие условия:
80 Экология города
не нарушаются общие требования к составу и свойствам воды для соот- ветствующей категории водопользования;
для веществ, принадлежащих к третьему и четвертому классам опасности, выполняется условие:
С
· ПДК,
где С концентрация вещества в водном объекте, г/м3;
для веществ, принадлежащих к первому и второму классам опасности, выполняется условие:
13 EMBED Equation.3 1415
где Сi и ПДКi соответственно концентрация и ПДК i-гo вещества первого или второго класса опасности.
Водные объекты считаются пригодными для рыбохозяйственного водопользования, если одновременно выполняются следующие условия:
не нарушены общие требования к составу и свойствам воды для соот- ветствующей рыбохозяйственной категории;
для веществ, принадлежащих к одинаковому ЛПВ, выполняется условие:

13 EMBED Equation.3 1415
где Сi и ПДКi соответственно концентрация и ПДК i-го вещества, принадлежащего к данному ЛПВ.
Нормы качества воды должны выполняться:
для водотоков коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водо- пользования на участках от пункта водопользования до контрольно го створа, расположенного на расстоянии не менее одного километра выше по течению от этого пункта водопользования;
для водоемов коммунально-бытового и хозяйственно-питьевого водо- пользования на акватории в радиусе не менее одного километра от пункта водопользования;
для водотоков рыбохозяйственного водопользования в пределах всего рыбохозяйственного участка водотока, начиная с контрольного створа, расположенного не далее 500 метров ниже по течению от источника поступления примесей;
для водоемов рыбохозяйственного назначения на всем рыбохозяй- ственном участке, начиная с контрольного пункта, расположенного в радиусе не более 500 м от места поступления примеси.
Оценка качества воды на основе экологических нормативов. Экологические нормативы качества воды устанавливаются для оценки состояния водных объектов на основе экологической классификации поверхностных вод.
Раздел 3. Водная среда города
81
Система экологической классификации качества поверхностных вод включает три классификационные группы: солевого состава, эколого-санитарных показателей и показателей состава и биологического действия специфических веществ.
В зависимости от значений показателей качества воды поверхностные воды относят к определенным категории и классу качества воды. Классы и категории, используемые при экологической классификации качества воды, приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Классы и категории качества поверхностных вод суши

Класс качества воды
I
II
III
IV
V

Категория качества воды
1
2
3
4
5
6
7

Названия классов и категории качества вод по степени их загрязненности


Очень чистые
Чистые
Загрязненные
Грязные
Очень грязные


Очень чистые
Чистые
Достаточно чистые
Слабо загрязненные
Умеренно загрязненные
Грязные
Очень грязные

Трофность
Олиго-
трофные
Мезотрофные
Эвтрофные
Поли-
трофные
Гипер-
трофные



Олиготроф-ные-оли-
гомезо-
трофные
Мезо-троф-ные
Мезо-
эвтроф-ные
Эв-
троф-
ные
Эвполи-
трофные
Поли-
трофные
Гипер-
трофные

Сапробность
Олигосапробные

·- мезоса-
пробные

·- мезосапробные
Полиса-
пробные




·- олигосапробные

·-оли-госа-
проб-ные

·'- ме-
зоса-
проб-
ные

·"- ме-
зоса-
проб-
ные

·'- мезосапробные

·"- мезосапробные
Полиса-
пробные

Определение класса и категории качества воды осуществляется по методикам, изложенным в соответствующих нормативных документах.
3.4. Источники воздействия на водные объекты
Системный подход к изучению качества воды водных объектов предусматривает рассмотрение их как открытые системы, в которых происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой. Качество поверхностных вод определяется двумя группами факторов: внешними воздействиями в виде аллохтонных (поступающих извне водного объекта) источников загрязнения и внутриводоемными процессами, включающими в себя процессы самоочи-
82 Экология города
щения и образования автохтонных (порожденных в самом водном объекте) источников загрязнения. Внешние источники воздействия классифицируются по происхождению, локализации, продолжительности воздействия, виду носителя загрязняющих компонентов и виду загрязнения.
По происхождению источники загрязнения делятся на природные и антропогенные. К природным источникам загрязнения относятся атмосферные (атмосферные осадки), гидросферные (озера, притоки, грунтовые и подземные воды, формирующие сток водного объекта) и литосферные (подверженные эрозии и выщелачиванию склоны русл). Основными антропогенными источниками загрязнения являются промышленные (выпуски производственных сточных вод, загрязненные территории предприятий, свалки промышленных отходов), коммунальные (выпуски хозяйственно-бытовых сточных вод, территории населенных пунктов, свалки бытовых отходов), сельскохозяйственные (пахотные поля, огороды, животноводческие предприятия) и транспортные (транспортные средства, автодороги, трубопроводы). Указанные источники воздействия, за исключением сельскохозяйственных, типичны для городских водных объектов. Сельскохозяйственные источники загрязнения находятся в пригородной зоне. Литосферные источники в пределах городов частично изолированы облицовкой берегов.
По локализации источники воздействия на водные объекты делятся на точечные, площадь контакта которых с водным объектом существенно меньше площади загрязненной зоны этого объекта; линейные, площадь контакта которых с водным объектом представляет собой линию, и площадные, влияние которых проявляется рассредоточенно по площади водного объекта. Примером точечных источников загрязнения могут служить выпуски сточных вод из систем водоотведения или небольшие притоки. Линейные источники воздействия встречаются в виде стока с поверхности водосбора, выпусков сточных вод через специальное рассеивающее устройство (рассеивающий выпуск). Площадные источники воздействия: акватории портов, стоянки маломерных моторных судов, места донной добычи полезных ископаемых песка, гравия, нефти, газа и др.
По продолжительности воздействия источники загрязнения бывают постоянными, периодическими и эпизодическими.
Носители загрязняющих веществ, как правило, сточные, инфильтрационные и подземные воды, возвратные воды орошения и дренажные воды, поверхностный сток с загрязненной территории, атмосферные осадки.
Источники воздействия на водный объект могут приводить к его химическому, физическому и биологическому загрязнению. Химическое загрязнение проявляется через сверхнормативное содержание веществ в поверхностных водах. Для физического загрязнения характерно повышение температуры воды за счет поступления в водный объект подогретых вод (тепловое загрязнение) или наличие радионуклидов (радиоактивное загрязнение). Биологическое воздействие на водный объект сопровождается поступлением в него болезнетворных микробов, яиц гельминтов, мелких водорослей, дрожжевых и плесневых грибов (гидрофлорное загрязнение).
Раздел 3. Водная среда города 83
Наиболее существенный вклад в загрязнение водных объектов вносят аллохтонные источники, особенно антропогенного происхождения. Основными из них являются выпуски сточных вод промышленных предприятий, выпуски городских сточных вод, транспортные источники загрязнения и поверхностный сток с загрязненных территорий.
На протяжении длительного периода выпуски сточных вод промышленных предприятий являлись самой существенной причиной загрязнения водных объектов. В настоящее время природоохранная политика в Украине, направленная на ограничение сброса промышленных сточных вод в водные объекты, вплоть до запрещения сброса неочищенных сточных вод в пределах городской черты, несколько изменила соотношение между различными источниками загрязнения. Более существенную роль в загрязнении городских водных объектов приобрел загрязненный поверхностный сток с урбанизированных территорий и территорий промышленных площадок. Вместе с тем воздействие промышленных сточных вод на качество воды водных объектов по-прежнему достаточно велико. Количество, состав и содержание загрязняющих веществ в промышленных сточных водах чрезвычайно разнообразны и определяются характером технологических процессов, составом очистных сооружений и рядом других факторов. Загрязняющие вещества в них могут содержаться в грубодисперсном состоянии (крупность частиц более 0,1 мм), в виде эмульсии или суспензии (крупность частиц от 0,1 мкм до 0,1 мм), в коллоидном состоянии (частицы крупностью от 0,001 до 0,1 мкм) или в растворенном виде. Обобщенная характеристика промышленных сточных вод для основных отраслей промышленности приведена в табл. 3.6. Информация о количестве и составе сточных вод представляется каждым предприятием в формах государственной статистической отчетности,
Городские сточные воды представляют собой смесь хозяйственно-бытовых сточных вод города и производственных сточных вод. Обычно они проходят очистку на городских очистных сооружениях. В отличие от промышленных сточных вод хозяйственно-бытовые имеют сравнительно стабильный состав. Для них характерны преобладание органических загрязняющих веществ над минеральными (примерное соотношение органических и минеральных веществ в неочищенных сточных водах составляет 5:1) и устойчивый температурный режим на уровне 1520 °С круглогодично. Примерный состав хозяйственно-бытовых городских сточных вод при различных способах очистки приведен в табл. 3.7. Количество городских сточных вод зависит от численности населения и может быть ориентировочно определено по нормам водоотведения бытовых сточных вод от жилых районов (табл. 3.8). При наличии городских очистных сооружений информация о количестве и составе городских сточных вод представляется в формах государственной статистической отчетности очистных сооружений. При отсутствии очистных сооружений для хозяйственно-бытовых сточных вод города или населенного пункта количество загрязняющих веществ в них определяется по удельным нормам на одного жителя (табл. 3.9).
84
Экология города
Таблица 3.6. Ориентировочный состав сточных вод для основных отраслей промышленности

Отрасль
Показатель
Концентрация, г/м3

Черная металлургия
Взвешенные вещества
200-500


Окалина
3000-20 000


Железо
300-500


Фенолы
700-1000


Смолы и масла
700-1000


Железный купорос
до 700


Серная кислота
до 300

Цветная металлургия
Взвешенные вещества
100-8000


Цветные металлы
1,5-170

Нефтепромыслы
Взвешенные вещества
150-11 000


Хлориды
500-180 000


Нефтепродукты
100-5000


Железо
10-150


Сероводород
25-400

Текстильное производство
Взвешенные вещества
250-40 000


Животный жир
8000-12 000


БПК20
600-20 000


ПАВ
50-120

Коксохимические заводы
Взвешенные вещества
300-500


БПК5
800-3000


Аммиак
200-3000


Фенолы
400-1800


Смолы и масла
300-500


Цианиды и роданиды
100-400

Нефтеперерабатывающие
Взвешенные вещества
до 300

заводы с нефтехимически-
Нефтепродукты
150-15 000

ми производствами
БПК5
150-7000

Целлюлозно-бумажные
Взвешенные вещества
400-2000

заводы
БПК5
100-2000

Машино- и автомобиле-
Взвешенные вещества
100-200

строение
Цианиды
70-120


Хром
40-60


Кислоты
70-100


Нефтепродукты и масла
25-40

Раздел 3. Водная среда города
85
Таблица 3.7. Ориентировочный состав городских сточных вод


Содержание, г/м3

Показатель




до очистки
механическая
очистка
биологическая
очистка






Минеральный состав
800
680
530

Взвешенные вещества
250
120
12

Азот аммонийный
30
30
15

Азот общий
45
35
25

Фосфаты
15
15
12

Хлориды
35
35
34

ПАВ
10
9
4

БПКполн
280
150
15

БПК5
200
135
10

Таблица 3.8. Нормы водоотведения хозяйственно-бытовых сточных вод
для населенных пунктов

Степень благоустройства районов жилой застройки
Норма водоотведения на одного жителя, л/сут.

Здания, оборудованные водопроводом, канализацией, без ванн
Здания, оборудованные водопроводом, канализацией и ваннами с местными водонагревателями
Здания, оборудованные водопроводом, канализацией и системой централизованного горячего водоснабжения
Неканализованные жилые районы
125-160 160-230
230-350
25

Таблица 3.9. Удельные нормы содержания веществ в неочищенных хозяйственно-бытовых водах (в расчете на одного жителя)

Показатели
Количество вещества, г/сут.

Взвешенные вещества
65,0

БПК5
54,0

БПК20
75,0

СПАВ
2,5

Азот аммонийный
8,0

Фосфаты
3,3

Хлориды
9,0

Сульфаты
4,4

Калий
3,0

86 Экология города
Основными транспортными источниками загрязнения являются наземный и водный транспорт. Загрязняющие вещества от наземных видов транспорта поступают в водные объекты с поверхностным стоком с территории города, от водного транспорта непосредственно в водный объект. В процессе эксплуатации судов в воду поступают фенолы, соединения свинца, ароматические углеводороды, основным загрязняющим веществом являются нефтепродукты. Расчет количества нефтепродуктов, поступающих в воду за год, производится по формуле:
G= Gуд , Тнав N,
где G количество нефтепродуктов, поступивших в водный объект за год, кг; Gуд поступление нефтепродуктов в воду от одного судна за час работы двигателя, кг; Тнав средняя норма работы двигателя за навигацию, час; N число единиц флота, включая маломерный.
Для маломерного флота ориентировочно удельное поступление в воду нефтепродуктов за час работы двигателя и время работы двигателя за навигационный период могут быть приняты равными 0,1 кг и 100 часов соответственно.
3.5. Системы водоотведения и очистки сточных вод
Отходы жизнедеятельности человека, вода, использованная для бытовых нужд и в технологических процессах, а также дождевые и талые воды с городской территории удаляются через систему водоотведения и подаются на общегородские очистные сооружения. При отсутствии или перегрузке городских очистных сооружений в водные объекты вынужденно сбрасываются неочищенные или недостаточно очищенные сточные воды, что приводит к загрязнению водного объекта на значительном протяжении. При ограниченной производительности городских очистных сооружений дождевые и талые воды частично или полностью сбрасываются в водные объекты без очистки, вместе с ними может сбрасываться и часть общегородских сточных вод.
3.5.1. Системы водоотведения
Система водоотведения, называемая еще канализационной системой, включает следующие основные элементы: внутренние водоотводящие системы в жилых зданиях или производственных помещениях; внутриквартальные или внутриплощадочные водоотводящие сети; внешние (внеплощадочные) водоотводящие сети; регулирующие резервуары; насосные станции и напорные трубопроводы; очистные сооружения; выпуски очищенных сточных вод в водные объекты; аварийные выпуски сточных вод в водные объекты. Водоотводящие системы подразделяются на общесплавные, раздельные и комбинированные. В свою очередь раздельные системы подразделяются на полные раздельные, неполные раздельные и полураздельные.
Общесплавная система водоотведения имеет одну водоотводящую сеть, предназначенную для отвода сбросных вод всех категорий: хозяйственно-бытовых, производственных и дождевых (рис. 3.6). По длине главного кол-
Раздел 3. Водная среда города 87
лектора общесплавной системы могут устраиваться ливневыпуски для непосредственного сброса в реку части стока, пропускаемого по системе водоотведения. Это делается с целью уменьшения размеров и количества коллекторов в концевой части системы и соответствующего ее удешевления.

Рис. 3.6. Общесплавная схема водоотведения:
РНС районная насосная станция; ГНС главная насосная станция; ОС очистные сооружения; ПП промышленное предприятие
1 граница города; 2 наружная (внешняя) водоотводящая сеть трубопроводов; 3 ливневыпуски; 4 дюкер; 5 напорные трубопроводы; 6 выпуск очищенных сточных вод; 7 линии водоразделов
Ливневыпуски устраиваются таким образом, чтобы исключить возможность переполнения главного коллектора во время сильного дождя. Конструкция и размещение ливневыпусков обеспечивают включение их в работу, т.е. сброс вод в реку, не ранее, чем через 30 минут после начала интенсивного ливня. За это время наиболее загрязненная часть поверхностного стока с городской территории по общесплавному коллектору поступает на городские очистные сооружения, а менее загрязненная часть при наполнении главного коллектора начнет поступать непосредственно в реку. Понятно, что выпуск неочищенных сточных вод в реку связан с ее возможным загрязнением. Поэтому размеры выходных отверстий ливневыпусков и соответственно расход сбрасываемых через них неочищенных вод определяются исходя из ассимилирующей способности водотока. Применение общесплавной системы водоотведения целесообразно при наличии в городе полноводной реки.
Полная раздельная система водоотведения имеет два или больше коллекторов, предназначенных для отдельного отвода сточных вод определенной категории (рис. 3.7).

88 Экология города
Рис. 3.7. Полная раздельная система водоотведения:
а без очистки поверхностного стока; б и в с очисткой поверхностного стока соответственно на локальных и централизованных очистных сооружениях;
ОСБПВ очистные сооружения бытовых и производственных вод; ОСПП очистные сооружения промышленного предприятия; ЛОСПС локальные очистные сооружения поверхностного стока; ЦОСПС централизованные очистные сооружения поверхност- ного стока; НС насосная станция;
1 бытовая сеть; 2 ливневая сеть; 3 граница города; 4 производственная сеть; 5 граница промышленного предприятия; 6 возврат воды на производство после очистки; 7 подача воды для доочистки на очистные сооружения города; 8 подача очищенных вод на промышленное предприятие; 9 напорные трубопроводы; 10 выпуск очищенных производственных сточных вод в водоем; 11 разделительные камеры; 12 регулирующий резервуар
Раздел 3. Водная среда города 89
Хозяйственно-бытовые сточные воды отводят на общегородские очистные сооружения, где производят их очистку до кондиций, удовлетворяющих условиям сброса в водные объекты. Очистку производственных сточных вод осуществляют на специальных очистных сооружениях данного промышленного объекта или группы таких объектов. После очистки производственные сточные воды могут быть использованы для технического водоснабжения, поданы на общегородские очистные сооружения для доочистки или сброшены в водный объект. Талые и дождевые воды по коллектору ливневой канализации подаются на очистку и в дальнейшем используются для технического водоснабжения или сбрасываются в водные объекты.
Неполная раздельная система водоотведения предусматривает отвод хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по единому коллектору. Отвод дождевых вод производится отдельно по коллекторам, лоткам или канавам. Как правило, неполная раздельная система используется для небольших объектов водоотведения и является первоначальным этапом создания полной раздельной системы.
Рис. 3.8. Полураздельная система водоотведения:
1 производственно-бытовая сеть; 2 ливневая сеть; 3 промышленное предприятие; 4 разделительные камеры
Полураздельная система водоотведения предусматривает отвод смеси хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод по одному общему коллектору, а дождевых вод по другому. Дождевые и производственно-бытовые коллекторы по трассе водоотведения пересекаются (рис. 3.8). В месте пересечения устанавливаются разделительные камеры, с помощью которых дождевой сток полностью или частично из дождевого коллектора попадает в главный. При сравнительно малых расходах дождевых вод они полностью поступают в главный коллектор. При больших расходах дождевых вод в главный коллектор поступает лишь часть дождевого стока, протекающего по нижней (донной) части дождевого коллектора. Это наиболее загрязненная часть дождевого стока, отводимого с прилегающей территории в начальный период дождя, когда происходит смыв основной массы загрязняющих веществ. Поступающая в последующий период менее загрязненная часть дождевого стока через распределительную камеру отводится в водный объект без очистки. В смеси с дождевыми водами частично сбрасываются и сточные воды.

90 Экология города
Комбинированная система водоотведения представляет собой совокупность общесплавной системы с полной раздельной. Такая система формируется по мере развития и реконструкции канализационной сети города. В старой части города может функционировать общесплавная система водоотведения, а в районах новостроек создается полная раздельная система.
3.5.2. Общегородские очистные сооружения
Вода, поступающая в городскую систему водоотведения, обычно представляет собой смесь хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод. По системе водоотведения эти воды подаются на общегородские очистные сооружения. Если позволяет производительность этих сооружений, сюда же поступают частично или полностью дождевые и талые воды. Полный комплекс общегородских очистных сооружений включает блоки: механической и биологической очистки, доочистки, обеззараживания, обработки осадка (рис. 3.9).
Механическая очистка обеспечивает удаление из сточных вод крупных включений, взвешенных и плавающих примесей. В состав блока механической очистки входят решетки, иногда с дробилками, песколовки, преаэраторы и первичные отстойники.
Решетки предназначены для улавливания крупных включений, которые при необходимости измельчаются в дробилках. На решетках достигается практически полное извлечение из очищаемых сточных вод крупных включений. Извлеченные крупные включения вывозятся на полигон бытовых отходов.
В песколовках, представляющих собой емкости определенных размеров, благодаря резкому уменьшению скорости течения очищаемой жидкости происходит осаждение взвешенных веществ. В песколовках удаляется из сточной воды примерно 4060% мелких механических примесей. Из песколовок осадок подается на песковые площадки. После высыхания он может быть использован для планировочных работ.
В преаэраторах происходит первичное насыщение сточных вод кислородом путем подачи сжатого воздуха, что существенно улучшает процесс биологической очистки. В сточных водах, поступающих из систем водоотведения, растворенный кислород практически отсутствует. Смешение очищаемых вод с пузырьками воздуха способствует отделению нефтепродуктов и других плавающих примесей, которое происходит в первичных отстойниках, называемых также нефтеловушками. Степень удаления плавающих примесей составляет 6080%. Всплывшие нефтепродукты специальными скребками собираются в бочки и направляются на регенерацию или на сжигание.
Из первичных отстойников очищаемые сточные воды поступают в блок биологической очистки, где происходит деструкция органических соединений, поддающихся биохимическому окислению. Из сооружений биологической очистки наибольшее распространение получили аэротенки. Они представляют собой железобетонные, реже кирпичные или металлические удлиненные

Рис. 3.9. Схема полной биологической очистки городских сточных вод в аэротенках:
РХ удаление солей фосфора добавкой реагентов; Д удаление солей азота в денитоификаторах: ОД - удаление солей азота в отстойниках-денитрификаторах
92 Экология города
емкости, где происходит контакт очищаемых сточных вод с активным илом при одновременном насыщении их кислородом воздуха. Активный ил представляет собой специально культивируемое сообщество микроорганизмов, пищей для которых служат органические вещества, содержащиеся в сточных водах. Нормальное содержание активного ила в очищаемых сточных водах составляет 2 г/л (по сухому веществу). Для интенсификации процесса деструкции органических соединений в аэротенки постоянно нагнетается сжатый воздух в соотношении 10:1 к объему очищаемой жидкости. Аэротенки в блоке биологической очистки располагаются таким образом, чтобы очищаемая сточная вода, проходя через них последовательно один за другим, находилась в контакте с активным илом в течение 1820 часов. Температура воды в аэротенках должна быть не ниже +5 °С и не выше 40 °С. Степень деструкции в аэротенках органических веществ, поддающихся биохимическому окислению, составляет около 90%.
Очищенные в аэротенках сточные воды поступают во вторичные отстойники, где происходит оседание активного ила, который попал сюда из аэротенков вместе с водой. Микроорганизмы активного ила при оседании адсорбируют своей чешуйчатой поверхностью мельчайшие взвеси, оставшиеся в очищаемых сточных водах после прохождения песколовок и первичных отстойников, а также ионы тяжелых металлов. Степень извлечения металлов за счет адсорбции микроорганизмами колеблется от 10 до 60%.
После вторичных отстойников городские сточные воды считаются прошедшими биологическую очистку и могут быть сброшены в поверхностные водные объекты. Перед сбросом в обязательном порядке производится их обеззараживание путем обработки хлорной водой. Приготовление хлорной воды производится в хпораторной растворением активного хлора в воде. После хлорирования сбросная вода должна пройти дегазацию, так как попадание активного хлора в водный объект может привести к гибели рыбы. Дегазация сбросных вод происходит в каналах и быстротоках по пути следования от места хлорирования до места выпуска в водный объект. В некоторых странах вместо хлорирования применяют озонирование. И тот, и другой способы обеззараживания воды имеют свои преимущества и недостатки. В нашей стране для обеззараживания сточных вод применяют в основном хлорирование.
Если качество очистки сточных вод не удовлетворяет условиям их сброса в водные объекты (разд. 3.5.6) или сточные воды после очистки предполагается использовать для технического водоснабжения или пополнения городских рек, то в этих случаях организуется их доочистка. При пополнении стока городских рек очищенными сточными водами доочистка должна обеспечить придание им свойств и состава, присущих природным речным водам. Для доочистки сточных вод используют фильтры с зернистой загрузкой, установки пенной и напорной флотации, коагуляцию и флокуляцию, сорбцию (разд. 3.5.4), озонирование, установки для извлечения из воды соединений фосфора и азота. Для придания очищенным сточным водам качеств природной воды их доочистка проводится в каскаде биологических прудов или на биоинженерных сооружениях типа биоплато (разд. 3.5.3).
Раздел 3. Водная среда города 93
В процессе биологической очистки сточных вод образуется большое количество осадка, представляющего собой отмерший или избыточный активный ил, который удаляется из аэротенков и вторичных отстойников. Ил имеет влажность 9798% и очень плохо отдает воду. С целью обезвоживания его сначала обрабатывают в метантенках или аэробных стабилизаторах, затем подвергают механическому обезвоживанию в гидроциклонах, центрифугах, вакуум-фильтрах или фильтр-прессах, после чего направляют на иловые площадки для окончательного высушивания.
В метантенках, представляющих собой герметичные цилиндрические резервуары, в течение нескольких часов при температуре 3353 °С происходит сбраживание ила. При обработке в метантенке ил теряет свою водоудерживающую способность, его влажность снижается до 9294%. В процессе сбраживания выделяется газ, главным образом метан, с теплотворной способностью до 5000 ккал/м3. Из 1 кг осадка (по сухому веществу) образуется около 1 м3 газа плотностью 1 кг/м3. Получаемый газ используется обычно в котельных сооружений биологической очистки.
В аэробных стабилизаторах, представляющих собой обычные аэротенки, активный ил подвергается усиленной аэрации в течение нескольких суток. Расход воздуха при этом составляет до 2 м3/час на 1 м3 вместимости стабилизатора. Влажность ила снижается на 23%, он в значительной мере теряет свою водоудерживающую способность.
При механическом обезвоживании влажность осадка может быть снижена до 6570%, а объем его, по сравнению с сырым осадком (влажностью 98%), уменьшен в 1520 раз.
Окончательное высушивание осадка происходит на иловых площадках. Площадки представляют собой выровненные участки (карты) площадью 0,25 2 га, обвалованные невысокими (0,71 м) дамбами. Здесь в природных условиях в течение нескольких месяцев (до года) происходит высушивание и компостирование (перегнивание) илового осадка. Компостированный иловый осадок является хорошим органическим удобрением. Ограничения в его применении могут быть связаны со сверхнормативным содержанием соединений тяжелых металлов.
3.5.3. Очистные сооружения небольших населенных пунктов
Очистка сравнительно небольших расходов сточных вод может быть обеспечена на более простых по конструкции сооружениях, принцип действия которых также основывается на процессах биохимического разложения органических веществ сообществом микроорганизмов.
Наиболее простыми очистными сооружениями, используемыми человеком уже более пяти столетий, являются поля фильтрации. Они представляют собой спланированные площадки (карты) с уклоном до 0,02, обвалованные дамбами, площадью от нескольких квадратных метров до 1,52 га. Поля фильтрации устраиваются обычно на проницаемых грунтах песках, супесях,
94 Экология города
легких суглинках. Наряду с биологической очисткой сточных вод, в которой принимают участие сообщества микроорганизмов как водных, формирующихся на поверхности карт, так и почвенных, развивающихся в толще проницаемых грунтов, в процессе фильтрации воды через породы основания происходит ее дополнительная механическая и отчасти физико-химическая очистка. Преимуществами полей фильтрации является простота устройства и эксплуатации. К их недостаткам следует отнести необходимость занятия больших площадей, возможность загрязнений подземных вод и атмосферного воздуха газообразными продуктами разложения хозяйственно-бытовых сточных вод, которое ощущается на расстоянии до 200 м от полей фильтрации.
Разновидностью полей фильтрации являются поля подземной фильтрации, в которых на глубине 0,51,8 м укладываются дренажные трубы. По ним очищенная вода отводится с полей фильтрации и используется для орошения сельскохозяйственных угодий.
Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки и доочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкции типа инфильтрационных и поверхностных биоплато (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Очистные сооружения типа биоплато:
А инфильтрационное биоплато; Б поверхностное биоплато
1 подача воды на очистку; 2 отстойник; 3 осадок; 4 распределительный трубопровод; 5 противофильтрационный экран; 6 растительный грунт; 7 песок; 8 щебень; 9 дренаж; 10 высшая водная растительность; 11 каменная наброска; 12 очищенная вода
Инфильтрационное биоплато инженерное сооружение, размещенное, как правило, в котловане глубиной до 2 м, на дне которого устраивается противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Поверх экрана укладывается горизонтальный дренаж и слой щебня, песка, керамзита или другого фильтрующего материала. Поверхность сооружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видами высшей водной растительности из расчета не менее 1012 стеблей на 1 м2. По технологии биоплато в очистке воды принимают участие сообщества водных (на поверхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшая
Раздел 3. Водная среда города 95
водная растительность и сам фильтрующий слой. Поверхностное биоплато также размещается в котловане и имеет противофильтрационный экран. Роль дренажа выполняет каменная наброска, вместо фильтрующего слоя укладывается грунт котлована, поверхность которого засаживается высшей водной растительностью. Высшая водная растительность, кроме очистительной функции, обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) очищаемой жидкости в летний период примерно на 1015%. Транспирационные свойства высшей водной растительности могут быть использованы также для ускорения подсушивания иловых площадок, повышения пропускной способности и эффективности очистки полей фильтрации.
Очистные сооружения по технологии биоплато состоят, как правило, из нескольких блоков, располагаемых каскадом, причем блок поверхностного биоплато является концевым. В состав сооружений биоплато в качестве концевого может быть включен болотистый участок (естественное поверхностное биоплато) с наличием достаточных зарослей высшей водной растительности. Начальным блоком сооружений является отстойник, где происходит удаление крупных включений и взвешенных веществ. По технологии биоплато обеспечивается очистка хозяйственно-бытовых сточных вод по БПК5 до 510 мг/л, по взвешенным веществам до 812 мг/л, причем наличие взвешенных веществ в основном связано с выносом их из фильтрующего слоя. Значительно (на 4070%) снижается содержание соединений азота и фосфора. Сооружения биоплато, удачно расположенные по рельефу местности, не требуют применения электроэнергии, химикатов и обеспечивают надежную работу как в летний, так и в зимний период. Для очистки производственных сточных вод по технологии биоплато требуется производить их предочистку в соответствии с особенностями их состава и свойств.
3.5.4. Методы очистки производственных сточных вод
Очистка производственных сточных вод организуется с целью использования их в системах оборотного, последовательного или замкнутого водоснабжения, обеспечения условий приема в городские системы водоотведения или сброса в водные объекты.
Вода, использованная в технологическом процессе, содержит примеси в виде: взвешенных частиц размером от 0,1 мкм и более, образующих суспензии; нерастворяемых в воде капелек другой жидкости, образующих эмульсии; коллоидных систем с частицами размером от 1 мкм до 1 нм и растворенных в воде веществ в молекулярной или ионной форме. Примеси, содержащиеся в технологической воде, часто являются ценным сырьем или готовой продукцией.
Методы очистки сточных вод подразделяются на механические, физико-химические и биологические.
Механические методы очистки обеспечивают извлечение из очищаемых вод взвешенных и плавающих примесей. Наиболее простой способ удаления этих примесей отстаивание, в процессе которого взвешенные ве-
96 Экология города
щества оседают на дно, а плавающие примеси всплывают на поверхность отстойников. Отстойники устраиваются горизонтальные, вертикальные и радиальные (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Отстойники:
А горизонтальный; Б вертикальный; В радиальный 1 загрязненная вода; 2 очищенная вода; 3 осадок (шлам); 4 скребковый механизм
В горизонтальном отстойнике длина в 812 раз больше его глубины. Отстойники бывают непрерывного или периодического действия. В отстойниках непрерывного действия отделение примесей происходит благодаря резкому уменьшению скорости движения очищаемой жидкости (до 0,005 0,01 м/с). Продолжительность прохождения жидкости через отстойник составляет 13 часа. Эффективность осветления воды от 40 до 60%. В отстойниках периодического действия продолжительность отстоя жидкости составляет несколько часов, после чего происходит удаление всплывших примесей, осветленной воды и осадка. Затем процесс повторяется.
Глубина (высота) вертикального отстойника в несколько раз превышает его горизонтальный размер. Разделение твердой и жидкой фаз происходит за счет уменьшения скорости потока и изменения его направления на 180°. Вертикальные отстойники более компактны, однако их эффективность на 1020% ниже, чем у горизонтальных.
В конструкции радиального отстойника реализован принцип действия вертикального и горизонтального отстойников. В центральной его части происходит смена направления потока очищаемой жидкости, а от центра к периферии он работает в режиме горизонтального отстойника. Это позволяет получать достаточно компактные сооружения большой производительности. Эффективность осветления в радиальных отстойниках достигает 60%. Глубина их колеблется от 1,5 до 5 м, диаметр от 15 до 60 м.
В зависимости от вида удаляемых плавающих примесей отстойники могут называться нефтеловушками, жироуловителями и т.п. Эффективность удаления из воды плавающих примесей составляет 9596%. Всплывшие примеси удаляются с поверхности специальными приспособлениями и направляются на утилизацию.
Раздел 3. Водная среда города 97
Для удаления из воды волокнистых примесей (частичек шерсти, ниток, асбеста и др.) используется дисковый волокноуловитель, представляющий собой вращающийся перфорированный диск, по которому тонким слоем стекает очищаемая жидкость.
Для повышения эффективности процесса осветления к очищаемой в отстойниках жидкости добавляют коагулянты вещества, которые при взаимодействии с водой образуют хлопьеобразные частицы размером 0,53 мм с развитой поверхностью, обладающие также небольшим электрическим зарядом. При оседании эти хлопья захватывают из жидкости взвешенные и коллоидные частицы. В качестве коагулянтов применяются сернокислый алюминий, хлорное железо и др. Расход их составляет от 40 до 700 кг/м3 очищаемой жидкости. Высокие дозы относятся к физико-химической очистке технологических вод, обеспечивающей удаление хрома и цианидов, а также обесцвечивание воды.
Интенсификации процесса коагуляции способствует добавка флокулянтов веществ, обеспечивающих агрегирование пластин коагулянтов и ускоряющих тем самым их осаждение. В качестве флокулянтов применяют клейкие вещества: крахмал, декстрин, силикатный клей. Весьма эффективным является синтетический флокулянт полиакриламид (ПАА), широко использующийся также при подготовке питьевой воды. Доза применения ПАА колеблется от 0,5 до 25 г/м3 очищаемой жидкости. Внедряются в практику и другие коагулянты и флокулянты на основе активных полимеров, дозы применения которых в десятки раз меньше.
Тонкодисперсные частички, которые не удается извлечь из жидкости в отстойниках, могут быть удалены с помощью фильтрования. Процесс фильтрования заключается в прохождении жидкости через пористую преграду, на которой осаждаются мелкодисперсные частицы. В качестве фильтрующего слоя используются зернистые материалы (песок, гранитная или мраморная крошка, керамзит и др.), ткани и нетканые полотна (хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические, из асбеста, стекловолокна и др.), металлические сетки, перфорированные пластины, пористая керамика. Для ускорения процесса фильтрование производится под давлением или с помощью вакуума. Для извлечения нефтепродуктов, масел и других эмульгированных примесей применяются фильтры из полиуретана. Эффективность удаления взвешенных и эмульгированных примесей методом фильтрования достигает 99% и более.
В гидроциклонах и центрифугах разделение жидкой и твердой фаз производится под воздействием центробежных сил.
Для удаления взвешенных веществ используются напорные гидроциклоны (рис. 3.12). Для удаления плавающих примесей применяются открытые гидроциклоны. Гидроциклон представляет собой металлический аппарат, состоящий из цилиндрической и конической частей. Диаметр цилиндрической части от 100 до 700 мм, высота примерно равна диаметру. Угол конусности составляет 1020°. Внутри аппарата имеются струенаправ-ляющие лопасти в виде винтовой спирали. Поданная под давлением жидкость, двигаясь по спирали к сливу, отделяется от взвешенных веществ. Часть
98 Экология города
жидкости с большим содержанием взвесей удаляется из гидроциклона, а осветленная вода под действием образовавшегося вакуума движется вверх и изливается через верхнее отверстие. В открытом (безнапорном) гидроциклоне удаление осветленной воды происходит через боковые отверстия, а всплывающие примеси извлекаются с помощью сифона. Гидроциклоны, по сравнению с другими устройствами для механической очистки вод, отличаются высокой производительностью, компактностью, экономичны в изготовлении и эксплуатации. Эффективность очистки от взвешенных и плавающих примесей составляет примерно 70%.

Рис. 3.12. Гидроциклоны:
А вертикальный напорный;
Б многоярусный открытый
1 загрязненная вода; 2 очищенная вода;
3 осадок (шлам); 4 плавающие примеси (нефтепродукты, масла)
Центрифугирование является эффективным методом разделения суспензий и эмульсий. Центрифуги изготовляются периодического и непрерывного действия с автоматической выгрузкой осадка и осветленной жидкости (фугата). При центрифугировании достигается достаточно высокая степень обезвоживания осадка и получается относительно чистый фугат. Центрифуги потребляют большое количество электроэнергии, создают высокие шумовые нагрузки и небезопасны в эксплуатации.
Физико-химические методы очистки обеспечивают удаление из воды, как правило, растворенных веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биологической очистке, а также веществ, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на коллекторы или другие элементы систем водоотведения.
Наиболее простым и распространенным методом физико-химической очистки является нейтрализация, которая заключается в подкислении щелочных вод (с рН>8,5) и подщелачивании вод с рН<6,5. При наличии на производстве кислых и щелочных вод нейтрализация достигается их смешением. При отсутствии одной из категорий вод нейтрализация осуществляется путем добавки реагента. Для нейтрализации кислых вод лучше всего использовать отходы щелочей гидроокиси натрия или калия, не дающие осадка. При использовании гидроокиси кальция в виде известкового молока образуется шлам, который необходимо удалять, обезвреживать и утилизировать. Нейтрализация кислых вод достигается также фильтрованием их через слой известняка, доломита, магнезита, шлака или золы.
Для нейтрализации щелочных вод используется отработанная серная кислота. Высокоэффективным методом нейтрализации щелочных вод является продувка через них газовых выбросов, содержащих оксиды серы, углерода,
Раздел 3. Водная среда города 99
азота и другие кислотообразующие окислы. Таким образом обеспечивается одновременно эффективная очистка дымовых газов.
Реагентная обработка применяется для очистки вод от цианидов, роданидов, ионов тяжелых металлов и ряда других примесей. Вид применяемого реагента определяется составом примесей, подлежащих удалению из воды. Так, разложение цианидов достигается обработкой воды жидким хлором или веществами, выделяющими активный хлор, хлорной известью, гипохлоридом кальция или натрия.
Окислением удается добиться деструкции таких соединений, как альдегиды, фенолы, анилиновые красители, серосодержащие органические вещества и др. В качестве окислителей применяют кислород, озон, перекись водорода, пиролюзит. В процессе окисления происходит разложение вредных примесей до простых окислов или образование соединений, поддающихся биохимическому разложению.
Извлечение из воды ионов ртути, хрома, кадмия, свинца, никеля, меди, мышьяка основано на переводе их из раствора в нерастворимый осадок. С этой целью очищаемую воду обрабатывают соединениями натрия или кальция сульфитом, бисульфитом или сульфидом, карбонатами или гидроокисью. Образующийся шлам удаляют, утилизируют или складируют.
Одним из высокоэффективных методов очистки является ионный обмен, который представляет собой процесс взаимодействия очищаемой жидкости с зернистым материалом, обладающим способностью заменять ионы, находящиеся на поверхности зерен, на ионы противоположного заряда, содержащиеся в растворе. Такие материалы называются ионитами. Ионитными свойствами обладают природные минералы цеолиты, апатиты, полевые шпаты, слюда, различные глины. Синтезировано большое число высокоэффективных ионитов, обладающих селективными свойствами. К ним относятся силикагели, алюмогели, пермутиты, сульфоугли и ионообменные смолы синтетические высокомолекулярные органические соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Иониты не растворяются в воде, обладают достаточной механической прочностью, обеспечивают возможность их регенерации с получением ценных веществ, извлекаемых из очищаемых вод. Существуют ионообменные установки периодического и непрерывного действия (рис. 3.13). Установки периодического действия работают как фильтры с зернистой загрузкой в виде гранул ионитов. При насыщении поверхности гранул ионами вещества, извлекаемого из воды, производится их регенерация слабым раствором (28%) щелочи или кислоты. В установках непрерывного действия гранулы ионитов и очищаемая жидкость движутся противотоком, постоянно перемешиваясь. В процессе работы часть гранул подаются на регенерацию и заменяются новыми. Благодаря высокой механической прочности и способности к регенерации гранулы ионитов имеют довольно продолжительный срок службы. Ионный обмен является, по существу, универсальным методом очистки вод. Для извлечения практически любого вещества из воды можно подобрать соответствующий ионит или группу ионитов. Эффективность ионообменной очистки достигает 9599%.
100 Экология города


Рис. 3.13. Установки ионообменной очистки:
А периодического действия;
Б непрерывного действия
1 загрязненная вода; 2 гранулы ионита; 3 раствор для регенерации ионита; 4 очищенная вода; 5 добавка ионита
Другим универсальным и высокоэффективным методом очистки вод является сорбция. Сорбция применяется преимущественно для очистки сточных вод, которые содержат высокотоксичные вещества, неподдающиеся биохимическому окислению. Метод сорбционной очистки основан на адгезии (прилипании) растворенных веществ поверхностью и порами сорбента вещества, обладающего разветвленной внешней и внутренней (поры) поверхностью. Наилучшим сорбентом является активированный уголь. Сорбционными свойствами обладают золы, шлаки, опилки, коксовая крошка, торф, керамзит и др. Конструкции установок сорбционной очистки аналогичны ионообменным (рис. 3.14). Высокая эффективность очистки достигается в установках с псевдосжиженным ("кипящим") слоем, когда в полую вертикальную колонну снизу под давлением подается очищаемая вода, проходящая через слой сорбента, который находится во взвешенном состоянии. Отработанный сорбент заменяется новым или регенерируется. При поддержании сорбента в "кипящем" слое, когда достигаются наилучшие условия контакта его внешней и внутренней поверхности с очищаемой жидкостью, эффективность очистки достигает 99%. Если псевдосжиженный слой слеживается, эффективность очистки резко снижается.

Рис. 3.14. Установки сорбционной очистки: А одноярусная; Б трехъярусная
1 загрязненная вода; 2 сорбент; 3 очищенная вода; 4 - отработанный сорбент; 5 чистый сорбент; 6 решетка
Раздел 3. Водная среда города 101
Флотационная очистка применяется для удаления из воды поверхностно-активных веществ (ПАВ), нефтепродуктов, жиров, смол и др. Процесс флотации заключается в сорбировании содержащихся в воде примесей поверхностью пузырьков воздуха, нагнетаемого в очищаемую жидкость. В практике очистки вод используются напорные, безнапорные, вакуумные и электрофлотационные установки. Наибольшее распространение получили напорные установки (рис. 3.15). В таких установках вода сначала насыщается воздухом под давлением, а затем подается в открытый резервуар, где происходит выделение пузырьков и сорбирование ими содержащихся в воде примесей. Иногда сжатый воздух подается в нижний слой жидкости, находящейся в резервуаре (флотаторе). Для повышения эффективности очистки воздух подается через пористые (фильтросные) пластины. При вакуумной флотации в флотаторе создается разряжение, способствующее образованию пузырьков воздуха. Для безнапорной флотации используются эрлифтные установки, которые позволяют существенно (в 24 раза) снизить затраты электроэнергии на флотационную очистку. Повышению эффективности очистки вод при флотации способствует наличие синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ). Образуемая ими густая стойкая пена повышает степень извлечения из воды эмульгированных и диспергированных примесей. При флотации одновременно достигается дегазация очищаемых вод и насыщение их кислородом.

Рис. 3.15. Установки флотационной очистки:
1 загрязненная вода; 2 сжатый воздух; 3 газгольдер; 4 флотатор; 5 очищенная вода; 6 пенный шлам
При электрофлотации образование пузырьков газа происходит вследствие электролиза воды. На аноде выделяется кислород, на катоде водород. Однако этот метод очистки из-за больших затрат электроэнергии и роста ее стоимости практически не используют. По этим же причинам все реже применяют некогда широко распространенные электрохимические методы очистки вод: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция, электродиализ. Электрохимические методы очистки основаны на пропускании постоянного электрического тока через очищаемую жидкость. Кислород, выделяемый на аноде, окисляет органические примеси. В качестве анодов используют электролитические неразлагаемые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца или рутения, наносимые на титановую основу. На катодах происходит выделение водорода и оседание ионов метал-
102 Экология города
лов с образованием нерастворимых гидроксидов. Катоды изготовляют из стали или алюминия. В процессе электролиза катионы катодов, взаимодействуя с гидроксидными группами, образуют гидроокиси в виде хлопьев. Этот процесс называется электрокоагуляцией.
Одной из разновидностей электрохимической очистки является электродиализ, который основан на разделении находящихся в растворе ионизированных веществ по отсекам, отгороженным проницаемыми мембранами (рис. 3.16). Высокий эффект достигается при использовании мембран из ионитов. Электродиализ является эффективным методом опреснения вод, в частности морской воды для последующего использования ее в питьевом водоснабжении. Установки опреснения морской воды успешно используют в Израиле, других странах Ближнего Востока. С 1973 г. в Казахстане, на полуострове Мангышлак в Каспийском море, эксплуатируется одна из крупнейших в мире установок по опреснению морской воды. Энергией ее обеспечивает построенная здесь АЭС. Электрохимические методы отличаются универсальностью, обеспечивают высокую эффективность очистки, хорошо поддаются автоматизации. Однако их недостатком, как уже отмечалось, является большой расход электроэнергии.

Рис. 3.16. Принцип работы установок электродиализа:
А с обычной пористой мембраной; Б с ионитной мембраной
Другие физико-химические методы очистки вод имеют ограниченное применение.
Экстракция извлечение из сточных вод растворенных или эмульгированных веществ с помощью экстрагента растворителя более сильного, чем вода. Например, очистка сточных вод от нефтепродуктов путем растворения их бензином с последующей его отгонкой.
Эвапорация отгон из воды летучих веществ водяным паром.
Гиперфильтрация (обратный осмос), микрофильтрация выделение из воды гидратированных ионов, молекул и других мельчайших частиц путем пропускания ее под большим давлением через мембраны, размеры отверстий которых меньше размеров извлекаемых из воды частиц. Например, обратный осмос используется для обессоливания воды.
При наличии на производстве излишков тепла, например, горячих дымовых газов, можно организовать выпаривание или испарение сточных вод. При
Раздел 3. Водная среда города 103
этом следует применять меры по охране атмосферного воздуха от испаряемых вредных веществ, таких как бенз(а)пирен и др.
Испарение сточных вод может происходить и в естественных условиях в накопителях-испарителях, представляющих собой земляные сооружения иногда гигантских размеров высотой в несколько десятков метров, диаметром в несколько километров.
3.5.5. Условия приема производственных сточных вод в городскую систему водоотведения
Производственные сточные воды, как правило, проходят очистку на самом предприятии и в дальнейшем могут быть использованы этим же предприятием, переданы для использования другому предприятию, сброшены в водный объект или по системе водоотведения направлены на общегородские очистные сооружения. Необходимая степень очистки городских сточных вод определяется условиями сброса сточных вод в водные объекты. Однако очистительные возможности общегородских очистных сооружений, основным звеном которых является комплекс биологической очистки, довольно ограничены. На сооружениях биологической очистки из сточных вод практически не извлекаются ионы тяжелых металлов, не подвергаются деструкции искусственно синтезированные органические вещества. Поэтому в составе производственных сточных вод, подаваемых на общегородские очистные сооружения, содержание веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биохимическому окислению, должно быть ограниченно или они должны отсутствовать вовсе.
Активный ил, представляющий собой определенным образом сформировавшееся сообщество микроорганизмов и который является главным "рабочим" инструментом биологической очистки, может быть уничтожен или в значительной мере поврежден под воздействием кислот, щелочей, токсичных веществ или высокой температуры. Поэтому подаваемые на биологическую очистку производственные сточные воды не должны губительно действовать на активный ил.
Кроме того, сточные воды, подаваемые в систему водоотведения, не должны вызывать разрушение и засорение канализационных коллекторов.
Исходя из этого, запрещается сбрасывать в городские системы водоотведения производственные сточные воды:
имеющие рН менее 4,0 и более 9,0;
при показателях ХПК, более чем в 2,5 раза превышающих БПК5 или более чем в 1,5 раза превышающих БПКполн, что свидетельствует о зна- чительных концентрациях в сточных водах органических соединений, неподдающихся биохимическому окислению;
содержащие токсичные и радиоактивные вещества, возбудителей инфек- ционных заболеваний, а также вещества, для которых не установлены ПДК;
с содержанием взвешенных и всплывающих веществ свыше 500 мг/л;
с температурой выше 40 °С.
104 Экология города
В городские системы водоотведения запрещается сбрасывать:
концентрированные маточные и кубовые растворы;
осадки после локальных очистных сооружений, грунт, строительный и бытовой мусор, производственные отходы;
кислоты, щелочи, растворители, смолы, бензин, мазут и другие нефте- продукты;
растворы, содержащие сероводород, сероуглерод, легколетучие углево- дороды;
вещества, способные засорять трубы, колодцы, решетки или отлагаться на стенках труб;
горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси, агрессивные газы с разрушающим коррозионным воздействием на канализационные сети и сооружения.
Сброс сточных вод промышленных предприятий в городскую систему водоотведения должен производиться равномерно в течение суток. Залповые сбросы не допускаются.
Сброс сточных вод в водные объекты после очистки на общегородских очистных сооружениях регламентируется нормативами предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ (ПДС). Учитывая ограниченные очистительные возможности общегородских очистных сооружений, управление по эксплуатации этих сооружений устанавливает для своих абонентов-предприятий, сбрасывающих сточные воды в городскую систему канализации, лимиты приема по количеству и составу промстоков. Лимиты устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить нормативные условия сброса очищенных на общегородских сооружениях сточных вод в водный объект. Для соблюдения установленных каждому предприятию лимитов производится локальная очистка производственных сточных вод, как правило, на самом предприятии. Иногда несколько предприятий организуют совместную очистку своих сточных вод.
3.5.6. Условия сброса сточных вод в водные объекты
Сброс сточных вод в водные объекты относится к одному из видов специального водопользования и осуществляется на основе разрешения, выдаваемого местными органами экологической безопасности (разд. 10.2). Отведение сточных вод в водные объекты регламентируется нормами предельно допустимых сбросов веществ (ПДС). ПДС это максимально допустимая масса вещества, отводимая со сточными водами в единицу времени, которая позволяет обеспечить соблюдение норм качества воды в контрольном створе водного объекта для наихудших условий водопользования. ПДС устанавливается для каждого выпуска сточных вод в водный объект. ПДС для каждого показателя качества воды определяется как произведение максимального часового расхода сточных вод на его предельно допустимое значение:
Раздел 3. Водная среда города 105
ПДС = Qcт СПДС,
где СПДС предельно допустимое значение показателя, г/м3; Qcт максимальный часовой расход сточных вод, м3/час.
Расчет СПДС базируется на следующих методологических положениях:
1) СПДС рассчитывается для наихудших условий водопользования. Они характеризуются следующими параметрами:
расчетный расход водотока соответствует максимальному среднеме- сячному расходу года 95% водной обеспеченности для незарегулиро- ванных водотоков или минимальному гарантированному расходу че- рез плотину для зарегулированных;
значение показателя в фоновом створе (фоновая концентрация) опре-
деляется расчетным путем как статистически обоснованная верхняя граница возможных средних значений;
нормы качества воды в контрольном створе должны соблюдаться в наиболее загрязненной части потока;
в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения возвратными водами» (1999) ПДС устанавливаются для определения необхо- димой степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водные объекты при условии соблюдения нормативов экологической безопасности водопользова- ния (разд. 3.3.2);
если фоновая концентрация по каким-либо показателям не удовлетво- ряет нормам качества воды, то СПДС должно быть обеспечено непосредствен но в сточной воде;
расчетная величина СПДС не должна превышать фактически достигну- тую (проектную) величину концентрации;
выпуск сточных вод в пределах черты населенного пункта допускается в исключительных случаях, в этом случае экологические нормы качества воды должны соблюдаться в самих сточных водах;
в соответствии с Правилами (1999) для городских сточных вод, прошед- ших полную биологическую очистку, установлены следующие СПДС: БПК5 не более 15 r/м3, ХПК не более 80 г/м3, взвешенных веществ не более 15 г/м3; сброс остальных загрязняющих веществ нормируется исходя из усло- вий соблюдения достигнутой категории качества воды водного объекта;
если сброс сточных вод происходит в пределах черты населенного пунк- та, но осуществляется через эффективный рассеивающий выпуск, то ПДС должен обеспечить соблюдение норм качества воды в зоне начального раз- бавления рассеивающего выпуска;
если природное качество водного объекта (природный фон) по отдель- ным показателям превышает ПДК, то величины ПДС должны обеспечивать сохранение фонового состояния водного объекта.
Исходными данными для расчета ПДС являются: тип водного объекта приемника сточных вод; расчетное значение фоновой концентрации; кратности разбавления сточных вод, соответствующие наихудшим гидрологичес-
106 Экология города
ким условиям; тип выпуска сточных вод; место расположения выпуска; фактические (проектные) значения концентрации в сточной воде; утвержденный максимальный часовой расход сточных вод.
В качестве примера рассмотрим методику расчета СПДС для сосредоточенного выпуска промышленного предприятия, расположенного в пределах черты населенного пункта. Сброс сточных вод осуществляется в водоток.
В соответствии с методическим положением 5) нормы качества воды должны соблюдаться в самой сточной воде. В соответствии с методическим положением 2) эти нормы должны соответствовать требованиям экологической безопасности коммунально-бытового водопользования. Согласно этим нормам в сточной воде должны выполняться следующие условия:
а) величина БПКполн, ХПК, минерализации и концентрации для веществ 3 и 4 классов опасности должны соответствовать нормативным значениям, приведенным в «Общих требованиях к качеству поверхностных вод» (ОТ) и в перечне предельно допустимых концентраций веществ, приведенном в «Санитарных правилах и нормах охраны поверхностных вод от загрязнения» (СанПиН 4630-88), т.е. 13 EMBED Equation.3 1415 = ОТ или 13 EMBED Equation.3 1415 = ПДК, где 13 EMBED Equation.3 1415 - расчетная концентрация, установленная для ПДС.
В соответствии с методическим положением 4) величина СПДС не должна превышать фактически достигнутую (проектную) концентрацию (ССТ) нормируемого вещества в сбрасываемых сточных водах:
СПДС
· ССТ . (3.1)
Исходя из этого, можно записать:
СПДС = min [ПДК(ОТ), ССТi];
б) для веществ 1 и 2 классов опасности нормы качества будут соблюдены в самой сточной воде, если выполняется соотношение:

(3.2)

13 EMBED Equation.3 1415

Очевидно, что для каждого вещества СПДС составляет долю своего ПДК, т.е.:
СПДС = Кi ПДКi ;
(3.3)

где Кi < 1.
Ограничение (3.1) может быть приведено к виду:

(3.4)

13 EMBED Equation.3 1415
Из (3.2) следует, что
13 EMBED Equation.3 1415 (3.5)
если это условие не противоречит соотношению (3.4).
Раздел 3. Водная среда города 107
Таким образом, значения СПДС определяются соотношением (3.3), в котором значения Ki должны удовлетворять ограничениям (3.4) и (3.5). С учетом этих ограничений величины Ki должны подбираться таким образом, чтобы достижение норм ПДС требовало минимальных затрат.
3.6. Поверхностный сток с городской территории и территорий промышленных предприятий
Поверхностный сток с территорий городов и промышленных площадок является существенным источником загрязнения и засорения водных объектов. Установлено, что в урбанизированных зонах с развитым агропромышленным сектором с поверхностным стоком в водные объекты поступает более 80% загрязняющих веществ. Контроль за отведением загрязненного поверхностного стока регламентируется Государственным стандартом Украины ДСТУ 301395 "Правила контроля за отведением дождевых и снеговых сточных вод с территорий городов и промышленных предприятий".
Поверхностный сток включает в себя дождевые, снеговые и поливомоечные сточные воды. Он бывает организованным и неорганизованным. Организованный поверхностный сток собирается с водосборной территории посредством специальных лотков и каналов и поступает в сети канализации или прямо в водный объект через выпуски ливневых вод. Неорганизованный поверхностный сток стекает в водный объект по рельефу местности.
Основными источниками загрязнения поверхностного стока на городских территориях являются:
мусор с поверхности покрытий;
продукты разрушения дорожных покрытий;
продукты эрозии грунтовых поверхностей;
выбросы веществ в атмосферу промышленными предприятиями, авто- транспортом, отопительными системами;
проливы нефтепродуктов на поверхности покрытий;
потери сыпучих и жидких продуктов, сырья, полуфабрикатов;
площадки для сбора бытового мусора.
Наиболее высокий уровень загрязнения поверхностного стока наблюдается на территориях крупных торговых центров, автомагистралях с интенсивным движением транспорта, территориях промышленных и автотранспортных предприятий, неупорядоченных строительных площадках.
Формирование поверхностного стока происходит под воздействием комплекса природных (атмосферные осадки, испарение, фильтрация, задержа-
108
Экология города
ние влаги растениями) и антропогенных (использование водосборной территории, применение искусственных покрытий, технология мойки искусственных покрытий) факторов. Специфические особенности поверхностного стока, связанные с эпизодичностью его поступления, резкими изменениями расхода и уровня загрязнения, изменчивостью состава загрязняющих веществ, значительно затрудняют контроль и регламентацию поступления его в городские системы водоотведения или в водные объекты.
Контроль состава поверхностного стока осуществляют путем анализа проб, которые отбирают из дождевой или промышленно-дождевой сети. Отбор проб производят порционно. Для получения детальной информации о составе поверхностного стока производится анализ каждой отобранной пробы. Для дождевых вод интервал между отбором проб в начале дождя равняется 510 мин., а в последующий период 2030 мин. Ориентировочные данные о составе дождевых вод получают путем анализа усредненной за период дождя пробы. При этом пробы отбирают через равные промежутки времени, а объемы последовательно отбираемых проб должны быть пропорциональны расходу дождевых вод. Для снеговых вод пробы отбирают в дни снеготаяния между 12 и 14 часами с интервалом в 30 мин. Результаты контроля используют для оценки выноса загрязняющих веществ с поверхностным стоком.
Оценку выноса веществ с поверхностным стоком производят на основе ориентировочных данных о составе и количестве поверхностного стока. Для организованного поверхностного стока используют данные измерений расхода сбросных вод и результаты анализа проб. Для неорганизованного поверхностного стока, а также при невозможности организовать необходимые измерения расход поверхностного стока определяют расчетным путем, а концентрации веществ в поверхностном стоке принимают на основании обобщенной количественной характеристики каждой составляющей поверхностного стока.
Ориентировочные обобщенные данные о составе поверхностного стока с городских территорий приведены в таблицах 3.9 и 3.10.
Таблица 3.9. Осредненные показатели состава поверхностного стока
с территории города

Показатель
Концентрация сточных вод, г/м3



дождевые воды
снеговые воды
поливомоечные воды

Взвешенные вещества Минеральный состав ХПК
БПК5
Нефтепродукты
1000 – 2000
300
400 – 600
50 – 100
10 – 15
2000 – 4000

750 – 1500
100 – 300
30– 40
3000 – 5000


200 (БПКполн)


Раздел 3. Водная среда города
109
Таблица 3.10. Среднее содержание взвешенных веществ
в поверхностном стоке с территории города в зависимости
от характеристики водосборного бассейна

Характеристика водосборного бассейна
Содержание взвешенных веществ, г/м3



дождевой сток
снеговой сток

Современная жилая застройка
Недостаточно благоустроенные территории с преобладанием усадебной застройки
Центральные благоустроенные районы города с интенсивным дорожным движением
Жилая застройка с высоким уровнем благоустройства и регулярной механизированной уборкой дорожных покрытий
Районы, включающие крупные промышленные предприятия и жилые кварталы
Строительные площадки, жилые районы на территории, подверженной эрозии
1400 – 1500


1800 – 2500


1700 – 2200

300 – 1000 1700 – 2500 4000 – 6000
2500


2000
3000

отсутствие за счет уборки и вывоза снега

4000




Состав поверхностного стока с территории промышленных предприятий определяется характером основных технологических процессов, эффективностью работы систем пыле- и газоулавливания, организацией складирования и транспортирования сырья и отходов производства, санитарным состоянием территории. Для обеспечения нормального производственного процесса на территории промышленных предприятий должны организовываться своевременная уборка и вывоз снега. Основным видом поверхностного стока в этом случае являются дождевые сточные воды. В зависимости от состава накапливающихся на территории промплощадок и смываемых поверхностным стоком веществ промышленные предприятия делят на две группы. К первой группе относят предприятия, поверхностный сток с территории которых не содержит специфических веществ с токсичными свойствами и близок по своему составу к дождевому стоку с районов жилой застройки. К этой группе относят предприятия энергетической отрасли, черной металлургии (кроме коксохимических производств), машиностроения, металлообрабатывающие и нефтеперерабатывающие заводы, приборостроительные заводы, предприятия легкой, пищевой, электротехнической отраслей промышленности. Остальные предприятия относятся ко второй группе и характеризуются наличием в поверхностном стоке со своей территории большого количества органических примесей и специфических веществ. Ориентировочный состав поверхностного стока с территории промышленных предприятий приведен в табл. 3.11.
110
Экология города
Таблица 3.11. Усредненные показатели состава дождевого стока с территорий промышленных предприятий

Показатель
Содержание в дождевом стоке с территории предприятий, г/м3



1-й группы
2-й группы

Взвешенные вещества
БПК5:
в пересчете на растворенные вещества
с учетом диспергированных веществ
ХПК:
в пересчете на растворенные вещества
с учетом диспергированных веществ
Нефтепродукты:
при интенсивном движении автотранспорта
для нефтяной отрасли Минеральный состав
500 – 2000


20– 30
40– 60


100 – 200

200 – 600
10 – 30

30 – 70
до 500
200 – 500
2000 – 4000


40– 90
80 – 180





18 – 25





В поверхностном стоке с территории предприятий второй группы содержатся также специфические токсические вещества, такие как тяжелые металлы, фенолы, фтор, мышьяк, роданиды, аммиак и другие. Наличие специфических веществ определяется технологией производства.
Для того чтобы определить количество веществ, поступающих в водный объект с поверхностным стоком, необходимо знать его состав и расход. Количество дождевых и снеговых вод зависит от количества выпавших атмосферных осадков и характеристик водосборной территории. Объем поливомоечных вод определяется принятой технологией мойки и площадью обрабатываемых покрытий. Не все выпавшие атмосферные осадки и воды, образующиеся после мойки площадей, улиц и автодорог, попадают в водный объект. Часть атмосферных осадков перехватывается верхними ярусами растительного покрова и не достигает поверхности земли. Попавшие на водосборную площадь осадки и поливомоечные воды стекают по склону местности в водный объект, по пути, задерживаясь в неровностях рельефа, испаряются, просачиваются в почву и грунтовые воды. Возможные потери атмосферных осадков и поливомоечных вод на пути к водному объекту представлены на рис. 3.17. Оставшаяся часть поверхностных сточных вод составляет общий слой поверхностного стока. Для учета потерь поверхностных сточных вод на водосборной площади используется понятие коэффициента стока (
·). Этот коэффициент численно равен отношению количества
Раздел 3. Водная среда города 111
воды, стекающей с поверхностным стоком в водный объект с единицы площади в единицу времени, к количеству попавших на единицу площади в единицу времени осадков и поливомоечных вод. Величина коэффициента стока для поливомоечных сточных вод принимается равной
· = 0,6. Для дождевых и снеговых сточных вод эта величина зависит от характеристик поверхности водосборной территории. Значения коэффициентов стока для основных типов поверхности приведены в табл. 3.12.

Рис. 3.17. Потери атмосферных осадков и поливомоечных вод в процессе формирования поверхностного стока
Таблица 3.12. Значения коэффициентов стока

Вид водосборной поверхности
Величина коэффициента стока



дождевой сток
снеговой сток

Застроенные территории Незастроенные территории
Парки, гравийные покрытия Водонепроницаемые поверхности Грунтовые поверхности
Газоны, зеленые насаждения
0,6
0,3
0,3
0,6 – 0,8
0,2
0,1
0,6
0,6
0,6
0,91 – 0,95
0,6
0,2

Значение коэффициента стока для водосборного бассейна рассчитывается как средневзвешенное для всей площади по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415
где
·i весовые коэффициенты, равные по величине отношению площади, занимаемой данным видом покрытия, к общей водосборной площади;
·i коэффициенты стока для разных видов покрытий.
112
Экология города
При ориентировочных расчетах количества поверхностного стока с территории небольших городов или поселков величина коэффициента стока для дождевых и снеговых вод может приниматься в пределах 0,30,4 и 0,50,7 соответственно.
Объем дождевых или снеговых вод за год рассчитывается по формуле:
W = 10
· F H, м3/год,
где
· коэффициент стока дождевых или снеговых вод; F площадь водосборной территории, га; Н слой осадков за теплый или холодный период года соответственно, мм.
Объем поливомоечных сточных вод определяется по формуле: W = 10 т k Fm
·, м3/год,
где т расход воды на мойку единицы площади, л/м2; k количество моек в году; Fm площадь обрабатываемых покрытий, га;
· коэффициент стока поливомоечных сточных вод.
Значения всех параметров, входящих в эту формулу, определяются в соответствии со следующими нормативами:
на мойку 1 м2 площади расходуется от 1,2 до 1,5 литров воды;
количество моек для условий города составляет от 50 до 150 за год;
площадь покрытий, нуждающихся в мойке, составляет 20% от всей тер- ритории города;
коэффициент стока поливомоечных сточных вод принимается равным 0,6.
Если на водосборной территории расположены большие парки или участки лесных массивов, проявляется эффект задержания части атмосферных осадков растительным покровом. В этом случае объем поверхностного стока уменьшается. Расчет количества задержанных атмосферных осадков производится по абсолютным нормам задержания, приведенным в табл. 3.13.
Таблица 3.13. Абсолютные нормы задержания атмосферных осадков древесной растительностью

Вид растительности
Слой задержанных атмосферных осадков Нз, мм



Месяцы



1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
за год

Хвойный лес Лиственный лес
10
1
10
1
10
1
18
4
19 10
20 11
25 14
22 12
17
8
16
6
12
4
10
2
189
79

Слой выпавших атмосферных осадков корректируется на величину задержанных осадков с учетом соотношения площадей, занятых различными видами деревьев, и всей водосборной площади. Объем дождевых или снеговых сточных вод определяется в этом случае по формуле:
Раздел 3. Водная среда города 113
W = 10
· F (H H3), м3/год,
где
· коэффициент стока; F водосборная площадь, га; H и H3 слои выпавших и задержанных осадков соответственно, мм.
Общий объем поверхностного стока с водосборной территории за год определяется как сумма составляющих:
W = WД + WС + WПМ ,
где WД , WС и WПМ объемы дождевых, снеговых и поливомоечных сточных вод соответственно.
Суммарное значение годового выноса веществ с поверхностным стоком рассчитывается как
G = WД CД + WС CС + WПМ CПМ ,
где CД, CС и CПМ концентрации веществ в дождевых, снеговых и поливомоечных сточных водах соответственно, г/м3.
3.7. Процессы формирования качества поверхностных вод
Качество воды является следствием двух основных процессов поступления веществ из внешних по отношению к данному водному объекту источников и внутриводоемных изменений, происходящих с веществами вследствие функционирования водных экосистем. Поскольку экосистема это единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, живые и косные его компоненты связаны обменом вещества и энергии. Таким образом, в водной экосистеме совместно функционируют биотическое сообщество и неживая природа, причем неживая природа является источником веществ и энергии, необходимых для существования биоты. Попадая в водный объект, вещества становятся элементами водных экосистем и включаются в основные процессы, происходящие в них. Прежде всего, это процессы трансформации вещества. Трансформация вещества может осуществляться физическим, химическим и биологическим путем. Поступающие в водные объекты вещества вносят изменения в их газовый и солевой режимы, что может привести к нарушению равновесия экосистем. В результате процессов трансформации поступивших веществ в водном объекте может происходить восстановление его первоначального состояния или осуществляться переход в другое устойчивое состояние. Процессы, в результате которых восстанавливается фоновое состояние водного объекта, называются процессами самоочищения. Самоочищение это первый из процессов, формирующих качество воды в водном объекте. Основным поставщиком вещества и энергии является водная масса. Вторым процессом, влияющим на формирование качества воды, является перенос вещества и энергии водным потоком. В силу присущих водному потоку физических особенностей в нем происходит непре-
114 Экология города
рывное перераспределение вещества и энергии, обусловленное процессами перемешивания. Процесс формирования качества воды в водном объекте можно представить следующим образом:
растворенные и взвешенные вещества поступают в водный объект из сосредоточенных или диффузных источников;
под влиянием гидравлических факторов (перенос и перемешивание) происходит количественное перераспределение веществ в водном потоке;
под влиянием физических, химических и биологических факторов про- исходит качественная трансформация веществ.
Отметим, что способность подвергаться качественному изменению присуща не всем веществам. Вещества, которые не подвержены процессам химико-биологической трансформации, получили наименование консервативных, а противоположные им по свойствам вещества называют неконсервативными. Количественной характеристикой способности веществ подвергаться химико-биологической трансформации является коэффициент неконсервативности (k), который, по определению, является величиной, пропорциональной скорости изменения концентрации вещества. В зависимости от его величины все неконсервативные вещества делятся на легко окисляемые биологически мягкие вещества (k>0,13 1/сут.), трудно окисляемые биологически жесткие вещества (k<0,025 1/сут.) и промежуточные вещества (0,025
·k
·0,13 1/сут.). Величина коэффициента неконсервативности зависит от свойств вещества, гидродинамических характеристик потока и условий внешней среды.
3.7.1. Гидравлические процессы формирования качества воды
Вода является той физической средой, в которой водная экосистема осуществляет круговорот вещества и энергии. Кроме того, для консервативных веществ гидравлические процессы являются единственными из внутриводоемных, влияющими на их концентрацию.
При расчете переноса веществ и тепла потоками природных вод обычно исходят из представления о пассивности примеси, то есть предполагают, что наличие примеси не оказывает влияния на движение воды и интенсивность перемешивания. Характер переноса вещества потоком зависит от вида движения жидкости, который в свою очередь определяется типом водного объекта и его гидравлическими характеристиками. В водотоках существенную роль в формировании качества воды играет конвективный перенос. Для водоемов этот процесс характерен только при наличии ярко выраженных стоковых течений (водохранилища, проточные озера). В этом случае ход внутриводоемных процессов во многом определяется степенью проточности водоема. Количественной характеристикой степени проточности является время водообмена, т.е. период, за который происходит полная замена воды водоема водами притоков. Чаще всего в инженерной практике используется понятие условного времени водообмена:
Раздел 3. Водная среда города 115
13 EMBED Equation.3 1415

где W объем водоема, м3; Qeыm расход вытекающей из водоема воды, м3/год.
Условное время водообмена определяет период водообмена при отсутствии смешения вод притоков с водой водоема. В реальных условиях в проточных водоемах происходит не только вытеснение воды, но и частичное (или полное) перемешивание вод притоков с водой водоемов, поэтому реальное время водообмена больше, чем условное.
Реальные водотоки являются безнапорными турбулентными потоками, движение воды в которых в установившихся условиях имеет неравномерный характер. Это объясняется непризматическим характером русл реальных водотоков. Однако расчетные зависимости для неравномерных потоков достаточно сложны и неудобны в практическом использовании. Поэтому в инженерно-экологических расчетах принимают, что на отдельных участках водотоков движение воды имеет равномерный характер. При этом участок естественного неправильного русла заменяют каким-либо призматическим, а уклон дна принимают равным уклону свободной поверхности или осредненному уклону дна реального русла. В этом случае для переноса вещества потоком могут быть использованы достаточно простые методы на основе уравнения неразрывности и формулы Шези.
Более сложной задачей является учет эффекта турбулентности. Отличительной чертой турбулентного режима течений является пульсация скоростей, то есть непрерывное их изменение в каждой точке потока по величине и направлению. Основными источниками возникновения турбулентности являются зоны разрыва скоростей, то есть такие области, где наблюдается резкий скачок скоростей между прилегающими слоями жидкости. Пульсационное движение обусловливает обмен между соседними слоями жидкости. Этот процесс получил название турбулентного перемешивания. Турбулентное перемешивание всегда направлено на выравнивание концентраций или температур. Поскольку этот процесс по своему результату аналогичен процессу молекулярной диффузии, то турбулентное перемешивание называют также турбулентной диффузией. От молекулярной диффузии этот процесс отличается природой (источник молекулярной диффузии тепловое движение молекул, а турбулентной пульсации скоростей) и масштабом (масштаб молекулярной диффузии порядка 10-8м, а турбулентной порядка сантиметров).
Количественные закономерности переноса вещества турбулентным потоком описываются с помощью полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:

13 EMBED Equation.3 1415
где С концентрация вещества, г/м3; vx, vy, vz проекции средней скорости на оси координат, м/с; Dx, Dy, Dz, значения коэффициентов турбулентной диффузии, м2/с; х координата, направленная вдоль оси потока; у координата, направленная поперек потока; z координата, направленная от дна к поверхности.
116 Экология города
Приведенное уравнение описывает закономерности турбулентного переноса вещества при неустановившемся режиме течения для любых типов водных объектов. Использование этого уравнения для конкретных типов водных объектов обычно сопровождается его упрощением за счет отбрасывания малозначащих членов. Например, для нешироких водотоков уравнение турбулентной диффузии сводится к виду:
13 EMBED Equation.3 1415
Это уравнение получило название уравнения продольной дисперсии, а входящий в него коэффициент D называют коэффициентом продольной дисперсии. Его величина определяется на основе экспериментальных данных или по эмпирическим формулам. Концентрация С и скорость v интерпретируются как средние по живому сечению потока значения.
Турбулентная диффузия приводит к перемешиванию загрязненных струй жидкости со смежными, более чистыми. Результатом этого процесса является разбавление сточных вод основным потоком. Разбавление действует одинаково как на консервативные, так и на неконсервативные вещества. Интенсивность и характер перемешивания сточных вод с водой водных объектов зависит от гидравлических характеристик водного объекта, количества и способа поступления сточных вод. Способ поступления сточных вод определяется типом выпуска.
Наименее эффективными с точки зрения разбавления являются береговые выпуски. Более эффективны русловые выпуски. Они представляют собой трубопроводы, выводимые непосредственно в русло в местах наиболее интенсивного течения. Трубопровод оканчивается одним или несколькими оголовками. Наиболее эффективным типом руслового выпуска является рассеивающий выпуск. Он представляет собой трубу-распределитель, имеющую несколько оголовков, расположенных вдоль трубы.
Для количественной оценки процесса разбавления используют различные методы. К числу наиболее употребляемых относятся метод Фролова-Родзиллера для водотоков, метод Руффеля для водоемов и метод Кара-ушева, имеющий универсальный характер.
Метод Фролова-Родзиллера дает возможность определить концентрацию вещества в максимально загрязненной струе на заданном расстоянии от выпуска сточных вод по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415
где Стах концентрация вещества в максимально загрязненной струе, г/м3; Сф концентрация вещества в воде выше выпуска сточных вод (фоновая концентрация), г/м3; Сст концентрация вещества в сточной воде, г/м3; п кратность разбавления сточных вод на заданном расстоянии от выпуска.
Раздел 3. Водная среда города 117
Кратность разбавления сточных вод определяется как произведение основного и начального разбавления:
п = по пн ,
где п кратность разбавления, по кратность основного разбавления, пн кратность начального разбавления.
Кратность основного разбавления определяется по методу Фролова, кратность начального разбавления по методу Лапшова. Метод Руффеля используется для оценки разбавления сточных вод, сбрасываемых через углубленные сосредоточенные выпуски в водоемы с преобладающим ветровым течением. Метод Караушева базируется на уравнении турбулентной диффузии. Он позволяет получить пространственную картину распределения концентрации для любых типов водных объектов.
3.7.2. Самоочищение водных объектов
Между компонентами водной экосистемы в процессе ее функционирования непрерывно происходит обмен веществом и энергией. Этот обмен носит циклический характер различной степени замкнутости, сопровождаясь трансформацией вещества под воздействием физических, химических и биологических факторов. В ходе трансформации может происходить постепенное разложение сложных веществ до простых, а простые вещества могут синтезироваться в сложные. В зависимости от интенсивности внешнего воздействия на водную экосистему и характера протекания процессов происходит либо восстановление водной экосистемы до фоновых состояний (самоочищение), либо водная экосистема переходит к другому устойчивому состоянию, которое будет характеризоваться уже иными количественными и качественными показателями биотических и абиотических компонент. В случае, если внешнее воздействие превысит саморегулирующие возможности водной экосистемы, может произойти ее разрушение. Самоочищение водных экосистем является следствием способности к саморегулированию. Поступление веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосистема способна противостоять в определенных пределах посредством внутрисистемных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы. Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов резервного, образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и обменного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом между организмами и средой их обитания. Все биохимические круговороты можно разделить на два основных типа с резервным фондом в атмосфере (например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).
Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества возвращаются в свой резервный фонд.
118 Экология города
Трансформация веществ есть результат различных одновременно действующих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и биологические механизмы. Величина вклада каждого из механизмов зависит от свойств примеси и особенностей конкретной экосистемы.
Физические механизмы самоочищения. Газообмен на границе раздела "атмосфера-вода". Благодаря этому процессу осуществляется поступление в водный объект веществ, имеющих резервный фонд в атмосфере, и возврат этих веществ из водного объекта в резервный фонд. Одним из важных частных случаев газообмена является процесс атмосферной реаэрации, благодаря которому происходит поступление в водный объект значительной части кислорода. Интенсивность и направление газообмена определяются отклонением концентрации газа в воде от концентрации насыщения Сs Величина концентрации насыщения зависит от природы вещества и физических условий в водном объекте температуры и давления. При концентрациях, больших Cs, газ улетучивается в атмосферу, а при концентрациях, меньших Cs, газ поглощается водной массой.
Сорбция поглощение примесей взвешенными веществами, донными отложениями и поверхностями тел гидробионтов. Наиболее энергично сорбируются коллоидные частицы и органические вещества, находящиеся в недиссоциированном молекулярном состоянии. В основе процесса лежит явление адсорбции. Скорость накопления вещества в единице массы сорбента пропорциональна его ненасыщенности по данному веществу и концентрации вещества в воде и обратно пропорциональна содержанию вещества в сорбенте. Примерами нормируемых веществ, подверженных сорбции, являются тяжелые металлы и СПАВ.
Осаждение и взмучивание. Водные объекты всегда содержат некоторое количество взвешенных веществ неорганического и органического происхождения. Осаждение характеризуется способностью взвешенных частиц выпадать на дно под действием силы тяжести. Процесс перехода частиц из донных отложений во взвешенное состояние называется взмучиванием. Он происходит под действием вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.
Химические механизмы самоочищения. Фотолиз превращение молекул вещества под действием поглощаемого ими света. Частными случаями фотолиза являются фотохимическая диссоциация распад частиц на несколько более простых и фотоионизация превращение молекул в ионы. Из общего количества солнечной радиации порядка 1% используется в фотосинтезе, от 5% до 30% отражается водной поверхностью. Основная же часть солнечной энергии преобразуется в тепло и участвует в фотохимических реакциях. Наиболее действенной частью солнечного света является ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение поглощается в слое воде толщиной порядка 10 см, однако благодаря турбулентному перемешиванию может проникать и в более глубокие слои водных объектов. Количество вещества, подвергшегося действию фотолиза, зависит от вида вещества и его концентрации в воде. Из веществ, поступающих в водные объекты, относительно быстрому фотохимическому разложению поддаются гумусные вещества.
Раздел 3. Водная среда города 119
Гидролиз реакция ионного обмена между различными веществами и водой. Гидролиз является одним из ведущих факторов химического превращения веществ в водных объектах. Количественной характеристикой этого процесса является степень гидролиза, под которой понимают отношение гидролизированной части молекул к общей концентрации соли. Для большинства солей она составляет несколько процентов и повышается с увеличением разбавления и температуры воды. Гидролизу подвержены и органические вещества. При этом гидролитическое расщепление чаще всего происходит по связи атома углерода с другими атомами.
Биохимическое самоочищение является следствием трансформации веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация веществ происходит в результате их включения в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.
Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она определяет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом новообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланктон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформируется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.
Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция две важнейшие стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах. Характер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следовательно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в различных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта существуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся сообществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой условий существования при переходе от поверхности к глубине и от прибрежных зон к открытым частям.
В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин вертикальная зональность не выражена. По живому сечению потока различают рипаль прибрежную зону и медиаль открытую зону, соответствующую стрежню реки. Для рипали характерны невысокие скорости течения, заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидробионтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, население количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характерна обратная картина.
120 Экология города
Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочищения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ, процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны интенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ.
В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в водотоках. В водоемах по горизонтальному профилю выделяют литораль зону прибрежных мелководий и пелагиаль (лимническая зона) зону открытой воды. В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали выделяют три зоны эпилимнион, металимнион и гиполимнион. Мета-лимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и гиполимнион. Он характеризуется резким снижением температуры воды (1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион. Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной радиации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глубина, при которой продукция становится равной деструкции, называется компенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где преобладают продукционные процессы, а ниже трофолитическая, где преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион и гиполимнион.
В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, заполненной водами гиполимниона.
Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фотосинтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции веществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто наблюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов самоочищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.
Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органического вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внутриводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных экологических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвт-рофированию подвержены практически любые водные объекты, однако наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов является природным процессом, его развитие оценивается геологическим масштабом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, является уменьшение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий. Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизированных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных признаков, присущих городским водным объектам.
Раздел 3. Водная среда города
121
Трофность водного объекта соответствует уровню поступления органического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и, таким образом, является выражением совместного действия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уровню трофности выделяют два крайних типа водных объектов олиготрофные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов приведены в табл. 3.14.
Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов

Характеристика
Состояние водоема


олиготрофное
эвтрофное

Физико-химические характеристики

Концентрация растворенного кислорода
Высокая
Низкая

в гиполимнионе



Концентрация биогенных элементов
Низкая
Высокая

Концентрация взвешенных веществ
Низкая
Высокая

Проникновение света
Хорошее
Плохое

Глубина
Большая
Небольшая

Биологические характеристики

Продуктивность
Низкая
Высокая

Разнообразие видов гидробионтов
Небольшое
Большое

Фитопланктон:



биомасса
Небольшая
Большая

суточные миграции
Интенсивные
Ограниченные

цветение
Редкое
Частое

характерные группы
Диатомовые,
Зеленые, сине-


зеленые водоросли
зеленые водоросли

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования является заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследствие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стимулирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества. Результатом этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития альгофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее влияние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирования. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в достаточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования. Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для водотоков азот.
Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осуществляется по поступлению органического вещества. Поскольку указанный
122 Экология города
параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов трофического уровня используют другие характеристики водной экосистемы, тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в качестве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, концентрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кислорода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фитопланктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных экосистем. Поэтому экологическое состояние большинства водоемов определяется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и биологических факторов среды обитания.
Физические факторы эвтрофирования. Освещенность. Зависимость первичной продукции от освещенности приведена на рис. 3.18. Проникновение света в толщу воды определяется рядом факторов. Падающий свет поглощается самой водой и растворенными в ней окрашенными веществами, рассеивается находящимися в воде взвешенными веществами. Глубина, на которой освещенность составляет 5% от освещенности на поверхности, называется эвфотным горизонтом. Выше эвфотного горизонта располагается эвфотная зона. Изменение первичной продукции по глубине зависит от изменения освещенности. В летние месяцы возможно смещение максимума продуктивности в глубину. Это объясняется избыточной освещенностью на поверхности, приводящей к угнетению фитопланктона, вследствие чего наилучшие условия для его существования создаются в более глубоких слоях.
Рис. 3.18. Зависимость валовой Рис. 3.19. Зависимость валовой
первичной продукции первичной продукции
от освещенности от температуры
Температура оказывает влияние на физические и биологические процессы эвтрофирования. Она определяет степень насыщения воды кислородом, температурный профиль оказывает влияние на интенсивность вертикальной турбулентности и таким образом влияет на перенос биогенов из придонных областей в эпилимнион. Температура также оказывает влияние на величину первичной продукции (рис. 3.19). Значение оптимальной температуры меняется в зависимости от вида организмов, но в большинстве случаев лежит в диапазоне 2025 °С.

Раздел 3. Водная среда города 123
Скорость потока. Величина скорости оказывает влияние на жизнедеятельность гидробионтов. При значениях скоростей, равных так называемой лимитирующей скорости, начинается процесс угнетения гидробионтов, а увеличение скорости до значений больше критических приводит к гибели гидробионтов (рис. 3.20).
Химические факторы эвтрофирования. Растворенный кислород (РК). Низкая концентрация РК в воде приводит к развитию анаэробных процессов. В этом случае основным источником продуцирования становятся анаэробные процессы ферментации, которые приводят к выделению в воду метана и сероводорода. Концентрация РК изменяется как с глубиной, так и в течение суточного цикла. В дневное время в трофогенном слое происходит увеличение концентрации РК. Однако в темное время суток фотосинтетическая деятельность отсутствует и происходит только потребление кислорода. Амплитуда суточных колебаний РК пропорциональна биомассе первичных продуцентов. В эвтрофированных водоемах это может привести к формированию в темное время суток анаэробных условий.
Биогенные элементы. Гидробионтам требуется множество биогенных веществ в определенной пропорции. При нехватке любого из них скорость роста популяции замедляется. В целом, скорость роста популяции зависит от наличия лимитирующего элемента и может быть описана кривой Михаэлиса-Ментен-Моно (рис. 3.21). Как правило, к числу лимитирующих элементов в водных экосистемах относятся фосфор, азот и, значительно реже, углерод. При повышенном поступлении лимитирующих биогенов скорость первичного продуцирования может достичь максимальной величины, что приводит к эвтрофированию.

Рис. 3.20. Зависимость валовой первичной Рис. 3.21. Зависимость скорости роста продукции от скорости потока популяции от содержания биогена
Биологические факторы эвтрофирования. Большинство организмов могут существовать в определенном диапазоне физических и биохимических воздействий, который называется диапазоном толерантности. В процессе адаптации биологические виды могут расширять свой диапазон толерантности. Поскольку со временем условия среды обитания в экосистеме меняются, преимущество получают виды, обладающие большей способностью приспосабливаться к новым условиям. Результатом этого является сукцессия сообществ.
С развитием эвтрофирования доминирующими становятся экстремальные условия по концентрации РК, освещенности, доступности био-
124 Экология города
генных веществ. В этих условиях преимущество получают синезеленые водоросли (cianobacteria), которые обладают наибольшей способностью к адаптации благодаря:
своим относительно крупным размерам, из-за чего они не могут по- требляться зоопланктоном;
способности фиксировать растворенный в воде азот, противодействуя, таким образом, условиям его лимитирования;
способности обходиться меньшим содержанием в воде двуокиси угле- рода по сравнению с другими водорослями;
интенсивному развитию при более низком, чем другие водоросли, соот- ношении азота к фосфору;
выделению в воду продуктов, приостанавливающих рост других водо- рослей;
способности регулировать свою плавучесть, противодействуя неблаго- приятному влиянию физических факторов.
3.8. Методы защиты и восстановления поверхностных водных объектов
Самоочищающая способность поверхностных водных объектов, подверженных антропогенной нагрузке, как правило, недостаточна для противостояния высокому уровню внешнего негативного воздействия. В результате водные экосистемы подвергаются перестройке, следствием которой является обеднение видового состава, биологической ценности гидробионтов, ухудшение качественных характеристик воды. По этой причине для промышленно развитых стран с предельной остротой возникает проблема защиты водных объектов и восстановления деградировавших водных экосистем. Решение этой задачи возможно только путем совместного воздействия на аллохтонное поступления веществ в водные объекты и внутриводоемные процессы.
3.8.1. Уменьшение внешнего воздействия на поверхностные водные объекты
Внешнее воздействие на водные объекты проявляется в виде поступления в них посторонних примесей и тепла, что приводит к нарушению норм качества воды. С целью поддержания самоочищающей способности водных объектов и обеспечения различных видов водопользования объем внешних воздействий не должен превышать установленных нормативов ПДС. Реализация норм ПДС достигается за счет уменьшения количества возвратных вод или снижения концентрации веществ в них. Основными организационно-техническими мероприятиями, применяемыми в этих целях, являются:
Раздел 3. Водная среда города 125
изменение технологии производства;
канализование и санитарная очистка городов;
повторное использование сточных вод;
очистка сточных вод.
Изменение технологических процессов в сторону ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологий является одним из наиболее экономически и экологически эффективных направлений. Однако такой путь, как правило, характеризуется высокой капиталоемкостью и требует первоначальных инвестиций.
Канализование населенных пунктов позволяет предотвратить загрязнение водных объектов неорганизованным стоком. Организованный сток из канализационных сетей, как правило, направляется на очистные сооружения. При отсутствии очистных сооружений снижение негативного воздействия на качество воды водных объектов может быть достигнуто за счет использования специальных конструкций выпусков сточных вод (рассеивающих, в стрежень, глубоководных), которые обеспечивают более эффективное разбавление сточных вод.
Санитарная очистка территории позволяет снизить поступление веществ в дождевые и снеговые сточные воды, снизить загрязнение грунтовых вод и тем самым уменьшить поступление загрязняющих веществ в водные объекты. Этот метод является достаточно эффективным и относительно малозатратным.
Повторное использование сточных вод может осуществляться путем оборотного водоснабжения в пределах одного предприятия или передачей сточных вод в другие сферы хозяйствования. Например, использование очищенных сточных вод для технического водоснабжения или орошения.
Оборотное водоснабжение может осуществляться как единая система для всего предприятия или в виде отдельных циклов для цеха или группы цехов.
Предотвращение сброса подогретых вод уменьшает вероятность развития процессов эвтрофирования водных объектов.
Очистка сточных вод является наиболее традиционным способом снижения нагрузки на водные объекты. Методы очистки сточных вод рассмотрены в разд. 3.5.23.5.4.
3.8.2. Интенсификация внутриводоемных процессов
Управление качеством воды водных объектов на основе целенаправленного вмешательства в ход внутриводоемных процессов достигается в основном воздействием на абиотические компоненты экосистемы.
Технологии защиты и восстановления для водотоков. В основе этих технологий лежит целенаправленное изменение гидрологических условий или непосредственное воздействие на биотическую часть водной экосистемы. Основными техническими решениями являются изменение скорости течения, формы поперечного сечения русла, материала крепления береговых откосов и разработка специальных биоинженерных сооружений.
126 Экология города
Скорость течения является одним из главных экологических факторов в водотоках. Она оказывает существенное воздействие на все биотические компоненты водной экосистемы планктон, бентос, перифитон, макрофиты. Это воздействие имеет прямой и косвенный характер. Прямое проявляется в непосредственном механическом воздействии течения на гидробионты. Косвенное воздействие осуществляется через изменение физических и химических условий в водотоке, например, скорости процесса атмосферной реаэрации, условий перемешивания, мутности потока. Скорость потока является комплексным управляющим фактором. Чем больше время пребывания вещества в водотоке, тем сильнее проявляются процессы биохимической трансформации веществ. Чем больше транспортирующая способность потока, тем меньше его прозрачность. В свою очередь прозрачность воды сильно влияет на продукционные процессы и тепловой режим водотоков. Скорость потока лимитирует скорость роста различных биотических сообществ. Для каждого вида водорослей существует так называемая лимитирующая скорость течения, при достижении которой развитие водорослей замедляется, и критическая скорость течения, при которой водоросли перестают развиваться и могут погибнуть. Значения лимитирующей (Vлим) и критической (Vкр) скоростей течения для фитопланктона представлены в табл. 3.15.
Таблица 3.15. Величины лимитирующей и критической скоростей
для фитопланктона

Вид доминирующих водорослей
Vлим, м/с
Vкр, м/с

Диатомовые
Зеленые
Синезеленые аллохтонного происхождения Синезеленые автохтонного происхождения
0,7 0,5 0,2 0,5
2,0 1,5 0,6 1,5

Форма сечения русла имеет большое значение для трансформации органических веществ. Изменяя форму русла, можно изменять скорость течения и соотношение трофогенного и трофолитического слоев, добиваясь таким образом необходимого соотношения продукции и деструкции.
При искусственной облицовке береговых откосов, характерной для водных объектов, находящихся в черте города, большое значение имеет используемый облицовочный материал. Его вид во многом определяет интенсивность процессов самоочищения. Например, облицовка берегов щебнем или бетоном приводит к их усиленному обрастанию и, как следствие к автохтонному вторичному загрязнению водного объекта за счет увеличения продукции органического вещества.
Перспективным направлением развития технологий защиты водотоков является разработка биоинженерных сооружений типа биоплато. Использование таких сооружений для очистки сточных вод рассмотрено в разд. 3.5.3. Для защиты и восстановления водных объектов используют естественные или искусственные биоплато различных типов. Русловые биоплато представляют
Раздел 3. Водная среда города 127
собой мелководные расширения русла с развитой высшей водной растительностью. Очистка воды здесь производится высшей водной растительностью по всему сечению потока. Создание русловых биоплато возможно на участках водотоков глубиной не более 1,52 м, со скоростью течения до 0,20,3 м/с. Береговые биоплато представляют собой заросли высшей водной растительности вдоль берегов водотока. Очистка воды в этом случае производится только частью потока. Устьевые биоплато располагаются в местах впадения в водоток малых притоков. Наплавные биоплато предназначены для очистки верхнего слоя поверхностных вод. В этом случае высшая водная растительность размещается в специальных плавающих контейнерах, располагаемых поперек потока.
Биоинженерные сооружения типа биоплато позволяют существенно снизить содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах. Очистку воды осуществляют все элементы сообщества высшей водной растительности. Взвешенные вещества задерживаются и осаждаются в основном макрофитами. Главную роль в деструкции органических веществ играет бактериоперифитон бактериальная пленка, развивающаяся на подводной части высшей водной растительности. Биогенные элементы ассимилируются высшей водной растительностью, накапливаются в надводной ее части и корневой системе, что позволяет надолго исключить их из водной среды. Нефтепродукты окисляются бактериоперифитоном и углеводородоокисляющими бактериями, количество которых в зарослях высшей водной растительности существенно возрастает за счет выделения растениями специфических стимуляторов и потребления ими ингибиторов роста этих бактерий. Пестициды, тяжелые металлы и радионуклиды извлекаются высшей водной растительностью и накапливаются в ее корневой системе и зеленой массе. Фенолы накапливаются и трансформируются высшей водной растительностью, летучие фенолы частично выделяются в атмосферу.
Технологии для защиты и восстановления водоемов. В водоемах характер внутриводоемных процессов во многом определяется степенью и характером экологической стратификации. Важнейшей проблемой водоемов является эвтрофирование, поэтому большинство защитных технологий направлены на противодействие этому процессу. Такие технологии называются технологиями деэвтрофирования. Целью деэвтрофирования является снижение уровня трофности водных объектов. Рассмотрим некоторые технологии деэвтрофирования.
Удаление донных отложений. Содержание биогенных элементов в донных отложениях обычно увеличивается от нижних слоев к верхним. Поэтому удаление верхних слоев этих отложений приводит к обнажению слоев, обедненных биогенными элементами и, следовательно, к снижению переноса их в водную толщу.
Экранирование донных отложений, создающее физический барьер на границе раздела "вода донные отложения". Как экран могут использоваться пластиковые пленки, песок, глина.
Отвод воды из гиполимниона, в результате которого из водоема извлекаются богатые биогенами воды. Эта технология эффективна в глубоких водоемах с большим периодом водообмена.
128 Экология города
Химическая обработка, основанная на использовании веществ, способствующих осаждению биогенных элементов или преобразованию их в менее доступную для микроорганизмов форму. Наиболее эффективным и экологически безопасным является использование в этих целях сульфата алюминия.
Изменение условий среды обитания. В основе этих технологий обычно лежит затемнение, приводящее к снижению первичной продукции органического вещества. Существуют различные технологии затемнения использование специальных красителей, избирательно пропускающих солнечный свет, светонепроницаемых плавающих покрытий, посадка высоких деревьев по берегам.
3.9. Прогнозирование состояния поверхностных вод
Прогноз состояния поверхностных вод базируется на математическом моделировании процессов формирования качества воды с учетом существующих и планируемых внешних воздействий на водный объект. Модели качества воды могут быть разной сложности. Чем сложнее моделируемые процессы, тем большее количество параметров включают в модель. В целом состояние водной среды S можно описать зависимостью типа:
S = f (P, L, S0, G, B, M),
где Р гидрологические факторы; L аллохтонное и автохтонное поступление веществ; S0 начальное состояние водной среды; G геометрия водного объекта; В биохимические и химические реакции, происходящие в водном объекте; М климатические и гидрометеорологические условия.
Для оперативного прогноза обычно используют динамические модели, позволяющие учитывать изменчивость состояния водного объекта во времени. При среднесрочном и долгосрочном прогнозировании используются статистические и аналитические модели. Статистические модели основаны на анализе и статистической обработке экспериментальных данных, полученных непосредственно на изучаемом водном объекте. Аналитические модели позволяют выполнить прогноз качества воды, используя теоретические представления о природе и основных закономерностях моделируемых процессов. Этот класс моделей отличается большей, по сравнению со статистическими моделями, универсальностью и получил широкое распространение в прогнозных расчетах.
По уровню сложности модели качества воды делят на 4 основные группы:
балансовые модели, в основе которых лежит баланс между поступлением, объемом и изменением в результате внутриводоемных процессов массы вещества в водном объекте;
однокомпонентные модели, описывающие трансформацию отдельных ве- ществ в водной среде;
двухкомпонентные модели, описывающие взаимосвязанную трансформа- цию БПК и растворенного кислорода в природных поверхностных водах;
многокомпонентные модели, описывающие взаимосвязанную трансфор- мацию веществ в водной массе.
Раздел 3. Водная среда города 129
Балансовые модели используют при прогнозировании качества воды в водоемах. В основе этого класса моделей лежит оценка водного баланса и баланса веществ в водоеме. Приходная часть баланса определяется поступлением водных масс и веществ с водосбора, расходная стоками из водоема, испарением, обменом с донными отложениями. Внутриводоемные процессы описываются, как правило, в терминах "черного ящика" (как разница между приходной и расходной частью) или приближенно оцениваются на основе баланса масс. Балансовые оценки базируются на систематических измерениях на водосборной территории и в самом водоеме.
При долгосрочном прогнозировании качества воды в водоемах используют балансовые модели, позволяющие рассчитать значения средних концентраций веществ в зависимости от величины антропогенной нагрузки на водоем. В рамках этих моделей средняя концентрация вещества в водоеме, сложившаяся под влиянием постоянной антропогенной нагрузки, определяется по следующим расчетным зависимостям:
для консервативных веществ в непроточных водоемах:

13 EMBED Equation.3 1415
для неконсервативных веществ в непроточных водоемах:
13 EMBED Equation.3 1415
для проточных водоемов:
13 EMBED Equation.3 1415

где 13 EMBED Equation.3 1415 Qcm суммарный расход сточных вод, поступающих в
водоем, м3/год; Сст средневзвешенная концентрация вещества в сточных водах, г/м3; W объем водоема, м3; Т длительность прогноза, год; k величина коэффициента неконсервативности вещества, 1/год; С0 первоначальная концентрация вещества, г/м3; Qвыт расход вытекающей из водоема воды, м3/год; Тусл условное время водообмена, год.
Однокомпонентные модели качества воды используются в прогнозных расчетах содержания неконсервативных веществ в водоемах и водотоках. С их помощью описываются процессы биохимической трансформации веществ. Зависимость скорости биохимической трансформации веществ от гидродинамических характеристик потока и внешних условий учитывается с помощью коэффициента неконсервативности. Величина коэффициента неконсервативности k = kст k
·.
kст статический коэффициент неконсервативности, сут.-1, характеризующий скорость биохимической трансформации вещества в статических условиях (при отсутствии течения). Величина этого коэффициента определяет-
130 Экология города
ся для каждого вещества экспериментально. Значения статических коэффициентов неконсервативности веществ для нормальных условий (температура воды 20 °С и атмосферное давление 1 атм.) приводятся в справочной литературе.
k
· динамический коэффициент неконсервативности, сут.-1, учитывающий интенсификацию процессов биохимической трансформации в водном потоке. Величина этого коэффициента всегда больше или равна 1 и увеличивается при росте скорости потока в диапазоне от 0 до 0,2 м/с.
При отсутствии информации о величине динамической составляющей значение коэффициента неконсервативности вещества принимается равным значению его статической составляющей, т.е. k
· = 1.
Увеличение скорости биохимической трансформации веществ с ростом температуры воды учитывается при прогнозных расчетах по формулам:
k = k20 [1,12(Т+1)-0,038]Т-20 при 0
· Т < 5 °С, k = k 1,047Т-20 при Т
· 5 °С,
где k20 величина коэффициента неконсервативности вещества при 20 °С, 1/сут.; Т температура воды, °С.
При проведении прогноза качества воды водных объектов расчет процессов переноса и трансформации веществ осуществляется на основе уравнения турбулентной диффузии. При среднесрочном или долгосрочном прогнозировании используется запись этого уравнения для условий установившегося потока. Для водотоков обычно используется одномерное уравнение продольной дисперсии, которое получается из трехмерного уравнения турбулентной диффузии осреднением его по живому сечению потока. Для водоемов в зависимости от их гидродинамических характеристик могут использоваться одно-, двух- и трехмерные уравнения турбулентной диффузии. Двух- и трехмерные уравнения турбулентной диффузии, как правило, не имеют аналитического решения и решаются численными методами с применением ЭВМ. Уравнение продольной дисперсии при граничном условии С(0) = С0

13 EMBED Equation.3 1415
имеет аналитическое решение вида:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415

где С0 концентрация вещества в начальном створе, г/м3; k коэффициент неконсервативности вещества, 1/с;
· скорость потока, м/с; D коэффициент продольной дисперсии, м2/с; f интенсивность аллохтонного поступления вещества, г/м3 с.
Величина коэффициента продольной дисперсии определяется по формуле Караушева:
Раздел 3. Водная среда города 131
13 EMBED Equation.3 1415
где g ускорение силы земного тяготения, м/с2; h глубина потока, м; пш коэффициент шероховатости русла; Sh коэффициент Шези, 13 EMBED Equation.3 1415
Одним из основных внешних диффузных (равномерно распределенных по всему потоку) источников поступления в водный объект веществ является неорганизованный поверхностный сток. В этом случае интенсивность аллохтонного поступления вещества в водный объект определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где Qnoe и Спов расход и концентрация вещества в поверхностном стоке соответственно, м3/с и г/м3; L протяженность водосборной территории вдоль водного объекта, м; w площадь живого сечения потока, м2. При отсутствии диффузного поступления вещества извне величина f принимается равной нулю.
Для консервативного вещества прогноз качества воды при наличии его внешнего диффузного поступления в водный объект производится по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Если в водный объект поступают сточные воды одного или нескольких выпусков, то прогноз качества воды осуществляется на основе баланса масс веществ с учетом их возможной трансформации в водной среде. Расчет концентрации вещества в максимально загрязненной струе производится в этом случае по фор-
муле:
13 EMBED Equation.3 1415
где Сф концентрация вещества в фоновом створе, г/м3; ССТi концентрация вещества в сточных водах i-гo выпуска, г/м3; ni кратность разбавления сточных вод i-гo выпуска в контрольном створе; хф и хСТi расстояния от фонового створа и выпусков сточных вод до контрольного створа, м; N количество выпусков сточных вод.
Для консервативных веществ расчет ведется по этой же формуле при величине коэффициента неконсервативности k = 0.
Если в водный объект одновременно поступают сточные воды организованных выпусков и неорганизованный поверхностный сток с территории, то решение определяется в соответствии с принципом суперпозиции для неконсервативных веществ по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Для консервативных веществ в этом случае используется формула:
13 EMBED Equation.3 1415

132 Экология города
При оперативном прогнозе качества воды учитывается изменчивость процесса его формирования во времени. В этом случае используется уравнение продольной дисперсии для неустановившихся условий:
13 EMBED Equation.3 1415 при C(x,0).
В общем виде это уравнение не имеет аналитического решения и решается численными методами. Однако в ряде частных случаев такое решение существует. При прогнозе последствий аварийного залпового сброса сточных вод в водный объект процесс трансформации и переноса веществ водным потоком описывается зависимостью:
13 EMBED Equation.3 1415
где М масса поступившего со сточными водами вещества, г; w площадь живого сечения потока, м2.
Двухкомпонентные модели качества воды получили широкое распространение при прогнозных расчетах содержания органических веществ, оцениваемого величиной ВПК, и растворенного кислорода в воде водоемов и водотоков. Содержание кислорода в поверхностных водах определяется соотношением его поступления, главным образом, в процессе атмосферной реаэрации и потреблением его в основном на процессы биохимического окисления органических веществ.
Атмосферная репарация представляет собой процесс поступления кислорода из атмосферы в воду через свободную поверхность потока. Поступление кислорода в водный объект ограничивается его растворимостью в воде. Количественной характеристикой растворимости кислорода является величина концентрации насыщения, то есть концентрации растворенного кислорода в воде, при которой кислород находится в состоянии равновесия. Величина концентрации насыщения зависит от температуры воды и определяется по таблицам или рассчитывается по эмпирической формуле:
Сs = 14,62 - 0,4042 Т+ 0,00842 Т2 - 0,00009 Т3, где Т температура воды, °С.
Скорость переноса кислорода через свободную границу потока характеризуется коэффициентом реаэрации. Величина этого коэффициента зависит от температуры и солености воды, турбулентности потока, характеристик газообмена между водой и атмосферой. Экспериментально установлено, что процесс реаэрации обусловливается явлением молекулярной диффузии на границе сред "водавоздух". Существует ряд эмпирических формул для определения величины коэффициента реаэрации. Наибольшее распространение получила формула О'Коннора-Доббинса, полученная для турбулентного потока при температуре воды 20 °С:
13 EMBED Equation.3 1415
где k2 коэффициент реаэрации, 1/сут.;
· скорость течения, м/с; h глубина потока, м.
Раздел 3. Водная среда города 133
Обычно величина коэффициента реаэрации лежит в диапазоне от 0,1 до 2,0 1/сут. Зависимость величины коэффициента реаэрации от температуры учитывается по формуле:
k2(Т) = k2(20) 1,024Т-20.
Величина коэффициента неконсервативности для БПК может меняться в диапазоне от 0,05 до 0,7 1/сут. Для природных вод она обычно принимается равной 0,23 1/сут.
Прогноз величины БПК и содержания растворенного кислорода в поверхностных водах, как правило, производится на основе математической модели Стриттера-Фелпса. Эта модель справедлива при следующих ограничениях:
расход и гидравлические характеристики потока постоянны;
в водоеме соблюдается режим полного перемешивания.
В общем случае система уравнений Стриттера-Фелпса для турбулентного потока записывается в виде:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
где E коэффициент продольной дисперсии, м2/с; L величина БПК, гО2/м3; D величина дефицита кислорода, г/м3; k1 и k2 величины коэффициента неконсервативности для БПК и коэффициента реаэрации соответственно, 1/с; fиr интенсивность внешнего поступления органических веществ в единицах БПК и растворенного кислорода соответственно, г/м3 с.
Под дефицитом кислорода понимается разность между величиной концентрации насыщения Cs и концентрацией растворенного кислорода S. Решением этого уравнения при граничных условиях L(0)=L0 и D(0)=D0 является

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 134 Экология города
Анализ решения при х
· показывает, что при отсутствии аллохтонного поступления органических веществ в водном объекте дефицит кислорода стремится к нулю. Это означает, что в результате процесса самоочищения содержание кислорода в воде выходит на уровень насыщения. Если в водный объект поступают органические вещества, например, с поверхностным стоком с прилегающей территории, то дефицит кислорода отличен от нуля и стремится к величине f/k2. Содержание растворенного кислорода при этом устанавливается на уровне S=Cs f/k2. При большом поступлении органических веществ (если f > Cs k2) растворенный кислород полностью расходуется на биохимическое окисление органических веществ и содержание его в водном объекте приближается к нулю.
Многокомпонентные модели качества воды используют для прогноза содержания в водоемах и водотоках веществ, связанных между собой процессами взаимной трансформации. Особенно важно учитывать взаимную трансформацию веществ в водной среде в случаях, когда в процессе трансформации в водной среде образуются новые нормируемые вещества, то есть происходит вторичное загрязнение водного объекта. Явление взаимной трансформации веществ достаточно характерно для. процессов самоочищения водных объектов. В частности, в основе кругооборота азота, фосфора, углерода лежат процессы взаимной трансформации веществ, и с этим явлением тесно связан процесс эвтрофирования водных объектов.
Прогноз содержания азотсодержащих веществ. Одним из основных циклов взаимной трансформации веществ в водном объекте является кругооборот азота одного из главных биогенных элементов. В основе трансформации соединений азота в водной среде лежит процесс нитрификации. Нитрификация представляет собой процесс окисления минеральных форм азота и осуществляется в две стадии. На первой стадии в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий рода Nitrosomonas происходит окисление аммонийных форм азота до нитритных:
NH13 EMBED Equation.3 1415 + ОН- + 1,5 О2 Н+ + NO13 EMBED Equation.3 1415 + 2 Н2О.
На второй стадии нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter окисляют нитритные формы азота до нитратных:
NO13 EMBED Equation.3 1415 + 0,5 О2 NO13 EMBED Equation.3 1415.
Краткосрочный прогноз (до 4 суток) содержания в водном объекте минеральных форм азота с учетом процесса нитрификации в условиях турбулентного потока производится на основе математической модели Харлемана. Эта модель имеет вид:

13 EMBED Equation.3 1415 N1(0) = N10;

13 EMBED Equation.3 1415 N2(0) = N20;

Раздел 3. Водная среда города 135
13 EMBED Equation.3 1415 N3(0) = N30,
где D коэффициент продольной дисперсии, м2/с; v скорость потока, м/с; N1, N2, N3, концентрации азота аммонийного, нитритного и нитратного соответственно, г/м3; k1, k2 коэффициенты трансформации аммонийной и нитритной форм азота, 1/с; N10, N20, N30 начальное содержание минеральных форм азота в водной среде, г/м3.
Предложенная система уравнений имеет аналитическое решение:
N1 = N10 exp(
·1 x);
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
где

13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415

Анализ приведенных зависимостей при х
· показывает, что по завершении процесса нитрификации весь азот переходит в нитратную форму. При этом содержание азота аммонийного в воде постоянно уменьшается, а азота нитратного увеличивается. Другая картина наблюдается для нитритной формы азота. Это промежуточная, относительно неустойчивая форма минерального азота. Коэффициент неконсервативности азота нитритного составляет 10,4 1/сут., что свидетельствует о большой скорости процесса биохимической трансформации. В процессе нитрификации содержание азота нитритного сначала увеличивается, а затем снижается до нуля. Максимум содержания нитритного азота может существенно превышать его предельно допустимую концентрацию, даже в случае отсутствия его в водном объекте до начала процесса нитрификации. Это означает, что нитрификация минеральных форм азота может приводить к временному вторичному загрязнению водного объекта.
Такие расчетные зависимости можно использовать только для краткосрочных прогнозных расчетов. Если срок прогноза превышает 4 суток, эти зависимости дают большое отклонение от натурных данных. Поэтому для проведения среднесрочных и долгосрочных прогнозов используют более сложные модели, в основе которых лежит кинетика Михаэлиса-Ментен-Моно. Использование кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, отражающей основные принципы теории ферментативной кинетики, позволяет учесть роль нитри-
фицирующих бактерий в процессе нитрификации и описать динамику изменения биомассы бактерий и потребления ими субстратов (минеральных форм
136 Экология города
азота). Основными характеристиками развития биомассы и потребления субстрата (питательного вещества) являются:
плотность бактерий X количество сухой массы бактерий в единице объема;
удельная скорость роста бактерий
· величина, численно равная уве- личению единицы сухой массы бактерий за единицу времени;
коэффициент урожайности у величина, численно равная увеличению биомассы бактерий за счет потребления единицы субстрата. Величина коэффициента урожайности показывает, какая доля потребленного суб- страта идет на увеличение биомассы, следовательно всегда у
· 1;
константа полунасыщения ks концентрация субстрата, при которой скорость роста биомассы равна половине максимальной;
коэффициент смертности бактерий kd величина, характеризующая скорость отмирания бактерий.
В общем виде уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записывают как:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
где S концентрация субстрата, г/м3; X плотность биомассы, г/м3.
В процессе нитрификации минеральные формы азота выполняют роль субстратов для нитрифицирующих бактерий. Применительно к этому процессу уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записываются в виде:
13 EMBED Equation.3 1415 N1(0) = N10;
13 EMBED Equation.3 1415 N2(0) = N20;
13 EMBED Equation.3 1415 N3(0) = N30;
13 EMBED Equation.3 1415 X1(0) = X10;
13 EMBED Equation.3 1415 X2(0) = X20;
где X1, X2 плотность биомассы Nitrosomonas и Nitrobacter соответственно, г/м3;
·max1,
·max2 максимальные удельные скорости роста этих бактерий, 1/с; y1, y2 коэффициенты урожайности, ksl, ks2 константы полу-
Раздел 3. Водная среда города 137
насыщения, г/м3; kdl, kd2 коэффициенты смертности для Nitrosomonas и Nitrobacter соответственно, 1/с.
Эта система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения и решается численными методами. Наиболее распространенным методом решения в этом случае является метод Рунге-Кутта. Приведенная модель используется для прогнозных расчетов на период не более 10 суток. При необходимости проведения прогноза на больший срок используются более сложные модели на основе кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, учитывающие процессы минерализации органических форм азота, роль фито- и зоопланктона в круговороте азота в водной экосистеме.
Прогноз качества воды в эвтрофированных водных объектах. Причинами антропогенного эвтрофирования водных объектов являются:
высокий уровень антропогенной нагрузки на водные объекты, часто превышающий их ассимилирующую способность;
регулирование речного стока, приводящее к изменениям гидрологичес- кого режима водных объектов и нарушению природных условий функ- ционирования водных экосистем;
увеличение забора воды на нужды населения, промышленности и сель- ского хозяйства, приводящее, особенно в летний период, к снижению уровней воды в реках и водоемах.

Особую опасность представляет поступление в водные объекты большого количества биогенных элементов с сельскохозяйственными, городскими и промышленными стоками. Содержание в водной массе биогенов приводит к гиперпродукции органических веществ, нарушению кислородного режима и основных экосистемных механизмов. Вода приобретает неприятный вкус и запах и становится непригодной для большинства видов водопользования. Степень эвтрофирования водных объектов зависит от соотношения продукционно-деструкционных процессов в водной массе. Это соотношение во многом определяется структурой водной экосистемы, общий вид которой представлен на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Структура водной экосистемы
138 Экология города
Как правило, водная экосистема включает в себя планктонную, бентосную подсистемы и подсистему высшей водной растительности (ВВР). Каждая из указанных подсистем в свою очередь включает в себя более простые подсистемы нижнего уровня. В состав планктонной подсистемы входят фито-, зоо- и бактериопланктон. Бентосная подсистема представлена микрофито-, макрофито-, макрозоо- и бактериобентосом. Подсистема ВВР включает в себя собственно растительную часть, а также планктон, бентос и перифи-тон на ВВР.
Прогноз состояния эвтрофированных водных экосистем может осуществляться на основе математической модели STOOKS, описывающей зависимость показателей качества воды от биотических и абиотических компонент экосистемы с учетом специфики процессов продукции и деструкции в каждой подсистеме. В качестве основных показателей состояния экосистемы принимаются величина БПК, концентрация растворенного кислорода и величина биомассы фитопланктона. В общем виде математическая модель записывается следующим образом:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

где Bi биомасса фитопланктона в i-й подсистеме; Cbod БПКполн; Cdo концентрация растворенного кислорода; Csat величина предельного насыщения воды кислородом; Csus концентрация взвешенных веществ;
·i весовой коэффициент i-й подсистемы; kfi коэффициент формы, отражающий влияние формы поперечного сечения русла на первичную продукцию органического вещества для i-й подсистемы; а10mах максимальное значение удельной продукционной способности в условиях оптимальной освещенности;
·N,P коэффициент, отражающий влияние лимитирования биогенами на первичную продукцию органического вещества; kа температурный коэффициент; ri коэффициент дыхания водорослей для i-й подсистемы; kph коэффициент, отражающий влияние рН водной среды на бактериальную деструкцию органического вещества; kir коэффициент бактериальной деструкции в i-й подсистеме; kr коэффициент, отражающий влияние температуры на бактериальную деструкцию органического вещества;
·bod интенсивность аллохтонного поступления органических веществ в единицах БПКполн в водный объект; k2 коэффициент атмосферной реаэрации;
· коэффи-
Раздел 3. Водная среда города 139
циент конструктивного обмена, равный отношению части валовой первичной продукции фитопланктона, идущей на образование новых клеток, к общей валовой продукции сообществ; kv коэффициент, отражающий влияние скорости течения в области лимитирующих и критических значений на процессы первичного продуцирования и деструкции органического вещества;
· кислородный эквивалент фитопланктона;
· скорость поедания фитопланктона зоопланктоном;
· коэффициент, учитывающий воздействие техногенных факторов на смертность фитопланктона.
Приведенная система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения и решается методом численного моделирования с использованием ЭВМ.
3.10. Формирование подземных вод
на урбанизированных территориях
Из всех элементов литосферы наибольшей динамичностью и скоростью ответной реакции на воздействие техносферы обладают подземные воды. К подземным водам относят все виды воды, находящиеся ниже поверхности земли.
По характеру связи с горными породами и степени подвижности подземные воды подразделяют на три группы: химически связанную, включая конституционную, кристаллизационную и цеолитную; физически связанную, включая прочносвязанную, рыхлосвязанную и капилярную; и свободную воду.
Химически связанная вода удерживается внутри минералов, слагающих породы, силами, значительно превышающими силу тяжести. Удаляется из минералов при нагревании. Полное разрушение кристаллической решетки с удалением конституционной воды происходит при температурах в несколько сот градусов. Кристаллизационная вода удаляется при температуре, превышающей 105 °С; цеолитная выделяется постепенно, начиная с температур порядка 40 °С.
Физически связанная вода содержится главным образом в тонкодисперсных породах и удерживается на поверхности частиц силами, имеющими электрическую природу. Диполи прочносвязанной воды входят в состав гранулы коллоидной мицеллы, рыхлосвязанная вода входит в состав диффузного слоя, располагающегося вокруг адсорбционного слоя, молекулы которого удерживаются силами молекулярного притяжения. Рыхлосвязанная вода может передвигаться в процессе выравнивания толщины гидратной оболочки у соседних частиц, а также под влиянием осмотических и электроосмотических сил. В глинах количество рыхлосвязанной воды может достигать 30%, а суммарное количество связанной воды до 50%.
Капиллярная вода является наиболее подвижной из всех видов связанной воды. Капиллярная вода не подчиняется закону силы тяжести и передвигается в капиллярных порах снизу вверх от уровня подземных вод. Ограничение подвижности связано с действием сил поверхностного натяжения на границе раздела "водапорода".
140 Экология города
Свободная (гравитационная) вода заполняет поры и пустоты в горных породах и передвигается в них под влиянием силы тяжести сверху вниз или в различных направлениях под влиянием перепада давлений (градиента напора).
Научно-технический прогресс неразрывно связан с использованием и загрязнением подземных вод. Основными стимулами к использованию подземных вод в индустриальную эпоху были потребность в более качественной и здоровой, чем поверхностная, воде и большее удобство использования подземной воды, источник которой максимально приближен к объекту водоснабжения. На протяжении столетий человек использует природную систему очистки и доставки воды к месту использования. Эта природная система, включающая водоносные горизонты, разделяющие их водоупорные слои, перекрывающие ненасыщенные грунты и почвы, в силу своей большой емкости и специфических свойств в большинстве случаев обеспечивает более устойчивое водоснабжение, по сравнению с поверхностными источниками воды. Однако в пределах практически любого региона ресурсы подземных вод по объему всегда уступают поверхностным. Так, ресурсы поверхностных вод, формируемые на территории Украины в маловодный год, составляют 29 700 млн м3, а прогнозные ресурсы подземных вод не превышают 7000 млн м3, что в четыре с лишним раза меньше. В ряде случаев подземные воды не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
В настоящее время основной объем используемой человеком подземной воды это пресные воды, циркулирующие в зоне активного водообмена, простирающейся от приповерхностных слоев земли до глубин от сотен метров до 1 км. Питание подземных вод осуществляется в основном из атмосферных осадков, вымывающих из почв, грунтов зоны аэрации и пород водонасыщенной зоны накопленные там и постоянно пополняемые загрязняющие вещества. Первый от поверхности водоносный горизонт грунтовые воды, в силу своей приближенности к источникам загрязнения и отсутствию изолирующих слоев повсеместно загрязнен. Загрязнение этих вод в городах настолько значительно, что их очистка для последующего использования нецелесообразна.
Межпластовые воды, залегающие на глубинах до 100 м, имеют сравнительно большую защищенность от поверхностных загрязнений. Циклы водообмена этих горизонтов составляют от нескольких лет до нескольких десятков лет. Эти воды в настоящее время широко используют для водоснабжения населенных пунктов. Однако в последние десятилетия тенденции к техногенному загрязнению неглубоко залегающих подземных вод Украины наметились на трети всех эксплуатируемых водозаборах питьевых вод. Например, в Харькове на водозаборах, расположенных в черте города, в воде верхнемелового водоносного горизонта, залегающего в интервале глубин 4080 м, фиксируется сверхнормативное содержание нефтепродуктов, следы фенолов, пестицидов. В пределах Харьковской промышленно-городской агломерации, несмотря на наличие перекрывающего регионального водоупора эоценовых мергелей, в процессе эксплуатации межпластовых вод верхнемелового водоносного горизонта в него проникают загрязненные грунтовые воды. За 80 лет эксплуатации верхнемелового водоносного горизонта
Раздел 3. Водная среда города 141
общая минерализация откачиваемых подземных вод возросла от 0,50,7 до 1,82,2 г/дм3, общая жесткость повысилась от 57 до 1820 ммоль/дм3, что является результатом выщелачивания меломергельных пород под воздействием увеличения скорости фильтрации и растворяющего воздействия проникающих сверху агрессивных вод.
Наибольшую защищенность пресные подземные воды имеют в пределах артезианских бассейнов, зона развития которых простирается до глубины от нескольких сот метров до 1 км. Полный водообмен в этих горизонтах происходит в течение сотен и тысяч лет.
На первый взгляд, это как будто дает возможность пользоваться чистым источником воды еще длительное время. Однако на практике в силу специфических гидродинамических и геохимических процессов, происходящих в подземной гидросфере при интенсивном отборе подземных вод, и поступления загрязняющих веществ через стволы неисправных скважин качественные показатели подземных водоносных горизонтов постепенно ухудшаются.
Математическое моделирование гидрогеологических процессов позволяет прогнозировать количественные показатели этих изменений. Глубокие горизонты пресных вод могут подвергнуться воздействию как вышезалегающих загрязненных горизонтов, так и нижезалегающих комплексов, содержащих некондиционные солоноватые воды. Мало изученным остается состав поровых растворов прилегающих слабопроницаемых слоев, отжим которых также может давать увеличение содержания в эксплуатируемых артезианских водах нежелательных компонентов таких как соли жесткости, хлориды, сульфаты, Fe, F, Вr, В, Li, Sr, Al, сероводород, нитриты.
Ухудшение качества воды, связанное с поступлением макро- и микрокомпонентов из прилегающих толщ в силу ненасыщенности природных вод всегда необратимо. При эксплуатации артезианских водозаборов за период амортизационного срока (обычно 25 лет) извлечение подземных вод происходит с участка, имеющего площадь, измеряемую несколькими квадратными километрами. Приток нежелательных ингредиентов в эксплуатируемый водоносный горизонт в тот же период происходит на всей площади депрессии, измеряемой многими десятками квадратных километров. Таким образом, на урбанизированных территориях под воздействием интенсивной хозяйственной деятельности складывается нарушенный (антропогенный) режим подземных вод. Изменение гидродинамических характеристик подземных вод (напора, скорости, расхода), их состава и температуры происходит не только под воздействием естественных факторов (атмосферных осадков, температуры, режима поверхностных вод и др.), но и техногенных, которые часто играют ведущую роль.
При условии сохранения объема элемента гидросферы и емкостных ха- рактеристик слагающих его горных пород водный баланс выражается уравне- нием вида:
13 EMBED Equation.3 1415
где Qj сумма приходных и расходных статей водного баланса элемента, м3/сут.; (+) приток, () отток подземных вод;
·t длительность расчетного периода, сут.;
·v изменение объема (запасов) подземных вод, м3.
142
Экология города
Под запасами подземных вод понимается общий объем воды, содержащейся в рассматриваемом элементе гидросферы. Приток подземных вод к рассматриваемому элементу, пополнение запасов, приходные статьи водного баланса называются питанием подземных вод; отток, сработка запасов, расходные статьи баланса разгрузкой подземных вод.
Для элемента грунтового горизонта уравнение водного баланса выражается зависимостью:
Wn – P ± Qн ±
·Qгр - Qэ =
·
·HF,
где Wn суммарное питание грунтовых вод с поверхности, м3/сут.; Р разгрузка грунтовых вод на поверхность, м3/сут.; ± Qн приток из нижележащих горизонтов или отток в нижележащие горизонты, м3/сут.; ±
·Qгр разность притока и оттока по грунтовому водоносному горизонту, м3/сут.; Qэ отбор грунтовых вод, м3/сут.; F площадь балансового участка, м2;
·Н изменение уровня грунтовых вод в рассматриваемом элементе потока (м) за расчетный период
·t;
· гравитационная емкость, доли единицы.
Суммарное питание грунтовых вод с поверхности Wn включает в себя составляющие: W инфильтрационное питание грунтовых вод; К конденсация; Qnoв поглощение поверхностных вод; Wu искусственное питание.
Составляющими разгрузки грунтовых вод на поверхность Р являются Zр разгрузка суммарным испарением, включающим транспирацию, и Рп разгрузка грунтовых вод на поверхность (родники, мочажины, пластовые выклинивания).
При неизменной емкостной характеристике горных пород и площади балансового участка изменение составляющей приходной части водного баланса Wn и расходной части Qэ приводит к изменению
·Н подъему или снижению уровня грунтовых вод.
Глубина залегания грунтовых вод, обусловленная природными факторами, имеет зональный характер. Глубина залегания грунтовых вод в различных зонах Украины, выделенных на основе особенностей увлажнения и рельефа, показана в табл. 3.16.
Таблица 3.16. Средние зональные характеристики грунтовых вод

Зона
Глубина за-
легания, м
Величина пи-
тания, мм/год
Минерализа-
ция, г/л
Химический
состав

Неглубоких
5-10
45 - 90
0,3 - 0,5
НСО3-Са

оврагов





Глубоких
10- 15
30 -45
до 0,1
НСО3-Са

оврагов



HCO3SO4-Ca

Овражно-ба-
до 20
10 -20
1,0 - 3,0


лочные сети
и более


SO4-Ca(Na)

Зона причер-
до 50
5,0 - 1,0
до 3,0 - 5,0
SO4 HCO3-Ca

номорских
и более


SO4-Ca

балок



ClSO4-(Na)Ca

Раздел 3. Водная среда города 143
Цифры, приведенные в таблице, характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в междуречных пространствах на определенном удалении от крутых склонов, уступов речных террас, заболоченных понижений.
Для застроенных территорий характерным является подтопление, основная причина которого состоит в высокой территориальной концентрации водопотребления и поступлении дополнительного питания в подземное пространство. Приходные статьи баланса увеличиваются прежде всего за счет искусственного питания (Wи) из многочисленных источников дополнительной инфильтрации: водопроводной и канализационной сети, отстойников, градирен и т.д. Увеличивается также доля атмосферных осадков, идущая на питание грунтовых вод (Wn) вследствие перепланировок поверхности, препятствующих отведению поверхностного стока. На застроенных территориях возрастает внутригрунтовая конденсация, поскольку фундаменты зданий обладают более высокой теплопроводностью, по сравнению с почвами и грунтами. Накоплению конденсата способствуют и открытые в зимний период подвальные помещения, котлованы и т.п.
Подъему уровней грунтовых вод может способствовать также уменьшение порового пространства, в котором содержатся гравитационные воды (
·). Это может происходить под насыпями, фундаментами, где уменьшение порового пространства является следствием увеличения статических нагрузок. При забивке свай под фундаменты объем порового пространства грунтов уменьшается на величину объема свай. Это приводит к резкому ухудшению проницаемости грунтов, особенно в горизонтальном направлении, и формированию в пределах свайных оснований своеобразного барража на пути фильтрации грунтовых вод. Компенсирующего водоотбора (Qэ) грунтовых вод на территории городов, как правило, нет. Поэтому уровни грунтовых вод на урбанизированных территориях имеют тенденцию к подъему, что коррелируется с возрастанием территориальной концентрации водопотребления. Баланс между притоком и оттоком устанавливается при достижении грунтовыми водами глубин, где резко возрастает испарение и транспирация (Zр). Обычно эти факторы разгрузки грунтовых вод существенны при глубинах воды от поверхности до 11,5 м, что по нормативам для застроенных территорий соответствует подтопленным территориям (табл. 3.17).
Таблица 3.17. Нормы осушения или глубины залеганий грунтовых вод
Характер застройки
Норма осушения, м

Территории крупных промышленных зон и комплексов
Территории городских промышленных зон, коммунально-складских зон, центры крупнейших, крупных и больших городов
Селитебные территории городов и сельских населенных пунктов
Территории спортивно-оздоровительных объектов и учреждений обслуживания зон отдыха
до 15
5

2

1


144 Экология города
При подъеме уровней грунтовых вод должен увеличиваться их отток в естественные дрены (
·Q) вследствие увеличения градиента уклона потока. Однако на практике в пределах урбанизированных территорий базис стока, как правило, имеет тенденцию к подъему вследствие затопления, сужения и зарегулирования рек и ручьев, засыпки оврагов и балок, что, наоборот, способствует уменьшению градиентов уклона потоков и уменьшению таким образом расходных составляющих грунтовых вод.
Существенным фактором, влияющим на расход грунтовых вод, является эксплуатация неглубоко залегающих межпластовых горизонтов. Например, для Харькова, где подтоплено более 5 тыс. га, по результатам гидрогеологического моделирования установлено, что в результате длительной откачки подземных вод, залегающих в интервале 4080 м от поверхности земли, уровень грунтовых вод на подтопленной территории может быть понижен на 15 м. Такой эффект может быть получен при определенной проницаемости водоупора, разделяющего грунтовые и межпластовые водоносные горизонты.
Явление подтопления городов рассмотрено в разд. 2.4.
Истощение межпластовых вод происходит при их интенсивной эксплуатации для коммунального и промышленного водоснабжения.
Основными источниками загрязнения грунтовых и межпластовых вод в городах являются: промплощадки и отстойники жидких отходов промпредприятий; утечки из канализационных сетей, очистные сооружения, свалки бытовых отходов; рассеянное загрязнение нефтепродуктами, органическими веществами и тяжелыми металлами на городской территории.
Меры по охране подземных вод от загрязнения должны носить упреждающий характер и реализовываться в период проектирования и строительства промышленных и коммунальных объектов.
3.11. Охрана подземных вод от истощения и загрязнения
Сохранение высокого качества и запасов подземных вод может быть обеспечено прежде всего путем разработки и организации щадящих режимов эксплуатации подземных водоносных горизонтов. Соблюдение этих режимов возможно на основе надежной системы контроля как за количественными показателями объемов подземных вод, так и, в особенности, за изменением их состава на уровне макро- и микроэлементов. Наблюдения за составом подземных вод на уровне микроэлементов позволяет не только зафиксировать ухудшение их качества, но и своевременно внести коррективы в режим эксплуатации водозаборов. В результате изучения и систематизации материала по составу артезианских вод появляется возможность объективного определения допустимых уровней эксплуатации этих вод, при котором гарантируется приемлемое качество на длительную перспективу.
Другим направлением охраны подземных вод от загрязнения является локализация, ликвидация и предотвращение появления новых техногенных
Раздел 3. Водная среда города 145
источников загрязнения водоносных горизонтов. Это касается накопителей жидких и твердых отходов, канализационных систем и очистных сооружений, нефтепроводов и хранилищ нефтепродуктов.
Существующие тенденции расширения техногенного воздействия на всю глубину зоны активного водообмена ведут к быстрому сокращению объема кондиционных для питьевых целей подземных вод. Поэтому необходимо ограничить использование кондиционных подземных вод на непитьевые нужды и отделить собственно питьевое водоснабжение из подземных источников от остального хозяйственно-бытового и промышленного водоснабжения.
3.12. Методы пополнения запасов подземных вод
Увеличение отдачи подземных водоносных горизонтов может быть достигнуто за счет искусственного пополнения запасов подземных вод.
Искусственное пополнение запасов подземных вод это комплекс инженерных мероприятий, направленных на увеличение питания подземных вод, увеличение или сохранение эксплуатационных ресурсов водоносного горизонта или месторождения подземных вод, а также на улучшение или сохранение качества получаемой воды. В ряде случаев таким способом удается продлить срок работы существующих водозаборов.
Основным источником восполнения запасов подземных вод является речной сток. Другими источниками могут служить воды временных водотоков, ливневые и талые воды, воды шахтного водоотлива, вертикальных и горизонтальных дренажей при условии, если они удовлетворяют существующим требованиям к качеству воды.
Существуют два основных метода искусственного пополнения распределение и нагнетание с различными модификациями. Метод распределения используется для пополнения запасов подземных вод безнапорных горизонтов в условиях, когда зона аэрации сложена хорошо проницаемыми отложениями или же залегающий с поверхности слабопроницаемый слой суглинков или глин имеет мощность не более 4 м. В этих случаях инфильтрационные сооружения называются открытыми. Метод нагнетания применяется для закачки воды в напорные водоносные горизонты или же в условиях, когда с поверхности земли залегают мощные (более 10 м) слои слабопроницаемых пород. Метод распределения может выполняться различными способами: устройством инфильтрационных бассейнов, каналов, траншей, котлованов; затоплением участков естественной поверхности или специально подготовленных (например, устройством борозд) площадок; расчисткой русл постоянных и временных водотоков с целью усиления инфильтрации из реки (русловой метод). При толщине слабопроницаемого покровного слоя 520 м используются многочисленные засыпаемые гравием фильтрующие колодцы диаметром 1 и более метров. Метод нагнетания предусматривает применение нагнетающих скважин и галерей, в которые воды подаются под давлением так называемые закрытые инфильтрационные сооружения. Своеобразным способом искусственного пополнения можно считать усиление питания эксплуатируемого водоносного горизонта смежными, залегающими выше или
146 Экология города
ниже эксплуатируемого, путем бурения и оборудования скважин, соединяющих питающий и пополняемый водоносные горизонты при условии, что напоры в питающих горизонтах выше.
Отрицательным фактором, влияющим на снижение производительности инфильтрационных сооружений во времени, является кольматация фильтрующих поверхностей взвешенными в воде частицами. Кроме взвесей, существенными факторами кольматации могут быть бактериологическое заиление, связанные газы, воздух, повышенное содержание железа и т.д. Вследствие этого инфильтрационные сооружения приходится периодически чистить от 34 раз в год до одного раза в несколько лет, чаще 12 раза в год. Полный период работы между двумя расчистками называется фильтроциклом.
В отдельных случаях с целью получения осветленной воды для технического водоснабжения могут устраиваться скважинные, галерейные и лучевые водозаборы вблизи водоемов. В случае разделения городских систем водоснабжения на питьевой и хозяйственно-технический водопроводы, что в ближайшем будущем представляется вполне реальным, подобные водозаборы, размещенные в пригородах (скажем, на входе рек в город) могли бы поставлять воду непитьевого назначения и составили бы серьезную конкуренцию поверхностным источникам. Преимущество их состоит в более высоком качестве воды: отсутствии взвешенных частиц, водорослей, меньшем бактериальном загрязнении, что упрощает и удешевляет водоподготовку. Такие инфильтрационные сооружения можно разместить ближе к потребителю и снизить тем самым затраты на транспортировку воды. Кроме того, такой способ водоснабжения практически не зависит от климатического фактора и имеет большую защищенность источника водоснабжения, по сравнению с открытыми водоемами.
3.13. Зоны санитарной охраны скважинных водозаборов
Организация зон санитарной охраны (ЗСО) имеет целью защиту подземных вод от загрязнения. ЗСО состоят из трех поясов. Первый пояс зона строгого режима предназначен для защиты устья скважины и водопроводных сооружений. Эта территория ограждается забором. Любая деятельность и размещение объектов, не связанных напрямую со скважиной и водопроводным хозяйством, в ее пределах запрещается. Радиус зоны строгого режима составляет не менее 50 м для скважин, вскрывающих незащищенные подземные воды, и не менее 30 м для скважин, эксплуатирующих защищенные подземные воды. В благоприятных гидрогеологических и санитарно-технических условиях по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы радиусы могут быть уменьшены вдвое 25 м в случае незащищенных и 15 м в случае защищенных водоносных горизонтов.
При эксплуатации инфильтрационных сооружений (искусственное пополнение подземных вод) границы ЗСО устраиваются на расстоянии не ме-
Раздел 3. Водная среда города 147
нее 50 м от каптажных сооружений закрытого типа (скважины, шахтные колодцы) и не менее 100 м от сооружений открытого типа (каналы, бассейны).
Для береговых водозаборов (инфильтрационных) в зону строгого режима включается территория между водозабором и поверхностным водоемом, если она имеет протяженность не более 150 м.
Для подрусловых водозаборов зона строгого режима устанавливается такой же, как и для водозаборов из поверхностных водоемов.
Второй пояс ЗСО предусматривается для защиты водозаборов от микробных загрязнений. Границы этого пояса определяются расчетным путем и не ограждаются. На территории 2-го пояса ограничивается любая деятельность, которая может повлечь бактериальное загрязнение подземных вод, в первую очередь размещение свалок, туалетов, выгребных ям, органических удобрений и т.п. При расчете размеров 2-го пояса ЗСО исходным является время, необходимое для утраты патогенными организмами жизнеспособности и вирулентности, которое для условий грунтовых вод составляет 400 суток, а для межпластовых вод 100200 суток. При этом адсорбция микроорганизмов в водонесущих породах не учитывается. Методика расчетов подробно разработана и приводится в специальной литературе. Размеры 2-го пояса зависят от величин водоотбора, проницаемости и активной пористости пород. Возможны случаи, когда размеры этого пояса меньше, нежели размеры зоны строгого режима. В этом случае 2-й пояс не выделяется, поскольку ограничения в зоне строгого режима включают все требования, предъявляемые для 2-го пояса ЗСО.
Третий пояс ЗСО также представляет собой зону ограничений, предназначенную для предотвращения химического загрязнения подземных вод на весь срок работы водозабора. Если срок специально не установлен, то при расчетах размеров 3-го пояса время действия водозабора принимается равным 25 годам. На территории 3-го пояса ограничивается деятельность, связанная с хранением, использованием и внесением в грунт химических веществ, которые могут ухудшить качество подземных вод.
3.14. Прогнозирование состояния подземных вод
3.14.1. Прогноз состояния подземных вод в связи с их эксплуатацией
Основным видом гидрогеологических прогнозов в связи с охраной подземных вод и их эксплуатационных ресурсов от истощения является определение величины эксплуатационных запасов подземных вод как предела их рациональной эксплуатации. При расчете запасов подземных вод должна быть показана возможность их эксплуатации наиболее рациональной системой водозаборных сооружений с расчетной величиной водоотбора в течение определенного расчетного срока или неограниченно долгого времени при усло-
148 Экология города
вии удовлетворения качества подземных вод заданному назначению в течение всего эксплуатационного периода. Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод устанавливается величина допустимого понижения уровня в водозаборных сооружениях. Прогнозирование уровенного режима эксплуатируемого водозабора производится гидродинамическим, гидравлическим, балансовым методами и методом гидрогеологических аналогий. Эти методы подробно освещены в специальной литературе.
Рассмотрим вопросы изменения качества подземных вод на эксплуатируемом водозаборе.
При наличии области загрязненных или некондиционных вод на определенном расстоянии х1, от эксплуатационной скважины и группы скважин ("большой колодец") время подтягивания загрязненных вод в плоско радиальном потоке в любую точку, находящуюся на расстоянии х2 (по линии тока) от водозабора, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где Q дебит водозаборного сооружения, м3/сут.; т мощность водоносного горизонта, м; п пористость водоносных пород.
Если требуется найти время поступления к водозаборному сооружению первых порций загрязненной воды, то х2
· 0, и тогда
13 EMBED Equation.3 1415
Если же рассматривать любую точку фронта загрязнения, перпендикулярного к линии тока водозабор x1 отстоящую на расстоянии у1 от этой линии, то время движения от этой точки будет равно:
13 EMBED Equation.3 1415
где r1, и r2 соответственно начальное и конечное положения точки.
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
В условиях "потока" время движения загрязненных вод внутри области питания по главной линии тока от границы загрязненных вод до участка водозабора определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 х1 расстояние по кратчайшей линии от границы загрязненных вод до водозаборного сооружения, м; ve скорость естественного потока подземных вод, м/сут.
Знак "+" или "" соответствуют движению по потоку или против потока; в последнем случае x1, абсцисса имеет отрицательное значение.
Раздел 3. Водная среда города 149
Время движения от любой другой точки границы загрязненных вод определяется зависимостью:
13 EMBED Equation.3 1415 где х1, и у1 абсцисса и ордината начального положения.
Рассмотренный подход к прогнозу продвижения фронта загрязнения предполагает простой "поршневой" характер вытеснения одной жидкости другой. Однако это лишь грубая модель реального процесса. Другой подход учитывает случайный характер строения микропористой среды, неодинаковые размеры поровых каналов, процессы молекулярной диффузии и сорбции, вследствие чего "поршневое" вытеснение нарушается, жидкости на границе раздела смешиваются, образуя языки. Происходит рассеяние, или дисперсия, границы раздела двух жидкостей.
Длина зоны дисперсии
13 EMBED Equation.3 1415
где D коэффициент фильтрационной диффузии (дисперсии), м2/сут.; t -время, сут.; а' = 6,6 для плоскопараллельного потока и а' = 4,7 для плоскорадиального потока.
Пресные и загрязненные воды в общем случае различаются по своим плотностям. При движении жидкостей с разными плотностями происходит деформация границы раздела, выражающаяся в формировании "языка" более тяжелой жидкости в подошве пласта. Если принять, что первоначальная граница пресных и загрязненных (соленых) вод была вертикальной и что загрязненная вода характеризуется большей плотностью, то в дальнейшем эта граница раздела становится наклонной вследствие того, что более плотная (загрязненная) вода "подпирает" более легкую (пресную) воду и в подошве пласта образуется "язык" загрязненных вод. Если же, наоборот, загрязненная жидкость обладает меньшей плотностью, чем пресная вода, то "язык" загрязнения будет формироваться в кровле пласта. Длина зоны деформации границы раздела пресных и загрязненных вод вследствие различия их плотности равна:
13 EMBED Equation.3 1415
где k и п соответственно коэффициент фильтрации и пористость водоносных пород; т толщина водоносного горизонта, м;
·n и
·с плотности пресных и загрязненных вод, кг/м3; t время, сут.; а = 4 для плоскопараллельного потока и а = 2,8 для радиального потока.
Общая длина пути движения более плотных вод складывается из пути L0, определенного по схеме поршневого вытеснения, длины зоны дисперсии L1 и длины зоны деформации L2, т.е.
150 Экология города
L = L0 + 0,5 (L1 + L2).
Прогноз изменения показателей качества подземных при подтягивании некондиционных вод из выше- и нижезалегающих водоносных горизонтов может быть выполнен в следующей последовательности. Вначале производится расчет балансовых составляющих для объема воды, привлеченной к водозаборному сооружению за определенный период эксплуатации. Вертикальный переток через разделяющие слабопроницаемые слои происходит под воздействием градиента давлений
·Н в питающем и эксплуатируемом водоносных горизонтах со скоростью:
13 EMBED Equation.3 1415
где k, т, п коэффициент фильтрации, мощность и пористость разделяющего слоя.
При известной площади депрессии в эксплуатируемом водоносном горизонте объем перетока воды из смежных горизонтов может быть определен из соотношения:
W = V F t,
где W объем перетока воды за время t, сут.; F площадь участка перетока, м2.
Зная темпы понижений в эксплуатируемом и смежных водоносных горизонтах, можно оценить балансовые составляющие подземных вод, отобранных за любой срок. Искомые величины концентрации различных компонентов в откачиваемой воде оцениваются как результат смешения исходных объемов воды из основного и смежных водоносных горизонтов, имеющих заданные параметры качества, по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где Спр прогнозная концентрация компонентов в подземных водах, г/м3; Q1, Q2, Q3 приток подземных вод по эксплуатируемому водоносному горизонту, из вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, м3/сут.; C1, C2, C3 концентрация компонента в подземных водах основного эксплуатируемого водоносного горизонта, вышезалегающего и нижезалегающего водоносных горизонтов, соответственно, г/м3.
Для прогноза состояния подземных вод служат и расчеты размеров поясов зоны санитарной охраны.
3.14.2. Прогноз загрязнения грунтовых вод вблизи хранилищ жидких отходов
Время смыкания уровня грунтовых вод со сточными водами, фильтрующимися с поверхности, для условий однородного строения зоны аэрации и постоянного уровня сточных вод в хранилище определяется по формуле:
Раздел 3. Водная среда города 151
13 EMBED Equation.3 1415
где Н0 глубина слоя сточных вод в хранилище, м; k, т' коэффициент фильтрации и мощность пород зоны аэрации, м; п пористость.
Как следует из приведенной формулы, время проникновения фильтрата до уровня грунтовых вод зависит от фильтрационных свойств пород зоны аэрации. Обычно это очень небольшой период. Так, при k
· 0,5 м/сут. он не превышает нескольких суток даже при относительно больших мощностях зоны аэрации (т' > 10 м); при k < 0,01 м/сут. он возрастает до нескольких сотен суток.
При многослойном строении зоны аэрации и значительном различии слоев по проницаемости для расчетов применяются более сложные формулы. Однако во всех случаях время проникновения загрязнения в грунтовые воды определяется движением в наиболее проницаемом слое.
Если при сбросе сточных вод с постоянным расходом Q на поверхность площадью F приведенный расход q = Q/F меньше или равен коэффициенту фильтрации k пород подстилающего слоя, то сбрасываемые сточные воды полностью фильтруются, не образуя на поверхности земли столба сточных вод. В этом случае время достижения сточными водами уровня грунтовых вод может быть определено по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Если пропускная способность подстилающего слоя меньше приведенного расхода сбрасываемых сточных вод q > k, то на поверхности земли образуется слой воды. В этом случае время фильтрации сточных вод с поверхности земли до уровня грунтовых вод определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
После попадания сточных вод в водоносный горизонт они движутся по пласту, смешиваясь с грунтовыми водами. Скорость движения загрязненных вод вниз по потоку при их фильтрации из хранилища вытянутой формы оценивается по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где q фильтрационные потери на единицу длины хранилища, м2/сут.; ve-скорость фильтрации естественного потока подземных вод, определяемая из соотношения ve = k i, где k коэффициент фильтрации водоносного горизонта, i градиент уклона потока.
Для хранилища круглой или изометрической формы расстояние х, на которое произойдет перемещение загрязненных вод по пласту за время t под
152 Экология города
влиянием фильтрационных потерь из хранилища Qф и естественного движения подземных вод со скоростью v , определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где Rk радиус хранилища.
3.14.3. Самоочищение подземных вод
Кроме ведущего процесса фильтрации, определяющего продвижение загрязняющих веществ в подземные воды, в породах проявляются процессы их сорбции, диффузии в слабопроницаемые отложения, деструкции органических загрязнителей и некоторые другие, которые ведут к снижению их концентрации, обусловливая тем самым как бы самоочищение подземных вод.
Под самоочищением природных вод понимают всю совокупность природных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление их первоначального состава и свойств. В подземных водах к их самоочищению приводят химическое и биохимическое окисление в водной массе и водовмещающих породах, процессы сорбции и ионного обмена, которые как бы локализуют очаги загрязнения.
Для количественной оценки процесса самоочищения в подземных водах используют уравнение:
К= 1/tln(C0/Ct),
где К суммарная константа скорости самоочищения, 1/сут.; t время очищения, сут.; С0, Сt начальная и конечная концентрация загрязняющего вещества.
При наличии сети наблюдательных скважин и статистически обеспеченных результатов гидрохимического анализа оценку интенсивности процессов самоочищения проводят балансовым методом с использованием уравнения
dm/dt = А km ,
где т общая масса загрязняющего вещества в зоне загрязнения, кг; А скорость поступления загрязняющего вещества, кг/сут., (оценивается расчетным методом или по данным предприятия источника загрязнения); k суммарный коэффициент скорости самоочищения, сут.-1.
Расчет коэффициентов самоочищения для ряда веществ-трассеров различных источников загрязнения подземных вод дает величину в пределах 0,000200,00045 1/сут. Таким образом, интенсивность процесса самоочищения в подземных водах на три порядка ниже, чем в поверхностных.
Особенно важны контроль и изучение кинетики самоочищения подземных вод в районах городских свалок и полигонов складирования отходов.
Раздел 3. Водная среда города 153
3.14.4. Моделирование гидрогеологических процессов
Прогнозирование изменения гидродинамического и гидрохимического режима территории может осуществляться разными методами, с использованием разных моделей.
Для приближенных оценок или при отсутствии данных, необходимых для использования более точных методов прогноза, прибегают к методу аналогий. Метод аналогий основан на переносе на прогнозируемый объект результатов анализа гидрогеологических данных, получаемых на территории с близкими гидрогеологическими условиями и характером техногенного воздействия.
Методы физического моделирования используют в случаях, когда отсутствуют математические модели (например, фильтрация сопровождается суффозией и т.п.) или недостаточны гидрогеологические данные для использования математического аппарата. Физическое моделирование может быть лабораторным и проводиться на моделях, сохраняющих природу явлений (например, трубка Дарси), либо натурным. Натурное моделирование заключается в проведении экспериментов на специально оборудованных скважинах в производственных условиях.
Группа методов математического моделирования предполагает замену физической сущности гидродинамического процесса его математическим описанием. Здесь могут быть выделены несколько направлений. Метод гидравлических аналогий предусматривает замену природной области фильтрации гидравлической моделью и основан на математическом выражении закона Дарси. Метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) основан на математической аналогии процесса движения жидкости в пористой среде и тока в проводнике. Близкие математические выражения закона Дарси и закона Ома позволяют проводить аналогии между напором и потенциалом тока, фильтрационным и электрическим сопротивлением, расходом воды и силой тока. С учетом рассчитанных масштабных коэффициентов набирают по трем координатам электрическую модель фильтрационной среды с заданными границами фильтрационного поля. Моделирование проводят на сеточных моделях либо на сплошной среде, которой служит электропроводная бумага. Основными недостатками методов ЭГДА являются необходимость построения новой модели для каждого конкретного объекта и внесение дополнительных погрешностей в результаты за счет побочных эффектов модели (неоднородность электропроводной бумаги, шаг сетки и т.п.).
Метод численного моделирования с использованием ЭВМ основан на решении основного гидрогеологического уравнения баланса вод, которое преобразуется для определенных гидрогеологических условий. Так, для установившегося гидрогеологического режима водоносного пласта выражение баланса будет иметь вид:
13 EMBED Equation.3 1415
где Н напор, м; W объем инфильтрации, м3/сут.; Т водопроводность пласта, м2/сут.; х и у пространственные координаты, м.
154 Экология города
Т = К m, где К коэффициент фильтрации, м/сут.; m мощность слоя, м. При у = const уравнение приобретает вид:
13 EMBED Equation.3 1415
что позволяет решать линейные задачи, связанные с фильтрацией, по гидрогеологическому профилю.
Принципиально большие возможности методов моделирования на ЭВМ трудно реализуемы в большинстве случаев из-за недостаточной гидрогеологической информации и неуниверсальности модели, которая может подходить лишь для конкретного объекта.
Наиболее эффективно используется компьютерное моделирование для построения постоянно действующих гидрогеологических моделей крупных территориальных комплексов. Так, например, разработана гидрогеологическая модель Бердянска, отражающая взаимосвязь поверхностных и подземных вод, в том числе интрузию морских вод в подземные. Аналогичные модели разработаны для Днепровско-Донецкого артезианского бассейна, горнорудных районов, крупных городских водозаборов и хозяйственных объектов.
Контрольные вопросы
Виды водных объектов в городской черте и их использование.
Показатели и нормативы качества воды.
Источники загрязнения водных объектов.
Городские системы водоотведения.
Принцип работы и состав городских очистных сооружений.
Виды очистных сооружений для небольших населенных пунктов.
Основные методы физико-химической очистки производственных сточных вод.
Требования к производственным сточным водам, сбрасываемым в городскую систему водоотведения.
Требования к сточным водам, сбрасываемым в водные объекты.

Формирование, отведение и очистка поверхностного стока с городской территории.
Механизм самоочищения поверхностных вод.
Процессы эвтрофирования поверхностных водных объектов.
Методы и средства охраны водных объектов от загрязнения и истощения.
Методы и средства интенсификации внутриводоемных процессов.
Основные типы математических моделей качества воды.
Причины истощения подземных вод урбанизированных территорий.
Методы и средства охраны подземных вод от загрязнения и истощения.
Характеристика зон санитарной охраны поверхностных и подземных источников питьевого водоснабжения.
Моделирование процессов формирования подземных вод.
Раздел 3. Водная среда города 155
Рекомендуемая литература
Алимов А.Ф. Введение в продукционную гидробиологию. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 154 с.
Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. К.: Вища шк., 1989. 407 с.
Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнения. М.: Недра, 1972. 129 с.
Гидрогеологические основы охраны подземных вод. Отв. ред. Гольдберг В.М. М.,
1984. Т.1. - 219 с.
Дикаревский B.C., Курганов A.M., Нечаев А.П., Алексеев М.И. Отведение и очистка поверхностных сточных вод. Л.: Стройиздат, 1980. 224 с.
Йоргенсен С.Е. Управление озерными системами: Пер. с англ. М.: Агропромиздат,
1985. - 160 с.
Караушев А.В. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 175 с.
Лапшов Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. - М.: Стройиздат, 1977. 87 с.
Методика екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями. К.: Держмінекобезпеки України, 1998. 28 с
Пааль Л.Л. Инженерные методы расчета формирования качества воды. 4.1,2. Таллинн: ТПИ, 1976. - 146 с.
Рациональное использование водных ресурсов: Учебн. для вузов/Яковлев СВ., Прозоров И.В. и др. М.: Высш. шк., 1991. 400 с.
Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 236 с.
Романенко В.Д., Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Столъберг Ф.В., Лаврик В.И. Экологическая оценка воздействия гидротехнического строительства на водные объекты. - К.: Наук, думка, 1990. - 256 с.
Справочник по водным ресурсам/Под ред. Б.И.Стрельца. К.: Урожай, 1987. 304 с. Справочник по гидравлике/Под ред. В.А.Большакова. К.: Вища шк., 1984. 343 с.
Справочник по охране водных ресурсов/В.АЛьвов, В.НЛадыженский и др. К.: Урожай, 1983. - 176 с.
Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 335 с.
Экологическая геология Украины: Справ. пособие/Шнюков Е.Ф., Шестопалов В.М., Яковлев Е.А. и др. К.: Наук, думка, 1993. 407 с.
















Раздел 4
ВОЗДУШНАЯ СРЕДА ГОРОДА
4.1. Атмосферный воздух. Основные понятия, определения и характеристики
Атмосфера внешняя газовая оболочка Земли, механическая смесь различных газов, водяных паров и твердых (аэрозольных) частиц.
Атмосферный воздух необходим для дыхания живых организмов (существ), используется в технологических процессах горения и плавки как сырье для получения кислорода, азота, инертных газов, оксида углерода. Атмосфера является средой для размещения газообразных отходов производства. Под воздействием атмосферных осадков, солнечной радиации и в результате переноса воздушных масс атмосферный воздух избавляется от посторонних примесей. Этот процесс называется самоочищением атмосферы.
4.1.1. Состав, строение, свойства и функции атмосферы
Атмосфера выполняет следующие функции:
содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;
является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;
защищает живые организмы от космических излучений;
сохраняет тепло Земли и регулирует климат;
трансформирует газообразные продукты обмена веществ;
переносит водяные пары по планете;
является средой обитания летающих форм организмов;
служит источником химического сырья и энергии;
принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.
Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воздушных масс (ветер и конвекция) и атмосферные осадки, жизнедеятельность животного и растительного миров, особенно лесов и планктона мирового океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека.
Примерный химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах в пересчете на сухой воздух) приведен на рис. 4.1.
Раздел 4. Воздушная среда города
157



Рис. 4.1. Химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах):
азот (N2) – 78,1%; кислород (О2) – 20,85%; аргон (Аr) - 0,93%; диоксид углерода (СО2) – 0,033%; на долю остальных компонентов неон (Ne), гелий (Не), криптон (Кr), ксенон (Хе), озон (О3), водород (Н2) и др. приходится не более чем 0,087%; содержание водяных паров колеблется в пределах 0,01-4%.

Общая масса атмосферы составляет 5,141015 т. Около 50% массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км. Масса слоя толщиной 30 км составляет 99% всей массы атмосферы.
По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Выделение отдельных зон (табл. 4.1) основано на изменении температуры с высотой.
Таблица 4.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере

Зона атмосферы
Верхняя и нижняя границы зоны от уровня моря, км
Температура, °С





нижняя граница зоны
верхняя граница зоны

тропосфера стратосфера мезосфера термосфера
0-11 11-50 50 - 85
85 - 500
+ 15 -56
-2
-92
-56
-2
-92
+ 1200

Верхняя граница атмосферы четко не выделяется. Она переходит постепенно в космическое пространство.
Осредненная температура атмосферы на средних широтах уменьшается линейно с высотой до отметки 11 км. При этом средняя температура на уровне моря принимается равной 288 К, а на высоте 11 км 216,7 К (рис. 4.2).
Исходя из этого стандартный, или нормальный температурный градиент равен:
-(dT/dH)станд = (288 - 216,7)/10,8103 = 0,0066 К/м.
Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.
158 Экология города

Рис. 4.2. Распределение давления и температуры атмосферного воздуха по высоте (при некоторых средних условиях)
При условиях, соответствующих среднему давлению на уровне моря и многолетней среднегодовой температуре атмосферного воздуха на уровне моря, равной 15 °С, распределение давления с высотой определяется по международной барометрической формуле:
Р(Н) = 101,3(1 - 6.5H/288)5,255 ,
где Р давление, кПа; Н высота над уровнем моря, км.
Различия в нагревании воздуха приводят к горизонтальным градиентам давления, которые, в свою очередь, являются причиной конвекций горизонтальных перемещений воздушных масс.
На перемещение воздушных масс воздействуют также сила Кориолиса, возникающая вследствие вращения Земли; центробежное ускорение, возникающее в районах, прилегающих к областям высокого и низкого давления; силы трения, замедляющие движение воздуха вблизи земной поверхности. В северном полушарии движение воздушных потоков вокруг центров высокого давления осуществляется по часовой стрелке с отклонением наружу и вниз от кругового движения. Этот поток получил название нисходящего и является одним из возможных препятствий для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.
При движении воздушных потоков вокруг центров низкого давления вектор скорости направлен внутрь и вверх от кругового движения против часовой стрелки. В этом случае загрязняющие вещества из нижних слоев атмосферы переносятся вверх и рассеиваются в больших объемах воздуха.
При движении воздуха в северном полушарии против часовой стрелки вокруг центра низкого давления формируется циклон, при движении в направлении часовой стрелки вокруг центра высокого давления антициклон.
Раздел 4. Воздушная среда города 159
4.1.2. Характеристика загрязняющих атмосферу веществ и классификация источников загрязнения
Загрязнение атмосферы изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей.
Примесь в атмосфере это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе.
Загрязняющее воздух вещество это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.
Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.
Первичная примесь в атмосфере примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства.
Превращения примесей в атмосфере процесс, при котором примеси в атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влиянием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодействия между собой.
Вторичная примесь в атмосфере это примесь в атмосфере, образовавшаяся в результате превращения первичных примесей.
По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подразделяют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактивное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, электромагнитные поля. К химическому наличие химических веществ и их соединений.
Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 признакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и массовому расходу выброшенного вещества.
Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смеси пыли, дыма, тумана, пара и газообразных веществ.
Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обусловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), являющиеся результатом деятельности человека.
К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками:
пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли;
туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;
газы вулканического происхождения;
продукты растительного, животного, бактериального происхождения.
160 Экология города
Естественные источники обычно бывают площадными (распределенными) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.
Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Источники загрязнения атмосферы:
1 высокая дымовая труба; 2 низкая дымовая труба; 3 аэрационный фонарь цеха; 4 испарения с поверхности бассейна; 5 утечки через неплотности оборудования; 6 пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 выхлопная труба автомобиля; 8 направление движения потоков воздуха
Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационарными (источники 16), когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 автотранспорт).
Источники выбросов в атмосферу подразделяют на: точечные, линейные и площадные.
Каждый из них может быть затененный и незатененный.
Точечные источники (на рис. 4.3 1, 2, 5, 7) это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы.
Раздел 4. Воздушная среда города 161
Линейные источники (3) имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы.
Площадные источники (4, 6). Здесь удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.
Незатененные (1), или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных поблизости зданий и других препятствий.
Затененные источники (27) расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого препятствия.
Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные.
Из организованного источника (1, 2, 7) загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.
Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ (5, 6) образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и другие площадные источники.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами, поступающими в атмосферный воздух от техногенных источников, являются: оксид углерода СО; диоксид серы SO2; оксиды азота NOx; углеводороды СmНn; пыль.
Оксид углерода (СО) самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м3. Основная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Содержание СО в воздухе крупных городов колеблется в пределах 1 250 мг/м3, при среднем значении 20 мг/м3. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концентрация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организме человека, а концентрация более 750 мг/м3 к смерти. СО исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Состояние организма при дыхании воздухом, содержащим угарный газ, характеризуется данными, приведенными в табл. 4.2.
162 Экология города
Таблица 4.2. Действие угарного газа на организм человека

Содержание карбоксигемоглобина, %
Симптомы

0,4 - 2

2 - 5 5-10 10 - 80
1. Ухудшение остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени

2. Нарушение психомоторных функций головного мозга
3. Изменение деятельности сердца и легких
4. Головные боли, сонливость, спазмы, нарушение дыхания, смертельные исходы

Степень воздействия СО на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека. Например, при содержании СО в воздухе 1050 мг/м3 которое наблюдается на перекрестках улиц больших городов, при экспозиции ~ 60 мин отмечаются нарушения, приведенные в п.1, а при экспозиции от 12 часов до 6 недель в п.2. При тяжелой физической работе отравление наступает в 23 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина процесс обратимый, через 34 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза. Время пребывания СО в атмосфере составляет 24 месяца.
Диоксид серы (SO2) бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SO, образуется при сжигании угля, мазута порядка 15%.
При концентрации диоксида серы 2030 мг/м3 раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SO2 хвойные леса. При концентрации SO2 в воздухе 0,230,32 мг/м3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2 3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SO2 0,51 мг/м3.
Основной техногенный источник выбросов углеводородов (СmНn пары бензина, метан, пентан. гексан) автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.
Оксиды азота (NOx) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NOx обычно подразумевают сумму NO и NO2. Основ-
Раздел 4. Воздушная среда города 163
ные источники выбросов NOx: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи.
NO2 газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NOx начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте NOx с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO3 и HNO2, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NO2, в атмосфере около 3 суток.
Размер пылинок колеблется от сотых долей до нескольких десятков мкм. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе 78 мкм. Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, поглощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Частицы пыли служат ядрами конденсации при образовании облаков и туманов. Основные источники образования пыли: производство строительных материатов, черная и цветная металлургия (оксиды железа, частицы Al, Cu, Zn), автотранспорт, пылящие и тлеющие места складирования бытовых и производственных отходов. Основная масса пыли вымывается из атмосферы осадками.
Выбросы, содержащие примеси в виде частиц пыли, дыма, тумана или пара, называются аэрозолями. Общее число разновидностей загрязняющих атмосферу аэрозолей составляет несколько сотен.
4.1.3. Нормирование качества атмосферного воздуха
Для количественной оценки содержания примеси в атмосфере используется понятие концентрации количества вещества, содержащегося в единице объема воздуха, приведенного к нормальным условиям.
Качество атмосферного воздуха это совокупность его свойств, определяющая степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферного воздуха может считаться удовлетворительным, если содержание примесей в нем не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него и на окружающую среду в целом прямого или косвенного воздействия, включая отдаленные последствия. Под прямым воздействием понимается нанесение организму человека временного раздражающего действия, вызывающего ощущение запаха, кашель, головную боль. При накоплении в организме вредных веществ выше определенной дозы могут возникать патологические изменения отдельных органов или организма в целом. Под косвенным воздействием понимаются такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая вредного влияния на живые организмы, ухудшают обычные условия обитания: поражаются зеленые насаждения. увеличивается число гуманных дней и т.д.
164
Экология города
Основным критерием установления нормативов ПДК для оценки качества атмосферного воздуха является воздействие содержащихся в воздухе загрязняющих примесей на организм человека.
Для оценки качества атмосферного воздуха установлены две категории ПДК: максимально разовая (ПДКМ.Р.) и среднесуточная (ПДКС.С.).
ПДКМ.Р. основная характеристика опасности вредного вещества. Установлена для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, световой чувствительности, биоэлектрической активности головного мозга) при кратковременном воздействии атмосферных примесей. По этому нормативу оцениваются вещества, обладающие запахом или воздействующие на другие органы чувств человека.
ПДКС.С. установлена для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Вещества, оцениваемые по этому нормативу, обладают способностью временно или постоянно накапливаться в организме человека.
К началу 1999 г. по нормативам ПДК оценивалось около 1000 веществ, которые могут попадать в атмосферный воздух. ПДК наиболее распространенных загрязняющих веществ приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. ПДК наиболее распространенных веществ

Наименование
загрязняющего вещества
ПДКМ.Р., мг/м3
ПДКС.С., мг/м3

Азота диоксид
0,085
0,04

Азота оксид
0,4
0,06

Ангидрид серный
0,5
0,05

Аммиак
0,2
0,04

Бенз(а)пирен

0,1 мкг/100м3

Взвешенные вещества
0,5
0,15

Ртуть металлическая

0,0003

Свинец и его соединения

0,0003

Углерода оксид
5
3

Угольная зола ТЭС
0,05
0,02

Формальдегид
0,35
0,003

Хлор
0,1
0,03

Перечень веществ, содержание которых в атмосферном воздухе нормируется, постоянно пополняется. Установлены временные нормативы ПДК загрязняющих веществ в воздухе для древесной растительности (ПДК Л) (табл. 4.4).
Раздел 4. Воздушная среда города
165
Таблица 4.4. Нормативы ПДКЛ , мг/м3

Наименование примесей в атмосферном воздухе
ПДКЛ М.Р.
ПДКЛ С.С.

Азота оксид (в пересчете на NO2)
0,04
0,02

Аммиак
0,1
0,04

Бензол
0,1
0,05

Метанол
0,2
0,1

Пары серной кислоты (H2SO4)
0,1
0,03

Сернистый ангидрид
0,3
0,02

Сероводород
0,008
0,008

Твердые частицы (пыль)
0,2
0,05

Циклогексан
0,2
0,2

Формальдегид
0,2
0,003

Фтористые соединения (в пересчете на фтор)
0,02
0,005

Если вещество оказывает на окружающую природную среду вредное действие в меньших концентрациях, чем на человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на окружающую природу. Воздействие веществ, для которых не установлены ПДК, оценивается по ориентировочному безопасному уровню воздействия загрязняющего атмосферу вещества (ОБУВ). ОБУВ временный гигиенический норматив для загрязняющего атмосферу вещества, устанавливаемый расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов.
Нормативы ПДК для атмосферного воздуха являются едиными для всей территории Украины. Установленные в других странах ПДК могут отличаться в большую или меньшую сторону. Например, в США установлена ПДК М.Р.. для SO2 0,75 мг/м3, а в Украине 0,5 мг/м3. Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также для зон отдыха городов ПДК установлена на 20% меньше, чем для жилых районов.
Некоторые вещества при одновременном присутствии в атмосферном воздухе обладают однонаправленным действием, т.е. эффектом суммации. В этом случае при оценке качества атмосферного воздуха должно выполняться следующее условие:

13 EMBED Equation.3 1415

где С1, С2, ..., Сn концентрация каждого из веществ, обладающих эффектом суммации, мг/м3;
ПДК1 ПДК2, ..., ПДКn предельно допустимые концентрации этих веществ.
Перечень веществ, обладающих эффектом суммации, постоянно дополняется и на сегодня насчитывает 51 группу веществ однонаправленного действия.
166 Экология города
Для каждого проектируемого и действующего объекта, являющегося стационарным источником загрязнения воздушного бассейна, устанавливают нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферный воздух. ПДВ устанавливают из условия, что выбросы вредных веществ от данного источника в совокупности с другими источниками не создают приземную концентрацию, превышающую ПДК за пределами санитарно-защитной зоны:
С + Сф
· ПДК,
где С концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника при сохранении норматива ПДВ, Сф фоновая концентрация этого же вещества.
Если на данном предприятии или группе предприятий, расположенных в одном районе, значения ПДВ по объективным причинам не могут быть немедленно достигнуты, устанавливают временно согласованный выброс (ВСВ). Норматив ВСВ устанавливают на период разработки и реализации воздухо-охранных мероприятий, обеспечивающих достижение нормативов ПДВ. Срок действия норматива ПДВ, как правило, не превышает 5 лет. При появлении новых производств, реконструкции действующих, изменении технологического процесса или вида используемого сырья и в других аналогичных случаях нормативы ПДВ подлежат пересмотру.
Для каждого города на основании нормативов ПДВ предприятий и фонового состава атмосферного воздуха разрабатывают общегородские нормативы ПДВ, в соответствии с которыми индивидуальные ПДВ предприятий могут быть пересмотрены в сторону уменьшения.
Расчет нормативов ПДВ производится на ЭВМ по специально разработанным программам, утверждаемым Министерством охраны окружающей природной среды и ядерной безопасности Украины.
Соблюдение установленных нормативов качества атмосферного воздуха обеспечивает благоприятную экологическую обстановку в данном районе в соответствии с требованиями закона Украины об охране атмосферного воздуха (разд. 10.1).
4.2. Основные источники образования и выбросов загрязняющих атмосферу веществ
Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в результате следующих процессов:
механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование, резание);
транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, переме- шивание);
тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);
износ и разрушение веществ (тормозные колодки автомобиля, абразив- ный круг заточного станка).
Раздел 4. Воздушная среда города 167
Пыль, содержащаяся в атмосфере, классифицируется по времени и форме ее образования:
первичное пыление пыль, образующаяся в результате какого-либо естественного или антропогенного процесса и выбрасываемая в атмо- сферу;
вторичное пыление пыль, образуемая в атмосфере из находящихся в ней жидких или газообразных веществ в результате химических или фи- зических преобразований;
поверхностное пыление переход пыли, сформировавшейся на поверх- ности земли, в атмосферу.
Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении или разливе жидкостей, в результате химических или фотохимических реакций. Конденсация паров происходит в результате охлаждения их окружающим атмосферным воздухом. В зависимости от точки плавления сконденсированные пары при низких температурах могут переходить в твердые частицы.
Газообразные загрязняющие вещества образуются в результате химических реакций окисления, восстановления, замещения, разложения, а также в процессе электролиза, выпаривания, дистилляции.
Наибольшую часть газообразных выбросов составляют продукты окисления, образовавшиеся в процессе горения. При окислении углерода образуется СО и СО2, при окислении серы SO2, азота NO и NO2.
При неполном сгорании в результате неполного окисления образуются альдегиды или органические кислоты.
4.2.1. Источники образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ по отраслям промышленности
Тепловые электростанции. Ожидаемое в ближайшие десятилетия истощение запасов нефти и газа ставит перед энергетиками задачу расширения доли использования твердого топлива, в особенности углей и сланцев низкого качества, запасов которых хватит на длительное время.
Эти виды топлива имеют пониженную теплотворную способность, повышенные зольность и содержание серы.
Отсюда следует, что в энергетике намечается тенденция увеличения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (см. разд. 7).
При сжигании углей средняя запыленность дымовых газов составляет 10-50 г/м3.
Химический состав пыли (золы) зависит от месторождения угля, толщины пласта, содержания в угле пустой породы. Пыль состоит, как правило, из SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O и содержит микропримеси соединений ванадия, ртути, свинца, мышьяка, радиоактивные и канцерогенные ве-
168 Экология города
щества. Дисперсный состав пыли зависит от способа помола и марки угля. Размер частиц колеблется от 5 до 60 мкм.
В состав дымовых газов входит SO2, образующийся в результате окисления серы, которая содержится в угле в пределах от 0,3 до 8%. Концентрация SO2 в дымовых газах зависит от содержания серы в угле, коэффициента избытка воздуха в топке котла, технологии сжигания и определяется по материальному балансу.
Оксиды азота NOX образуются при высоких температурах в топке котла в результате взаимодействия азота и кислорода, содержащихся в воздухе. Концентрация NOX в дымовых газах зависит от максимальной температуры в топке.
Дымовые газы содержат СО, который образуется в результате неполного сгорания топлива.
При сжигании мазута запыленность дымовых газов составляет 2050 мг/м3
Дымовые газы содержат SO2, концентрация которого зависит от содержания серы в мазуте, которое колеблется в пределах от 0,3 до 2,8%. Так же, как и при сжигании угля, происходит образование и выброс NOX и СО.
При сжигании природного газа выбросов золы не происходит, выбросы соединений серы незначительны. Имеют место образование и выбросы СО и NOX.
Вредные примеси продуктов сгорания по происхождению классифицируют на 3 группы:
примеси, образование которых зависит от состава топлива: SO2, зола, V2O5;
примеси, образование которых зависит от технологии сжигания: NOX, СО, бенз(а)пирен;
другие источники, не связанные с сжиганием: пыление золоотвалов, испарение углеводородов при хранении и перевозке жидкого топлива.
Расчет выбросов загрязняющих веществ от котлов тепловых электростанций производится следующим образом.
Количество летучей золы: Мтв = 0,01В(аунАр + qунQнр/32680)(1-
·3), т/год,
где В расход топлива, т/год; аун доля золы в уносе; Ар зольность топлива, %; qун потери теплоты с уносом от механической неполноты сгорания, %; Qнр низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
·3 степень очистки газов в золоуловителе, в долях единицы.
Количество выбросов оксидов серы: 13 EMBED Equation.3 1415 = 0,02BSp (1-13 EMBED Equation.3 1415)(1-13 EMBED Equation.3 1415), т/год,
где Sр содержание серы в топливе, %; 13 EMBED Equation.3 1415 доля оксидов серы, связанных в котле; 13 EMBED Equation.3 1415 доля оксидов серы, уловленных в золоуловителе попутно с твердыми частицами.
Количество оксида углерода: МCO = 0,001СCO B(1- qyн/100), т/год,
где СCO удельный выход СО при сжигании топлива, кг/т. СCO = q3 RQнp/1013;
q3 потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
Раздел 4. Воздушная среда города 169
R учитывает долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, обусловленную содержанием в продуктах неполного сгорания окиси углерода;
qун потери теплоты от механической неполноты сгорания.
Количество оксидов азота: 13 EMBED Equation.3 1415 = 0,3410-7kBQнp (1 - q4100)
·1(1 –
·1r)
·2
·3
·2,
где k коэффициент, характеризующий выход NO2 кг/тут.
Для котлов:
паропроизводительностью > 70 т/час k = 12Дф/(200 + Д);
паропроизводительностью от 30 до 70 т/час k = 0,05Дф,
паропроизводительностью <30 т/час k = Kб29,309(Дф/Д)0,25,
где Д и Дф номинальная и фактическая паропроизводительность;
Кб базовый коэффициент выхода NOX, зависит от типа котла;

·1 коэффициент, учитывающий качество топлива.
Для твердого топлива
·1 = 0,178 + 0,47Nr, где Nr содержание азота в топливе.
Для газа и мазута
·1, зависит от
· коэффициента избытка воздуха в топке котла:

· >1,05 1,03ч1,05 < 1,03,

·1(газ) 0,9 0,8 0,7,

·1(мазут) 1 0,9 0,75,

·2 коэффициент, учитывающий конструкцию горелок;

·3 коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления;

·2 коэффициент, учитывающий условия подачи газов в топку.

13 EMBED Equation.3 1415
где f безразмерный коэффициент, зависящий от паропроизводительности котла;
13 EMBED Equation.3 1415 коэффициент, зависящий от вида топлива и способа ввода газа рециркуляции; величина 13 EMBED Equation.3 1415 колеблется в пределах 0,0020,025 и выбирается по справочной литературе;

·2 коэффициент, учитывающий подачу воздуха помимо основных горелок (двухступенчатость сжижения); r степень рециркуляции дымовых газов, %.
Выброс оксидов ванадия (определяется только для котлов, сжигающих жидкое топливо с содержанием серы не менее 0,4%):
13 EMBED Equation.3 1415 = (95,4 Sр – 31,6) В(1-
·ос) (l-
·z) 10-2, т/год,
где
·ос коэффициент оседания оксидов ванадия на поверхностях нагрева
170 Экология города
котлов в долях единицы;
·z степень очистки дымовых газов от твердых частиц, в долях единицы.
Все необходимые для расчета коэффициенты содержатся в справочной литературе.
Добыча минерального сырья осуществляется в шахтах или открытых разработках. Источниками загрязнения атмосферы являются терриконы, отвалы, открытые разрезы, участки погрузки, разгрузки и транспортировки сыпучих материалов. Выбросы в атмосферу происходят в результате поверхностного пыления. Тлеющие угольные отвалы и терриконы выделяют в атмосферу газы, содержащие СО, СО2, SO2, H2S, NOX. При проведении взрывных работ образуется пылегазовое облако, содержащее пыль измельченной породы, CO, NOX.
Расчет выбросов загрязняющих веществ предприятиями угольной промышленности осуществляется следующим образом.
Количество газов, выделяющихся из действующих тлеющих терриконов и отвалов: П = 0,001тНД, т/сут., где т коэффициент, зависящий от качества угля; Н высота отвала, м; Д количество породы, подаваемой в отвал, т/сут.
Количество пыли из действующих терриконов и отвалов, т/сут:
П1 = 0,001 kНД, где k коэффициент, зависящий от высоты отсыпки и количества породы; k
· 0,01.
Пыль с ленточного конвейера (кг/с с 1 пог. м): П2 =
·с L
·, где
·с удельная сдуваемость пыли,
·с
· 310-5 кг/м2с; L ширина конвейерной ленты, м;
· коэффициент измельчения горной массы.
Над местом взрыва образуется пылегазовое облако, характеризуемое объемом, высотой подъема, температурой, концентрацией загрязняющего вещества.
Объем пылегазового облака, м3: V0 = 44 000А 1,08, где А количество взорванного взрывчатого вещества, т.
Высота подъема пылегазового облака, м: Н0 = в (164 + 0,258А), где в безразмерный коэффициент, зависящий от глубины скважины.
Черная металлургия. Предприятия черной металлургии оказывают крайне негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха таких крупных городов и промышленных центров Украины, как Алчевск, Днепропетровск, Донецк, Запорожье, Кривой Рог, Мариуполь и другие.
Основными источниками образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ являются следующие технологические процессы: подготовка сырья (обогащение, агломерация), производство кокса, доменное производство, производство стали, производство проката.
Доля неорганизованных выбросов в общем объеме выбросов предприятия достигает 1026%.
Для аглофабрики производительностью (1011)103 т/сут количество агломерационных газов, выбрасываемых в атмосферу, составляет ~ 1,83106 м3/ч, их запыленность 8-10 г/м3 содержание СО2 - 4,2%, СО - 0,6 - 0,9%, SO2 - 0,05%.
Раздел 4. Воздушная среда города 171
В процессе производства кокса имеют место выбросы в атмосферу коксового газа. Примерный состав коксового газа: СО2 1,63%; О2 0,40,8%; СmНn 22,5%; СО 56,5%; СН4 24,526,5%; Н2 5862%; N2 23,5%.
В доменном производстве имеют место выбросы в атмосферу продуктов сгорания из доменной печи (колошниковых газов) в процессах загрузки шихты, выпуска чугуна, охлаждения шлака.
Колошниковый газ содержит: пыль до 30 г/м3; СО 2340%; СО2 1522%; Н2 1,56%; следы SO2, H2S.
В общем балансе пылегазовых выбросов сталеплавильных агрегатов на долю мартеновского производства стали приходится 75% пыли. 85% оксидов азота, 90% диоксида серы. Запыленность дымовых газов составляет 0,52 г/м3.
Применение кислорода для интенсификации процесса в печи повышает запыленность отходящих газов до 1015 г/м3. Пыль на 8588% состоит из оксидов железа, являющихся частично продуктами возгонки металла в реакционной зоне ванны, а частично продуктами механического уноса дымовыми газами капель расплава.
Количество частиц < 1 мкм достигает 7085%. Из вредных примесей газы содержат: СО до 1%, образующегося в результате неполного окисления углерода, содержащегося в чугуне; SO2 окисление серы, содержащейся в чугуне; NOX окисление при высоких температурах N2, содержащегося в воздухе.
В прокатном производстве выделение загрязняющих веществ в атмосферу, по сравнению с другими цехами заводов черной металлургии, значительно меньше. Основными источниками образования выбросов являются прокатные станы, машины огневой зачистки, травильные отделения.
Цветная металлургия. Существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна предприятиями цветной металлургии вносят заводы по производству алюминия. Алюминий производят в 2 стадии: рафинирование бокситов (горная порода, состоящая в основном из гидратов глинозема) до оксида алюминия А12О3 (глинозема); восстановление оксида алюминия в электролизерах.
Производство глинозема сопровождается выделением большого количества запыленных газов. Содержание пыли в газах может достигать: в дробилках, мельницах 520 г/м3; в сушилках до 80 г/м3; в обжиговых печах 2030 г/м3. Кроме пыли, отходящие газы содержат: НСl, HF, CO, SO2.
Электролиз осуществляется в расплаве оксида алюминия (при температуре > 658 °С) и криолита. Требуемый состав электролита поддерживается за счет добавок солей фтора. В ходе электролиза имеются потери из-за термодиссоциации криолита на его составляющие: фториды Na и Аl, которые частично испаряются.
Удельный объем отходящих газов из электролизера может достигать (46)105 м3/т алюминия.
Удельный выброс загрязняющих атмосферу веществ: соединения фтора до 20 кг/т; сернистые соединения до 1012 кг/т; смолистые вещества до 11 кг/т; пыль 3085 кг/т.
Примерная концентрация вредных веществ в газах: HF 65 мг/м3; соединения серы 40 мг/м3; смола 55 мг/м3; пыль 100 мг/м3.
172 Экология города
Машиностроение. На машиностроительных предприятиях основными источниками загрязнения атмосферы являются следующие виды производства: сварка и тепловая резка металла; литейное производство; механическая обработка металлов; нанесение лакокрасочных покрытий.
При выполнении сварочных работ и тепловой резке металла в воздух выделяется сварочный аэрозоль, в составе которого в зависимости от вида сварки, марок электродов и флюса содержатся оксиды металлов (железа, марганца, хрома, ванадия, алюминия, цинка, меди и др.) в виде твердых частиц и газообразные соединения (фтористый водород, оксид углерода, оксиды азота, озон). Образующийся аэрозоль характеризуется мелкой дисперсностью скорость витания частиц не превышает 0,1 м/с.
Количество образующихся при сварке пыли и газов характеризуется валовыми выделениями в воздух веществ, отнесенными к 1 кг расходуемых электродов, а при резке к 1 м /шины разреза в соответствии с толщиной материала. Удельное выделение в воздух загрязняющих веществ при:
ручной дуговой сварке электродами с покрытием газозащищенного типа (ОМА-2 или ВСЦ-4а): пыли - 9,2-24 г/кг;
полуавтоматической сварке стали: пыли 715 г/кг; HF 0,53 г/кг;
газовой резке листа стали толщиной 10 мм: пыли 4,5 г/кг; СО ~ 2,2 г/кг; NOX ~ 2,2 г/кг;
плазменной резке листа стали толщиной 10 мм: пыли 4.1 г/кг; СО ~ 1,4 г/кг; NOX ~ 6,8 г/кг.
Основными источниками загрязнения атмосферы в литейном производстве являются плавильные агрегаты, шихтовый двор, участки подготовки формовочных и стержневых смесей, разлива металла и очистки литья. Расчет выбросов плавильного агрегата производится по формуле:
П = qД
·(1 -
·),
где q удельное выделение вещества на единицу продукции, кг/т; Д расчетная производительность агрегата, т/ч;
· поправочный коэффициент для учета условий плавки;
· эффективность средств по снижению выбросов (в долях единицы).
Закрытые чугунолитейные вагранки производительностью 510 т/ч при плавке чугуна выделяют в среднем на тонну выплавляемого металла: пыли 11,5 кг/т; СО - 193 кг/т; SO2 - 0,4 кг/т; CmHn - 0,7 кг/т.
Открытые чугунолитейные вагранки производительностью 225 т/ч в среднем выделяют на тонну выплавляемого металла: пыли 1720 кг/т; СО- 185-200 кг/т; SO2 – 1,3-1,5 кг/т; CmHn - 2,1-2,6 кг/т, NOX – 0,012-0,014 кг/т. Химический состав пыли вагранки: SiO2 2050%; СаО 2 12%; Аl2О3 - 0,5-6%; MgO - 0,5-4%; Fe2O3+FeO - 10-36%; С - 30-45%. Размер частиц пыли находится в пределах 5150 мкм.
При разливе из вагранок в ковши 1 т чугуна в атмосферу выделяется около 125130 г СО и 1822 г графитовой пыли.
Раздел 4. Воздушная среда города 173
При разливе чугуна в формы в атмосферу выделяется среднем 0,71,2 кг СО на 1 т отливки.
Удельные выделения на 1 т готовой продукции загрязняющих веществ в электродуговых печах при выплавке стали или чугуна составляют: пыль ~ 7,6 9,9 кг/т; СО ~ 1,21,5 кг/т; NOX ~ 0,260,29 кг/т; диоксид серы 1,6 г/т; цианиды 28,4 г/т; фториды 0,56 г/т.
При плавке нержавеющих, жаропрочных и кислотоупорных сталей удельное выделение пыли в отходящих газах следует увеличить в 1,41,5 раза.
При продувке кислородом выделение пыли принимается 0,5 кг на 1м3 кислорода.
В процессе приготовления формовочных смесей в процессах сушки, дробления, помола и смешения их компонентов выделяется пыль до 0,15 кг/т. Дополнительное выделение загрязняющих веществ имеет место в случае применения для сушки стержней и форм жидкого или твердого топлива. При использовании формовочных смесей холодного твердения, содержащих фенолформальдегидную смолу, выделяются: СО, бензол, фенол, формальдегид, метанол. Из карбамидной смолы выделяются: СО, формальдегид, метан, цианиды, аммиак. Извлечение отливок из песчано-глинистых форм и освобождение их от отработанных формовочных смесей производится с помощью специального оборудования и сопровождается выделением пыли, горелой земли и окалины в количестве до 30 кг/т отлитого металла.
Механическая обработка металлов (резание и абразивная обработка) сопровождается выделением в атмосферу пыли, стружки, туманов масел и эмульсий. Объем выбросов определяется исходя из нормо-часов работы станочного парка. Интенсивность пылеобразования при резании зависит от вида и мощности установленного оборудования, скорости резания, величины подачи режущего инструмента, геометрических параметров режущего инструмента, состава материалов обрабатываемого изделия. Интенсивность пылеобразования при абразивной обработке зависит от мощности станка, глубины резания, диаметра шлифовального круга. Размер частиц пыли 1560 мкм.
В качестве исходных данных для расчета выделения загрязняющих веществ при различных способах нанесения лакокрасочного покрытия принимаются: фактический или плановый расход окрасочного материала; доля содержания в нем растворителя; доля компонентов лакокрасочного материала, выделяющихся из него в процессе окраски и сушки.
Масса аэрозоля краски, выделившаяся при нанесении лакокрасочного покрытия на поверхность материала: Пока = тк
·а 10-2, кг, где тк масса краски, используемой для покрытия, кг,
·а доля краски, потерянной в виде аэрозоля, %.
Масса паров растворителя, выделившаяся при нанесении лакокрасочного покрытия на поверхность материала: Покпар = тк fp 13 EMBED Equation.3 1415 10-4, кг, где fp доля летучей части (растворителя) в лакокрасочном материале, %; 13 EMBED Equation.3 1415 доля растворителя, выделившегося при нанесении покрытия, %.
174 Экология города
Масса паров растворителя, выделившегося в процессе сушки окрашенного изделия: Пcпар = тк fp 13 EMBED Equation.3 1415 10-4, кг, где 13 EMBED Equation.3 1415 доля растворителя, выделившегося при сушке покрытия, %.
Считается, что в процессе формирования лакокрасочного покрытия происходит практически полный переход легколетучей части растворителя в парообразное состояние.
Строительная промышленность. Производство кирпича включает: добычу, дробление, просеивание сырьевых компонентов и составление шихты, формование кирпича, резку, сушку и обжиг.
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют:
частицы мелкодисперсной сухой глины и ее примесей при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировке, дозировке, хранении;
выбросы из печей от сгорания топлива, озоления и испарения примесей, находящихся в глине, зависящие от вида топлива, примесей, рабочих температур в печи.
Они содержат аэрозоли, SO2, NOX, CO, фториды. Средний удельный объем выбросов 3040 кг/т кирпича.
Процесс производства цемента включает добычу, дробление и смешение исходных материалов, обжиг и дробление клинкера, охлаждение и фасовку готовой продукции. Сырьем для производства цемента является смесь известняка, глины или глинистых сланцев с добавками доменных или котельных шлаков. Смесь сырьевых компонентов (клинкер) обжигается во вращающихся печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр диаметром до 2 м. Топливо (уголь, нефть или газ) сжигают в нижнем торце печи. Сырье подается в верхний торец и, вращаясь, движется вниз. В процессе обжига клинкера осуществляется его извлечение. После охлаждения готовая продукция фасуется в бумажные мешки, отгружается в автоцементовозы или вагоны для перевозки цемента. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу происходят в процессе добычи, хранения, дробления, дозировки и транспортировки исходного сырья, при обжиге клинкера и его измельчении, при фасовке и погрузке цемента.
В атмосферу выбрасываются пыль и продукты сгорания, содержащие NOX и SO2 в количествах, зависящих от вида используемого топлива и особенностей процесса обжига.
Удельный выброс пыли при производстве извести на 1 т продукции составляет 190,9 кг.
Производство стекла включает подготовку сырьевых компонентов, получение шихты, ее варку в печи и формование. Распространение получили стекловаренные печи с прямым сжиганием газа или угля. В атмосферу выбрасываются:
аэрозоли, возникающие при подготовке исходного сырья в количестве 0,018-0,027 кг/т;
Раздел 4. Воздушная среда города 175
аэрозоли из стекловаренных печей 0,451,3 кг/т со средним размером частиц 0,10,13 мкм, объем выбросов которых зависит от содержания летучих компонентов в исходном сырье;
SO2 образуется при сгорании серы, содержащейся в топливе, и при разложении сульфатов в стекольной шихте, в основном сульфата натрия;
NО2 образуется путем термического связывания атмосферного азота в печи;
фтористые соединения и мышьяк из минеральных примесей в исходном сырье.
Исходной горной массой при производстве нерудных строительных материалов являются граниты, известняки, доломиты, песчаники, мраморы, а также гравий и песок гравийно-песчаных и песчаных месторождений. Наиболее интенсивным пылеобразованием сопровождаются процессы дробления, сортировки (грохочения), перегрузки и транспортировки.
В процессе тепловой обработки керамических изделий загрязняющие атмосферу вещества выделяются в результате реакций, происходящих между основными компонентами сырья и при сжигании топлива в тепловых агрегатах. Из компонентов сырья выделяются соединения серы, хлора и фтора, водорастворимые соли соляной и серной кислот, оксид углерода, сернистый и серный ангидрид, фтористый водород.
Основными источниками загрязнения атмосферы в минераловатном производстве являются вагранки и камеры волокноосаждения.
Ваграночные газы содержат пыль, оксид углерода, сернистый газ, оксиды азота. Одна вагранка диаметром 1250 мм выбрасывает 312 тыс. м3/ч газов, которые содержат: 100 г/м3 СО; 0,2 г/м3 SO2; 0,05 г/м3 NOX; 0,2 г/м3 пыли. В качестве связующих веществ при производстве минераловатных изделий применяют фенолы, спирты и битумы. При этом из камеры волокноосаждения выбрасывается в атмосферу от 0,6 до 14,1 кг/ч фенола и от 0,2 до 24 кг/ч формальдегида, из камеры теплообработки 0,311,6 кг/ч фенола и 0,514,8 кг/ч формальдегида.
Бетон производят путем смешивания отмеренных доз песка, цемента, заполнителя и воды.
В атмосферу выбрасывается пыль, образующаяся при погрузке, разгрузке, транспортировке материалов, особенно цемента, так как цемент на 10 20% состоит из частиц размером менее 5 мкм.
Основными источниками загрязнения атмосферы при производстве железобетонных изделий являются места разгрузки железнодорожных вагонов с цементом, песком и щебнем, места загрузки цемента в емкости пневмотранспортером, расходные бункера, бетоносмесители, емкости для приготовления и хранения смазочных материалов, посты ручной и полуавтоматической сварки арматуры.
Количество пыли, выделяющейся при складировании инертных материалов, г/с:
176 Экология города
щебня - Пс = 0,018(3,2G + F); песка - Пс = 0,015G.
где G производительность узла пересыпки, т/ч; F площадь складирования материала, м3.
Переработка нефти и хранение нефтепродуктов. Основные процессы, являющиеся источниками загрязнения атмосферы:
каталитический крекинг, при котором из регенератора и дожигателя СО выделяются SO2, NOX, аэрозоли, углеводороды, аммиак;
каталитический гидрокрекинг при регенерации катализатора в короткие промежутки времени могут выделяться СО, NH3, H2S;
обогрев аппаратов аэрозоли, SO2, CO, углеводороды, альдегиды, NOX; сжигание в факеле СО, SO2, NOX;
складирование и хранение все резервуары, в которых находятся жидкости, содержащие легкие углеводороды, включая сырую нефть, являются потенциальными источниками утечки углеводородов в атмосферу. При изменении атмосферного давления резервуар "дышит". Выбросы углеводородов происходят при наполнении и опорожнении резервуаров, через уплотнение крышки.
Склады нефтепродуктов являются одним из наиболее распространенных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие склады имеются во всех населенных пунктах. Они сосредоточены на автозаправочных станциях, в автотранспортных предприятиях, гаражах, постах технического обслуживания автомобилей.
Количество выбросов в атмосферу загрязняющих веществ (кг/ч) из резервуаров с однокомпонентными жидкостями за счет испарения рассчитывается по формуле:
Пр = 2,5213 EMBED Equation.3 1415 РS(38)Мп(К5Х + К5Т)К6К7(1 -
·)10-9,
где 13 EMBED Equation.3 1415 объем жидкости, заливаемой в резервуар в течение года, м3/год; Мп молекулярная масса паров жидкости;
· степень очистки газоулавливающего устройства в резервуарах (в долях единицы); РS(38) давление насыщенных паров жидкости при температуре 38 °С, гПа; К5Х, К5Т поправочные коэффициенты, зависящие от давления насыщенных паров РS(38) и температуры в холодное и теплое время года; К6 коэффициент, зависящий от давления насыщенных паров и годовой оборачиваемости резервуаров; К7 коэффициент, зависящий от технической оснащенности и режима эксплуатации.
Значения коэффициентов находят по таблицам, приведенным в рекомендуемой литературе.
Химическая промышленность, производство минеральных удобрений. На
химических предприятиях производится более 70 000 видов готовой продукции. Вместе с побочными продуктами в производстве используется 500600 тыс. химических соединений. Часто в качестве сырья для получения хими-
Раздел 4. Воздушная среда города 177
ческих продуктов используются отходы других производств. Основные выбросы химических предприятий: аэрозоли, оксиды серы, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода.
Большинство выбросов аэрозолей в химической промышленности образуются в процессах дробления, размола, синтеза (разложения), погрузки, упаковки и транспортировки готовой продукции.
Производство серной кислоты основной источник выбросов оксидов серы; производство аммиака оксидов азота; пластмасс углеводородов; газовой сажи оксида углерода.
Главным загрязняющим атмосферу веществом при производстве удобрений являются аэрозоли, содержащие соединения азота, фосфора и фтора.
Выбросы при производстве мочевины содержат твердые частицы до 150 кг/т, аммиак до 14 кг/т, формальдегид до 10 г/т.
Суперфосфат получают путем обработки фосфоритовой руды кислотой. Главное загрязняющее атмосферу вещество фтористые соединения в газообразном состоянии и в виде аэрозолей. Газообразные фториды могут выделяться и из готовой продукции в течение 35 дней после изготовления. Соответственно, здание склада является источником выбросов фторидов. Выбросы фторидов составляют в процессе производства до 100 г/т Р2О5, при хранении до 0,25 г/ч на 1 т Р2О5.
Деревообработка. При деревообработке в воздух выделяются: при механической обработке древесины опилки, стружка, шлифовальная пыль; при горячем прессовании, склеивании и сушке шпона пары формальдегида, фенола, аммиака; при отделке изделий пары ароматических углеводородов. Количество опилок, стружек и пыли при механической обработке древесины зависит от вида деревообрабатывающего станка и коэффициента использования машинного времени. Количество пыли (d < 200 мкм) определяется по формуле: G = G0 Кn, где G0 среднечасовое количество отходов, получаемое от рассматриваемого оборудования; Кп коэффициент содержания пылевидных отходов.
Складирование и сжигание бытовых отходов. Источниками загрязнения воздушного бассейна служат: мусорные свалки и мусоросжигательные заводы, где мусор сжигается в специальных котельных установках с утилизацией тепла. С продуктами сгорания в атмосферу попадают пыль в количестве 150 250 мг/м3, SO2 50200 мг/м3, НСl 2001000 мг/м3 СО до 0,3%, альдегиды и органические кислоты 0,31,5%, канцерогенные вещества 6,57 мг/т мусора, присутствуют следы HF и диоксинов.
Пищевая промышленность. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на предприятиях пищевой промышленности существенно меньше, чем в других видах производств. Выбросы обусловлены обработкой сухих сыпучих продуктов (зерно, соль, сахар, крупа, крахмал) и термической обработкой продуктов (копчение, варка).
Выделение аэрозолей при переработке сыпучих материалов происходи при производстве крахмала около 3,65 кг/т готовой продукции; на мельницах
178 Экология города
при помоле пшеницы и ржи до 3,2 кг/т; при помоле соевых бобов до 2,2 кг/т; при переработке зерна на пиво и водку 1,4 кг/т. Поскольку пылевые частицы образуются в основном за счет дробления, они имеют относительно крупные размеры в пределах от 2 до 500 мкм.
Дымы и выбросы жидких частиц, образующихся в процессе термической обработки, содержат частицы субмикронного размера от 0,05 до 5 мкм. Одновременно эти процессы сопровождаются выделением запахов.
Автомобильный транспорт. В автомобиле существует три вида выбросов загрязняющих веществ: отработанные газы двигателей, картерные газы, топливные испарения. Наиболее объемными из них являются отработанные газы. Основными токсичными компонентами отработанных газов являются оксид углерода, оксиды азота, несгоревшие углеводороды, диоксид серы, сажа, соединения свинца (при этилированном бензине), полициклические ароматические углеводороды, бенз(а)пирен.
Оксид углерода образуется в результате неполного сгорания топлива в камере сгорания в обогащенной смеси из-за неполного окисления, а в сильно обедненной смеси из-за неполного распространения пламени. Этому способствует также переохлаждение топливно-воздушной смеси на стенках камеры сгорания.
Количество оксидов азота, образующихся в камере сгорания, зависит от температуры, времени и коэффициента избытка воздуха. Обедненные топливно-воздушные смеси дают наивысшие концентрации NOX. поскольку в них имеется некоторое количество избыточного кислорода при относительно высоких значениях температуры горения.
Основной причиной неполного сгорания углеводородов является охлаждение топливной смеси стенками камеры сгорания, неравномерное смешивание топлива и воздуха во время впрыска и сгорания, низкая летучесть дизельного топлива. При этом в атмосферу поступают более 400 видов углеводородных соединений.
Существенные выбросы SO2 в дизельных двигателях обусловлены высоким содержанием серы в дизельном топливе.
Сажевый аэрозоль состоит из частиц углерода и тяжелых (жидких) углеводородов. При больших нагрузках на двигатель сажевый аэрозоль в основном составляют частицы углерода, при малых увеличивается количество тяжелых углеводородов.
Токсичность выбросов двигателей внутреннего сгорания обусловлена адсорбированными на поверхности частиц углерода полициклическими ароматическими углеводородами, из которых многие являются канцерогенами. При использовании этилированных сортов бензина в атмосферу попадают тетраэтилсвинец и другие его соединения, являющиеся сильно действующими токсичными веществами.
Количество выбросов загрязняющих веществ от двигателя внутреннего сгорания определяется по формуле: Qi = QTBi ,т/год, Qi количество выбро-
Раздел 4. Воздушная среда города
179
сов загрязняющего вещества; QT количество сгоревшего топлива, т/год; Вi удельное количество выбросов при сгорании 1 т бензина или дизельного топлива (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Удельный выброс загрязняющих веществ при сгорании топлива, т/т

Наименование загрязняющего вещества
Удельный выброс, т/т



дизельное топливо
бензин

Оксид углерода Диоксид азота Углеводороды Диоксид серы
Сажа
Соединения свинца Бенз(а)пирен
0,1
0,04
0,03
0,02 0,0155

0,3110-6
0,6
0,04
0,1
0,002 0,00058 0,0003 0,2310-6

Удельные выбросы токсичных веществ зависят от мощности и типа двигателя, режима его работы, технического состояния автомобиля, скорости движения, состояния и уклона дороги, качества топлива.
Выбросы загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания автомобилей при работе в режиме стационарных источников (внутригаражные разъезды, посты технического обслуживания и мойки) определяются в количестве 0,5% от выбросов при расходовании заданного количества топлива, в том числе на гаражные разъезды приходится 70%, на техническое обслуживание - 30%.
4.3. Процессы формирования состава
атмосферного воздуха в населенном пункте
4.3.1. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере
Рассеивание в атмосфере выбрасываемых из дымовых труб и вентиляционных устройств загрязняющих веществ подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс их рассеивания существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов, расположение источников, рельеф местности. Распределение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере под факелом точечного источника показано на рис. 4.4.
180 Экология города

Рис. 4.4. Распределение концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы
под факелом точечного источника:
а зона переброса факела; в зона задымления; с зона постепенного снижения уровня загрязнения; d зона загрязнения неорганизованными выбросами
Зона задымления является наиболее опасной и не должна попадать на территорию селитебной застройки. Размеры зоны задымления в зависимости от метеоусловий находятся в пределах 1050 высот дымовой трубы.
Внутри зоны переброса факела высокие концентрации загрязняющих веществ имеют место за счет неорганизованных выбросов.
Рассеивание в атмосфере газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц (диаметром менее 10 мкм), имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется одним и тем же закономерностям. Для более крупных частиц пыли эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает.
Поскольку в пылегазоочистных аппаратах крупные частицы улавливаются более эффективно, чем мелкие, в выбросах, прошедших очистку, остаются только мелкие частицы. Их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и рассеивание газообразных примесей.
Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере. Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация.
Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от типа источника и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обусловливает уменьшение концентраций приме-
Раздел 4. Воздушная среда города 181
сей у земли. Эта концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном слое формируются при некоторой скорости, которую называют "опасная".
При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (w = 01 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое. Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.
Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые струи воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными.
Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (температура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток становится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия называются инверсионными.
Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высоты над поверхностью земли приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере.
Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация "застоя воздуха".
Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию серной кислоты.
Осадки очищают воздух от примесей. После длительных интенсивных осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются.
Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов. Таким образом, происходит окисление сернистого газа с образованием сульфатных аэрозолей.
В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно меняются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные характеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества тепла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повышению температуры воздуха и образованию так называемых "островов
182 Экология города
тепла" (см. разд. 4.7). Повышение температуры над крупным городом по сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до высоты в несколько сотен метров.
Основы прогноза загрязнения атмосферного воздуха. Развитие методов прогноза основывается на результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения примесей, выбрасываемых источниками загрязнения атмосферы.
Основное направление изучения распространения примесей состоит в разработке теории атмосферной диффузии на основе математического описания процесса с помощью уравнения турбулентной диффузии. Оно позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды.
В общем виде задача прогноза загрязнения воздуха математически может быть описана дифференциальным уравнением при определенных начальных и граничных условиях:
13 EMBED Equation.3 1415 (4.1)
где t время; хi координаты; иi составляющие средней скорости перемещения примеси; ki составляющие коэффициента обмена; i = 1, 2, 3 направления осей координат; а коэффициент, определяющий изменение концентрации за счет превращения примеси.
Применив декартову систему координат, обозначим горизонтальные оси х1 и х2 через х и у, вертикальную ось x3 через z, соответственно скорости и1 = и; и2 = у; и3 = w; коэффициенты обмена k1 = kx; k2 = ky; k3 = kz.
Тогда уравнение (4.1) приобретает вид:
13 EMBED Equation.3 1415 (4.2)
При решении практических задач вид уравнения (4.2) упрощается. Если ось х сориентирована по направлению средней скорости ветра, то v = 0.
Вертикальные перемещения в атмосфере над горизонтальной однородной поверхностью малы и можно считать w = 0, если примесь легкая и не имеет собственной скорости перемещения.
Если рассматривается тяжелая примесь, постепенно оседающая в атмосфере под воздействием гравитационных сил, то w представляет собой скорость осаждения, которая входит в уравнение со знаком минус.
При наличии ветра можно пренебречь членом с kх, учитывающим диффузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток примеси значительно меньше конвективного.
Раздел 4. Воздушная среда города 183
Изменения концентраций в атмосфере со временем носят обычно квазистационарный характер и поэтому можно принять
·q/
·t = 0.
Таким образом, уравнение (4.2) можно свести к виду:

13 EMBED Equation.3 1415

В случае легкой примеси: 13 EMBED Equation.3 1415

При рассмотрении сохраняющейся консервативной примеси:
13 EMBED Equation.3 1415
При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет определение ожидаемых концентраций в приземном слое h = 1,52 м.
Как показали исследования, в приземном слое воздуха до уровня z = h коэффициент обмена возрастает пропорционально высоте; скорость является логарифмической функцией высоты.
При z = 0 (на уровне поверхности земли) можно приближенно принять в качестве предельного значения kz = v коэффициент молекулярной диффузии для воздуха.
Аналитическое решение уравнения диффузии можно записать для случая, когда u и kz заданы степенными функциями от z (и = u1zn; kz = k1z) для легкой сохраняющейся примеси (w = а = 0).
Наземная концентрация (при z = 0):

13 EMBED Equation.3 1415
где М выброс вещества от источника в единицу времени мг/с; Н высота источника выброса, м.
Характерной особенностью распределения наземной концентрации q по оси х является наличие максимума ее qm на расстоянии хт от источника.
Он находится из условия:
·q/
·x =
·q/
·у = 0.
Результаты расчета распределения концентрации примесей от одиночного точечного источника можно проиллюстрировать графически (рис. 4.5).
184 Экология города

Рис. 4.5. Распределение концентраций примеси в воздухе от одиночного точечного источника различной высоты Н: Н1 < Н2 < Н3
Расчеты показывают, что при одинаковых параметрах выбросов максимальная приземная концентрация примеси от более высокого источника меньше и наблюдается на большем расстоянии от источника.
Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Методика предназначена для решения практических задач, связанных с прогнозом загрязнения атмосферного воздуха. Она позволяет производить расчеты рассеивания примесей, выбрасываемых в атмосферу одиночными точечными, линейными и группой источников, с учетом влияния рельефа местности, определять предельные концентрации загрязняющих веществ в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикальное распределение концентраций.
Степень загрязнения атмосферного воздуха определяется наибольшим расчетным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным метеорологическим условиям, опасной скорости ветра.
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией вредного действия, рассчитывается суммарная концентрация q в долях ПДК:
q = С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ...+ Сп/ПДКп.
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См, мг/м3 при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии хм и определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (4.3)
где A коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в едини-
Раздел 4. Воздушная среда города 185
цу времени, г/с; F коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе; т, n коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; H высота источника выброса над уровнем земли, м; (для наземных источников принимается H = 2 м);
· коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае равной или слабопересеченной местности с перепадом высот меньше 10 м/км принимается
· = 1); V1 объемный расход газовоздушной смеси, м3/с;
·T разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха, °С.
Максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы прямо пропорциональна массовому расходу загрязняющего вещества М и обратно пропорциональна квадрату высоты источника Н2.
Повышение температуры и момента количества движения струи выбрасываемых газов приводит к увеличению высоты дымового факела и снижению приземной концентрации загрязняющих веществ.
Коэффициент А при неблагоприятных метеорологических условиях, обеспечивающих максимальные значения концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, имеет следующие значения на территории Украины: севернее 50° с.ш. А 160; для источников в зоне от 50 до 52° с.ш. А = 180; южнее 50° с.ш. - 200.
При определении
·T температуру окружающего атмосферного воздуха принимают равной средней температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года в 1300 по местному времени.
Значения коэффициента F:
для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость оседания которых близка к нулю, F = 1;
для прочих мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки газов в пылеуловителе
·
· 0,9 F = 2; при 0,75
·
·
· 0,9 F = 2,5; при
· < 0,75 F = 3;
при наличии данных о дисперсном составе пыли в зависимости от соотношения Vg/Uм при Vg/Uм
· 0,015 F = 1; при 0,015
· Vg/Uм
· 0,03 F = 1,5;
F определяется, как указано выше, для прочих мелкодисперсных аэрозолей, где Vg скорость витания частиц такого диаметра dg, что масса всех частиц диаметром больше dg, составляет 5% от общей массы частиц, м/с; Uм опасная скорость ветра, м/с.
Для получения значений коэффициентов тип определяются следующие промежуточные коэффициенты:
f = 1000w02D/H2
·T; 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 =1,3w0D/H; fe = 800(13 EMBED Equation.3 1415)3,
где D диаметр устья дымовой трубы, м; w0 скорость выхода газовоздушной смеси из дымовой трубы, м/с.
186 Экология города
Коэффициент т определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 при f < 100; 13 EMBED Equation.3 1415 при f
· 100;
при fe < f < 100 при расчете т принимают, что f = fe. При f
· 100 n определяется в зависимости от Vм.
n = 1 при Vм
· 2;
n = 0,532 Vм2 - 2,13 Vм, + 3,13 при 0,5
· Vм < 2; (4.4)
n = 4,4 Vм при Vм
· 0,5.
При f
· 100 или
·T
· 0 и 13 EMBED Equation.3 1415
· 0,5 (холодные выбросы) при расчете См вместо формулы (4.3) применяется:
13 EMBED Equation.3 1415
n определяется по формулам (4.4) с подстановкой вместо Vм значений 13 EMBED Equation.3 1415.
Аналогично при f < 100 и Vм < 0,5 или f
· 100 и 13 EMBED Equation.3 1415 < 0,5 (случаи предельно малых опасных скоростей ветра) расчет См вместо формулы (4.3) ведется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, где т = 2,86m при f < 100, Vм < 0,5; т = 0,9 при f
· 100, 13 EMBED Equation.3 1415 < 0,5.
Расстояние хм, м, на котором приземная концентрация С, мг/м3, при неблагоприятных метеоусловиях достигает максимального значения См, определяется по формуле: хм = (5 F)dH/4, где d безразмерный коэффициент;
при f < 100
d = 2,48(1 + 0,28 13 EMBED Equation.3 1415) при Vм
· 0,5;
d = 4,95 Vм (1 + 0,28 13 EMBED Equation.3 1415) при 0,5
· Vм
· 2; d = 713 EMBED Equation.3 1415(1+ 0,28 13 EMBED Equation.3 1415) при Vм > 2.
При f > 100 или
·T
· 0 значение d находится по формулам: d = 5,7 при 13 EMBED Equation.3 1415
· 0,5; d = 11,413 EMBED Equation.3 1415 при 0,5 < 13 EMBED Equation.3 1415
· 2; d = 16 при 13 EMBED Equation.3 1415 > 2.
Значение опасной скорости ветра Uм, при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ: при f < 100: Uм = 0,5Vм при Vм
· 0,5; Uм = Vм при 0,5 < Vм
· 2; Uм = Vм (1 + 0,1213 EMBED Equation.3 1415) при Vм > 2.
При f
· 100 или
·T
· 0: Uм = 0,513 EMBED Equation.3 1415 при Vм
· 0,5; Uм = 13 EMBED Equation.3 1415 при 0,5 < 13 EMBED Equation.3 1415
· 2; Uм = 2,213 EMBED Equation.3 1415 при 13 EMBED Equation.3 1415 > 2.
Раздел 4. Воздушная среда города 187
При опасной скорости ветра Uм, м/с, приземная концентрация вредных веществ С, мг/м3, в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии ч от источника определяется по формуле: С = S1Cм, где S1 безразмерный коэффициент.
S1 = 3(х/хм)4 - 8(х/хм)3 + 6(x/xм)2 при х/хм
· 1;
13 EMBED Equation.3 1415 при 1 < x/xм
· 8;
13 EMBED Equation.3 1415 при F
· 1,5 и x/xм > 8;
13 EMBED Equation.3 1415 при F > 1,5 и x/xм > 8.
Для низких и наземных источников при 2м
· H
· 10 м и x/xм < 1 величина S1 заменяется на S1H: S1H = 0,125(10 - H) + 0,125(H - 2) S1.
Значения приземной концентрации вредных веществ в атмосфере Сy, мг/м3, на расстоянии у1, м, по перпендикуляру к оси факела выброса определяются по формуле: Сy = S2C, где S2 безразмерный коэффициент.
13 EMBED Equation.3 1415
ty = иу2/х2 при и
· 5; ty = 5у2/х2 при и > 5.
Для источника с прямоугольным устьем расчет Cм производится по вышеприведенным формулам с использованием значений средней скорости w0, м/с, эквивалентного диаметра Dэ, м и эффективного расхода V1э, м3/с, которые определяются следующим образом:
w0 = V1/Lв, м/с, где L длина устья, м; в ширина устья, м;
13 EMBED Equation.3 1415
Радиус зоны влияния источника определяется как наибольшее из двух расстояний от источника х1 и х2, где х1 = 10xм; х2 расстояние от источника, на котором концентрация загрязняющего вещества с = 0,05 ПДК.
Разработка нормативов ПДВ и ВСВ для стационарных источников. ПДВ
устанавливается для каждого стационарного источника из расчета, что совокупный выброс от всех источников загрязнения атмосферного воздуха города с учетом перспективы развития не приведет к превышению норматива ПДК м р в приземном слое. ПДВ устанавливается для условий полной нагрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы. ПДВ не должен превышаться в любой 20-минутный период времени. Для мелких источников целесообразно установление ПДВ от их совокупности с предвари-
188 Экология города
тельным объединением их в площадной или условный точечный источник. ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в случае суммации вредного действия нескольких веществ.
По результатам расчета нормативов ПДВ для каждого стационарного источника выбросов устанавливается суммарный предельный выброс предприятия в целом.
ПДВ устанавливают с учетом фоновых концентраций (разд. 4.5.3).
Для реконструируемого предприятия расчеты выполняют по фактическому положению и на перспективу.
Для одиночного источника с круглым устьем в случае Сф < ПДК ПДВ определяют по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
В случае f
· 100 или
·T
· 0:

Для источника с прямоугольным устьем ПДВ определяют по тем же формулам при D = Dэ, V1 = V1э.
Установлению ПДВ для источника предшествует определение его зоны влияния.
Для предприятий и источников, зоны влияния которых целиком расположены в пределах города, где суммарная концентрация от всех источников С < ПДК, значения выбросов, используемых при расчетах, принимаются в качестве ПДВ.
Если 13 EMBED Equation.3 1415 > ПДК (фоновая концентрация, из которой исключен вклад рассматриваемого источника), то увеличение объемов выбросов от реконструируемого объекта и строительства на предприятии новых объектов с выбросами тех же веществ или веществ, обладающих с ними эффектом суммации, может быть допущено только при одновременном обеспечении снижения выбросов на остальных объектах рассматриваемого предприятия или на других предприятиях города.
Наряду с максимальным разовым значением ПДВ в г/с устанавливаются годовые значения ПДВ в т/год для отдельных источников и предприятия в целом.
4.3.2. Трансформация примесей в атмосфере
Первый от поверхности Земли слой атмосферы тропосфера является неравновесной химически активной системой. В ней непрерывно идут процессы, вызывающие изменение концентрации примесей в атмосферном воздухе.
Раздел 4. Воздушная среда города 189
Знания о механизмах и скорости процессов поступления выбросов из природных и антропогенных источников, переноса в другие сферы (воду, почву) или трансформации в атмосфере позволяют составить баланс атмосферной части глобального кругооборота веществ в природе.
Большинство газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу, находятся в восстановленной форме или в виде окислов с низкой степенью окисления (сероводород, метан, оксид азота). Анализ атмосферных осадков показывает, что возвращенные на поверхность земли примеси представлены в основном соединениями с высокой степенью окисления (серная кислота, сульфаты, азотная кислота, нитраты, диоксид углерода).
Таким образом, тропосфера играет роль глобального окислительного резервуара.
Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать по трем различным направлениям:
окисление непосредственно в газовой фазе;
окислению предшествует адсорбция примесей частицами воды, в дальнейшем процесс окисления протекает в растворе;
окислению предшествует адсорбция примесей на поверхности взвешенных в воздухе частиц.
В роли окислителя могут выступать молекулы кислорода, перекись водорода, озон. Основную роль в процессах окисления, протекающих в атмосфере, играют свободные радикалы, прежде всего гидроксильный радикал ОН-. Он образуется в верхних слоях атмосферы путем фотодиссоциации воды и при других реакциях.
Трансформация соединений углерода в атмосфере. В большинстве случаев СО можно рассматривать как химически неактивный компонент воздуха. Однако в стратосфере и при фотохимическом смоге СО может окисляться до СО2, взаимодействуя со свободным радикалом ОН-.
СО + ОН- СО2 + Н+.
Фотохимическое окисление метана в тропосфере протекает в основном по радикальному механизму:
R - СН3+ ОН- R - СО2 + Н2О.
Образовавшийся на первой стадии метальный радикал при столкновении с молекулой кислорода дает другую неустойчивую частицу метилпероксидный радикал.
Метилпероксидный радикал в атмосфере разлагается с образованием метоксильного радикала:
СН3О2 + NO СH3О + N02, 2СН3O2 O2 + 2СН3О.
При взаимодействии метоксильного радикала с кислородом происходит образование формальдегида:
СН3О + О2 СН2О + НО23-.
190 Экология города
Молекулы СН2О подвергаются фотолизу при поглощении света в ближайшей ультрафиолетовой области:
СН2О НСО- + Н+,
СН2О СО + Н2.
Формильный радикал HCО образуется также при взаимодействии формальдегида с гидроксилрадикалом:
сн2о + он- нсо- + н2о.
Реагируя с ОН- радикалом, формильный радикал образует оксид углерода, который является конечной стадией окисления органических соединений в атмосфере:
НСО+ ОН- СО + Н2О.
Трансформация соединений серы в тропосфере. До настоящего времени детальный механизм трансформации соединений серы не установлен. Наиболее вероятным представляется протекание реакций окисления с участием свободных радикалов:
H2S+ ОН- Н2О + HS, HS + О2 ОН- + SO, SO+ НО2 SO2 + ОН-.
Полученный из сероводорода диоксид серы (как и SO2, поступающий из антропогенных источников) окисляется далее:
SO2+ ОН- HSO3,
HSO3 + НО2 SO3 + 2ОН-,
SO2 + НО2 SO3 + ОН-.
Скорость трансформации диоксида серы при средних значениях концентраций свободных радикалов в воздухе составляет примерно 0,1% в час, что соответствует времени пребывания SO2 в атмосфере, равному 5 сут. Процесс трансформации диоксида серы в воздухе резко ускоряется в промышленных регионах, где имеет место увеличенное содержание свободных радикалов.
Триоксид серы (серный ангидрид) легко взаимодействует с частицами атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты:
SO3 + Н2О H2SO4.
Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в частицах атмосферной влаги, серная кислота частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция.
Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. В этом случае стадии окисления предшествует адсорбция, сопровождающаяся химическими реакциями с образованием сульфитов:
Раздел 4. Воздушная среда города 191
SO2 + СаО CaSO3, SO2 + MgO MgSO3.
В дальнейшем при взаимодействии с молекулярным кислородом сульфиты переходят в соответствующие сульфаты.
В дождливую погоду возможен процесс окисления SO2 после предварительной адсорбции их каплями атмосферной влаги. В процессе окисления SO2 в жидкой фазе активное участие принимают ионы ОН- и НО23-, которые образуются в результате фотохимических превращений в слое облаков. Конечными продуктами окисления SO2 как в растворе, так и в газовой фазе, является серная кислота, которая образуется в виде мелкодисперсных аэрозолей. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками и адсорбируются на поверхности земли. Такие явления называются кислотными дождями. Водородный показатель (рН) воды кислотных дождей менее 5,6.
В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO2 в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде H2SO4 и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов через 3040 часов.
Трансформация соединений азота в тропосфере. Соединения азота в атмосфере в основном представлены оксидами азота, аммиаком и солями аммония, а также азотной кислотой и нитритами.
Большинство естественных и антропогенных выбросов содержат оксид азота NO. В тропосфере NO, взаимодействуя с гидропероксил-радикалом, переходит в диоксид азота:
NO + Н2О NO2+ ОН-.
Окисление оксида азота происходит также при взаимодействии с озоном: NO + О3 NO2 + О2.
Под действием солнечного излучения происходит обратная реакция часть диоксида азота разлагается с образованием оксида азота и атома кислорода:
NO2 NO+ О+.
Атомарный кислород приводит к образованию в атмосфере озона.
В результате взаимодействия диоксида азота с гидроксильным радикалом происходит образование азотной кислоты:
NO2 + ОН- HNO3.
Основное количество азотной кислоты выводится из тропосферы с атмосферными осадками в виде растворов HNO3 и ее солей.
Часть азотной кислоты разлагается с образованием диоксида или триоксида азота, которые вновь включаются в атмосферный цикл его соединений:
HNO3 ОН- + NO2,
HNO3 + ОН- Н2О + NO3
192 Экология города
Среди нитратов, присутствующих в атмосфере, основное количество составляет азотнокислый аммоний NH4NO3 который образуется при взаимодействии аэрозолей соответствующих кислот с NH3 и его аэрозолями. Соединения аммония выводятся из атмосферы с атмосферными осадками и в результате процессов сухого осаждения.
4.3.3. Смоги
Смог (от английского smoke дым, fog туман) атмосферное явление, наступающее при совпадении определенных метеорологических условий и высокой степени загрязненности воздушного бассейна. Различают следующие виды смогов: фотохимический, лондонский и ледяной.
Фотохимический смог образуется в ясную солнечную погоду, при низкой влажности, температуре выше +30 °С, полном отсутствии ветра и высокой загрязненности воздуха. При фотохимическом смоге наблюдается появление голубоватой дымки или беловатого тумана и связанное с этим ухудшение видимости. Основными химическими соединениями, обеспечивающими вышеперечисленные свойства смога, являются озонид углерода и пероксиацил-нитраты (ПАН), образующиеся в результате химических реакций находящихся в воздухе углеводородов с оксидами азота и углерода под воздействием солнечной радиации (фотохимический эффект).
Смог вызывает у людей раздражение органов чувств, химически действует как окислитель (усиливает коррозию металлов, приводит к растрескиванию резины).
Фотохимический смог характерен для таких городов, как Днепропетровск, Донецк, Запорожье.
Лондонский смог формируется при влажности воздуха около 100%, температуре 0 °С, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов сгорания твердого и жидкого топлива (SO2, сажа, NOx и СО). Наблюдается чаще в осенне-зимний период, характерен для умеренных широт с влажным морским климатом. Смог получил свое название после происшедшей в столице Великобритании в декабре 1952 г. катастрофы, связанной с высокой загрязненностью воздуха и длительным штилем в течение двух недель. В этот период резко повысилось число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, смертность увеличилась более, чем в 10 раз. Подобные ситуации повторялись в декабре 1956 и январе 1957 г. Благодаря принятым мерам по ограничению пылегазовых выбросов загрязнение атмосферного воздуха в Лондоне значительно снизилось. Так, в период 19521970 гг. выбросы сажи при отоплении жилых домов сократились с 130 тыс. т в год до 10 тыс. т, а от промышленных предприятий с 50 тыс. т до 5,0 тыс. т в год. Сильный туман, который образовался в декабре 1972 г., висевший над городом на протяжении двух недель, на этот раз не вызвал серьезных последствий для населения.
Смог типа лондонского характерен для Мариуполя, Одессы и других приморских городов.
Раздел 4. Воздушная среда города 193
Ледяной смог характерен для городов, расположенных в высоких (северных) широтах. Он образуется при температурах ниже 30 °С, полном штиле, высокой влажности воздуха и наличии мощных источников загрязнения атмосферы. При низкой температуре капельки водяного пара превращаются в кристаллики льда (размером 510 мкм) и повисают в воздухе в виде густого белого тумана, видимость уменьшается до 810 м. На кристалликах льда адсорбируются частички и молекулы пылегазовых выбросов. Утяжеляясь, кристаллики льда опускаются в приземный слой. Дыхание в таком тумане становится невозможным.
Для Украины ледяной смог не характерен.
4.4. Мероприятия по защите воздушного бассейна
Мероприятия по обеспечению охраны атмосферного воздуха городской среды можно условно разделить на следующие группы:
организация санитарно-защитных зон;
архитектурно-планировочные решения;
инженерно-организационные мероприятия;
безотходные и малоотходные технологии;
технические средства и технологии очистки выбросов.
4.4.1. Санитарно-защитные зоны
Объекты, являющиеся источниками выделения в окружающую среду вредных и с неприятным запахом веществ, следует отделять от жилой застройки санитарно-защитной зоной (СЗЗ).
Размеры нормативной СЗЗ до границы жилой застройки устанавливают в зависимости от мощности предприятия, особенностей технологического процесса производства, характера и количества выделяемых в атмосферу вредных и с неприятным запахом веществ. В соответствии с санитарной классификацией промышленных предприятий размеры санитарно-защитных зон устанавливаются в пределах от 50 до 3000 м в зависимости от класса опасности предприятия (табл. 4.6).
Таблица 4.6. Нормативные размеры санитарно-защитных зон

Класс опасности предприятия
Размер защитной зоны, м

I.A
3000

I.Б
1000

II
500

III
300

IV
100

V
50

194 Экология города
Предприятия с технологическими процессами, не приводящими к выделению в атмосферу загрязняющих веществ, допускается размещать в пределах жилых районов.
СЗЗ нельзя рассматривать как резервную территорию и использовать ее для расширения промышленной площадки. На территории СЗЗ допускается размещение объектов более низкого класса вредности, чем основное производство, складов, гаражей, автостоянок и т.д.
Размер СЗЗ до границы жилой застройки следует устанавливать:
для предприятий с технологическими процессами, являющимися ис- точниками загрязнения атмосферного воздуха непосредственно от источника загрязнения (трубы, шахты, аэрационные фонари зданий, места погрузки разгрузки сырья);
для предприятий с технологическими процессами, являющимися источ- никами шума, вибрации, электромагнитных волн, радиочастот от зда- ний, сооружений и площадок, где установлено это оборудование;
для электростанций, котельных от дымовых труб.
Территория СЗЗ должна быть благоустроена и озеленена. При проектировании благоустройства СЗЗ необходимо сохранять существующие зеленые насаждения. Со стороны селитебной территории надлежит предусматривать полосу древесно-кустарниковых насаждений шириной не менее 50 м, а при ширине зоны до 100 м не менее 20 м.
Вблизи предприятий с большим количеством выбросов вредных веществ санитарно-защитная зона формируется в виде аэродинамической системы, состоящей из зеленых защитных полос и открытых пространств между ними. Полосы целесообразно размещать под углом 8090° к основному направлению ветра. При этом зона проветривается по многочисленным каналам в горизонтальном направлении. Завихрение воздуха за полосами способствует образованию восходящих потоков и рассеиванию выбросов в наиболее высоких слоях атмосферы. Одновременно защитные полосы и газонные покрытия задерживают пыль и аэрозоли, поглощают вредные газы.
Размеры СЗЗ уточняются при расчетах рассеивания пылегазовых выбросов (см. разд. 4.3.1) и могут оказаться больше или меньше нормативных. Если расчетный размер СЗЗ больше нормативного, то принимаются меры для снижения объема пылегазовых выбросов или размер СЗЗ устанавливается в соответствии с расчетным.
При нахождении промышленного предприятия внутри жилой застройки и невозможности обеспечить соблюдение размеров СЗЗ в соответствии с нормативами необходимо обеспечить степень очистки пылегазовых выбросов до уровня ПДК на границе предприятия.
Полученные по расчету размеры СЗЗ должны уточняться для различных направлений ветра в зависимости от результатов расчета загрязнения атмосферы и среднегодовой розы ветров района расположения предприятия по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415 Раздел 4. Воздушная среда города 195
где l расчетный размер СЗЗ, м; L0 расчетный размер участка местности в данном направлении, где концентрация веществ (с учетом фоновой) превышает ПДК с.с, м; p среднегодовая повторяемость направления ветров рассматриваемого румба, %; р0 повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %. Например, при восьмирумбовой розе ветров
13 EMBED Equation.3 1415
4.4.2. Архитектурно-планировочные мероприятия
К архитектурно-планировочным относятся мероприятия, связанные с выбором площадки для строительства промышленного предприятия, взаимным расположением предприятия и жилых кварталов, взаимным расположением цехов предприятия, устройством зеленых зон.
Промышленный объект должен быть расположен на ровном, возвышенном, хорошо проветриваемом месте (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Пример размещения промышленного объекта: а разрез; б план
1 жилая застройка; 2 цеха предприятия; 3 точечный высокий источник (дымовая труба); 4 линейные источники (аэрационные фонари); 5 граница населенного пункта; 6 средняя роза ветров теплого периода года; 7 факелы выбросов загрязняющих веществ при направлении ветра в сторону жилой застройки
196 Экология города
Площадка жилой застройки должна быть размещена ниже предприятия (H2Источники загрязнения атмосферы желательно располагать за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов по средней розе ветров теплого периода года, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов.
Расстояние между производственными зданиями при удалении вредных веществ через аэрационные фонари должно быть больше восьми высот впереди отстоящего здания, если оно широкое (l >8h), и десяти, если оно узкое (l >10h). В этом случае загрязняющие вещества не будут накапливаться в межкорпусной зоне.
Цехи, выделяющие наибольшее количество загрязняющих веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву.
Расположение цехов должно быть таким, чтобы при направлении ветра в сторону жилых кварталов их выбросы не объединялись.
Важное место занимают методы фитомелиорации с использованием зеленых насаждений (подробнее см. разд. 5.3), облесение и задернение территорий.
Зеленые насаждения являются эффективными биофильтрами. При прохождении запыленного воздуха через кроны деревьев и кустарников, а также через травянистую растительность он очищается от пыли благодаря осаждению аэрозольных частиц на поверхности листьев и стеблей растений.
Кроме того, зеленые насаждения могут поглощать и газообразные примеси. Например, 10 кг листьев дерева (в пересчете на сухую массу) за период с мая по сентябрь поглощают следующее количество сернистого газа: тополь 180 г, липа 100 г, береза 90 г., клен 2030 г. Для лесостепи поглотительная способность зеленых насаждений составляет 7001000 кг/га. В районах, где выпадает большее количество осадков, поглотительная способность зеленых насаждений возрастает.
Если концентрация загрязняющих веществ превышает предельно допустимую, она становится вредной для жизнедеятельности растений и может привести к их гибели. Наиболее газоустойчивые деревья гледичия (акация), дуб, ива, клен.
4.4.3. Инженерно-организационные мероприятия
Основные виды инженерно-организационных мероприятий состоят в следующем.
Снижение интенсивности и организация движения автотранспорта. Для этого ведется строительство объездных и окружных дорог вокруг городов и населенных пунктов, устройство развязок пересечений дорог на разных уровнях, организация на основных городских магистралях движения по типу "зеленая волна".
Раздел 4. Воздушная среда города 197
Увеличение высоты дымовых труб. Чем выше труба, тем лучше рассеивание пылегазовых выбросов в атмосфере. Если дымовая труба высотой 100 м позволяет рассеивать вредные вещества в радиусе до 20 км, то труба высотой 250 м увеличивает радиус рассеивания до 75 км. Самая высокая в мире дымовая труба высотой более 400 м построена на медно-никелевом комбинате в Садбери в Канаде.
Следует учитывать, что при выбросах через высокие дымовые трубы повышается общее фоновое загрязнение воздуха. С увеличением высоты трубы резко возрастает ее стоимость, поэтому на практике не рекомендуется строительство труб более 150 м.
Повышение скорости движения газов в дымовой трубе. Это способствует увеличению начального подъема выбросов, улучшению условий их рассеивания. С другой стороны, при этом возрастает гидравлическое сопротивление дымовой трубы и соответственно удельные энергозатраты на транспортировку газов.
4.4.4. Малоотходные и безотходные технологии
Внедрение безотходных и малоотходных технологий является наиболее перспективным мероприятием, позволяющим коренным образом снизить уровень загрязнения воздушного бассейна.
Наиболее перспективными направлениями в области снижения газообразных отходов предприятий являются:
переход предприятий теплоэнергетики с твердого топлива на природ- ный газ, что позволяет существенно снизить уровень загрязнения ат- мосферного воздуха пылью и сернистыми соединениями;
отказ от применения этилированного бензина и внедрение в качестве автомобильного топлива природного газа;
совершенствование топочного пространства и топливных горелок энер- гетических котлов, оптимизация процесса сжигания топлива, что по- зволит снизить выбросы оксидов азота в атмосферу;
снижение энергоемкости производства и использование вторичных энергоресурсов в виде горячей воды и горячих газов.
4.4.5. Технические средства и технологии очистки выбросов
Очистка пылегазовых выбросов является основным мероприятием по защите и восстановлению воздушного бассейна.
Существуют различные методы очистки выбросов от твердых, жидких и газообразных примесей. На основе этих методов разработано большое количество устройств и аппаратов, при комплексном использовании которых может быть достигнута высокоэффективная очистка пылегазовых выбросов. В целях экономии производственных площадей эти устройства и аппараты раз-
198 Экология города
мещают, как правило, в верхних ярусах цехового пространства. Извлеченные из пылегазовых выбросов вещества обычно являются либо готовым продуктом, либо ценным видом вторичного сырья.
Для очистки газов от твердых и жидких частиц применяют технологии сухой инерционной очистки газов, мокрой очистки газов, фильтрации, электростатического осаждения.
Для очистки газов от газо- и парообразных компонентов применяют методы абсорбции, адсорбции, термическую и термокаталитическую очистку, биохимические реакторы.
К основным требованиям, предъявляемым к аппаратам пыле- и газоочистки, относятся высокая эффективность и эксплуатационная надежность. Следует учитывать, что чем выше требуемая степень очистки газов и чем мельче улавливаемые частицы, тем большими оказываются удельные капитальные затраты на сооружение установок и расходы на их эксплуатацию.
Для обеспечения оптимального выбора технологии и конструкции аппарата очистки выбросов проводится технико-экономическая оценка.
Газоочистные установки, как правило, не дают прямой прибыли. Возможность использовать улавливаемый продукт покрывает только незначительную часть затрат. Поэтому в числе технико-экономических показателей следует учитывать предотвращенный ущерб от возможного загрязнения атмосферного воздуха в случае отсутствия очистки, что создает предпосылки установления рентабельности и ожидаемой прибыли от внедрения систем и аппаратов очистки выбросов.
Технико-экономическая оценка проводится путем сравнения показателей внедряемого объекта пылегазоочистки с лучшими действующими аналогами.
Оценка эффективности систем пылегазоочистки проводится с использованием следующих показателей:
Степень или эффективность очистки газов это отношение количества уловленного загрязняющего вещества к количеству, поступающему в аппарат, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415

где Мул, Мвх, Мвых соответственно количество уловленного в аппарате, входящего и выходящего из аппарата загрязняющего вещества, кг/с; Свх, Свых концентрация загрязняющего вещества в единице объема сухого газа соответственно на входе и выходе из аппарата, г/м3; Qвх, Qвых расход газа соответственно на входе и выходе из аппарата, м3.
При работе газоочистного аппарата без утечек и подсосов воздуха, существенного изменения температуры, давления и влажности очищаемого газа степень очистки определяется следующим образом:

13 EMBED Equation.3 1415 Раздел 4. Воздушная среда города 199
Коэффициент проскока отношение количества загрязняющего вещества, выходящего с выбросами из аппарата пылегазоочистки, к количеству, поступившему в него:
13 EMBED Equation.3 1415
Степень (эффективность) очистки и коэффициент проскока выражаются в долях единицы или в %.
Эффективность улавливания частиц пыли (степень очистки) зависит от ее дисперсного состава. В первую очередь улавливаются крупные частицы пыли. Эффективность пылеулавливающего оборудования характеризуется достигаемой фракционной или парциальной степенью очистки.
Фракционная степень очистки отношение количества пыли данной фракции, уловленной в аппарате, к количеству входящей пыли той же фракции.
Парциальная степень очистки отношение количества частиц данного размера, уловленных в аппарате, к количеству частиц данного размера на входе в аппарат.
Наиболее широко в практике применяются аппараты сухой инерционной очистки газов. Принцип действия этих аппаратов состоит в осаждении пыли в результате изменения направления и скорости движения очищаемого газового потока и ударения частиц пыли о стенки и поперечные преграды. Эти аппараты отличаются простотой конструкции и изготовления.
Простейшими установками для улавливания крупнодисперсной пыли, работающими по принципу гравитационного осаждения, являются пылеосадитель-ные камеры. Они используются в качестве первой ступени очистки газов для улавливания наиболее крупных частиц (30100 мкм), позволяют избежать осаждения пыли в газоходах и снижают нагрузку на последующие ступени очистки.
Рис. 4.7. Пылеосадительная камера:
1 входной патрубок; 2 корпус; 3 выходной патрубок; 4 бункера для пыли
Устройство и принцип действия пылеосадительной камеры показаны на рис. 4.7. Степень очистки зависит от времени пребывания частиц в камере. Частицы, движущиеся в газовом потоке, опускаются под действием силы тяжести на дно бункера. Скорость газового потока в пылеосадительной камере не должна вызывать уноса осевших частиц пыли. В зависимости от плотности, формы и размера частиц она составляет 1,77,0 м/с.

200 Экология города
К числу сухих инерционных пылеуловителей относятся жалюзийные, вентиляторные и радиальные пылеуловители. Они эффективно улавливают частицы размером от 2030 мкм. Более тонкая очистка от пыли обеспечивается с помощью циклонов. Циклон один из широко распространенных пылеулавливающих аппаратов, предназначенный для улавливания частиц размером 520 мкм и более.
Устройство и принцип действия циклона показаны на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Циклон:
1 входной патрубок; 2 цилиндрическая часть корпуса; 3 коническая часть корпуса; 4 пылевыпускное отверстие; 5 бункер для пыли; 6 пылевой затвор; 7 выхлопная труба; 8 раскручивающая улитка; 9 выходной патрубок; 10 наклонная крышка
Вращение газового потока достигается путем его тангенциального ввода в циклон или путем использования специального завихрителя. В результате действия центробежных сил частицы пыли, взвешенные в потоке газа, отбрасываются на стенки корпуса циклона и выпадают из потока. Очищаемый поток газа, освобожденный от пыли, продолжая вращаться, изменяет направ-
Раздел 4. Воздушная среда города 201
ление движения на 180° и выходит из циклона через расположенную на оси выхлопную трубу. Частицы пыли, достигшие стенок корпуса, опускаются под действием силы тяжести и поступают в бункер. По мере наполнения бункера пыль через пылевой затвор отгружается на утилизацию или захоронение. Очищенный воздух через выходной патрубок отводится из циклона.
Рекомендуемая скорость газа в цилиндрической части циклона 2,5 4,5 м/с.
Диаметр циклона не следует задавать более 1000 мм. Для повышения эффективности очистки циклоны компонуют в группы с общим подводом и отводом очищаемого воздуха. Такие циклоны называют батарейными. Этим достигается существенная экономия капитальных и эксплуатационных затрат.
К высокоэффективным типам аппаратов сухой очистки газов относятся фильтры.
В основе работы фильтров всех видов лежит фильтрация запыленного воздуха через пористую перегородку, в процессе которой частицы пыли, взвешенные в газе, задерживаются перегородкой, а газ беспрепятственно проходит через нее.
Пористые перегородки могут представлять собой ткани, бумагу, волокнистые материалы, керамику, металлические сетки, зернистые слои.
В отличие от аппаратов инерционной очистки фильтры могут с достаточной эффективностью задерживать частицы любого размера. Наиболее целесообразно использовать фильтры для улавливания частиц пыли размером менее 5 мкм.
Скорость процесса фильтрования определяется перепадом давления на пористой перегородке. По мере накопления на фильтре частиц пыли скорость прохождения газа постепенно снижается. Перегородку необходимо периодически подвергать регенерации путем освобождения от уловленной пыли. Это существенно осложняет эксплуатацию фильтров.
Степень очистки газа в фильтре зависит от пористости фильтрующего материала, толщины фильтрующего слоя, объема фильтровального материала в единице объема фильтра и суммарного коэффициента захвата частицы пыли фильтрующим волокном, величина которого в свою очередь зависит от механизма процесса фильтрования.
Тканевые фильтры предназначены для очистки их от твердых частиц отходящих газов плавильных печей предприятий черной и цветной металлургии, печей обжига в стекольной и керамической промышленности и котельных. В качестве фильтрующего материала применяют бельтинг, лавсан, капрон и др.
Наиболее распространенным типом тканевого фильтра является рукавный фильтр (рис. 4.9).
202 Экология города

Рис. 4.9. Рукавный фильтр:
1 вход запыленного газа; 2 рукава; 3 корпус фильтра; 4 воздуховод очищенного газа; 5 воздуховод продувочного воздуха; 6 механизм встряхивания; 7 клапаны; 8 бункер для сбора пыли
Запыленный газ, поступающий через входной патрубок в нижнюю часть корпуса фильтра, подводится внутрь рукавов. После прохождения через фильтрующую ткань очищенный воздух удаляется из аппарата.
Частицы пыли оседают на фильтрующей поверхности рукава, в результате чего его сопротивление постепенно увеличивается. Когда оно достигает некоторого предельного значения, фильтр переводится в режим регенерации. Наиболее часто регенерация осуществляется обратной продувкой. Для повышения эффективности регенерации рукавов их могут встряхивать при помощи специальных механизмов.
Камеры фильтра переводят в режим регенерации по очереди и таким образом обеспечивают его непрерывную работу.
Степень очистки от мелкодисперсной пыли в рукавном фильтре может достигать 99,9%. Скорость прохождения очищаемого газа через фильтрующую ткань составляет 0,5 1 м/с.
Волокнистые фильтры предназначены для очистки от пыли слабозапыленных потоков воздуха с концентрацией пыли не более 5 мг/м3. Они представляют собой пористые перегородки, составленные из беспорядочно расположенных равномерно распределенных по сечению волокон (рис. 4.10).
Раздел 4. Воздушная среда города 203

Рис. 4.10. Волокнистый фильтр:
1 вход газа; 2 выход газа; 3 боковая стенка; 4 фильтрующий материал
Из-за глубокого проникновения улавливаемых частиц пыли вглубь пористого материала регенерация волокнистых фильтров затруднена. По окончании срока службы отработавший фильтрующий материал обычно заменяется новым.
В волокнистых фильтрах используются как естественные, так и специально изготовленные волокна толщиной от 0,01 до 100 мкм (отходы текстильного производства, шлаковая вата, стекловолокно и др.). Степень очистки при улавливании мелкодисперсной пыли может достигать 99%. Рекомендуемая скорость фильтрации 0,01 0,1 м/с.
Зернистые фильтры применяются при очистке газов с высокими температурами (до 500800 °С) в условиях агрессивной среды при резких изменениях давления и температуры. Они представляют собой емкость, заполненную фильтрующим материалом, в качестве которого могут быть применены песок, щебень, шлак, опилки, крошка руды, угля, графита, пластмасс и др. В качестве фильтрующего слоя в зернистых фильтрах используются насыпные материалы.
Зернистые фильтры применяются для улавливания слипающихся и абразивных пылей в тех случаях, когда затруднено применение аппаратов другого типа.
В некоторых случаях в зернистых фильтрах возможен возврат фильтрующего слоя в технологический процесс, если в качестве зерен используется исходное сырье (частицы угля, используемые в качестве зерен фильтра при очистке воздуха от угольной пыли, можно возвращать в топку котла).
Разновидностью зернистых фильтров являются фильтры сорбционной очистки, где в качестве фильтрующей загрузки используются катализаторы и сорбенты. Сорбционные фильтры предназначены для улавливания газообразных примесей.
В зависимости от вида улавливаемой пыли и зерен фильтра степень очистки может достигать 9599,5%, скорость фильтрации 15 35 м/с.
204 Экология города
Электрофильтры предназначены для очистки промышленных газов от твердых частиц, выделяющихся при различных технологических процессах. Эти аппараты незаменимы при очистке выбросов цементных, известковых, гипсовых и других производств, где содержатся пылевидные частицы, подверженные схватыванию при контактах с влагой. Уловленная в электрофильтрах пыль является ценным готовым продуктом или вторичным минеральным сырьем.
К преимуществам электрофильтров относится высокая степень очистки, достигающая 99%, возможность улавливания частиц широкого диапазона размеров, стабильная работа при высокой запыленности и температуре газа, высокая производительность и возможность полной автоматизации процесса очистки.
К недостаткам электрофильтров следует отнести высокую чувствительность к параметрам очищаемого газа (температура, влажность, электрическое сопротивление), невозможность использования для очистки взрыво- и пожароопасных смесей, относительно высокую стоимость аппарата и повышенные требования к технике безопасности при эксплуатации.
Установка для электростатической очистки выбросов состоит из электрофильтра, агрегатов питания, системы транспортировки уловленной пыли.
Электрофильтр (рис. 4.11) монтируется в металлическом корпусе прямоугольного сечения. Внутри него располагаются осадительные и коронирующие электроды. На входе в электрофильтр устанавливается газораспределительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение газа в активной зоне аппарата. В нижней части корпуса установлены бункера для сбора и системы для транспортировки пыли.

Рис. 4.11. Электрофильтр:
1 корпус; 2 осадительные электроды; 3 коронирующие электроды; 4 газораспределительное устройство; 5 бункера для сбора пыли; 6 система транспортировки пыли
Раздел 4. Воздушная среда города 205
Основой процесса очистки является ионизация пылевидных частиц и молекул газа под воздействием электростатического поля. Заряженные частички оседают на поверхность электрода с противоположным электрическим зарядом. Осажденные частицы удаляются с электродов встряхиванием или промывной водой. Уловленная пыль (шлам) поступает в бункер электрофильтра и далее в систему удаления.
В зависимости от конструкции электрофильтра скорость прохождения очищаемых газов колеблется в пределах 0,81,7 м/с.
Мокрая очистка выбросов является одним из наиболее эффективных и широко распространенных методов пылегазоулавливания. При мокрой очистке достигается высокая степень извлечения твердых, жидких и газообразных примесей.
Основой процесса мокрой очистки является осаждение частиц пыли на каплях или на слое жидкости. В качестве орошающей жидкости чаще всего используется вода. Иногда, в зависимости от особенностей состава очищаемых выбросов, воду подщелачивают или подкисляют.
Аппараты мокрой газоочистки отличаются простотой конструкции и эксплуатации, относительно невысокой стоимостью. В них можно очищать выбросы любой влажности, а также пожаро- и взрывоопасные смеси.
К недостаткам мокрого способа пыле- газоочистки следует отнести: образование сточных вод и шлама, которые требуют дальнейшей обработки; коррозию оборудования при воздействии агрессивных увлажненных газов и жидкости; относительно высокие удельные затраты электроэнергии.
Простейшим аппаратом мокрой очистки выбросов является форсуночный скруббер. Он предназначен для улавливания частиц размером более 1015 мкм, а также для охлаждения и увлажнения очищаемых выбросов.
Форсуночный скруббер (рис. 4.12) представляет собой цилиндрическую емкость, оснащенную патрубками для подвода и отвода очищенного воздуха. В верхней части корпуса расположены один или несколько ярусов форсунок для распыления орошающей жидкости. Жидкость в виде дождя с диаметром капель 0,61 мм как бы промывает очищаемый газ, движущийся противотоком, т.е. снизу вверх, со скоростью 0,71,5 м/с. При больших скоростях происходит вынос влаги и отложение пыли на внутренних поверхностях выходного патрубка скруббера. Удельный расход воды в скрубберах составляет 16 л/м3.
В механическом скруббере распыление жидкости производится с помощью вращающегося диска. В скруббере Вентури распыление жидкости происходит за счет турбулентного движения очищаемого потока газа через конфузор трубы Вентури (рис. 4.13). Проходя далее через инерционный каплеуловитель, поток газа освобождается от капель жидкости, которые удерживают частицы пыли, откуда жидкость отводится через гидрозатвор.
206 Экология города



Рис. 4.12. Форсуночный скруббер:
1 цилиндрический корпус; 2 входной патрубок; 3 патрубок для отвода очищенного газа; 4 подвод воды на орошение; 5 контрольно-измерительные приборы параметров воды; 6 регулирующая задвижка; 7 форсунки верхнего и нижнего яруса орошения; 8 гидрозатвор
Рис. 4.13. Скруббер Вентури:
1 вход очищаемого газа; 2 выход очищенного газа; 3 орошающее устройство; 4 конфузор трубы Вентури; 5 горловина; 6 диффузор; 7 каплеуловитель; 8 гидрозатвор
Раздел 4. Воздушная среда города 207
Размер частиц, улавливаемых в скруббере Вентури, от 0,2 мкм и выше. При этом степень очистки может достигать 9699%. Скорость газа в горловине трубы Вентури достигает 100180 м/с, удельный расход орошающей жидкости 0,51,5 л/м3.
Принцип действия и конструкция центробежного скруббера аналогичны циклону (рис. 4.14). Под воздействием центробежных сил, возникающих при

вращении газового потока в аппарате, частицы пыли отбрасываются на спираль скруббера, откуда смываются жидкостью, подаваемой через сопла, расположенные по окружности в верхней части корпуса.
Рис. 4.14. Центробежный скруббер:
1 тангенциальный патрубок для входа очищаемого газа; 2 выход очищенного газа; 3 система подачи воды; 4 цилиндрический корпус; 5 гидрозатвор
Скорость газа в цилиндрическом сечении корпуса достигает 45 м/с; степень очистки довольно высокая и зависит от размера и плотности частицы пыли, а также диаметра центробежного скруббера.
Аппараты мокрой газоочистки ударно-инерционного действия пылеуловитель вентиляционный мокрый (ПВМ), ротоклон применяются при отсутствии достаточного количества чистой воды и относительно невысоких температурах очищаемого газа для очистки от частиц пыли размером не менее 5 ч 10 мкм.
Принцип действия этих аппаратов основан на резком повороте на 180° газового потока, направленного с большой скоростью перпендикулярно к поверхности жидкости (рис. 4.15). Взвешенные в газе частицы, ударяясь о

поверхность жидкости, улавливаются ею. Вода, увлекаемая газовым потоком, движется до верхней кромки перегородки, а затем сепарируется в каплеуловителе. Очищенный газ с помощью вентилятора выбрасывается наружу.
Рис. 4.15. Пылеуловитель вентиляционный мокрый (ПВМ):
1 корпус; 2, 3 перегородки; 4 капле-отбойник-каплеуловитель; 5 отверстие для входа очищаемых газов; 6 патрубок для выхода очищенных газов; 7 скребковый конвейер
208 Экология города
Аппарат со щелевым каналом сложной конфигурации (импеллером) называется ротоклон.
Уловленная пыль оседает на дне корпуса аппарата и удаляется скребковым конвейером.
Расход воды на орошение газа не превышает 0,03 кг/м3. Степень очистки при диаметре частиц пыли до 10 мкм составляет 9899%. Скорость газа в щели между перегородками достигает 15 м/с.
Барботажные пенные аппараты предназначены для очистки небольших расходов газа от частиц пыли размером не менее 5 мкм.
Процесс барботажа состоит в прохождении очищаемого газа через слой жидкости.

Барботажный пенный аппарат (рис. 4.16) представляет собой корпус, перегороженный горизонтальной решеткой с равномерно расположенными мелкими отверстиями. Запыленный газ подается под решетку и отводится из верхней части аппарата.
Рис. 4.16. Барботажный пенный аппарат:
1 корпус; 2 вход очищаемого газа; 3 выход очищенного газа; 4 ороситель; 5 отвод жидкости в переливной отсек; 6 решетка; 7 отвод жидкости, прошедшей через решетку
При скорости газа до 1 м/с наблюдается барботажный режим, при котором воздух проходит через слой жидкости в виде отдельных пузырьков. При повышении скорости барботажный режим переходит в пенный.
Диаметр корпуса барботажного аппарата обычно составляет 22,5 м, диаметр отверстий решетки 48 мм, скорость газов при прохождении решетки 610 м/с.
Методы очистки промышленных выбросов от газо- и парообразных примесей по характеру протекания физико-химических процессов подразделяется на следующие группы:
промывка выбросов растворимых примесей (адсорбция);
промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси хи- мически (хемосорбция);
поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);
термическая нейтрализация вредных примесей отходящих газов (про- цессы сжигания);
каталитическая очистка газов;
биохимическая очистка газов.
Раздел 4. Воздушная среда города 209
4.5. Контроль уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах
4.5.1. Система контроля
Мониторинг атмосферного воздуха слежение за его состоянием и предупреждение о критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.
Для обеспечения мониторинга в развитых странах созданы автоматизированные системы контроля загрязнения воздуха (АСКЗВ).
Задачи, решаемые АСКЗВ:
автоматическое наблюдение и регистрация концентраций загрязняю- щих веществ;
анализ полученной информации с целью определения фактического состояния загрязнения воздушного бассейна;
принятие экстренных мер по борьбе с загрязнением;
прогноз уровня загрязнения;
выработка рекомендаций для улучшения состояния окружающей среды;
уточнение и проверка расчетов рассеивания примесей.
АСКЗВ рассчитаны на измерение концентраций одного или нескольких ингредиентов из следующего ряда: SO2; СО; NОx; О3; СmНn; H2S; NH3; взве-
шенных веществ, а также определения влажности, температуры, направления и скорости ветра.
АСКЗВ оснащаются приборами на основе сенсоров. Различают электрохимические, амперометрические, полупроводниковые, пьезокварцевые, фотометрические сенсоры с использованием волоконной оптики и индикаторных трубок, биосенсоры, сенсоры на поверхностно-активных волокнах и др. АСКЗВ функционируют на уровне отдельных предприятий, города, региона, а также на национальном и межгосударственном уровнях.
Центральная станция системы укомплектована вычислительным комплексом. Система имеет обратную связь с предприятиями-источниками загрязнения атмосферного воздуха.
Частота фиксации результатов измерений от 3 раз в сутки до 60 раз в час. Для передачи информации используются телефонные линии, УКВ-радиоканалы или телеграфный канал.
Станции, как правило, работают без обслуживающего персонала, все виды контроля осуществляются автоматически.
Развитие АСКЗВ происходит путем увеличения числа стационарных станций и применения передвижных постов наблюдений. Дальнейшее совер-
210 Экология города
шенствование систем наблюдений осуществляется путем применения более современной техники, объединения отдельных локальных систем в региональные, общегосударственные, интернациональные.
В Украине наблюдение за уровнем загрязнения атмосферы осуществляют с помощью постов.
Посты наблюдения размещаются в павильоне или на автомобиле, оборудованном соответствующими приборами.
Установлено 3 категории постов наблюдений: стационарный, маршрутный и передвижной (подфакельный).
Стационарный пост предназначен для непрерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или регулярного отбора проб воздуха для последующего анализа. Выделяются опорные стационарные посты для выявления долговременных изменений содержания основных и наиболее распространенных загрязняющих веществ.
Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха в фиксированной точке местности при наблюдениях, которые проводят с помощью специально оборудованного автомобиля-лаборатории.
Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под дымовым факелом с целью выявления зоны влияния данного источника. Наблюдения под факелом производятся с помощью лаборатории, смонтированной в автомобиле. Подфакельные посты располагаются в определенных точках на фиксированных расстояниях от источника. Они перемещаются в соответствии с направлением факела обследуемого источника выброса.
Стационарные и маршрутные посты размещаются в местах, выбранных на основе предварительного исследования загрязнения атмосферы, как правило, в центральной части населенного пункта, в жилых районах с различным типом застройки, в первую очередь в наиболее загрязненных, на территориях, прилегающих к магистралям наиболее интенсивного движения транспорта, а также в зонах отдыха.
К числу наиболее загрязненных районов относят зоны наибольших максимальных разовых и среднесуточных концентраций, создаваемых выбросами промпредприятий (в радиусе 0,52 км от низких источников и 23 км от высоких).
Подфакельные посты размещают с учетом ожидаемых наибольших концентраций на расстояниях 0,5; 1; 2; 3; 10 км от границы санитарно-защитной зоны или источника загрязнения атмосферы с подветренной стороны от него. Направление факела определяется визуальными наблюдениями за очертаниями облака дыма или по направлению ветра, если дымовое облако отсутствует.
Каждый пост независимо от категории размещается на открытой, проветриваемой со всех сторон площадке с непылящим покрытием (асфальт, твердый грунт, газон) таким образом, чтобы исключить искажение результатов измерений из-за наличия зеленых насаждений, зданий и других объектов.
Раздел 4. Воздушная среда города 211
Необходимое количество постов устанавливается в зависимости от численности населения, площади населенного пункта, рельефа местности, особенностей размещения и уровня развития промышленных предприятий, расположения магистралей с интенсивным движением, расположения мест отдыха и курортных зон, метеоусловий.
Оптимальное количество постов, обеспечивающих минимальные затраты при заданной погрешности наблюдений в зависимости от численности населения города, следующее: до 50 тыс. жителей 1 пост; до 100 тыс. 2 поста; 100200 тыс. 23 поста; 200500 тыс. 35 постов; более 500 тыс. 510 постов; более 1 млн жителей 1020 стационарных и маршрутных постов.
Расстояние между стационарными постами составляет от 0,5 до 5 км.
Уровень загрязнения атмосферы оценивается по данным наблюдений за год. При этом количество наблюдений должно быть не менее 200. Чтобы учесть колебания метеорологических условий и получить более достоверные сведения об уровне загрязнения используются данные наблюдений за период 25 лет. Общее число наблюдений за рассматриваемый период не менее 800.
Перечень веществ, подлежащих контролю, определяется по составу выбросов предприятий города. Далее оценивается возможность превышения ПДК этих веществ. Окончательно список веществ, подлежащих контролю, уточняется по величине параметра потребления воздуха (ПВ). Этот показатель характеризует расход воздуха, необходимый для разбавления выбросов i-го вещества Mi до уровня концентрации qi или до уровня ПДКi.
Реальный ПВ: ПВi = Mi /qi .
Требуемый ПВ: ПВТi = Мi / ПДКi,
где Мi суммарное количество выбросов i-ой примеси от всех источников, расположенных на территории города, т/год; qi концентрация i-ой примеси, установленная по данным расчетов или наблюдений, мг/м3.
Если ПВТi > ПBi, то ожидаемая концентрация примеси в воздухе может быть равна ПДК или превысит ее и, следовательно, i-ая примесь должна контролироваться.
Дополнительно в обязательный список контролируемых веществ включаются: бенз(а)пирен растворимые сульфаты в городах с населением более 100 тыс. жителей; формальдегид и соединения свинца в городах с населением более 500 тыс. жителей; металлы в городах с предприятиями черной и цветной металлургии; пестициды в городах, расположенных вблизи сельскохозяйственных территорий. Перечень контролируемых веществ пересматривается не реже одного раза в 3 года.
При подфакельных наблюдениях выполняется контроль за специфическими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данного предприятия.
212 Экология города
4.5.2. Методы контроля и приборы для измерения концентрации примесей в атмосфере и в промышленных выбросах
Контроль концентрации примесей сводится к отбору пробы воздуха или дымового газа, подготовке и проведению анализов отобранных проб, обработке и обобщению результатов анализов.
Используются следующие режимы отбора проб:
разовый, продолжительностью 2030 мин;
дискретный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько разовых проб;
суточный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр про изводится отбор проб в течение суток непрерывно.
Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сорбентом для улавливания газообразного вещества, или аэрозольный фильтр, задерживающий твердые частицы. Тип поглотительного прибора, расход воздуха и продолжительность его аспирации устанавливаются в зависимости от контролируемого вещества.
При определении приземной концентрации примеси в атмосфере отбор проб проводится на высоте 1,52 м от поверхности земли.
Для отбора проб используются электроаспираторы (рис. 4.17), снабженные автономным источником питания.

Рис. 4.17. Принципиальная схема электроаспиратора:
1 ротационный насос; 2 - ротаметры; 3 - регулирующие вентили; 4 - реле времени
Для контроля содержания твердых частиц и аэрозолей используются гравиметрический (весовой) и оптический методы анализов.
Гравиметрический (весовой) метод заключается в выделении частиц пыли из пылегазового потока путем прокачивания его через фильтр. Масса пыли,
Раздел 4. Воздушная среда города
213
находящаяся в исследуемом потоке газа, определяется как разница веса фильтра до и после анализа.
Концентрация пыли определяется по формуле: С = m/Q
·, мг/м3, где т масса пробы пыли, мг; Q расход воздуха, пропущенного через пробоотборное устройство, м3/с;
· время отбора пробы, с.
Весовой метод позволяет получить концентрацию пыли без учета ее химического и дисперсного состава.
Оптический метод основан на определении непрозрачности (дымности) воздуха или дымовых газов. Метод основан на просвечивании газов с последующим преобразованием оптического сигнала в электрический, проведении коррекции показателя по заданному алгоритму ослабления светового луча и преобразования его в показатель непрозрачности (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Принципиальная схема измерителя непрозрачности:
1 источник света; 2 электрическая лампочка; 3 объектив; 4 защитное стекло; 5 светоприемник; 6 фотодиод; 7 линза; 8 блок преобразования информации; 9 цифровой вольтметр; 10 блок питания
Непрерывный контроль содержания вредных примесей в воздухе производится с помощью газоанализаторов типа УГ-2, ГХ-2 и др., принцип работы которых основан на линейноколористическом методе анализа.
При просасывании воздуха через индикаторные трубки газоанализатора, заполненные твердым веществом-поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Газовый анализатор УГ-2 позволяет определять концентрацию 16 различных газов и паров с погрешностью, не превышающей ± 10% от верхнего предела каждой шкалы.
В термокондуктометрическом газоанализаторе используют отличие теплопроводности анализируемого компонента от теплопроводности других компонентов. При наличии в дымовых газах примесей, близких по теплопроводности к определяемой, их удаляют из анализируемой пробы путем поглощения или сжигания.
Термохимические газоанализаторы применяются для анализа горючих компонентов газовой смеси. С их помощью определяют более 100 наименований горючих газов, паров и их смесей.
214 Экология города
Работа термомагнитных газоанализаторов основана на движении в неоднородном магнитном поле при наличии температурного градиента парамагнитных частиц молекул кислорода и оксидов азота. Это явление называется термомагнитной конвекцией. Изменения температуры, давления и расхода анализируемой газовой смеси могут оказывать влияние на результаты измерения.
Принцип действия оптических газоанализаторов основан на особенностях поглощения излучения отдельных компонентов газовой смеси. К ним относятся газоанализаторы оптико-акустические, фотоколометрические, хемилюминесцентные и лазерные.
В оптико-акустических газоанализаторах, предназначенных для анализа многоатомных газов, используются свойства газов поглощать лучистую энергию при определенных длинах волн, соответствующих их полосам спектра поглощения. Амплитуда колебаний зависит от концентрации анализируемого компонента в измерительной камере.
В хемилюминесцентных газоанализаторах используется зависимость интенсивности люминесцентного излучения, возникающего в результате химической реакции анализируемого компонента с реагентом, от концентрации этого компонента. Применяются для измерения очень малых концентраций О3, NOx и других веществ.
Лазерный газоанализатор использует особенности поглощения метаном излучения при длине волны, совпадающей с одной из длин волн спектра излучения метана.
В электрохимических газоанализаторах выходной сигнал зависит от электрохимических явлений, протекающих в электродных системах при наличии анализируемого компонента. Из электрохимических наибольшее распространение получили вольтамперометрические и кулонометрические газоанализаторы.
В вольтамперометрических газоанализаторах значение тока в электродной цепи зависит от содержания деполяризующего компонента, например, кислорода, в щелочном гальваническом элементе.
В кулонометрических газоанализаторах содержание анализируемого компонента определяется по количеству электричества, израсходованного при электролизе вещества, вступающего в реакцию с анализируемым. Значение тока, при котором обеспечивается нейтрализация раствора с анализируемым компонентом, и служит величиной концентрации этого компонента.
К электрохимическим может быть отнесен и плазменно-ионизационный газоанализатор, в котором концентрация анализируемого комплекса определяется по ионизационному току, образующемуся в водородном пламени вследствие ионизации молекул органических соединений.
Хроматографы относятся к анализаторам, которые могут проводить одновременно качественный и количественный анализ газообразных и жидких сред. Принцип действия основан на разделении газовых смесей на отдельные компоненты при движении вдоль поверхности сорбента, последующей иден-
Раздел 4. Воздушная среда города 215
тификации компонентов и определения их содержания в смеси. Этот метод может быть использован для определения содержания любых газов с концентрацией до 10-5 10-6 %. Хроматографы приборы периодического действия с временем анализа 1020 минут.
Качественный и количественный анализ может одновременно проводиться на масс-спектрометрах с разделением ионов по времени пролета. Эти более сложные, чем хроматографы, приборы обеспечивают непрерывное измерение состава газовоздушной смеси.
4.5.3. Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пунктов
Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пунктов определяются на основе систематизации и обработки наблюдений.
Среднее арифметическое значение концентрации примеси 13 EMBED Equation.3 1415 среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, средние многолетние концентрации примесей, которые определяются по данным стационарных постов, подфакельных наблюдений, по совокупности точек отбора проб города и группы городов:
13 EMBED Equation.3 1415
где n число разовых концентраций, измеренных за соответствующий период.
Среднее квадратичное отклонение у результатов измерений от среднего арифметического: среднегодовых концентраций на постах от среднегодовой и средней многолетней концентрации по городу; разовых концентраций от среднегодовой концентрации по городу (району); среднегодовых концентраций для города от среднегодовой концентрации для группы городов; максимальных концентраций примеси для города за год от средней из максимальных концентраций примеси за год; разовых (среднесуточных) концентраций от среднемесячной и среднегодовой, среднемесячной от среднегодовой и средней многолетней; среднегодовой от средней многолетней:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент вариации, показывающий степень изменчивости концентраций примеси: V =
·/q, где q средняя концентрация.
Максимальное значение концентрации примеси. Определяется максимальная из разовых, среднемесячных, среднесуточных, среднегодовых концентраций из малого числа наблюдений, а также максимальная из разовых концентраций по данным подфакельных наблюдений.
216 Экология города
Выбираются наибольшие значения из убывающего вариационного ряда соответствующих концентраций за рассматриваемый период.
Средняя из максимальных концентраций за год по группе городов:
13 EMBED Equation.3 1415
где L количество рассматриваемых городов.
Максимальная концентрация примеси с заданной вероятностью ее превышения определяется из предположения логарифмически нормального распределения концентраций примесей в атмосфере для заданной вероятности ее превышения:
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 средняя концентрация; при Р=0,1% z=3,08; P=l% z=2,33; P=5% z=l,65.
Индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая различие в скорости возрастания степени вредности веществ, приведенной к вредности диоксида серы, по мере увеличения превышения ПДК: Ii = (q/ПДКC. Ci)Ci, где Сi константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 для соответственно 1, 2, 3 и 4-го классов опасности веществ, позволяющая привести степень вредности i-го вещества к степени вредности диоксида серы.
Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого n веществами, присутствующими в атмосфере города (или района города):
13 EMBED Equation.3 1415
где n количество рассматриваемых примесей (может включать в себя все загрязняющие вещества, присутствующие в атмосфере города, или только приоритетные вещества, определяющие состояние атмосферы).
Используется для сравнения степени загрязнения атмосферы в различных городах и регионах.
Фоновая концентрация статистически достоверная максимальная концентрация, Сф, мг/м3. Она является характеристикой загрязнения атмосферы и определяется как значение концентрации, которое превышается не более чем в 5% случаев от общего количества наблюдений.
Фоновая концентрация характеризует суммарную концентрацию, создаваемую всеми источниками, расположенными на данной территории.
При отсутствии необходимых данных наблюдений фоновая концентрация может быть определена расчетным путем. Определение Сф для каждого поста наблюдений производится по данным за период от 2 до 5 лет.
Раздел 4. Воздушная среда города
217
С целью повышения достоверности расчета Сф, необходимо выбрать такой период наблюдений, в течение которого существенно не изменялся характер застройки в районе наблюдательного поста, не происходило существенных изменений в характеристиках промышленных выбросов в радиусе 5 км от поста, не менялось расположение самого поста, а отбор и анализ проб производился по одним и тем же методикам. При этом, как уже отмечалось, число наблюдений в течение года должно быть не менее 200 по каждому веществу, а общее число наблюдений за выбранный период не менее 800.
Для определения Сф могут быть использованы данные как стационарных, так и подфакельных постов наблюдений. В результате обработки данных для каждого поста по всему массиву результатов наблюдений находят величины Сфi, где i = 0; 1; 2; 3; 4, соответствующие различным градациям направления а и скорости ветра w (табл. 4.7).
Таблица 4.7. Значения i в зависимости от скорости и направления ветра


·
Румбы
любой
С
В
Ю
3



десятки градусов
любые
32-4
5-13
14-22
23-31

w, м/с
0-2
3 - w*

i
0
1
2
3
4

Верхняя граница скорости ветра w* определяется из условия, что скорость ветра в данном месте w > w* встречается в 5% случаев.
При определении для каждой из пяти градаций скорости и направления ветра значения концентраций qk (k номер концентрации в i-ой градации) вписываются в таблицу, после чего определяется число наблюдений в каждой градации пi которое для дальнейшей обработки должно быть не менее 100.
Если ni < 100, то значение Сфi считается ориентировочным.
Данные подфакельных наблюдений группируются по зонам соответственно расстояниям от источника выбросов. Количество наблюдений в каждой зоне должно быть не менее 200. Данные для каждой зоны делятся на две градации по скорости ветра. При скорости ветра 02 м/с i = 0. При скоростях ветра от 3 до w* м/с i равно от 1 до 4.
Отдается предпочтение Сф, полученным по подфакельным измерениям, для тех участков города, где их величины больше, чем Сф, рассчитанные по данным наблюдений на стационарных постах.
Фоновая концентрация Сфi может определяться одним из статистических расчетных методов либо графически.
Для проведения оценки величины различий Сф для пяти градаций рассчитываются значения 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 соответственно среднее по всем градациям и среднее по всем градациям значение фоновой концентрации, кроме i = 0:
218 Экология города
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 сумма пяти произведений Сфi для каждой градации на количество измерений в данной градации пi;
13 EMBED Equation.3 1415
Если максимальное и минимальное значения Сф при i = 0; 1; 2; 3; 4 удовлетворяют неравенству:
|Сфi – 13 EMBED Equation.3 1415|
· 0,2513 EMBED Equation.3 1415, (4.5)
то для такого поста в качестве Сф принимается значение 13 EMBED Equation.3 1415 независимо от направления и скорости ветра.
Если условия (4.5) не выполняются, но минимальное и максимальное значения Сфi при i = 0; 1; 2; 3; 4 удовлетворяют неравенству:
|Сфi – 13 EMBED Equation.3 1415|
· 0,2513 EMBED Equation.3 1415, (4.6)
то для данного поста детализация Сф по направлениям ветра не производится и в качестве Сфi в градации скорости ветра 0-2 м/с принимаются значения Сфо, а в градации скорости ветра от 3 м/с до w* значение 13 EMBED Equation.3 1415.
Когда условия (4.5) и (4.6) не выполняются, Сф представляется пятью значениями.
Для учета суммации вредного действия нескольких загрязняющих веществ допускается определение единой величины Сф по этим веществам. При этом для каждого пункта наблюдения и момента времени концентрация з веществ приводится к концентрации наиболее распространенного из них вещества. Например, при суммации воздействия SO2 и NO2
13 EMBED Equation.3 1415
Дальнейшая обработка результатов проводится так же, как и в случае одного вещества.
При проектировании промышленных предприятий и установлении ПДВ данные о распределении фоновой концентрации по территории населенного пункта представляются в табличной форме.
В отдельных случаях можно ограничиться средним значением 13 EMBED Equation.3 1415ф по городу. Для этого вычисляется среднее значение 13 EMBED Equation.3 1415фi по городу для каждой градации скорости и направления ветра. Для тех постов, на которых в рассматриваемой градации Сфi отличается от среднего по городу менее, чем на 25%, оно заменяется на среднюю по городу величину 13 EMBED Equation.3 1415фi.
Раздел 4. Воздушная среда города 219
При установлении ПДВ для реконструируемых или действующих предприятий исключение из Сф вклада рассматриваемого предприятия производится по формуле:
С’ф = Сф(1 – 0,4С/Сф) при С
· Сф; С’ф= 0,2Сф при C > Сф,
где С’ф фоновая концентрация без учета рассматриваемого предприятия; С максимальная концентрация, создаваемая предприятием в точке размещения поста.
4.6. Выполнение требований международных конвенций по защите атмосферы
Защита озонового слоя. Озон, содержащийся в атмосфере преимущественно на высоте 1050 км, служит своеобразным щитом, предохраняющим живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Установлено, что концентрация озона над отдельными территориями Земли периодически уменьшается. Такие явления получили название "озоновые дыры". Существует две гипотезы образования "озоновых дыр". Согласно первой, которая в настоящее время получила наибольшее признание, уменьшение содержания озоновых частиц в атмосфере связано с воздействием так называемых озоноразрушающих веществ, к которым относятся хлорфторуглероды (ХФУ), бромфторуглероды (БФУ), а также оксиды азота и углерода. В разрушении озонового слоя подозревается еще целый ряд веществ. По второй гипотезе мерцание озоносферы вызвано природными еще непознанными процессами. Такой точки зрения придерживается небольшое число исследователей. В этом направлении ведутся интенсивные поиски, которые в случае успеха могут дать колоссальный экономический эффект.
Поскольку первая гипотеза в настоящее время является превалирующей, усилия международного сообщества направлены на замену озоноразрушающих веществ "озонобезопасными", что связано со значительными затратами на изменение технологии производства группы химических продуктов, используемых в качестве хладагентов в холодильной промышленности, в качестве пропелентов в аэрозольных баллончиках и для пожаротушения.
В соответствии с Венской конвенцией об охране озонового слоя (1985), к которой Украина присоединилась в 1986 г., а также ряда Протоколов к этой конвенции к 2000 году все страны-участницы Конвенции должны прекратить производство и использование практически всех озоноразрушающих средств.
Собственного производства ХФУ Украина не имеет. Потребности промышленности в этих веществах обеспечиваются поставками из России. Основными потребителями ХФУ являются Донецкий и Симферопольский заводы бытовой химии, которые выпускают продукцию в аэрозольных упаковках (годовое
220 Экология города
потребление ХФУ 3060 т), а также предприятия по выпуску холодильной техники (годовое потребление ХФУ 4200 т). ХФУ используются также при пожаротушении потребление 40 т/год. На Донецком и Симферопольском заводах взамен ХФУ в качестве распылителя (пропелента) применяется смесь пропана и бутана. В дальнейшем предполагается переход на беспропелентный тип упаковок с распылением при помощи встроенных мининасосов.
Наблюдение за состоянием озонового слоя ведется в Украине на шести озонометрических станциях, расположенных в городах Борисполе, Киеве, Львове, Прилуках, Симферополе, Тернополе.
Предотвращение глобального изменения климата. Как уже отмечалось (разд. 4.1.1), одной из функций атмосферы является защита планеты от охлаждения и регулирование климата. Пропуская солнечную радиацию, атмосфера задерживает отражение тепла от поверхности земли. Установлено (Аррениус, Кирхгоф и др.), что углекислый газ в значительной мере поглощает инфракрасное тепловое излучение.
Научно-технический прогресс способствовал нарастанию содержания углекислого газа в атмосфере за последние 100 лет на 2030%, что привело, по мнению ученых, к повышению глобальной средней температуры в приземном слое на 0,30,6 °С. В связи с дальнейшим накоплением в атмосфере углекислого и других парниковых газов (оксиды азота, водяной пар и др.) к середине XXI ст. ожидается повышение глобальной температуры на 1,52,5 °С.
В 1992 году Украина присоединилась к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Одним из требований конвенции является разработка и осуществление мероприятий, направленных на приостановление потепления путем сокращения использования топливно-энергетических ресурсов и широкого внедрения установок солнечной и ветровой энергии, а также других видов энергетических ресурсов, не загрязняющих атмосферу. Это должно обеспечить сокращение выбросов оксида углерода и других парниковых газов в первом десятилетии XXI века на 1011%.
Украина присоединилась к международным Протоколам по сокращению выбросов серы (1995 и 1999), действие которых направлено на ограничение выпадения кислотных дождей. Это достигается тем же комплексом мер, направленных на сокращение вредных выбросов в атмосферу. Страны-участники этих международных соглашений обязались сократить выбросы соединений серы в ближайшие десятилетия примерно на 30%.
4.7. Микроклимат городской среды
Архитектурно-планировочные и техногенные особенности городской территории способствуют формированию местного климата, отличного от климата пригородной территории (табл. 4.8). В промзонах, на отдельных улицах, кварталах, площадях, парках и т.п. создаются свои особые микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, наличием промышленных предприятий, почвенным покрытием, распределением зеленых насаждений и водоемов.
Раздел 4. Воздушная среда города
221
На формирование городского климата оказывают влияние:
прямые выбросы тепла и изменения режима солнечной радиации;
пылегазовые выбросы промышленных предприятий и транспорта;
изменения теплового баланса за счет уменьшения испарения, малой проницаемости подстилающей поверхности, способствующей быстро- му стоку воды и значительной теплопроводности покрытий (крыш, стен зданий, мостовых и т.д.);
пересеченность местности, создаваемая городской застройкой, большая доля вертикальных поверхностей, что приводит к взаимному затенению домов и образованию котловинных условий на фоне равнинного рельефа. Нередко сами города располагаются в естественных котловинах.
Таблица 4.8. Различия климата в крупных городах и прилегающей сельской
местности в средних широтах

Метеорологические факторы
В городе, по сравнению с сельской местностью

Радиация общая
на 1520% ниже

Ультрафиолетовое излучение зимой
на 30% ниже

Ультрафиолетовое излучение летом
на 5% ниже

Продолжительность солнечного
на 515% ниже

сияния


Температура среднегодовая
на 0,51,0 °С выше

средняя зимняя
на 12 °С выше

Продолжительность отопительного
на 10% меньше

сезона


Примеси


ядра конденсации и частицы
в 10 раз больше

газовые примеси
в 525 раз больше

Скорость ветра среднегодовая
на 2030% ниже

штормовая
на 1020% ниже

штили
на 520% чаще

Осадки суммарные
на 510% больше

в виде снега
на 5% меньше

Число дней с осадками меньше 5 мм
на 10% больше

Количество облаков
на 510% больше

Повторяемость туманов зимой
на 100% больше

летом
на 30% больше

Относительная влажность зимой
на 2% меньше

летом
на 8% меньше

иногда
на 1120% меньше

Грозы (частота)
в 1,52 раза меньше

222
Экология города
Перечисленные факторы действуют комплексно, хотя и неодинаково в разных условиях климата и погоды.
Солнечная радиация в условиях крупных промышленных центров оказывается пониженной вследствие уменьшения прозрачности из-за большого количества пылевых частиц и аэрозолей. Поступление ультрафиолетовых лучей сильно ослабляется за счет мутности атмосферного воздуха и высокой застройки в узких улицах. С другой стороны, в городе к рассеянной радиации присоединяется радиация, отраженная стенами и мостовыми. Этим обстоятельством обусловлено чувство зноя и духоты, характерное для городов летом.
Из-за загрязненности воздушного бассейна в городах снижается эффективное излучение и, соответственно, ночное охлаждение. Изменение радиационного баланса, дополнительное поступление тепла в атмосферу при сжигании топлива и малый расход тепла на испарение приводят к повышению температуры внутри города, по сравнению с прилегающей местностью.
Указанные выше факторы являются причиной образования так называемого "острова тепла" над городом. Размер "острова тепла" и его показатели изменяются во времени и пространстве под влиянием фоновых метеорологических условий и местных особенностей города. Закономерности изменения температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральной части города показаны на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Сечение "острова тепла" над городом
На границе раздела "город сельская местность" возникает значительный горизонтальный градиент температуры, соответствующий "утесам острова тепла", достигающий иногда 4 °С/км. Большая часть города представляет собой "плато" теплого воздуха с повышением температуры по направлению к центру города. Термическая однородность "плато" нарушается "разрывами" общего характера поверхности в виде областей холода парки,
Раздел 4. Воздушная среда города 223
водоемы, луга и областей тепла промышленные предприятия, плотная застройка зданиями. Над центральной частью больших городов располагается "пик острова тепла", где температура воздуха максимальна. В крупных агломерациях может наблюдаться несколько таких "пиков", обусловленных наличием промышленных предприятий и плотной застройкой.
По данным метеорологических исследований, тепловое влияние городов проявляется в пределах 100500-метрового слоя атмосферы, а иногда и 1 км. Большая аэродинамическая шероховатость подстилающей поверхности и наличие "островов тепла" определяют особенности ветрового режима города.
Ветровой режим города характеризуется существованием местной циркуляции. Например, при слабых ветрах до 23 м/с у поверхности земли может возникнуть поток холодного воздуха, направленного к "острову тепла", а у вершины "острова тепла" формируется поток теплого воздуха к окраинам города. В самом городе различия в нагреве освещенных и затененных частей улиц и дворов также обусловливает местную циркуляцию воздуха. В ней восходящий поток образуется над поверхностью освещенных стен, а нисходящий над затененными стенами и частями улиц или дворов. Наличие водоемов способствует формированию дневной местной циркуляции, подобной бризам, от водоема к застройке, что весьма желательно жарким летом. Одновременно такая циркуляция может способствовать захвату загрязняющих примесей.
Зеленые насаждения снижают скорость ветра и способствуют осаждению примесей.
Скорость ветра в городе, как правило, снижается по сравнению с открытой территорией. Но в некоторых случаях возможно усиление ветра, например, в городах, располагающихся на холмистой местности или при совпадении направления ветра с направлением улицы ("эффект аэродинамической трубы").
Влажность воздуха в крупных городах ниже, чем в окрестностях, что связано с повышением температуры и общим снижением содержания влаги в атмосфере над городом как результат уменьшения испарения (табл. 4.8).
Наибольший контраст влажности в системе город окрестности наблюдается летом, а в суточном в вечернее время.
В климатических зонах, где зимой выпадает снег или поверхность земли замерзает, воздух в городе может быть более влажным за счет техногенных источников пара.
Влияние города на выпадение жидких и твердых осадков различно. Зимой отмечается снижение до 5% в выпадении снега, летом наибольшие суммы осадков выпадают над городом, но не в центре, а на окраине.
При высокой влажности воздуха повышенная конвективная неустойчивость и загрязненность воздушных масс над городом благоприятствуют образованию облачности. В процессе преобразования облаков из кучевых в мощные кучевые и кучево-дождевые происходит их смещение под влиянием преобладающего переноса воздушных масс. Осадки выпадают преимущественно в подветренных районах города и за его пределами. Если влажность воздуха недостаточна для образования облаков, мощные конвективные потоки, обра-
224 Экология города
зующиеся над центром города, являются препятствием для горизонтальных воздушных потоков, поступающих в наветренную часть города. Приходящие массы воздуха испытывают дополнительный вынужденный подъем, вследствие чего образуется облачность и выпадают осадки.
Различия в температурно-влажностном режиме города и прилегающих окрестностей влияют и на распределение атмосферных явлений. Так, туманов в городе может быть больше при ослаблении скорости ветра или значительной загрязненности воздуха. С повышением температуры и понижением относительной влажности воздуха туманов в городе становится меньше, чем за городом.
С учетом реально сформировавшихся климатических условий города и условий природно-климатической зоны проводят мероприятия по улучшению городского климата, которые условно могут быть разделены на следующие группы:
мероприятия по регулированию скорости ветра и вентиляции города (планировка городской застройки и улиц, ориентация зданий, создание древесно-кустарниковых и травянистых насаждений различного типа, систем водоемов и т.д.);
мероприятия по уменьшению потерь тепла зданиями (конструкция окон, ориентация зданий, планировочные решения, касающиеся взаимного расположения зданий и групп зеленых насаждений);
мероприятия по регулированию относительной влажности воздуха (со- здание водоемов и водотоков, увеличение площади поверхности с есте- ственным проницаемым покровом, полив зеленых насаждений, мойка улиц и площадей и т.п.);
мероприятия по борьбе с загрязнением воздушного бассейна путем рас- положения загрязняющих объектов вне городской черты или в подвеет- ренной части городов, созданием высоких дымовых труб (до 250 м), способствующих рассеиванию примесей, эффективным использованием газоочистного оборудования, переходом на менее токсичные виды топлива, использованием более экономичных установок для сжигания топлива, регулированием или прекращением выбросов вредных веществ при неблагоприятных метеоусловиях вплоть до приостановки работы предприятий, переходом на безотходные или замкнутые циклы произ- водства, предотвращением пыления в промышленности, строительстве, транспорте;
мероприятия по регулированию поступления солнечной радиации (пла- нировка улиц и кварталов, зеленых насаждений, использование разно- уровневой застройки, окраска стен, крыш и мостовых, конструкция зда- ний и их элементов и т.п.).
Все эти мероприятия должны использоваться интегрировано. Использование лишь отдельных элементов не может значительно улучшить условия проживания людей в городах. Решение проблем улучшения микроклимата городской среды позволит сделать города привлекательными и безопасными для жизни и деловой деятельности, подлинными центрами развития современной цивилизации.
Раздел 4. Воздушная среда города 225
4.8. Вредные физические воздействия
К числу вредных физических воздействий относят:
ионизирующие излучения радиационные воздействия высокого уровня энергии (потоки
·-,
·- и
·-частиц, образующиеся при радиоактивном распаде или в ускорителях), электромагнитные излучения длиной вол- ны менее 10-7 см;
неионизирующие излучения часть электромагнитного спектра дли- ной волны более 10-7 см в диапазоне от низких до лазерных частот, малые дозы радиоактивного излучения;
акустические воздействия шум, ультразвук и инфразвук;
вибрация.
Ионизирующие излучения характеризуются высокой степенью биологического воздействия на уровне молекул и клеток, отдельных органов и организма в целом. При этом происходит поглощение биосубстратом энергии излучения, ионизация атомов и молекул, повреждение молекулярных соединений и образование активных свободных радикалов. Реакции организма, которые включают как соматические, так и генетические изменения, зависят от вида излучения, скорости поглощения энергии, поглощенной дозы излучения, распределения энергии облучения в организме, индивидуальных особенностей организма.
Неионизирующие излучения не оказывают столь быстрого разрушающего действия на живые организмы, однако отдаленные последствия его воздействия часто оказываются достаточно опасными.
4.8.1. Радиационное воздействие
При облучении людей от источников радиоактивных излучений в дозах до 1 грея (Гр) повышается вероятность развития онкологических заболеваний и проявления генетических дефектов. Эти последствия значительно удалены во времени от момента облучения. При воздействии больших доз облучения последствия проявляются быстро в форме острой лучевой болезни, причем чем выше полученная доза облучения, тем быстрее и острее проявляется ее губительный эффект.
Воздействующее на живой организм излучение подразделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение предполагает, что источник воздействия находится вне организма. Оно связано в основном с бета- и гамма-излучением, имеющими высокую проникающую способность. В случае, если радиоактивные вещества с пищей или вдыхаемым воздухом попадают внутрь организма, появляется источник внутреннего облучения. При внутреннем облучении на клетки организма воздействуют альфа-частицы.
226 Экология города
Радиоактивное облучение связано с воздействием источников как естественного происхождения, так и созданных человеком. Основная часть получаемой жителями Земли дозы облучения обусловлена естественными источниками. Средняя годовая индивидуальная эквивалентная доза от них составляет для землян 2 миллизиверта (мЗв). Для жителей Украины этот показатель выше и равен, по данным Министерства здравоохранения Украины, 4,46 мЗв.
Дозы облучения населения от естественных источников радиации зависят от высоты городов над уровнем моря, геологического строения и планировочно-архитектурных особенностей территории.
Для жителей горных местностей возрастает доля космического излучения в полученной за год эквивалентной индивидуальной дозе. Так, при подъеме от уровня моря до 2000 м облучение от космических лучей возрастает в несколько раз.
Повышение дозы облучения может быть вызвано использованием при строительстве зданий, дорог или планировке территорий материалов с высоким содержанием радионуклидов.
Опасным естественным источником внутреннего облучения человека является газ радон. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, не имеет цвета и запаха. Радиоактивными свойствами обладают радон-222 и радон-220, которые являются продуктом распада радия-226. Радон эманирует из горных пород через почву и скапливается в помещениях первых этажей зданий, особенно при их недостаточной вентиляции. Определенный вклад в поступление радона в жилые помещения вносят материалы, из которых они построены, и вода, поступающая из скважин. Радон скапливается в ванных комнатах особенно при пользовании душем.
Проведенные в 18 областных городах Украины замеры активности радо-на-222 в различных помещениях показали, что на первых этажах многоквартирных домов она составляет в среднем 48 Бк/м3, для этажей выше первого 22 Бк/м3, а в одноэтажных строениях 92 Бк/м3. В одном и том же городе концентрации радона могут отличаться на два порядка в зависимости от архитектурно-планировочных решений зданий.
Действующие в Украине нормативы допускают предельную среднегодовую концентрацию радона-222 в помещениях домов 50 Бк/м3. Проектами детских дошкольных учреждений и школ должны обязательно предусматриваться противорадоновые меры.
Источники радиоактивного излучения, созданные человеком, от светящихся циферблатов и аппаратов медицинской диагностики до атомного оружия и атомной энергетики, привели к возрастанию как индивидуальных, так и коллективных доз облучения.
По оценкам международных организаций, основную дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры. Рентгенологическое обследование получило в мире очень широкое распространение и составляет в развитых странах от 300 до 900 обследований в год на 1000 жителей, не считая "обязательной" флюорографии. Дозы облу-
Раздел 4. Воздушная среда города 227
чения, получаемые пациентами, во многом зависят от квалификации персонала и состояния оборудования. Нормы диагностического медицинского облучения в Украине предусматривают непревышение индивидуальной дозы, получаемой от этого источника, 1 мЗв в год. Большие дозы могут быть получены при лечении с использованием радиационного облучения.
Источники ионизирующего излучения используют во многих приборах, предназначенных для контроля качества продукции, в исследовательских целях и т.п. Возможность сверхнормативного облучения в этих случаях связана в основном с недостаточной квалификацией или безответственностью персонала. Годовой лимит индивидуальной дозы для персонала, работающего с источниками радиации, составляет в Украине 20 мЗв. Для населения доза облучения, связанная с влиянием техногенных производственных источников, не должна превышать 1 мЗв в год.
Несмотря на то, что объем испытаний атомного оружия существенно сократился, по сравнению с 5060 годами XX ст., на поверхность Земли с атмосферными осадками продолжают поступать из стратосферы долгоживущие радионуклиды, способствуя повышению радиационного фона. Так, в Харькове индивидуальная эквивалентная доза в 1962 г. составляла 1,83 мЗв, в 1982 г. 4 мЗв, а в 1992 г. уже 6,1 мЗв.
Атомный энергетический цикл вносит существенный вклад в повышение радиационного фона, в частности при складировании объемных радиоактивных отходов, образующихся в процессе добычи и обогащения урановых руд и при захоронении отработанного ядерного горючего и отслужившего срок эксплуатации оборудования АЭС. Однако наибольшую опасность представляют аварии на атомных электростанциях.
В 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции, расположенной в 80 км от Киева, произошла авария, которую оценивают как крупнейшую техногенную катастрофу в истории человечества. В результате многотонного выброса радиоактивных веществ произошло загрязнение атмосферы над всей планетой, причем в составе материала выброса было установлено присутствие более 500 радионуклидов с различными периодами полураспада. Радиационный фон вблизи места аварии составлял тысячи рентген в час, что привело к необходимости отселения жителей Чернобыля и Припяти.
В Киеве в 1986 г. радиационный фон в течение нескольких месяцев в сотни раз превышал естественный. Произошло загрязнение поверхностных источников водоснабжения города, в связи с чем был срочно обеспечен переход на использование подземных источников. В первые недели после аварийного выброса основную роль в распространении радиоактивного загрязнения играли воздушные потоки. В дальнейшем миграция радионуклидов из зоны загрязнения определялась преимущественно гидродинамикой грунтовых и поверхностных вод. Поступление радиоактивных веществ в Киевское водохранилище в первый период ликвидации последствий аварии привел к радиоактивному загрязнению донных отложений. Как показывают данные мониторинга, происходит неуклонное продвижение к югу фронта повышенной концентрации радионуклидов в донных отложениях, сопровождающее
228 Экология города
естественное перемещение осадков вниз по каскаду Днепровских водохранилищ. Это угрожает ухудшением радиационной обстановки в Днепропетровске, Запорожье, Черкассах и других городах Приднепровья.
Для обеспечения защиты населения от воздействия радиоактивного излучения в Украине принят ряд законодательных актов и ведомственных нормативных документов. В соответствии с ними, в частности, предусмотрен обязательный радиационный контроль в строительстве и производстве строительных материалов для обеспечения допустимых уровней регламентированных параметров: эффективной удельной активности естественных радионуклидов в строительных материалах, мощности поглощенной дозы радиации в помещении, среднегодовой эквивалентной равновесной объемной активности радона-222 в воздухе помещений. Под строгим контролем должна находиться медицинская аппаратура, используемая для рентгенодиагностики.
Неотложной проблемой является создание в Украине постоянного хранилища отходов атомной энергетики, строительство которого планируется осуществить в ближайшее десятилетие.
В рамках международного сотрудничества необходимо добиваться отказа всех стран от проведения испытаний и использования ядерного оружия, а также усиления контроля за безопасностью сооружений ядерной энергетики.
4.8.2. Магнитные, электрические и электромагнитные поля и излучения
Организм человека, как показывают проведенные в последние годы исследования, реагирует на изменение напряженности магнитного поля. Так, магнитные бури, возникающие в период солнечной активности, вызывают нарушения сердечно-сосудистой системы.
Искусственные магнитные поля, создаваемые постоянным электрическим током большой силы, характеризуются напряженностью до нескольких тысяч ампер на метр.
Нормативная величина напряженности постоянного магнитного поля, образующегося вблизи установок и линий электропередач постоянного тока, в течение рабочего дня составляет 8000 А/м, предельно допустимый уровень напряженности не установлен.
При контактной сварке, где величина тока достигает 1000 А и более, возникает магнитное поле до 10 кА/м.
Наряду с магнитным постоянный электрический ток создает электрическое поле, называемое электростатическим. Электростатическое поле высокой напряженности оказывает негативное воздействие на организм человека, в частности вызывает расстройства нервной системы, отрицательно влияет на репродуктивную функцию организма, особенно у мужчин. Нормативная величина напряженности электростатического поля в течение рабочего дня составляет 20 кВ/м, предельно допустимый уровень напряженности 60 кВ/м.
Раздел 4. Воздушная среда города
229
Источником электромагнитных полей является переменный ток. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью (В/м) и плотностью потока мощности (Вт/м2). Создаваемые электромагнитным полем электромагнитные волны характеризуются частотой колебаний (Гц).
Переменный ток промышленной частоты (50 Гц) передается по линиям электропередач напряженностью 330, 500, 750 и 1150 кВ. Источниками низкочастотного (50 Гц) электромагнитного излучения являются также открытые распределительные устройства и электроустановки переменного тока. При частоте 50 Гц опасным считается электромагнитное излучение при напряжении тока свыше 400 кВ.
Для защиты населения от воздействия поля, генерируемого воздушными линиями электропередач, устанавливаются санитарно-защитные зоны по обе стороны трассы (табл. 4.9).
Таблица 4.9. Размеры санитарно-защитной зоны вдоль воздушных линий электропередач

Напряжение в сети линий электропередач, кВ
Размер санитарно-защитной зоны от оси линии электропередач, м

330 500 750 1150
20 30 40 55

Источниками электромагнитных излучений являются также радиотехнические и электронные устройства: связь, локация, радио и телевидение. Электромагнитные излучения этих установок находятся в диапазоне радиочастот от 103 до 1012 Гц.
Вокруг любого источника электромагнитного излучения образуются три зоны воздействия: ближняя (индукции), промежуточная (интерференции) и дальняя (волновая).
Зона индукции простирается от источника на расстояние R
·
·/2
·, где
· длина волны, м. Зона интерференции находится в пределах от
·/2
· до 2
·
·. Волновая зона начинается от R
· 2
·
·.
По мере удаления от источника излучения интенсивность воздействия электромагнитного поля затухает.
В зоне индукции, где электрическое и магнитное поля существуют как бы независимо друг от друга, напряженность электрического поля (Е) уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния от источника излучения, а напряженность магнитного поля (Н) обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. В волновой зоне, где существует строгое соотношение между электрической и магнитной составляющими электромагнитно-
230
Экология города
го поля: Е=377Н, напряженность электромагнитного поля снижается пропорционально расстоянию от источника излучения.
Интенсивность электромагнитного излучения характеризуется плотностью потока энергии количеством энергии, падающей на единицу поверхности: П=ЕН/2, Вт/м2.
Для радиочастот: Р = PQ/4
·R2, Bт/м2, где P мощность излучателя, Вт; Q коэффициент усиления антенны; R расстояние между антенной и точкой наблюдения, м.
Воздействие электромагнитного излучения на жителей населенных пунктов зависит от мощности источника и частоты.
В табл. 4.10 приведены допустимые уровни воздействия электромагнитного излучения.
Таблица 4.10. Предельно допустимые уровни воздействия электромагнитных излучений для населенных пунктов




Предельно допустимый уровень

Диапазон электромаг-
Длина
Частота,
облучения

нитных волн
волны, м
Гц
по напряженности
по плотности




электромагнитного
излучения,




поля, В/м
Вт/м2

Электрический ток

50
1000
не нормируется

промышленной





частоты





Длинные радиоволны
св. 1000
менее 105
не нормируется
не нормируется

Средние радиоволны
1000-100
1051,5106
10
не нормируется

Короткие волны
100-10
61063107
4
не нормируется

Ультракороткие
10-1
31073108
2
не нормируется

радиоволны





Сверхчастотные
0,1-0,001
310931010
не нормируется
0,01

радиоволны





при непрерывном





режиме генерации





Сверхчастотные
1-0,001
310931010
не нормируется
0,05

радиоволны при





импульсном режиме





генерации





Для защиты населения от воздействия электромагнитного поля высокой частоты радиостанции, телецентры, ретрансляторы и другие источники радиоволнового излучения мощностью свыше 100 кВт должны размещаться за пределами населенных пунктов. Если источники радиоволнового излучения распо-
Раздел 4. Воздушная среда города 231
лагаются в городской черте, то вокруг них в обязательном порядке должна быть создана санитарно-защитная зона (СЗЗ), состоящая из зоны строгого режима и зоны ограниченного пользования. На внешней границе зоны строгого режима напряженность электромагнитного поля не должна превышать 20 В/м, а на внешней границе зоны ограниченного пользования 2 В/м. В зоне строгого режима находится источник радиоволнового излучения. Она, как правило, ограждена и охраняется. В пределах СЗЗ не допускается расположение жилых домов. Размеры СЗЗ определяются расчетом, исходя из суммарной мощности передатчиков, типа, высоты и коэффициента усиления антенны, рельефа местности. Расчетные размеры СЗЗ составляют от нескольких сот метров до 12 км. С увеличением высоты антенн, в частности для локаторов непрерывного действия, напряженность создаваемого электромагнитного поля возрастает по вертикали, что необходимо учитывать при установлении границ СЗЗ и этажности застройки в зоне влияния источника радиоволнового излучения (рис. 4.20 и 4.21).

Рис. 4.20. Схематическая диаграмма направленности излучения радиолокатора:
1 направление максимального излучения, совпадающего с главным лепестком (2); 3 боковые лепестки; 4 задний лепесток

Рис. 4.21. Контуры вертикального сечения санитарно-защитной зоны
и зоны ограниченной застройки, построенные по уровню АМП,
равному предельно допустимому:
1-8 номер луча: А контур постоянного уровня ЭМП, равного предельно допустимому, от источника СВЧ диапазона; Б то же от источника ВЧ и СЧ диапазона
232 Экология города
4.8.3. Акустические воздействия и вибрация
Акустическое воздействие шум представляет собой беспорядочные колебания сложной спектральной структуры, часто смешанные с периодическими акустическими колебаниями. Интенсивность и спектральный состав шума определяют качественные особенности восприятия его органами слуха человека и степень воздействия на организм в целом.
Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяются на ультразвук, звук и инфразвук. При частоте от 16 до 20 000 Гц акустические колебания воспринимаются органами слуха человека. Колебания с частотой более 20 000 Гц относят к ультразвуковым, с частотой менее 16 Гц к инфразвуковым колебаниям. Выделяется также диапазон частот от 2104 до 109 Гц, который получил название гиперзвуковых.
Громкость звука зависит от амплитуды звуковых колебаний, а сила (или интенсивность) звука I характеризуется мощностью звука, приходящейся на единицу площади, и выражается в Вт/м2.
Звуковое воздействие оценивают относительной интенсивностью звука Lp, для числового выражения которой принята единица децибел (дБ).
Относительная интенсивность звука определяется выражением: Lp = 10 lg(I/I0), где I0 стандартный порог слышимости, которому соответствует пороговое стандартное давление Р0 = 210-5 Па.
Источники шума в городах разнообразны. Основной источник, ответственный примерно за 80% общей акустической нагрузки, транспорт.
На крупных транспортных магистралях уровень шума составляет 8592 дБ с максимумом звукового давления в диапазоне частот 400800 Гц. Интенсивный шум создает железнодорожный транспорт. Даже на расстоянии 200 м от железнодорожной линии его уровень составляет примерно 60 дБ.
Мощными источниками шума, с которыми связано акустическое загрязнение среды на большой территории, являются аэропорты. Особенно интенсивный шум создается самолетами при взлете. Так, например, уровень шума на расстоянии 1 км от взлетной полосы при взлете самолета АН-24 достигает 107110 дБ.
Уровень шума в городах за счет роста населения, увеличения скоростей и интенсивности движения транспортных средств возрастает примерно на 0,51 дБ в год, а в некоторых крупных городах рост акустической нагрузки достигает 2 дБ в год.
Жилые помещения, особенно расположенные в многоэтажных домах, имеют большое число "внутренних" источников шума: работающие лифты, вентиляторы, насосы, телевизоры, магнитофоны могут создавать шум интенсивностью от 70 до 95 дБ. Громкий разговор по телефону является источником акустического воздействия интенсивностью до 70 дБ.
Сильный шум отрицательно воздействует на органы слуха человека, причем в первую очередь ухудшается восприятие высоких звуков, а затем и низ-
Раздел 4. Воздушная среда города 233
ких. Постоянное его воздействие снижает трудоспособность, может стать причиной неврозов и многих других заболеваний. Наиболее чувствительны к воздействию шума люди старших возрастов. Если в возрасте до 27 лет на шум реагируют примерно 46% людей, то в возрасте от 58 лет и старше 72%. Более восприимчивы люди к акустическому воздействию в ночные часы.
Однако человек постоянно жил и живет в мире звуков, и абсолютная тишина его угнетает. Попытки создать "рабочую обстановку" в производственных помещениях путем их полной звукоизоляции приводили к нервным срывам и потере работоспособности. Звуки определенной силы стимулируют процесс мышления. Эффект "тихого уличного шума", создаваемого музыкой и негромкими разговорами, наиболее благоприятствует рабочей обстановке.
Санитарные нормы, принятые в Украине, при определении допустимого уровня звука на территории жилой застройки учитывают специфику помещений (жилые дома, больницы, общежития и т.п.) и время суток, когда проявляется воздействие звуков. Для жилых домов средний допустимый уровень интенсивности звуков (LАэкв) в дневное время составляет 55 дБ, в ночное 45 дБ, максимальный уровень (LАмакс) соответственно 70 и 60 дБ. Для территорий, прилегающих к санаториям и больницам, значение допустимого шумового воздействия на 10 дБ ниже, а для гостиниц и общежитий на 5 дБ выше. Регламентации подлежат также условия застройки в зоне воздействия аэропортов.
Вибрация представляет собой механические колебания материальных систем с частотой обычно больше одного герца и с малой амплитудой.
Вибрационные воздействия связаны с акустическими колебаниями низких частот и инфразвуковыми колебаниями. Инфразвуки генерируются многочисленными природными источниками (ураганами, предштормовыми явлениями на море, действующими вулканами и т.д.) и способны распространяться на огромные расстояния, огибая препятствия. Мощность инфра-звуковых колебаний естественного происхождения невелика.
Города являются сосредоточием техногенных источников инфразвуковых колебаний и связанной с ними вибрации. К ним относятся компрессорные станции, вентиляторы, виброплощадки, кондиционеры, градирни, турбины дизельных электростанций, внутридомовые технические устройства. Уровень инфразвукового давления достигает мощности от 80 дБ при работе небольших компрессоров до сотен децибел при испытаниях реактивных двигателей. Вибрация и инфразвук негативно воздействуют на состояние людей, вызывая ощущение учащенного колебания внутренних органов и болевые ощущения, синдром морской болезни, а также чувство тревоги, страха, затрудняют интеллектуальную деятельность.
Нормирование уровня вибрации в жилых помещениях по показателям виброскорости, виброускорения и вибросмещения (в дБ) производится в диапазоне частот от 2 до 63 Гц с учетом времени суток, характера вибрации и ее продолжительности.
Меры по защите от акустического загрязнения среды и вибрации могут быть подразделены на те, которые связаны со снижением шума в самом ис-
234 Экология города
точнике, и те, которые обеспечиваются использованием определенных архитектурно-планировочных решений и специальных звукопоглощающих материалов при строительстве.
При реконструкции городов одним из важнейших мероприятий по улучшению экологической обстановки является вынос аэропорта за пределы города, перевод на специальные автодороги грузового и транзитного автотранспорта. Для акустического комфорта жилых районов устраивается шумозащитное озеленение.
Акустический эффект снижения уровня шума зависит в основном от конструкции и ширины зеленой полосы и ее дендрологического состава. Наиболее эффективной формой поперечного сечения шумозащитной полосы является форма треугольника с пологой стороной, обращенной к источнику шума.
В условиях плотной застройки не всегда удается разместить зеленую полосу требуемой ширины. В этих случаях создаются шумозащитные экраны в виде вертикальных и наклонных стен из армированного бетона, профилированного листового металла, пластика или стекловолокна.
Аэропорты следует выносить за пределы города, используя специальное акустическое озеленение их окрестностей и рациональную планировку самого аэропорта.
В пределах города защита от транспортного шума обеспечивается внутриквартальными зелеными насаждениями, функциональным зонированием застройки и специальной планировкой домов с ориентацией окон спален и большинства общих комнат в сторону дворового пространства.
Защита от внутридомового шума связана с использованием звукопоглощающих материалов, звуконепроницаемых окон и четкой работой коммунальных служб, обеспечивающих исправную работу оборудования.
Защита от вибрационного и инфразвукового воздействия должна быть ориентирована на совершенствование и регулирование источников воздействия.
Влияние на человека акустических колебаний ультра- и гиперзвукового диапазона нормируется только для рабочей зоны производственных помещений: допустимые уровни звукового давления на расстоянии 0,5 м от контура источника колебаний и не менее 2 м от отражающих поверхностей стен, а по высоте 1, 5 м от пола не должны превышать 100 дБ при частоте 2104 Гц и 110 дБ при частоте 105 Гц. Нормативы допустимого воздействия ультразвуковых колебаний для населенных мест не установлены.
Контрольные вопросы
Состав атмосферного воздуха. Как изменяются его температура и давление с высо- той ? Какие функции выполняет атмосфера?
Нормативы качества атмосферного воздуха.
Классификация источников выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.
Влияние метеоусловий на перенос и рассеивание примесей в атмосфере.
Раздел 4. Воздушная среда города 235
Расчет рассеивания примесей в атмосфере от одиночного точечного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеоусловиях.
Разработка нормативов ПДВ, ВСВ для стационарных источников.
Трансформация примесей в атмосфере.
Мероприятия по защите воздушного бассейна городской среды.
Методы и средства пылегазоочистки.
10. Контроль качества атмосферного воздуха.
11. Статистические характеристики загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов.
Глобальные и локальные явления, связанные с загрязнением атмосферы.
Факторы, влияющие на формирование микроклимата города.
Виды вредных физических воздействий.
Шум в городской среде.
Защита от вредных физических воздействий.
Рекомендуемая литература
Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометео-
издат, 1985. - 272 с.
Владимиров А.М., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды.
Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 423 с.
Державні санітарні правила планування та забудови населених пунктів. / Затверджено наказом Міністерства охорони здоров'я України від 19.06.96 №173. К., 1996.
Заварина М.В. Строительная климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 312 с.
Закон України "Про захист людини від впливу іонізуючих випромінювань" від 14 січня 1998 р. №15/98 ВР.
Климатология: Учебник / О.А.Дроздов, В.А.Васильев, Н.В.Кобышева и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.
Норми радіаційної безпеки України: НРБУ-97. Київ, 1998 р.
Охрана и оптимизация окружающей среды / Под ред. А.А.Лаптева. К.: Лыбидь, 1990. - 256 с.
Радиация. Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 79 с.
Справочник по пыле- и золоулавливанию. / М.И.Биргер, А.Ю.Вальдберг, Б.И.Мягков и др. Под общ. ред. А.А.Русанова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоато-миздат, 1983. 312 с.
Сытник К.М., Брайон А.В., Гордецкий А.В. Биосфера, экология, охрана природы. Справочное пособие. К.: Наук. думка, 1987. 523 с.
Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе: Справочник. М.: Химия, 1991. 362 с.
Шаприцкий В.Н. Справочник. Разработка нормативов ПДВ для защиты атмосферы.
М.: Металлургия, 1990. 416 с.
Щербань М.И. Микроклиматология. К.: Вища шк., 1985. 240 с.
Раздел 5
ГОРОДСКАЯ ФЛОРА И ФАУНА
5.1. Пути и особенности формирования флоры и фауны городов
5.1.1. Роль растительного и животного мира
в урбоэкосистеме и жизни городского населения
Город является не только местообитанием популяции человека, но и предоставляет условия для существования различных других видов животных, растений, грибов, простейших, прокариот, являющихся неотъемлемыми элементами среды обитания горожанина.
Часть этих видов (первая группа) существуют только в одомашненном (животные) или окультуренном (растения) состоянии и используются человеком для удовлетворения его жизненных потребностей в лекарственных препаратах, материалах для строительства и отделки жилищ, средствах передвижения (как, например, лошадь, осел), общении (как, например, собаки и кошки). Значение последних в жизни городского человека намного выше, а значение сельскохозяйственных видов животных и растений в городах намного меньше, чем в жизни сельского жителя.
Вторая группа животные и растения, не одомашненные или окультуренные в полном смысле этих слов, а обитающие в неурбанизированной среде иных природно-климатических зон, отличных от данной, в городах могут жить только в жилищах человека или в специальных сооружениях (оранжереи, теплицы, террариумы, аквариумы, вольеры и т.п.), где искусственно создаются и поддерживаются условия существования и размножения организмов этих видов. К этой группе относятся экзотические растения и животные, составляющие основу научных (зоологические парки, ботанические сады, питомники) и частных коллекций комнатные и оранжерейные растения, аквариумные рыбы, обитатели террариумов, инсектариев, комнатные и декоративные птицы и млекопитающие. Более того, именно в городах начиная с Древнего Египта и Месопотамии, пройдя через эпоху античности, испытав "новое рождение" в эпоху Возрождения и особенно в новое время и зародилась традиция выращивания таких растений и содержания таких животных с целью удовлетворения исключительно эстетических и коммуникативных потребностей человека (а позже и потребностей в "душевном комфорте"). В настоящее время эта тенденция не ослабевает, и с каждым поколением все больше и больше горожан вводят в свои жилища на правах постоянных жителей и даже своего рода "членов семей" животных и растений из этой группы видов, не считая уже упомянутых выше собак и кошек, превращая города в
Раздел 5. Городская флора и фауна 237
подобие Ноева ковчега. В жизни сельских жителей декоративные экзотические виды играют незначительную роль, поскольку, с одной стороны, их место уже занято одомашненными животными и культурными растениями, а с другой "среднестатистический" сельский житель имеет больше, чем горожанин, возможностей разнообразных утилитарных и неутилитарных контактов с дикими видами животных и дикорастущими видами растений в непосредственном окружении его поселений. Для большинства же городских жителей именно виды растений и животных первых двух групп являются порой единственным (к сожалению!) "окном в природу" (В. Песков).
Третья группа видов это также неодомашненные животные и неокулътуренные растения, которые человек сознательно (преднамеренно) расселяет или выращивает в городах, но уже не в жилищах, а в природно-антропогенных или антропогенных местообитаниях. В этой группе выделяют две подгруппы: 1) новые для региона виды (интродуценты)1 и 2) аборигенные (автохтонные) виды, обитающие в новых или измененных условиях среды. Интродуцированные виды в новых условиях проходят процесс акклиматизации, после чего они либо натурализируются, т. е. могут существовать, сохраняя жизнеспособность без вмешательства человека, либо для их существования (размножения) необходима постоянная поддержка со стороны человека в виде системы агротехнических (для растений) или биотехнических (для животных) мероприятий. В последнем случае растения называются интродуцентами открытого грунта (в отличие от тепличных или оранжерейных видов интродуцентов закрытого грунта), а для обозначения животных вольного или полувольного содержания особого термина не существует (можно говорить о них как акклиматизированных, но не натурализированных: например, дальневосточные пятнистые олени (Cervus nippon Temm.) в парках Европы или лани (Dama dama L.) в парках Украины или странах Балтии). С видами из этой группы горожане также сталкиваются в повседневной жизни на городских улицах, в парках, усадьбах, но в большинстве случаев не знают их названий.
Четвертая группа видов это непреднамеренные интродуценты, "виды-пришельцы", появление которых в данном регионе или городе не предусматривалось человеком, но которые распространились и натурализовались благодаря человеку как агенту переноса организмов или их покоящихся стадий и в результате антропогенных преобразований ландшафтов, сопутствующих урбанизации.
Пятая группа видов синантропные, т.е. виды, живущие в селитебном ландшафте, в непосредственном соседстве с человеком: в жилищах и других сооружениях, вблизи жилья и временных построек и распространяющиеся по мере распространения ландшафта данного класса. Сюда входят: а) виды, эволюция которых, по крайней мере, с неолита, проходила в контакте с человеческими популяциями (например, полевые сорняки, некоторые тараканы,
1 Правильнее было бы называть их интродуктами, т.е. введенными в культуру (от лат. introductio введение), поскольку интродуцент это "тот, кто вводит" их в культуру или способствует натурализации, но в большинстве отечественных и русскоязычных источников в первом смысле используется именно слово интродуцент (Реймерс, 1990).
238 Экология города
вши, мышь домовая (Mus musculus L.), и б) виды, лишь в новое и новейшее время освоившие экологические ниши, параметры которых определяются жизнедеятельностью человека, его домашних животных и окультуренных растений, например, воробей домовый (Passer domesticus L.), голубь сизый (Columba livia Gm.), стриж черный (Apus apus L.), крыса серая (Rattus norvegicus L.). Тем не менее более молодые синантропные виды не "порывают" полностью связь со своими исходными природными местообитаниями и используют их в зависимости от конкретных ситуаций наряду с антропогенными.
Наконец, шестая и, пожалуй, самая многочисленная группа видов это дикорастущие растения и дикие животные (англ. wildlife), живущие в городах в различных местообитаниях от слабо нарушенных и трансформированных природных до антропогенных. Здесь мы находим большое разнообразие видов от сохранившихся в виде малых остатков некогда существовавших жизнеспособных популяций, а ныне обреченных на вымирание, до активно или пассивно проникающих в города и процветающих в них. То есть все те виды растений, животных, грибов "союзники", "нежелательные соседи" или "вредители", которые, наряду с видами из пятой, четвертой и отчасти третьей групп формируют флору и фауну городов, эту "жизнь среди жизни" (А. Гапченко), развивающуюся рядом с человеком, помимо его воли и даже вопреки его желанию.
Так, невозможно переоценить роль зеленых насаждений в улучшении городского климата, свойств почв, очищении воздуха от загрязняющих примесей и болезнетворных агентов, шумопоглощении, т.е. во всем том, что составляет сущность фитомелиорации (подробнее раздел 5.3). С другой стороны, растения выделяют в окружающую человека среду вещества или свои части, вызывающие у человека аллергические реакции (то же самое относится и к животным). Сорные растения также являются нежелательным, хотя и неотъемлемым элементом урбоэкосистемы, а многие виды животных и микроорганизмов, обитающие в городах, являются возбудителями или переносчиками заболеваний. В то же время некоторые из них выполняют санитарные функции, участвуя в процессах разложения органического вещества производственных и бытовых отходов (см. разд. 8). Трудно себе представить современный город, лишенный шума деревьев и прохлады, которую они дают в жаркий летний день, запахов цветущих растений, пения птиц, стрекотания насекомых всего того, что формирует дружественную человеку среду обитания, прежде всего в эстетическом смысле, и благодаря чему можно воспитывать подрастающее поколение в духе гармонии с природой. С другой стороны, неухоженные, засыхающие насаждения, заросли сорных растений во дворах горожан и по обочинам дорог, громкие крики и помет птиц или, например, обезьян (в городах тропических стран) в местах их скоплений являются явными признаками ухудшения именно эстетической и санитарно-гигиенической составляющих окружающей среды города. Кроме того, живые организмы, взаимодействуя с объектами искусственной среды обитания человека, могут повреждать их. Приведенные аспекты взаимодействия человека и других живых организмов, составляющих флору и фауну городов, отображены на рис. 5.1.
Раздел 5. Городская флора и фауна 239

Рис. 5.1. Роль флоры и фауны в урбоэкосистеме
При анализе любых взаимодействий человека с объектами биотической среды города необходимо помнить, что как позитивные, так и негативные (с точки зрения человека) последствия таких взаимодействий являются закономерной реакцией биоты на все те изменения, которые он вносит в природные ландшафты и экосистемы в процессе создания и развития городов.
Таким образом, рассмотрены аспекты взаимодействия "биота город", часть из которых более подробно обсуждаются в разделе 5.3.
5.1.2. Роль городов в динамике ареалов видов флоры и фауны
Прежде чем приступить к рассмотрению аспектов взаимодействия "город биота", необходимо ввести базовые для данного раздела определения: "растительный мир", "флора", "растительность", которые в массовом сознании являются синонимичными, так же, как и "животный мир", "фауна", "животное население".
Флора (от лат. Flоrа богиня цветов и весны) это исторически сложившаяся совокупность видов растений, приуроченная к определенному географическому пространству, связанная с его современными природными условиями и геологическим прошлым. Растительность это совокупность всех растительных сообществ и сопутствующих им группировок растений, населяющих Землю или определенную область земной поверхности (Миркин и др., 1989). Растительный мир это совокупность всех растительных организмов (под-
240
Экология города
разделяемых или не подразделяемых на таксоны1, жизненные формы, экологические группы и т.д.) на некоторой территории или на Земле в целом.
Аналогично растительному миру определяется животный мир.
Фауна (от лат. Fauna богиня животных и охоты) это исторически сложившаяся совокупность видов животных, приуроченная к определенному географическому пространству, связанная с его современными природными условиями и геологическим прошлым. Животное население это совокупность всех популяций животных, входящих в состав биотических сообществ определенной области земной поверхности или Земли в целом.
Следовательно, в понятиях "флора" и "фауна" отражены качественные аспекты, в то время как понятия "растительность" и "животное население" отражают количественные аспекты понятий "растительный" и "животный мир" соответственно (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Соотношение понятий "флора", "фауна", "растительность",
"животное население"

Часть биоты
Качественный аспект
Количественный аспект



понятие
методы изучения
понятие
методы изучения

Растительный мир
Флора
Методы стационарных и экскурсионных флористических исследований
Растительность
Методы количественного описания на площадках, маршрутах, сплошного и выборочного картирования

Животный мир
Фауна
Методы стационарных и экскурсионных фаунистических исследований
Животное население
Методы количественных учетов на площадках, маршрутах, сплошного и выборочного картирования

Изучение флоры и фауны состоит в полном выявлении их видового и родового состава, а изучение растительности и животного населения предполагает получение количественных характеристик (численность, плотность населения, проективное покрытие и т.п.) всех видов, входящих в состав сообществ на территории, имеющей какие-либо природные (например, ландшафтно-географические) или административные границы. Следовательно, введенные понятия можно употреблять применительно к целому региону и к
1 Таксон это базовое понятие биологической (и не только) систематики, достаточно обособленная конкретная группа организмов, связанных той или иной степенью родства, выделяемая в ту или иную таксономическую категорию (вид, род, семейство, отряд, класс и т.д.).
Раздел 5. Городская флора и фауна
241
отдельному городу. В последнем случае предпочтительнее использовать понятие "урбанизированная", а не "городская" флора и фауна, если в работе исследуется растительный и животный мир на всей территории города в административных пределах или на территории городской агломерации. Термины "городская" флора и фауна следует употреблять только в случаях, когда исследуется растительный и животный мир именно городского класса антропогенных ландшафтов (подробнее раздел 5.2).
Также необходимо отметить, что разделение биоты на растительный и животный мир (Царство Растений (Plantae) и Царство Животных (Animalia)), возникшее в эпоху античности, в настоящее время устарело1. Тем не менее, в научной литературе термин "флора" устойчиво употребляется по отношению не только к высшим сосудистым растениям, но и к мохообразным, водорослям, грибам и даже микроорганизмам (т.е. всему тому, что "не животное"), в то время как "фауна" используется для качественной характеристики животного мира территорий (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Употребление терминов, содержащих слова "флора" и "фауна" для характеристики избранных таксонов на отдельных территориях

"Растения"
Животные

Таксон
Термин
Таксон
Термин

1
2
3
4

Высшие сосудистые растения (Cormophyta)
Флора высших (сосудистых) растений
Позвоночные (Vertebrata):
Фауна позвоночных

Покрытосеменные (Magnoliophyta)


Млекопитающие (Mammalia)
Териофауна

Голосеменные (Pinophyta)


Птицы (Aves)
Орнитофауна, авифауна

Папоротникообразные (Pterydiophyta)


Пресмыкающиеся (Reptilia)
Герпетофауна

Плаунообразные (Lycopodiophyta)


Земноводные (Amphibia)
Батрахофауна, брахифауна

Хвощеобразные (Equisetophyta)







Мохообразные (Bryophyta)
Бриофлора
Рыбы (Pisces)
Ихтиофауна

Группа отделов Водоросли (Algae, seu Phycota)
Альгофлора
Насекомые (Insecta)
Энтомофауна

Группа отделов Грибы (Fungi, seu Mycota)
Микофлора
Паукообразные (Arachnea)
Арахнофауна

Лишайники (Lichenes)
Лихенофлора
Моллюски (Mollusca)
Малакофауна

1 Современные исследователи выделяют от 5 до 18 царств живой природы.
242 Экология города
Продолжение табл. 5.2

1
2
3
4

Микроорганизмы в целом
Микрофлора
Паразитические черви (Plathel-minthes, Nemathel-minthes и др.)
Гельминтофауна

Прокариоты (Бактерии) (Bacteria)
Бактериофлора
Подцарство Простейшие (Protozoa)
Протистофауна

Флора, растительность, фауна и животное население характеризуются структурой, т.е. количественным соотношением элементов, обладающих определенными свойствами. Наиболее часто выделяют следующие аспекты структуры:
таксономическая структура соотношение различных таксонов более высокой, чем вид, категории;
хорологическая структура соотношение элементов (таксонов), груп- пируемых по признакам общности ареалов и географического проис- хождения;
биоморфологическая структура соотношение элементов (таксонов), группируемых по признакам общности жизненных форм (биоморф);
экологическая структура соотношение элементов (таксонов), группи- руемых по признакам общности их экологических характеристик тре- бования к местообитанию, отношение к избранным экологическим факторам, особенности кормодобывания и питания и т.д. (т.е. в одну группу гильдию попадают таксоны со сходными параметрами эко- логических ниш);
ценотическая структура соотношение элементов (таксонов), группи- руемых по признакам общности их функций в составе биоценозов.
Структура флоры, фауны, растительности или животного населения несет в себе информацию о специфике как растительного или животного мира, так и об экологических условиях на данной территории, т.е. обладает потенциальной индикаторной ценностью. В экологических исследованиях городов во всем мире флористические и фаунистические характеристики занимают значительное место и имеют, пожалуй, самую длительную историю изучения, по сравнению с другими компонентами урбоэкосистемы.
Совокупность особей любого вида, сгруппированных в популяции, занимает определенную область земной поверхности ареал, в пределах которого проходят все этапы жизненного цикла особей на протяжении всей истории существования вида.
Различают следующие эволюционно-исторические типы ареала:
первичный (автохтонный) ареал область происхождения, изначального формирования вида (таксона);
вторичный ареал область, занятая таксоном в процессе расширения или смены первичного ареала;
Раздел 5. Городская флора и фауна 243
современный ареал ныне существующая область обитания вида;
потенциальный ареал область, пока незаселенная видом (таксоном), имеющая подходящие экологические условия и предпосылки для последующего заселения видом (таксоном);
В зависимости от конфигурации различают следующие пространственные типы ареала:
сплошной ареал без существенных перерывов в области распространения таксона; в зависимости от характера пространственного распределения пригодных для существования вида (таксона) условий сплошной ареал бывает ленточным (например, приуроченный к долинам рек) и мозаичным состоящим из многих небольших участков подходящих местообитаний (например, ареалы европейских видов роющих ос, обитающих в комплексах песков, распространение которых носит мозаичный характер);
дизъюнктивный ареал разъединенный в силу причин исторического характера, связанных с геологическими процессами, на несколько значительных, удаленных друг от друга участков современный ареал таксона (например, европейско-дальневосточные разрывы ареалов видов широколиственных лесов, американо-австралийский разрыв ареала отряда Сумчатых);
прерывистый ареал современный ареал вида (таксона), разъединенный в результате антропогенных изменений на значительные изолированные участки (например, ареалы большинства видов крупных хищных птиц Палеарктики);
пятнистый ареал современный ареал вида (таксона), разъединенный в результате антропогенного воздействия на небольшие изолированные участки или образованный небольшими участками антропогенных местообитаний (например, ареалы видов-синантропов).
Даже в пределах сплошных ареалов особи видов распределены далеко не всегда равномерно, а чаще демонстрируют случайный или пятнистый (агрегированный) характер пространственного распределения в зависимости от распределения условий существования и действия суммы экологических факторов в различных частях ареала. Так, воспользовавшись данными Атласа гнездящихся птиц Европы (Hagemeijer, Blair, 1997), где впервые в масштабах континента были привлечены данные о численности видов для растрового картирования их ареалов, можно увидеть, что даже численность такого распространенного и массового вида, как воробей домовый (Passe