| |
|
|
|
| |
| №4,2006: Экологические проблемы урбанизированных территорий |
<< Содержание номера
<< Архив
[RUS] / [ENG]Экологические проблемы урбанизированных территорий
Антонов В.А., Сидорова А.Э. Устойчивость урбоэкосистем с позиций теории автоволновой самоорганизации активных сред
На основе теории автоволновой самоорганизации активных сред рассмотрена устойчивость урбоэкосистем, включающих связанные экологически значимыми природно-антропогенными взаимодействиями подсистемы. Предложены базовые количественные критерии их системной устойчивости.
Теоретические предпосылки
Преследуя сиюминутные выгоды, «техно-гуманитарный баланс» на протяжении веков достигался человечеством «посредством череды антропогенных кризисов» [1] (мы интерпретируем их как возмущения или флуктуации) и стабильным снижением потенциальных возможностей природной среды. Эта тенденция постепенно сформировала вектор эволюционного экологического процесса: от устойчивости неравновесных систем к неустойчивости, особенно в условиях территориально-функционального доминирования природно-антропогенных экосистем, наиболее «экологически активными» из которых являются урбоэкосистемы (УЭС).
В настоящее время урбанизация занимает доминирующее положение в ряду неблагоприятных экологических факторов, характеризующихся неравномерностью и спонтанностью антропогенного воздействия, размещения промышленных и гражданских объектов, размытостью системных границ, подавляющим количеством необратимых системных процессов. Эффективным подходом к оптимизации процессов эволюции в границах урбоэкосистем является системный анализ устойчивости, что возможно лишь при условии их синергетического рассмотрения и введения в практику нормативных экологических регуляторов антропогенного воздействия. Это позволит нивелировать «урбанизацию как фактор риска» [2] и внесет важный вклад в обеспечение устойчивого развития страны.
С точки зрения экологии УЭС являются одними из наиболее сложных для системного анализа экосистем. В значительной степени это касается особенностей структурно-пространственной организации грунтов, их физических, физико-химических, биотических свойств в условиях мощного антропогенного прессинга.
Представление УЭС в качестве взаимодействующих природно-антропогенных подсистем состоит в рассмотрении общих закономерностей экологически опасных перекрестных антропогенных воздействий, генерируемых территориально связанными промышленными и жилыми объектами, а также буферной емкости природных подсистем, составляющих общие урбобиоценозы.
Данный подход является перспективным при оценке системной устойчивости, направленным на выявление пороговых значений параметров подсистем и основанным на представлении УЭС в качестве самоорганизующихся систем, универсальная цель которых – самосохранение, т.е. устойчивость к внутренним и внешним флуктуациям [3].
Известно, что формы кооперативного поведения, свойственные живым системам, распространяются и на экосистемы, что позволяет рассматривать УЭС в виде сопряженных природно-антропогенных подсистем с позиций теории самоорганизации.
Исходя из общих принципов самоорганизации экосистем, сформулированных Реймерсом [4], к числу наиболее важных, определяющих эволюцию УЭС, можно отнести следующие:
1. Правило эмерджентности: надежная система состоит из подсистем, не способных к индивидуальному существованию.
2. Принцип системного управления: целое ограничивает число степеней свободы своих частей (и наоборот).
3. Закон оптимальности системных границ (особенно актуален этот закон для УЭС, склонных к несбалансированному территориальному расширению).
4. Направленность антропогенного воздействия на всю иерархию подсистем.
5. Закон толерантности (устойчивости) В.Шелфорда.
6. Неравновесный характер исходной системы, обеспечивающий возможность образования диссипативных структур.
7. Нелинейность системных процессов.
8. Когерентный характер взаимодействия подсистем.
9. Мультистабильность.
10. Постоянное усложнение системных связей посредством дифференциации и специализации подсистем.
11. Способность к бифуркациям как способу самоорганизации.
Таким образом, необходимой предпосылкой возникновения эффекта самоорганизации в границах УЭС является соответствие степени био- и геохимической активности, а также гидрологической и физической (ландшафтной) устойчивости экосистемы масштабам техногенного воздействия.
Основываясь на представлениях Д.И. Люри, который определил возможные направления процесса эволюции («природа-мать, природа-соратник, природа-экспонат») [5], нами были сформулированы в общем виде условия устойчивого неравновесия:
естественная самоорганизация (природные экосистемы) - У= <1,
системная самоорганизация (природно-антропогенные экосистемы) - У= =1,
техногенная самоорганизация (разрушение природных экосистем) - У= >1,
где У - устойчивое неравновесие, f(А) - антропогенное воздействие, f(П) - природный отклик.
Если первый вариант – наше прошлое, третий – возможное будущее, то второй вариант – адекватное нашим посылкам настоящее.
В качестве условий естественной самоорганизации для поддержания состояния устойчивого неравновесия урбанизированной территории необходимо:
- воспроизводство основных компонентов природной среды, обеспечивающее баланс вещества и энергии в системе;
- соответствие степени био- и геохимической активности лито-, гидро- и атмосферы (в том числе наличие условий для миграции продуктов техногенеза) масштабам производственных и коммунально-бытовых загрязнений природной среды;
- соответствие степени гидрологической и физической (ландшафтной) устойчивости экосистемы уровню техногенного воздействия.
Вместе с тем, следует отметить, что мегаполисы не способны обеспечить условия естественной самоорганизации, что формирует необходимость анализа системной устойчивости. Кроме того, в неравновесных системах, к которым принадлежат УЭС, при одном и том же наборе начальных условий и малых неоднородностей (при нормальных условиях функционирования), в отличие от равновесных систем, увеличивается взаимовлияние подсистем (петли отрицательных и положительных обратных связей) и возрастает множество возможных траекторий развития.
Известно, что каждая система, в которой происходят процессы отслеживания, наведения, саморегуляции (самоорганизации) обязательно функционирует в колебательном режиме. В пространстве это режим волновой, а в активной среде, где самой системой поддерживается устойчивость – автоволновой [6]. Единство каждой экосистемы, в частности УЭС, определяется общностью геопространства и, в первую очередь, интегрирующими свойствами почво-грунтов и подземных вод. Распределенный характер неравновесных процессов в верхних слоях литосферы позволяет рассматривать ее в качестве первичной активной среды с возможными устойчивыми и неустойчивыми режимами поведения. Следует отметить, что процессы в воздушной среде непосредственным образом напрямую связаны с процессами в геосредах. Поэтому анализ устойчивости УЭС строится на базе синергетических представлений об автоволновой самоорганизации в распределенных активных средах.
Основные предпосылки для оценки устойчивости УЭС можно определить следующим образом:
1. УЭС - возбудимая активная среда с распределенным ресурсом, поддерживающим в пространстве и времени эволюцию ее структуры.
2. Структура УЭС, с точки зрения анализа системной устойчивости, представляет собой общность возбудимых элементов – природных и антропогенных подсистем.
3. УЭС - открытая система ввиду обмена с внешней средой энергией, веществом и информацией. Поскольку крупные УЭС – это сверхоткрытые системы, их естественным состоянием является неустойчивость, значительное место в формировании которой занимают необратимые системные процессы, что обусловлено значительной концентрацией и большими скоростями (относительно природных процессов) антропогенных процессов, а также низким порогом возбуждения УЭС как систем, характеризуемых степенью разрушения более 50%.
3. УЭС - пространственно-распределенная среда относительно взаимосвязей между подсистемами и, одновременно, точечная среда во взаимоотношениях с другими экосистемами.
4. Расширением границ УЭС как множества точек реального пространства, характеризуемого общностью структурно-функциональных свойств: чем выше процент разрушения природной подсистемы, определяемый обратимостью системных процессов, тем дальше территориально распространяются последствия негативного антропогенного воздействия.
5. Системная неоднородность обусловлена множественностью антропогенных (градостроительных, промышленных, транспортных и др.) и природных (естественный каркас, особенности ландшафта и др.) динамических и, в частности, возбудимых элементов (сильный ответ на слабое возмущение).
6. Нелинейность системных процессов – есть результат неаддитивности системных процессов.
7. Неравновесность системных процессов в границах урбоэкосистем определяется (при нормальных условиях функционирования), в отличие от равновесных систем, взаимовлиянием составляющих элементов, обусловленным петлями отрицательных и положительных обратных связей.
Для реализации этого подхода были разработаны «Схема взаимодействия прямых и обратных природно-антропогенных связей» (рис. 1) и базовые критерии устойчивости УЭС, позволившие оценить взаимовлияние сопряженных подсистем с учетом наиболее существенных антропогенных факторов, необратимых системных процессов в лито- и гидросредах и ингибиторных свойств элементов природной подсистемы.
К числу основных антропогенных факторов (верхняя часть схемы) следует отнести: геофизические поля (тепловые, динамические и электромагнитные), статические нагрузки (результат роста плотности застройки), техногенную эксплуатацию подземных вод, химические загрязнения, техногенную коррозию. Перечисленные факторы оказывают не только перекрестное влияние, но и негативно воздействуют на формирование гидробаланса, гео- , биохимические и физико-механические свойства сред.
К числу основных природных характеристик (нижняя часть схемы) отнесены: физические, химические, физико-механические, физико-химические и биотические свойства почво-грунтов т грунтовых вод, определяющие гео- и биохимическую активность среды и изменение рельефа местности.
В качестве положительных связей на схеме рассмотрены тепловые нагрузки, электромагнитные поля (ЭМП), химические загрязнения, температурный баланс природной среды, карстово-суффозные процессы, физико-механические свойства грунтов и т.д.
В качестве отрицательных связей – гео- и биохимическая активность среды, упругая деформация грунтов, высокой удельное электрическое сопротивление грунтов и т.д.
Рис. 1. Схема взаимодействия прямых и обратных положительных и отрицательных (природно-антропогенных) связей: черные стрелки – прямые связи; красные стрелки - обратные связи.
Анализ приведенной Схемы позволяет сделать следующие выводы:
- наибольшее количество прямых и обратных связей (петель) приходится на долю природной подсистемы, как более стабильной структуры, характеризуемой жесткими взаимосвязями, подчиненными законам взаимодействия живых систем;
- положительные обратные связи, в основном, наблюдаются на внутриподсистемном уровне, в то время как отрицательные – между подсистемами, что объясняется противодействием сопряженных подсистем, лимитирующим функциональные возможности системы в целом, в соответствии с Правилом ограничения факторов.
Процесс оценки взаимовлияния природно-антропогенных факторов в настоящее время является мало изученным. Кроме того, в зависимости от величины одни и те же параметры при интерференции природных факторов и антропогенных воздействий могут изменять знак в системе обратных связей. Однако указанные нелинейные синергетические эффекты требуют дальнейшего специального изучения.
При рассмотрении результатов влияния химических веществ или физических факторов (в основном ЭМП) на биологические (экологические) системы выявлено существование ряда закономерностей: полимодальных дозовых зависимостей, эффективности при уровнях воздействия ниже фоновых значений, синергетической модификации системы под действием (других) последующих воздействий, возможности наступления кризисных ситуаций в результате воздействия минимальных начальных флуктуаций.
Подобная схема, представленная дискретной на рисунке, но распределенная в границах УЭС, по существу является активной средой со значительным количеством прямых и обратных связей, при этом существенно нелинейной, и может быть описана соответствующей системой уравнений.
Базовые критерии устойчивости урбоэкосистем
Существующие критериальные подходы к оценке экологической обстановки носят общий линейный характер, что не позволяет проводить системный анализ, учитывающий приоритетность антропогенного воздействия в формировании необратимых системных процессов и отклик природной подсистемы.
На основе рассмотренной Схемы были разработаны критерии устойчивости УЭС (табл. 1), отражающие основные системные процессы. Эти критерии являются базовыми, ввиду малой изученности проблемы взаимовлияния природно-антропогенных процессов в границах УЭС.
Критерии характеризуют возможность:
- оценки величины антропогенного и обратного (положительного и отрицательного) природного воздействий на систему;
- обозначать наиболее характерные свойства природно-антропогенных факторов и их оптимальные значения, исходя из реальных и нормативных величин, отклонение от которых говорит о выходе процессов из режима устойчивости;
- получения безразмерных количественных величин.
Таблица 1
Критерии устойчивости УЭС
Критерии природного воздействия Критерии антропогенного воздействия
критерий репродуктивной способности системы:
kр.сп.эс= , kр.сп.эс1,
где V(m)потребл - фактическое потребление, массы, объема за год, основных элементов природной среды экосистемы, т/год, м3/год, л/год; V(m)репродуктл - репродуктивное количество основных элементов природной среды экосистемы, т/год, м3/год, л/год. критерий воздействия ЭМИ:
kэми= , kэми1,
где Пг – поток мощности, поглощаемой почво-грунтами, Вт/м2; Ппду. – предельно допустимая норма излучаемого потока мощности, Вт/м2.
критерий эффективности биомассы:
kэ.б.м.= , kэ.б.мэ1,
где - отношение плотностей зоомассы к фитомассе данной экосистемы, кг/м2, т/км2.
критерий скорости коррозии подземных сооружений:
kк.п.с.= , kк.п.с. 1,
где Vкоррозии(факт) – фактическая скорость коррозии подземных сооружений, см/год, м/год, см2/год, м2/год; Vкоррозии(теор) –теоретически возможная, не вызывающая необратимых процессов скорость коррозии подземных сооружений, см/год, м/год, см2/год, м2/год.
критерий эффективности природного каркаса:
kэ.пр.к.= , k э.пр.к.1.62,
где Sзаст – застроенная площадь, км2; Sпр.к. – площадь природного каркаса, км2.
k э.пр.к.1.62 в соответствии с правилом «Золотого сечения». критерий динамических (механических)нагрузок:
kд.н.= , kд.н.1,
где Vфакт. - величина фактической вибро-, акустической нагрузки, м/с, Гц; Vтео) - величина теоретически возможной вибро-, акустической нагрузки, (м/с, Гц).
критерий скорости коррозии грунтов
kк.гр.= kк.гр.1.
где vфакт. - фактическая скорость коррозии грунтов, м2/год, км2/год; vтеор. - теоретической скоростей коррозии грунтов, м2/год, км2/год. критерий оседания литосферы:
kо.в.г= = , kо.в.с. 1,
где аэ - коэффициент сжимаемости породы; m – коэффициент мощности сжимаемых пород; Рфакт. - фактическая плотность давления на грунт, кг/м2; Ртеор - теоретически возможная плотности давления на грунт, не вызывающая необратимых изменений в верхней части литосферы, кг/м2.
критерий удельного электрического сопротивления грунта
kρ= ; kρ>1,
где ρгр – удельное электрического сопротивление грунта, определяемое его физико-химическими свойствами, Омм; ρпду – минимальный предельно допустимый уровень удельного электрического сопротивления грунта, способный поддерживать ингибиторный процесс, Омм. критерий тепловой нагрузки:
kт.н.= , kт.н .1,
где tфакт. – фактическая температура среды, оС; tтеор – теоретически допустимая температура среды, не вызывающая необратимых процессов в ЭС, оС.
критерий скорости карстового процесса
kкар.= , kкар1,
где Vфакт. - фактическая скорость карстового процесса, м2/год, км2/год; Vфакт. - теоретическая (предельно допустимая для данной территории) скорость карстового процесса, м2/год, км2/год. критерий уровня подземных вод:
kу.п.в(а).= , kу.п.в(а). ≥1
kу.п.(б)в = , kу.п.(б)в1,
где hп.в.(факт.) – фактический уровень подземных вод, м; hп.в.(теор.) – теоретически допустимый уровень подземных вод, не вызывающий необратимых системных процессов, м.
критерий химического загрязнения
kз.в.= , kз.в1,
где Сфакт. - концентрация загрязняющих веществ в среде, мг/м3, мг/л, мг/кг; Сфакт - пороговое значение концентрации загрязняющих веществ в среде, мг/м3, мг/л, мг/кг.
Математическая модель устойчивости урбоэкосистем
УЭС, обладая характерными особенностями, тем не менее, подчиняется общим законам активных сред [6]:
- это макроструктура, состоящая из сопряженных природно-антропогенных подсистем (возбудимых элементов);
- наличие распределенного источника воздействия, обусловленного когерентным взаимодействием подсистем;
- нелинейное взаимодействие прямых и обратных связей сопряженных подсистем;
- управляющими системными параметрами являются параметры подсистемных процессов, формирующие амплитуду автоволн, скорость распространения, длина и форма которых не зависят от начальных и граничных условий и постоянны;
- скорость распространения ингибитора (природные процессы) намного меньше скорости распространения активатора (антропогенные процессы).
В качестве адекватной математической модели использована система уравнений возбудимой среды Фитц-Хью-Нагумо, адаптированная нами для природно-антропогенных процессов:
, (1)
где U – функция активатора автоволнового процесса (в качестве активатора используются антропогенные процессы);
U=U1 и U= U3 – устойчивые состояния функции;
U2 – порог возбуждения активатора, U1=0, U2=α, U3=1, 0<α<0.25; порог возбуждения активатора (α) одновременно является порогом возбуждения природно-антропогенной системы, поскольку именно антропогенные процессы (активатор) формируют системную устойчивость
W – функция ингибитора автоволнового процесса (в качестве ингибитора используются природные процессы);
γ – константа антропогенного воздействия, γ>0:
γ=К∙10-3; (2)
где К – критерии устойчивости (табл. 1);
β – константа природного воздействия, β>0, β<<γ (законы активных сред):
β=К∙10-3. (3)
Решениями уравнения (1) для однородной среды (при D→∞), сведенной к точечной являются:
D<0 при (1+α)2<4(α+β/γ) – единственное решение, что соответствует устойчивому (автоволновому) режиму;
D=0 при (1+α)2=4(α+β/γ) – два решения уравнения, что соответствует точке бифуркации;
D>0 при (1+α)2>4(α+β/γ) – три решения уравнения, что соответствует неустойчивому (бистбильному) режиму.
Если скорость распространения волны возбуждения положительна, то, благодаря кооперативному поведению прямых и обратных связей, режим функционирования УЭС определяется как устойчивый. Если скорость отрицательна – процесс автоволновой самоорганизации отсутствует, ввиду подавляющего воздействия ингибиторного процесса и режим функционирования определяется также как устойчивый, что соответствует городским поселениям с населением до 10000 человек. В случае двух стационарных решений (первое (0,0) - устойчивый узел, второе – неустойчивый узел), под воздействием значительного антропогенного фактора система входит в бистабильное состояние. Чем выше разница между величиной воздействия активатора и ингибитора, тем более неустойчива система, ввиду нарушения одного из основных принципов самоорганизации – несоразмерности прямых и обратных петель. Это режим функционирования определяется как неустойчивый.
В предложенных границах управляющих параметров и порога возбуждения системы, получены значения активатора, при которых экосистема способна находиться в автоволновом режиме (табл. 2).
Таблица 2
Динамика решений уравнения активной возбудимой среды в зависимости от управляющих параметров и порога возбуждения УЭС
Режим
функционирования
УЭС Значение порога возбуждения системы и управляющих параметров
α β/γ α β/γ α β/γ α β/γ α β/γ
Автоволновой 0,05 >0,23 0,1 >0,2 0.15 >0.18 0,2 >0,16 0.25 >0,14
Точка бифуркации 0,05 0,23 0,1 0,2 0.15 0.18 0,2 0,16 0.25 0,14
Бистабильный
0,05 <0,23 0,1 <0,2 0.15 <0.18 0,2 <0,16 0.25 <0,14
Анализ данных таблицы показывает, что чем ниже порог возбуждения системы, тем больше должно быть отношение управляющих параметров (природного к антропогенному) для сохранения системой устойчивого режима. При величине антропогенного воздействия выше порогового система может войти в неустойчивое состояние бистабильности, что чревато ростом необратимых процессов и, как следствие, разрушением УЭС.
Общий методологический подход к оценке устойчивости урбоэкосистем
Разработанный методологический подход представляет собой совокупность этапов, отражающих взаимовлияние сопряженных физико-химических природно-антропогенных процессов, характерных для УЭС, на базе теории автоволновой самоорганизации, и состоит из 3-х основных этапов (рис.2). На 1-2 этапах формируется блок исходных данных. На 3-м этапе, в соответствии с исходными данными, с помощью компьютерных модели и программы рассчитывается режим функционирования УЭС (рис.3,4):
1. Определение, согласно данным экомониторинга, величины воздействия загрязняющего антропогенного фактора (фактической и нормируемой) и природного фактора (фактической и нормируемой) - обратная отрицательная связь.
2. Расчет критериев устойчивости и управляющих параметров, выбор значения порога возбуждения УЭС в зависимости от численности населения (табл. 3).
Таблица 3
Зависимость порога возбуждения УЭС от численности населения
Численность населения, млн. человек Порог возбуждения УЭС (α)
Более 5 0,05-0.1
5-1 0,1-0,15
1-0,1 0,15-0.2
0,1-0,01 0,2-0,25
3. Оценка устойчивости УЭС в зависимости от управляющих параметров и порога возбуждения системы .
Рис. 2. Обобщенный алгоритм оценки устойчивости УЭС
Рис. 3. Неустойчивый (бистабильный) режим
Рис. 4. Устойчивый (автоволновой) режим
Разработанные методологический подход, компьютерные модель и программа позволяют производить оценку устойчивости сопряженных УЭС в условиях воздействия различных антропогенных факторов на верхние слои литосферы, позволит расширить области экомониторинга, а также осуществлять прогноз возможных последствий антропогенного воздействия и, как следствие, обеспечить экологическую безопасность урбанизированных территорий.
Заключение
В работе обосновывается мировоззренческий переход от общепринятого в экологии антропоцентристского критерия медико-биологической безопасности человека в биосфере к критериям системной безопасности биосферы и опосредованно человека как ее критического звена.
Разработанный общий методологический подход позволяет не только оценить устойчивость УЭС, но и составить прогноз режима функционирования экосистемы в зависимости от уровня антропогенной нагрузки и условий планирования размещения промышленных, жилых объектов и размеров урбобиоценозов.
Авторы выражают глубокую признательность профессору В.А. Твердислову за полезное обсуждение материалов статьи.
<< Содержание номера
<< Архив
Дата последнего обновления: 18:58:40/24.02.24
|
|
 |
| |
|
| |
|
|
|
| |
|
|
|
| |
 |
ИАА "Информ-Экология" |
|
 |
| |
|
| |
|
|
| | |
| |
|
|
|
| |
|
Министерство природных ресурсов Российской Федерации |
|
|
| |
|
| |
|
|
| | |
| |
|
|
|
| |
|
Счётчик |
|
|
| |
|
| |
|
|
| | |
|
