Введение к работе
Актуальность темы. Глобальным социально-экономическим процессом начала третьего тысячелетия можно смело назвать урбанизацию. Развитие городов – процесс объективный, сопровождающийся глубоким антропогенным изменением природы, заменой естественных экосистем – природно-техногенными системами, а для городов - урбосистемами. Управление урбосистемой города должно опираться на принципы планирования экологической градостроительной деятельности, на подходы экологического строительства, то есть, иными словами, следовать методологии Н.Ф.Реймерса об экологизации, в данном случае - экологизации градостроительного планирования.
Необходимость экологизации градостроительного планирования приобретает особое значение для крупных населенных пунктов с многомиллионным населением и развитой промышленностью. Тем более, если эти населенные пункты и особенно мегаполисы, такие как Москва, расположены в северных областях со сложной климатической обстановкой с длительным зимним периодом. Развитие и функционирование крупного северного города неизбежно приводит к необходимости удаления снега и борьбы с обледенением дорог. Для северных мегаполисов характерен значительный объем применяемых противогололедных реагентов и разнообразие поступающих с ними химических элементов, что приводит к существенным изменениям химического состава городских биотопов, вызывает изменение и деградацию видового состава обитающих в них сообществ организмов (городских биоценозов). Применительно к Московскому региону особенно опасным в этой связи является загрязнение открытой водной системы реки Москвы и прилегающего Окского бассейна.
Правильный выбор комплексных методов защиты окружающей среды, осуществление строительства на экологических принципах и обеспечение экологической чистоты, в частности, водных систем мегаполиса, является актуальной задачей для всего мирового сообщества и, в особенности, для стран, расположенных в северных широтах земного шара.
Необходимость обеспечения требований охраны окружающей среды в части экологической безопасности жилищно-коммунальных услуг определены государственным стандартом РФ (ГОСТ Р 51617-2000). В этой связи в настоящее время представляется весьма актуальной задача разработки теоретических и практических основ инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период и ее реализация в масштабах такого крупного города как столица России – г. Москва.
Объектом исследований в диссертационной работе является природно-техногенная система (урбосистема) крупного мегаполиса и ее важнейшая геоэкологическая составляющая - водная система, а именно, водная система Московского региона. Предмет исследования – комплекс методов инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период.
Цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое обоснование и разработка методов эффективной инженерной защиты водной системы мегаполиса в зимний период для обеспечения её экологической безопасности на базе принципов экологического строительства и охраны природно-техногенной среды.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- выявить закономерности формирования природно-техногенной системы (ПТС) мегаполиса и основные геоэкологические факторы, влияющие на её гомеостаз;
- обосновать возможности применения принципов экологизации строительной деятельности, градостроительного экологического планирования и управляющих действий человека в поддержании гомеостаза ПТС мегаполиса;
- обследовать экологическое состояние гидросферы мегаполиса с использованием физико-химических и микробиологических методов;
- на основе анализа статистических данных провести оценку объемов и периодичности выпадения снега и рекомендовать номенклатуру эффективных противогололедных реагентов для применения на дорожных покрытиях мегаполиса в зимний период;
- разработать физико-математические модели процессов дробления и плавления снежно-ледяных масс города и на их основе дать практические рекомендации по реализации научно-обоснованных конструктивно-технологических решений при проектировании городских объектов утилизации снежно-ледяных масс перед сбросом их в водную систему региона;
- разработать для непосредственного использования комплексную систему мероприятий и рекомендации по строительному обустройству и конструктивным решениям охраны гидросферы мегаполиса от антропогенных нагрузок в зимний период.
Методика выполнения исследований:
- теоретическое обобщение и анализ процесса формирования урбосистем мегаполисов с выявлением главных особенностей их функционирования в сложных географо-климатических условиях (в северных широтах и в зимний период);
- анализ эколого-градостроительных особенностей формирования урбосистем;
- обобщение и анализ геоэкологических и экологических особенностей гидросферы мегаполиса;
- физико-математическое моделирование процессов дробления и плавления загрязненных снежно-ледяных масс для разработки практических рекомендаций по решению конструктивно-технологических вопросов проектирования сооружений по утилизации снега;
- разработка оптимальных требований к применяемым в условиях мегаполиса противогололедным реагентам и их композициям, исходя из определенного баланса реагентов, экологической емкости территории и стоимостных показателей;
- внедрение комплекса мероприятий по утилизации снега и применению противогололедных реагентов и проверка их технико-экономической эффективности в условиях функционирования мегаполиса.
Методологической основой работы явились современная теоретическая база общей и инженерной экологии, геоэкологии, фундаментальные работы отечественных и зарубежных ученых по проблемам экологии и геоэкологии Реймерса Н.Ф, Моисеева Н.Н., Осипова К.А., Осипова В.И., Кононовича Ю.В., Минина А.А., Потапова А.Д., Пупырева Е.И., Теличенко В.И., Соколовского В.В., Яншина А.Л., Броека Д., Карслоу Г., Егера Д. и др.
Достижение поставленной цели и достоверность полученных, в том числе лично автором, результатов теоретических исследований основываются на базе использования математических методов; на сборе, обобщении и анализе, с использованием современных информационных технологий, обширных статистических данных по функционированию устройств обработки и утилизации снежно-ледяных масс, как объектов антропогенного воздействия на водную систему города; на непосредственном участии автора в производственных экспериментах и во внедрении разработанной методологии в практику эколого-градостроительной деятельности в Москве.
Научная новизна работы определяется системным подходом к решению крупной научно-технической проблемы – разработке теоретических принципов и практических мер обеспечения инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период и заключается в следующем:
1. Впервые объективно изучены антропогенные воздействия на водную систему мегаполиса в зимний период и обоснованы меры по ее защите. Для этого был предложен новый подход, заключающийся в рассмотрении мегаполиса, как развивающейся формы урбанизации с определением геоэкологических факторов обеспечения гомеостаза урбосистемы и обоснованием необходимости экологического градостроительного планирования мегаполиса.
2. Впервые системно организованы и обоснованы знания о характеристиках городских снежно-ледяных масс как на основе анализа статистических и экспериментальных данных, так и на основе оригинальных физико-математических моделей.
3. Предложена новая методика расчета теплофизических характеристик снегоплавильных камер для плавления загрязненной снежно-ледяной массы.
4. Определены закономерности возникновения зимней скользкости на городских дорогах и предложены новые направления использования противогололедных реагентов, базирующиеся на ограничении отрицательных воздействий на природную среду города.
5. Впервые научно обоснованы рекомендации по созданию комплексной сезонной инженерной защиты водной системы города.
Практическая ценность работы.
Результаты работы представляют собой теоретическую основу принятия эколого-градостроительных решений при создании эффективных комплексных инженерных систем снегоудаления и утилизации снежно-ледяных масс крупных городов и мегаполисов в целях обеспечения их экологической безопасности.
При непосредственном участии автора была разработана стратегия сезонной инженерной защиты водной системы города и успешно внедрен комплекс мероприятий по снижению антропогенных воздействий на водную систему Московского региона, нашедший свое отражение в реализуемой Генеральной схеме снегоудаления в г. Москве. Разработанные принципы инженерной защиты водной системы и предложения по конструктивным решениям снегосплавных пунктов используются в других городах России - г. Санкт-Петербург, г.Уфа.
Материалы, полученные в диссертации, также вошли в учебное пособие «Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период» для студентов строительных ВУЗов.
Основные защищаемые положения:
- теоретическое обоснование закономерностей формирования природно-техногенной системы мегаполиса и необходимости инженерно-экологической защиты его водной системы при обработке и утилизации городских снежно-ледяных масс;
- теоретическое обоснование подходов к градостроительному планированию на принципах экологического строительства и природоохранной деятельности;
- теоретическое обоснование закономерностей процессов плавления загрязненных снежно-ледяных масс на базе созданных физико-математических моделей;
- методика расчета теплофизических характеристик снегоплавильных камер для плавления загрязненной снежно-ледяной массы;
- теоретическое и экспериментальное обоснование оптимального выбора номенклатуры противогололедных реагентов по экологическим и технико-экономическим показателям;
- конструктивно-технологические, строительные и организационные решения по переработке загрязненных городских снежно-ледяных масс, как управляющие действия по поддержанию гомеостаза ПТС мегаполиса;
- обоснование комплексного подхода к улучшению экологической ситуации мегаполиса при снегоудалении в целях защиты его важнейшей жизнеобеспечивающей геосферной оболочки - водной системы.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований, изложенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на 3-ем Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2003; на 6-м Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2004", М.: 2004; на 4-ом Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2005; на 7-м Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2006", М.: 2006; на 5-ом Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК-2007, М.: 2007
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликованы 30 научных работ, в том числе 19 статей в научно-технических журналах и сборниках научных трудов, 5 докладов на международных научно-технических конгрессах, монография «Зимняя уборка магистралей города», М.: 2002, учебное пособие «Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период», М.: 2004, монография «Коммунальная экология. Энциклопедический справочник», М.: 2007. Получено 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, и списка использованной литературы. Работа изложена на 296 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы включает 238 источников, из них 193 отечественных и 45 иностранных авторов.
