Оценка экологической совместимости населенных мест и природной среды

Урбанизированные образования, как правило, представляют собой зависимые экосистемы, потребляющие природные ресурсы на значительных территориях. Чем больше город, тем значительней ареал его влияния, где возникают предпосылки нарушения экологического равновесия в природной среде. Один из путей решения экологического равновесия – определение экологической емкости (ЭЕТ) территории с существующей антропогенной нагрузкой (ЭЕТ – естественная способность претерпевать антропогенную нагрузку без существенного нарушения природного равновесия).

Основной показатель экологической совместимости населенных мест и природной среды - демографическая емкость территории (ДЕТ) – порог расчетного количества населения на единицу площади, увеличение которого возможно только при одновременном выполнении ряда экологических условий. ДЕТ определяют поэтапно, оценивая систему критериев.

Цель работы:рассчитать демографическую емкость территории.

Задание 1. Произвести расчет и анализ частных емкостей территории, для которой характерны следующие показатели: S = 600 км² ; t_н.о. = -20⁰С; Δs_лес = 0,25; S_раст. = 100 км2; Ктер1 = 0,4, Ктер2= 0,3, Ктер3=0,3; G_m=4м³/с; . Р_ж = 0,4 м³/чел. В сут ; k_расх = 1,8. 1 вариант для К_акт =1,5; 2 вариант для К_акт =2, 3 вариант для К_акт =2,5.

По полученным результатам N₁-N₄ заполнить таблицу 1. Произвести анализ частных емкостей территорий: выявит показатели с критической нагрузкой, на основании чего сделать вывод о наиболее уязвимых звеньях при планировании района. Отметить возможные пути увеличения ДЕТ по критическому показателю.

Таблица 1

Производственные показатели оценки допустимой емкости территории

Показатель хозяйственной активности, Какт	Частные значения допустимой емкости территории, тыс. чел.
N1	N2	N3	N4
1,5
2,0
2,5

Ход работы.

I этап. На пер­вом этапе выявляют значение исходных показателей.Эти показате­ли объединяют в четыре группы.

1. группа – территориальные показатели:

- общая площадь района (S);

- площадь урбанизированных территорий: всех населенных мест, от­дельно стоящих промышленных и коммунально-складских зон, внего­родских транспортных коммуникаций и объектов дорожного хозяйства (S_у);

- площадь урбанизированных территорий, выделяемая для новых поселений или расширения существу­ющих (S_у^r);

-площадь растительного покрова, но без лесов и пашенных земель, существующего (S_раст) и по проекту планировки (S ^r_раст);

-общая площадь территорий интенсивного сельскохозяйственного использования, существующая (S_СХ) и намечаемая для расширения сельскохозяйственной базы и пригородного садоводства (S_СХ^r);

2. группа – показатели, характеризующие гидросферу.

- кратность водообмена, которая зависит от скоростей течения. Они должны превышать 0,2 м/с;

- расходы воды, которые не должны быть меньше 5 м³/с;

- меженные расходы G_M в пригодных для водопотребления водоемах и водотоках на входе в изучаемый район, м /с.

3. группа – показатели, характеризующие свойства биосферы – растительных сообществ по ведущим факторам, лимитирующим экологическую устойчивость системы. Эти факторы включены в таблицу 2.

4.группа – показатели, характеризующие потребление природных ресурсов.

а). Уровень хозяйственной активности жителей населенных мест. Его выражают коэффициентом К_акт. При минимальной активности про­мышленно-хозяйственной деятельности К_акт = 1,5, при средней К_акт. = 2, а при высокой К_акт.= 2,5.

б). Структура потребляемых топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). В практике обычно используют: 1) электроэнергию; 2) жидкое топливо и природный газ; 3) твердое топливо, уголь, сланец и т.д. Суммарную величину ТЭР определяют как сумму долей используемых видов в общем балансе энергоносителей и представляют в виде ТЭР =Ктер1+Ктер2+Ктер3 = 1.

Таблица 2

Ведущие факторы растительных сообществ, лимитирующие экологическую устойчивость системы

Расти-тельные сооб-щества	Минимально допустимая доля	Среднегодовой радиационный баланс R, ккал/см2 в год	Интенсивность газообмена, т/га в год	Продукция массы сухого вещества С, т/га в год
лесистости ΔSлес, %	особо охра-няемых зон ΔSохр, %	q (CO2)	q (O2)
Природные
Лесотундра	-		10-20	1,6	1,2	0,1
Северная и южная тайга			20-30	5,0	3,8	3,0
Южная тайга			30-35	7,6	6,0	4,8
Смешан-ные леса			35-40	9,0	6,7	5,7
Широко-лиственные леса			35-40	14,5	10,2	9,0
Лесостепи			40-45	6,5	5,0	4,0
Степи			45-50	4,5	3,3	3,0
Полупус-тыни	-		45-55	1,0	0,75	0,7
Антропогенные (в условиях смешанных и широколиственных лесов средней полосы)
Сельхоз-угодья	-	-	-	4,8-7,2	3,5-5,4	3-4,5
Парки и лесопарки	-	-	-	6,3-8,2	4,7-6,2	0,7
Озеленен-ное населенное место	-	-	-	1,0-1,3	0,8-1,0	0,6-0,8

в). Расход воды на жилищно-коммунальные и промышленные нужды. Его определяют по планируемой норме водопотребления на одного жителя. Если в структуре промышленности нет водоемких производств, то промышленные расходы воды учитывают, вводя коэффициент К_вод. По статическим данным его можно принимать порядка К_вод= 1,7.

II этап. На втором этапе определяют производственные показатели,необходимые для обоснования экологической емкости территории.

1. Частную емкость территории по расходу энергии (E₁) определяют, исходя из того, что критерием является безопасный максимум исполь­зования энергии у поверхности земли. Тогда емкость тут/год рассчи­тывают по формуле

E₁ = 4,29 RS,

где 4,29 — коэффициент пересчета величины 0,003 ккал/см²/год в тут/км² в год; R — среднегодовой радиационный баланс территории, ккал/см² в год; 5 — площадь территории исследуемого района, км². Исходя из этого частная демографическая емкость территории, вычисленная по возможностям потребления энергии (емкости E₁), будет равна:

N₁ = E₁/ К_акт·Эуд,

где N₁ – допустимое количество жителей района, чел., при разном значении коэффициента К_акт, Эуд – нормативная величина удельного годового энергопотребления одним жителем на жилищно-коммунальные нужды в различных климатических условиях, тут./чел год. Эту величину рассчитывают по формуле

Эуд = 0,65 – 0,02 (tн.о. + 5),

где tн.о. – расчетная температура наружного воздуха, которую принимают в расчете отопления зданий в пределах tн.о.<-5⁰С как среднюю температуру наиболее холодной пятидневки.

2. Частную емкость территории по условиям эмиссии углекислого газа в атмосферу (E₂) определяют с учетом ассимиляционной способности растительного покрова района. При расчете учитывают, что растительные сообщества не однородны. Поэтому данные, приведенные в графе 5 табл.2, кор­ректируют поправочными коэффициентами.

Е₂ = 0,07(S·ΔSлес·α + Sраст·ρ) q(CO₂)100, т(CO₂)/год

где S — площадь территории района, км²; ΔSлес — показатель лесистости, доли единицы; 5_раст — площадь растительного покрова без лесов и пашен, км²; q(CO₂)— интенсивность газообмена — ассимиля­ции углекислого газа растительным сообществом, т/год, принимается по табл. 2; α — поправочный коэффициент к показателю лесистости, принимаемый по табл. 3; ρ — то же, к показателю площади расти­тельного покрова, принимаемый по той же таблице.

Таблица 3

Тип растительного сообщества	Значения поправочных коэффициентов
α	ρ
Смешанные, широколиственные и таежные леса	1,3	0,85
Лесостепи и степная зоны	1,4	0,9

Исходя из полученной величины Е₂ определяют частное ДЕТ по условию эмиссии углекислого газа. Демографическая нагрузка будет равна:

N₂ = Е₂ / К_акт·Эуд (1,2·k_тэр2 + 3,3·k_тэр3 )+0,32,

где N₂ — допустимое количество жителей по второму условию, чел.; k_тэр2— относительная величина использования второго вида ТЭР в топливно-энергетическом балансе территории; k_тэр3— то же, третьего вида; 1 ,2 и 3,3 — коэффициенты, которыми учитывают выделяемый СО₂ при сжигании 1 тут второго и третьего видов; 0,32 — среднее ко­личество углекислого газа, выделяемого в процессе жизнедеятельности человека, т(СО₂)/чел. в год.

3. Частную емкость территории по условию воспроизводства кис­лорода атмосферой (E₃) опреде ляют, учитывая нормы его изъятия.

E₃ = 0,12 · q(O₂) (S·ΔSлес·α + Sраст·ρ) ·100, т(O₂)/год,

где q(О₂)— интенсивность газообмена — воспроизводства кислорода растительным сообществом, т/год, принимаемая по табл.1 .

Тогда частную допустимую нагрузку или ДЕТ по расходу кислорода определяют по формуле:

N₃ = Е₃ / 2,5К_акт·Эуд (1 - k_тэр1 )+0,29,

где N₃— допустимое количество жителей района по условиям воспро­изводства кислорода, чел.; 2,5 — коэффициент, которым учитывают изъятие кислорода стационарными и мобильными объектами, включая транспорт, при сжигании органического топлива разного состава, т/тут; k_тэр1— потребляемое количество электроэнергии в структуре топливно-энергетического баланса территории, доли единицы; 0,29 — среднее количество кислорода, поглощаемое человеком в про­цессе жизнедеятельности, т/чел, в год.

4. Частную емкость территории, м³/сут, по наличию ресурсов по­верхностных вод (E₄) определяют по формуле:

E₄ = К_вод·Gm·86400,

где G_M — меженный расход воды в пригодных для водозабора водо­емах и водотоках, м/с; К_вод — предел экологически безопасного изъя­тия воды всеми пользователями. Оптимальное значение К_вод = 0,1.

Частная ДЕТ по расходу воды на жилищно-коммунальные нужды проверяется по формуле:

N₄ = Е₄ / Рж·К_акт· k_расх,

где N₄ — допустимая численность населения по условиям обеспечения водой бытовых, коммунальных и производственных нужд, чел.; Р_ж — планируемая норма среднесуточного водопотребления с учетом коммунально-бытовых нужд. Эта норма принимается в пределах 0,35 < < Р_ж < 0,5, м³/чел. в сут; k_расх — повышающий коэффициент, которым учитывают характер водопотребления. При отсутствии таких водоемких производств, как обогащение
полезных ископаемых, металлургия, электроэнергетика, целлюлоз­
но-бумажное и др., а также орошаемых земель, на основании стати­
стических данных повышающий коэффициент принимают в пределах
1,7 < k_расх < 1,9.

Задание 2. Произвести оценку условий совместимости антропогенной и природной подсистем, для района площадью (S) равной 900 км², Sу=90 км², Sсх=30 км², S^r_у = 10 км², S^r_сх = 20 км², Sраст=100 км², N_g = 150 чел./км².

Первое условие – соотношение территорий хозяйственного использования и охраняемых. Критерием выполнения этого условия является соотношение:

ΔSохр > (1 – Sхоз/S)100,

где ΔSохр - доля особо охраняемых зон естественной природы, опре­деляемая по табл. 1 в зависимости от вида растительного сообщест­ва; S — общая площадь рассматриваемого района, км²; S_ХОЗ — площадь террито­рий интенсивного хозяйственного использования, км². Территория S_ХОЗ включает земли, занятые существующими и проектными урбо- и агроценозами. Эту величину представляют:

S_ХОЗ = (Sу + Sсх) + (S^r_у + S^r_сх)

Второе условие – плотность населения – связанное с суммарным энергопотреблением.

Р_н.э. = N_g (1 – k_тэр1 ) S,

где N_g – допустимая численность населения, чел./км², k_тэр1 – доля использования электроэнергии в ТЭР, произведенной вне территории.

Третье условие – способность биосферы к воспроизводству ресурсов – устанавливают степень репродуктивности биотической составляющей системы.

Ир = П^г / П_э,

где П^г – ожидаемая биопродуктивность по проекту, П_э – то же, эталонная для данного природного сообщества.

Эталонную биопродуктивность П_э, т/год, ориентировочно определяют по формуле:

П_э = 100 С (S·ΔSлес·α + Sраст·ρ),

где С — продукция массы сухого вещества, т/га в год, зависящая от вида растительного сообщества и принимаемая по табл. 1.

Ожидаемую биопродуктивность П^гт/год, проектируемой в первом приближении определяют по формуле:

П^г = 100 С k_{биопрод}[ρ (Sраст - S^r_у - S^r_сх) + S ∆ S_лес ] + 100 (С_у S^r_у + С_сх S^r_сх),

где С_у, С_сх – продукция массы сухого вещества, соответствующая урбо- и агроценозам, т/га в год, принимаемая по таблице 2; k_{биопрод} – коэффициент снижения биопродуктивности растительности, k_{биопрод} = 1, при благоприятном состоянии природной среды; 0,98, при слабом загрязнении; 0,9 при загрязненном состоянии; 0,8 при сильном загрязнении.

Значение индекса репродукции Ир > 1 указывает на сохранение оптимального воспроизводства биомассы. Такая ситуация способству­ет устойчивости развития урбосистем. Величина Ир <1 свидетельствует о нестабильности экологического состояния биогеоценоза БТС, поскольку условия воспроизводства бу­дут нарушены активным антропогенным вмешательством, предусмот­ренным проектом. В связи с этим необходимо сокращать хозяйствен­ную активность на территории.

Контрольные вопросы:

1. Пределы градостроительной емкости территории, полное, условное и относительное экологическое равновесие экосистемы.

2. Экологический каркас страны и региона, соотношение территорий разной степени экологического равновесия. Зоны хозяйственной активности, буферные и компенсационные.

3. Методы построения биоэкономических территориальных систем с выделением зон хозяйственной деятельности разных функций и интенсивности.

4. Стратегия урбоэкологического зонирования территорий планировочных районов по их демографической емкости. Создание природных каркасов.

5. Концепция устойчивого развития городов.