Теория и методы оценки геоэкологической безопасност и создаваемых природ но-технических систем

На правах рукописи

ГРАФКИНА Марина Владимировна ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТ И СОЗДАВАЕМЫХ ПРИРОД НО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Специальность: 25.00.36 – Геоэкология (технические наук

и)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2008 2 Диссертация выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном техническом университете «МАМИ»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Потапов Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Круподеров Владимир Степанович доктор технических наук, профессор Чертес Константин Львович доктор технических наук, старший научный сотрудник Калиберда Инна Васильевна Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится ноября 2008 года в часов на заседании диссертационного совета Д 202.138.07 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, в зале заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Потапов А.Д.

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Природно-техногенные системы все более активно замещают природную среду. Особенно велика доля в изменении природных ландшафтов строительных систем (СС). В ходе эволюции человека строительство (создание защищенного от воздействия окружающей среды и комфортного мес тообитания) являлось важнейшим способом защиты от изменяющихся условий природной среды. Однако неуклонный рос т численности народонаселения и научно-технический прогресс превратили этот способ защиты человека от сил природы в мощное оружие, направленное против природы, вызывающее последствия, сравнимые с последствиями экзогенных геологических процессов и, в конечном итоге, изменяющее качество окружающей среды (ОС). Масштаб этого воздействия локализован преимущественно в пределах городских и промышленных территорий, занимающих около 2% всей площади РФ, но эти территории являются местом постоянного проживания более 70% российского населения. Сохранение жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек в условиях растущего противоречия между потребностью общества в комфортной среде обитания, разнообразной продукции и услугах и ограниченными возможностями Земли по представлению этих ресурсов и поглощению негативных результатов антропогенной деятельности является важнейшей задачей современности в условиях перехода общес тва к устойчивому развитию. Гармонизация хозяйственной деятельности человека и биосферы возможна только в результате научно обоснованных технических, экономических и социальных компромиссов в процессе природопользования, в том числе и на этапе создания природно технических систем (ПТС). Основными критериями экологической эффективности таких решений являются снижение темпов разрушения и истощения абиотических ресурсов и минимизация негативного воздействия на геосферы.

Проблема гармонизации признана мировым сообществом и нашла отражение в соглашениях, подписанных в Рио-де-Жанейро (1992 г.), а также в правовых актах Российской Федерации, в частности, в Указе Президента РФ «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» (1996 г.), Экологической доктрине РФ (2002 г.) и др.

Экологическая доктрина РФ определяет зависимость устойчивого развития страны и качества жизни и здоровья населения, а также национальной безопасности от сохранения природных ресурсов и поддержания соответс твующего качества ОС. Одним из основных принципов государственной политики в области экологии является «предотвращение негативных экологических последствий в результате хозяйс твенной деятельности и учет отдаленных экологических последствий».

Экологические концепции, приоритеты экологических требований менялись во времени, а соответственно менялись и критерии оценки техногенного воздействия. Основными экологическими концепциями являются: концепция контроля «в конце трубы», концепция «более чистого производства», концепция «проектирования для экологии», концепция «экосистемного комплексного подхода». Претворение в жизнь современных концепций «проектирования для экологии» и «экосистемного комплексного подхода» требует принятия всех технических решений с позиции полной экологической ответственности за геоэкологическую безопасность создаваемых ПТС. Основным недостатком традиционной системы экологического обоснования и выбора альтернативных вариантов при создании с троительных и других технических систем (СиТС) является запаздывание комплексного экологического анализа и оценки от процесса принятия основных технических решений. Наиболее эффективно проводить комплексную оценку геоэкологической безопасности ПТС на этапе разработки (особенно на ранних стадиях – концептуальная идея, инженерные изыскания, научно исследовательские работы и др.), т.к. при этом закладывается материальная база, обладающая огромным мультипликативным воздействием на жизнеобеспечивающие ресурсы Земли. Повышение геоэкологической безопасности ПТС может быть достигнуто за счет совершенствования теории и методов оценки конкурентных вариантов при создании СиТС. Оценка должна проводиться на основе анализа импликативных отношений функциональных и других технических характерис тик создаваемых систем и обусловленных ими экологических факторов негативного воздействия с использование час тных и комплексных геоэкологических критериев для оптимизации и обоснования решений по выбору конкурентоспособных вариантов, основным критерием при этом является минимизация негативного воздействия в жизненном цикле.

Такой подход позволит управлять показателями геоэкологической безопасности ПТС и снизить напряженность ряда экологических проблем еще до их возникновения.

Степень разработанности проблемы. Следует высоко оценить научные работы ряда авторов, направленные на повышение геоэкологической безопасности ПТС: по методологическому обеспечению – В. И. Осипова, И.И.

Мазура, О.И. Молдаванова, В.Н. Шишова, Н.Ф. Реймерса, Н. Н. Моисеева, В.Д.

Кальнера, В. И. Данилова-Данильяна и др.;

по реализации системного экологического анализа и управления экологической безопасностью в строительстве – В. И. Теличенко, М.Ю. Слесарева и др.;

по оценке геоэкологической безопасности при взаимодействии технических систем и природной среды – В.А. Грачева, В.В. Гутенева, В.М. Котлякова, А.Л. Ревзона, В. Н. Луканина, Ю.В. Трофименко, А.А. Быкова, В.М. Кириллова и др.;

в области геоэкологической безопасности строительства – А.Д. Потапова, Е.В.

Щербины, П. В. Коваля и др.;

по разработке концепции «проектирование для экологии» – В.Ф. Кутенева, В. А. Звонова, А. В. Козлова и др.;

по экологическому проектированию и экспертизе – К.Н. Дьяконова, А.В.

Дончевой и др.

Установлено, что геоэкологическая безопаснос ть СС зависит как о т показателей экологической безопасности и надежнос ти входящих в нее технических систем (ТС) и от условий их безопасного взаимодействия с геологической средой, так и от состояния природной среды и ее компенсационных возможностей, изменяющихся под воздейс твием строительства. Однако анализ данных отечес твенной и зарубежной литературы показал, что в нас тоящее время не полностью изучена проблема оценки геоэкологической безопасности на этапе создания ПТС. Поэтому весьма актуальным является разработка теории и методов оценки геоэкологической безопасности ПТС с целью оптимального выбора конкурентных вариантов на основе методологии системного экологического анализа создаваемых объектов.

Это имеет важное хозяйственное значение, так как позволяет решить проблему минимизации негативного воздействия на ОС и сохранение жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек при максимальном удовлетворении технических требований к проектируемым системам.

Внедрение такого подхода на ранних этапах разработки позволит превентивно оценивать геоэкологическую безопасность создаваемых ПТС, управлять показателями безопасности ПТС с учетом жизненного цикла и способствовать формированию экологической ответс твенности за принятие технических решений, что особенно актуально для реализации концепции устойчивого развития экономики страны.

Научной проблемой, рассматриваемой в работе, является поиск закономерностей, обеспечивающих минимизацию негативного воздействия на жизнеобеспечивающие ресурсы геосферных оболочек на ранних этапах разработки СиТС с учетом их жизненного цикла.

Объектами исследования являются строительные и другие технические системы как элементы ПТС.

Область исследования: теория и методы оценки геоэкологической безопасности создаваемых технических систем.

Цель диссертационной работы: разработка теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС, направленных на минимизацию техногенного воздействия в жизненном цикле, на основе выявления и анализа импликативных отношений технических и экологических показателей систем и ус тановления частных и комплексных геоэкологических критериев их оптимизации.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

1. Анализ и обобщение методов системного экологического анализа и оценки геоэкологической безопасности при создании ПТС.

2. Разработка теории, методологии и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых СиТС с учетом жизненного цикла на основе экоцентризма и позиций полной экологической ответственности за принятие технических решений.

3. Исследование СиТС как объектов системного экологического анализа, определение внешних и внутренних отношений создаваемых систем и выявление связи критериев внутреннего проектирования с уровнем техногенного воздействия при реализации их жизненного цикла.

4. Систематизация и выявление методов качественной и количественной оценки геоэкологической безопасности создаваемых систем.

5. Установление закономернос тей импликативных отношений экологических и технических показателей ТС и выявление частных и комплексных геоэкологических критериев оценки безопасности для оптимизации проектируемых ТС.

6. Апробация теории и методов оценки геоэкологической безопасности промышленных объектов на предпроектных с тадиях строительства.

7. Апробация теории и методов оценки геоэкологической безопасности при проектировании ТС с разработкой прикладного программного обеспечения для исследования и оценки импликативной связи технических и экологических показателей.

8. Определение научно-методологических подходов к управлению экологическим проектированием и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственнос ти за принятие проектных решений.

Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются: теория и методология системного анализа, теория и методы проектирования СиТС, теория и методы оптимизации при проектировании, методы оценки воздействия на ОС, теория и методы оценки риска, теория анализа опасностей на базе четких и нечетких множеств, методы экспертных оценок, научно-методологические основы экологического менеджмента и др.

Нормативно-информационную базу исследования составили законодательные нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, стандарты системы управления окружающей средой, отчеты о выполнении научно-исследовательских и изыскательских работ, периодические издания, книги, статьи отечес твенных и зарубежных авторов, диссертации, материалы научных конференций и др.

Научная новизна работы состоит в разработке теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС, которые направлены на минимизацию техногенного воздействия в жизненном цикле, что имеет важное хозяйственное значение. Методологией работы является системный экологический анализ иерархических уровней создаваемых систем, позволяющий ус тановить взаимосвязи показателей внутреннего проектирования с уровнем негативного воздействия на геосферные оболочки.

При этом:

1. Установлено, что на каждом этапе разработки СиТС закладывается определенный локально выраженный техногенный эффект i, влияющий на общий уровень геоэкологической безопасности ПТС, величина которого зависит от структурных, конструктивных и функциональных показателей создаваемых систем, и управление техническими характеристиками проектируемых систем позволит минимизировать их техногенное воздействие.

2. Выявлено, что геоэкологическая безопасность СС определяется внешними и внутренними системными связями и зависит от безопасности входящих в нее ТС. Одним из направлений повышения геоэкологической безопасности ПТС в с троительстве является управление показателями создаваемых ТС на основе анализа и оценки импликативных отношений критериев внутреннего проектирования с экологическими показателями, что позволит минимизировать техногенное воздействие при реализации их жизненного цикла.

3. Вскрыты закономерности импликативных отношений технических (функциональных, структурных и конструктивных) показателей проектируемых ТС с экологическими показателями при реализации их жизненного цикла, разработаны многофакторные регрессионные уравнения, которые могут быть использованы для оценки геоэкологической безопасности проектных вариантов.

4. Проведено обобщение и предложены методы качес твенной и количественной оценки геоэкологической безопасности ПТС на основе частных и комплексных геоэкологических критериев.

5. Разработан алгоритм и метод комплексной оценки геоэкологической безопасности ПТС в с троительстве на этапе инженерно экологических изысканий для оптимального выбора пунктов/площадок размещения промышленных объектов.

6. Разработан алгоритм исследования геоэкологической безопасности ТС и необходимое программное обеспечение оценки безопасности при параметрической оптимизации на ранних этапах проектирования.

7. Предложены научно-методологические подходы к управлению экологическим проектированием, изменению и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственнос ти за принятие проектных решений.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Предложены модели строительных и других технических систем для выявления взаимосвязи их функциональных, структурных, конструктивных и др. показателей с уровнем негативного воздействия в жизненном цикле.

2. Определены алгоритм, методы и набор критериев для оценки геоэкологической безопасности промышленных объектов на предпроектных стадиях строительства, апробированные при выборе оптимальных вариантов размещения Архангельской АТЭЦ и Петровской ГРЭС. Внедрение результатов работы подтверждено соответс твующими актами НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля и ООО «Тэпизыскания».

3. Выявлены показатели, характеризующие геоэкологическую безопасность конс трукционных материалов на с тадиях производства и рециклинга.

4. На основе регрессионных зависимостей экологических и технических показателей проектируемых ТС разработаны проверочные листы, которые позволяют корректировать проектные решения и управлять геоэкологической безопасностью ТС.

5. Разработаны рекомендации по экологическому сопровождению и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду в жизненном цикле ТС на этапе проектирования, внедренные в практику проектирования ФГУП «НИИАЭ».

6. Создана прикладная программа оценки геоэкологической безопасности проектируемых ТС, которая используется в учебном процессе подготовки специалистов (конструкторов, механиков и экологов) в МГТУ «МАМИ», с возможностью распространения в учебных процессах других вузов.

7. Разработана дисциплина «Основы экологического проектирования» для подготовки студентов по специальности 280202.65 «Инженерная защита окружающей среды» и опубликована монография «Экологическое проектирование продукции» для формирования стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственности за принятие технических решений у студентов как будущих участников хозяйс твенной деятельности.

Основные защищаемые положения.

1. Теория оценки геоэкологической безопасности, в основе которой лежит утверждение, что анализ логически установленных взаимосвязей на основе физических и математических моделей СиТС позволяет выявить возможности повышения геоэкологической безопасности ПТС на этапе разработки.

2. Основные правила методологии системного экологического исследования и анализа иерархических уровней ПТС, позволяющие установить взаимосвязи и оценить уровень геоэкологической безопасности на этапе разработки СиТС.

3. Алгоритм и методы оценки геоэкологической безопасности ПТС в строительстве по результатам инженерно-экологических изысканий.

4. Закономерности импликативных отношений экологических и технических показателей проектируемых ТС и система критериев оценки геоэкологической безопасности на основе многофакторных регрессионных уравнений с использованием структурных, конс труктивных и функциональных показателей проектируемых объектов.

5. Алгоритм и методы оценки геоэкологической безопасности проектируемых ТС, а также рекомендации, направленные на минимизацию негативного воздействия с учетом жизненного цикла.

6. Теоретическое обоснование и практическая реализация оценки геоэкологической безопасности промышленных объектов на предпроектных стадиях строительс тва по результатам инженерно-экологических изысканий и технических систем на этапе научно-исследовательских работ, на основе анализа импликативных отношений технических характеристик объектов с уровнем негативного воздействия при реализации жизненного цикла.

7. Научно-методологические подходы к управлению экологическим проектированием и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственности за принятие проектных решений.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Internet, 2007 г.), Всероссийской научно технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (образовательные технологии) (Internet, 2007 г.), Международной научно-методической конференции «Высшее профессиональное образование в современной России: перспективы, проблемы, решения» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2005 г.), Международном симпозиуме «Современное автотракторос троение и высшая школа России» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2005 г.), Международной конференции российской научной школы (Сочи, г.), Всероссийской научно-технической конференции (Тольятти, ТГУ, 2004 г.), Всероссийской научно- технической конференции (Москва, «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004 г.), и др.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печатных работах из них: одна монография, 12 с татей в изданиях, рекомендованных ВАК, свидетельс тво № 10729 о регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация объемом 338 страниц машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 311 наименований, и четырех приложений общим объемом 20 страниц. В ней содержится 49 рисунков и 28 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Гармонизация развития техники и природы возможна только в результате научно обоснованных компромиссов между хозяйственной деятельностью человека и проблемой сохранения природной средой. На сегодняшний день единственно приемлемый вариант прогрессивного движения человечества – это движение в «рамках устойчивого развития», развития, не разрушающего естес твенного биотического механизма саморегуляции природной среды. Поэтому при создании технических систем следует стремиться к минимизации техногенного воздействия на геосферные оболочки.

Применение теории и методов оценки геоэкологической безопасности ПТС особенно эффективно на этапе разработки СиТС, т.к. проектные решения имеют значительное мультипликативное влияние на поведение ТС и определяют потенциал их воздействия на ОС. Комплексный экологический анализ и оценка на этапе разработки (особенно на ранних с тадиях – концептуальная идея, инженерные изыскания и научно-исследовательские работы, структурный и параметрический синтез и др.) и целенаправленное воздействие на параметры проектируемых СиТС позволяют управлять факторами, влияющими на уровень техногенного воздействия, и поддерживать необходимую степень геоэкологической безопасности.

Эти принципы, как показывает анализ отечественных и зарубежных работ, лежат в основе современных интенсивных исследований по разработке научных подходов и математического моделирования, позволяющих проводить комплексный экологический анализ и интегральную оценку воздействий на ОС при управлении геоэкологической безопасностью в строительс тве и проектировании промышленных комплексов и ТС (агрегатов, механизмов, машин и др.).

Вопросы оценки геоэкологической безопасности ПТС довольно широко представлены в работах отечественных и зарубежных авторов – Б.Р. Алленби, А. А. Быкова, И.К. Верника, С.Г. Германа, Р.В. Голевой, В.А. Грачева, Т.Е.

Гридэла, В. В. Гутенева, А.В. Дончевой, К.Н. Дьяконова, В.А. Звонова, А. П.

Камышева, А.В. Козлова, В.М. Котлякова, Х. Кумамото, В.Ф. Кутенева, В. И.

Ларионова, В.Н. Луканина, И. И. Мазура, О.И. Молдаванова, В. В. Москвичева, Ц. Новака, В.И. Осипова, Р.А. Перелет, А.Д. Потапова, А.Л. Ревзона, Р.О.

Самсонова, Г.Е. Синякова В.Н., Г.С. Сергеева, М.Ю. Слесарева, В.И.

Теличенко, А.А. Тишкова, Ю. В. Трофименко, Р. Уильямса, Э.Дж. Хенли, Н. Н.

Хренова, М.А. Шахраньяна, Е. В. Щербины, В. Н. Шишова, Ю.И. Шокина, А.К.

Шрейбера и др.

В работах, посвященных управлению экологической безопасностью в строительстве (В. И. Теличенко, М.Ю. Слесарев.), рассмотрены проблемы классификации экстремальных экологических задач и методов их решения, моделирования факторов воздействия на ОС, критериев в системе управления экологической безопасностью строительс тва, интерпретации решений по критериям управления экологической безопасностью строительс тва.

Исследование оптимизационных задач экологического менеджмента показало, что для раз ных функций управления свойственны определенные классы задач экологической оптимизации, решаемые на эколого-математических моделях.

В работах А.Д. Потапова, Е. В. Щербины, П. В. Коваля и др. рассмотрены научно-методологические основы геоэкологической безопасности строительства и принципы взаимодейс твия СС и ОС и определены возможные негативные воздействия и ответные реакции, как среды, так и системы.

При проектировании промышленных комплексов, как следует из работ И. И. Мазура, О. И. Молдаванова, В.Н. Шишова и др., природоохранным объектом является природный ландшафт, представленный как производная экологического взаимодействия четырех геосфер: атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы. Математическая модель формирования антропогенного ландшафта предусматривает структурно-функциональные преобразования геосфер, которые приводят к разнохарактерным конечным результатам, позволяющим ставить и решать важные инженерно экологические задачи (определение допустимых смещений равновесия экосистемы, оптимизация природоохранных функций в рамках отдельной геосферы и ПТС и др.).

В работах В. А. Грачева, В.В. Гутенева, А. П. Камышева, В.М. Котлякова, А.Л. Ревзона и др. отражены теория, методология и методы геоэкологического анализа и показатели оценки состояния окружающей среды в зоне строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

При проектировании промышленно-транспортного комплекса (работы В. Н. Луканина, Ю.В. Трофименко и др.) рассматриваются принципы управления системой «автотранспортный комплекс – окружающая среда (АТК–ОС)» путем регулирования уровня взаимодейс твия энергетических установок с окружающей средой. Основой методологического подхода является анализ взаимосвязанных уровней системы АТК–ОС, которые характеризуются своими входными и выходными потоками. Использование аппарата математического моделирования процессов энерго- и массопреобразований в АТК–ОС позволяет решать оптимизационные задачи по обеспечению развития системы в пределах экологических допусков.

Отмечено пос тоянное совершенствование теории и методов оценки воздействия хозяйственной деятельности и ТС на состояние геосфер, что приводит к более тщательному выявлению всех единичных процессов и происходящих в них изменений потоков энерго- и массопереноса с целью минимизации потерь природных ресурсов и негативного влияния на ОС в жизненном цикле ТС. Такой подход предлагается в работах В.Ф. Кутенева, В. А. Звонова, А. В. Козлова для повышения экологической безопасности ТС (автомобиля) и предусматривает разработку функциональной модели в виде иерархии диаграмм, отражающих жизненный цикл ТС. Математическое моделирование входных и выходных потоков на любом иерархическом уровне строится на законе сохранения массы и энергии.

Вопросы экологического проектирования и экспертизы раскрываются наиболее полно в работе К.А. Дьяконова и А. В. Дончевой, где дается методическое и методологическое обобщение подходов к экологическому проектированию и оценке воздействия хозяйс твенной деятельности на ОС.

Однако рассмотренные подходы не отражают в полной мере теорию, методологию и методы оценки геоэкологической безопасности на этапе разработки ПТС, направленные на минимизацию негативного воздействия в жизненном цикле, на основе анализа импликативных отношений технических и экологических показателей создаваемых систем и выявления час тных и комплексных геоэкологических критериев их оптимизации.

Основное требование, которое предъявляется в настоящее время к ПТС, – это обеспечение безопасности жизнедеятельности человека, но при этом не в полной мере учитывается весь спектр возникающих негативных воздействий на ОС. В результате преобразования природной среды при реализации жизненного цикла СиТС изменяются абиотические факторы, влияющие как на биоту, так и на здоровье человека. Идеальным вариантом экологически безопасных СС является подобие естественным экосистемам, которые не являются закрытыми с татическими системами. Естес твенная экосистема – это «открытая система в квазиустойчивом состоянии: материалы и энергия непрерывно пос тупают в нее из окружающей среды и в окружающую среду уходят» (Л. фон Берталанфи, 1968), где «материя циркулирует, а энергия рассеивается» (Ю. Одум, 1953). На современном этапе развития основным механизмом, который способен обеспечить геоэкологическую безопасность ПТС, является комплексная система экологического управления, охватывающая все стадии Ж Ц СиТС и включающая в себя в т.ч. анализ и оценку экологической безопасности принимаемых проектных решений.

Комплексный анализ и оценка геоэкологической безопасности СиТС в ЖЦ на этапах, предшес твующих реализации проекта (концептуальная идея, комплекс инженерных изысканий, научно-исследовательские работы, проектирование и др.), и принятие сбалансированных решений позволят снизить напряженнос ть экологических проблем еще до их возникновения и в целом определяют безопасность последующего функционирования систем.

В процессе проектирования СС выделяются этапы внешнего проектирования, когда система рассматривается как часть более высокого иерархического уровня – ПТС, и этапы внутреннего проектирования, когда СС рассматривается как более высокий уровень для входящих в нее технических подсистем: зданий, сооружений, инженерных сетей, технологий, механизмов, агрегатов и др.

Автором предлагаются следующие основные положения теории экологической оценки СиТС на этапе разработки с учетом жизненного цикла.

1. Возможности повышения геоэкологической безопасности создаваемых ПТС выявляются на базе классификаций, разработанных на основе экоцентризма и логически установленных взаимоотношений СиТС и ОС с использованием теоретических и эмпирических положений из области математики, физики, техники, экологии, геоэкологии и других наук. При экоцентрическом подходе мир представляется не как совокупность изолированных элементов и объектов, а как сеть феноменов, которые фундаментально взаимосвязаны и взаимозависимы. Анализ и оценка логически установленных взаимосвязей на основе физических и математических моделей СиТС позволяют выявить варианты с минимальным негативным воздействием на ОС.

2. На каждом этапе разработки СиТС закладывается определенный локально выраженный техногенный эффект i, величина которого зависит от функциональных и других технических показателей создаваемых систем.

Варьирование и оценка параметров создаваемых технических систем позволяет изменить уровень воздействия на ОС в жизненном цикле.

3. Системные свойства и факторы негативного воздействия конкретного этапа жизненного цикла объекта возникают именно на этом конкретном уровне.

Исследование геоэкологической безопасности создаваемых СиТС в целом строится как выявление, анализ, обобщение и оценка взаимоотношений между системой на различных этапах ее жизненного цикла и ОС.

4. Управляющие действия человека с целью повышения геоэкологической безопасности ПТС принимаются на основе информации о состоянии природной среды и экологических показателей создаваемых СиТС, а также предвидения возможных изменений в их взаимосвязи и взаимоотношениях.

5. Физическая модель исследуемой ТС предс тавляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения, превращения и переноса энергии и материалов и балансе входных и выходных материальных и энергетических потоков.

6. Физическая модель исследуемой СС представляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения динамического равновесия и устойчивости с троительной и природной систем, а также законах, связанных с входными потоками, состоящих из ТС, материалов, энергии, которые формируют и выходные потоки.

7. Математическое моделирование и общая концепция описания поведения создаваемых систем – это теоретико-множественный подход (множество элементов A и множество отношений R между ними относительно выбранной цели исследования – минимизация техногенного воздействия в ЖЦ). В общем случае проектируемая система S представляет собой упорядоченную пару S=(A,R). Чтобы сделать эту зависимость практически полезной, ее следует уточнить и ввести определенные иерархические уровни упорядоченных пар (A,R), относящихся к решению задачи по снижению негативного воздействия на жизнеобеспечивающие геосферные оболочки и биоту. Уровни иерархии и упорядоченные пары вводятся с помощью одного из двух фундаментальных критериев различий:

а) выделение систем, базирующихся на определенных типах элементов (показатели технического уровня надежности, устойчивости и качества объекта, экологические показатели, экономические показатели и др.), требующих разных экспериментальных методов и средств для сбора данных – т.е. эта классификация имеет экспериментальную основу;

б) выделение систем, базирующихся на определенных типах отношений (взаимодействие системы, подсистем между собой и с окружающей средой в ЖЦ) – такая классификация связана непосредственно с обработкой данных, а не связана с их сбором, и основа ее преимущественно теоретическая.

При теоретическом экологическом анализе и оценке проектируемых СиТС возможны следующие допущения в выборе методов и данных: правила присвоения;

критерии предпочтения;

определение системы исследования (природно-технической, строительной, продукционной, технической, структурированной и др.) и границ исследования;

заключения и допущения, касающиеся данных, и др.

Методология, применяемая в данной работе, представляет собой подход, основанный на системном экологическом исследовании и экологическом анализе свойств различных иерархических уровней проектируемых систем с целью получения новой информации о взаимодейс твии показателей внешнего и внутреннего проектирования с уровнем негативного воздействия на геосферные оболочки в жизненном цикле.

Конечная цель системного экологического анализа и оценки, проводимых на этапе разработки СиТС, – это выбор из конкурентных вариантов систем с минимальным негативным воздействием на ОС.

Основные принципы и правила системного экологического исследования, анализа и оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС раскрыты автором для решения задач по минимизации негативного воздействия на ОС с учетом жизненного цикла СиТС (табл. 1).

Модель исследований геоэкологической безопасности СС в соответствии с методологией работы представлена на рис. 1.

Таблица Основные принципы системного анализа и оценки геоэкологической безопасности ПТС Основные Суть принципа принципы 1. Принцип Приоритет конечной цели – минимизация негативного воздействия конечной цели СиТС на ОС в полном жизненном цикле.

Основные правила:

- анализ следует вести на базе понимания, что любая СиТС взаимосвязана с ОС и ее конструктивные и функциональные показатели определяют эквивалент негативного воздействия в жизненном цикле;

- при структурном и параметрическом синтезе и выборе оптимального решения любой вариант должен оцениваться относительно конечной цели 2. Принцип Выделение модулей и рассмотрение создаваемых систем как модульного совокупности подсистем.

построения. Основные правила:

- для выявления взаимоотношений создаваемыми СиТС с ОС строятся подсистемы по этапам жизненного цикла, а для ТС еще и продукционные системы;

- для выявления технических показателей СиТС, управление которыми приведет к изменению воздействия на ОС и повышению экологической безопасности, строятся структурированные системы СиТС 3. Принцип Принцип строится на утверждении, что любой иерархический уровень функциональности структурированной системы связан с функциональным назначением создаваемой ТС, а любой иерархический уровень продукционной системы связан с функционированием входящих в них производственных систем Основное правило:

- процессы функционирования ТС связаны с формированием в ходных и выходных материальных и энергетических потоков. Техногенными эффектами являются потребление абиотических ресурсов, ингредиентные и параметрические (физические) воздействия на ОС 4. Принцип Введение иерархии подсистем и их ранжирование.

иерархии Основное правило:

- с позиций экоцентризма системой высшего иерархического уровня является природная среда 5. Принцип Рассмотрение любого объекта, в ходящего в ПТС, подразумевает связности проведение процедуры выявления связей между ним и системой более высокого иерархического уровня и, в конечном счете, с ОС.

Основное правило:

- декомпоз ицию создаваемых СиТС следует проводить до уровня, позволяющего осуществлять соответствующее математическое моделирование их связи с ОС 6. Принцип Совместное рассмотрение ПТС как единого целого и как совокупности единства частей.

Основное правило:

- ПТС представляется не как совокупность изолированных элементов и объектов, а как сеть фактов, которые фундаментально взаимосвязаны и взаимозависимы Рис. 1. М одель исследования геоэкологической безопасности СС Выбирая СС как базу для исследований, оценивая результаты по выбору концептуальной идеи, инженерных изысканий, структурного синтеза и других этапов ее жизненного цикла по степени воздействия на ОС при различных компоновочных вариантах, можем выявить оптимальное решение с минимальным негативным воздействием. Для этого необходимо на основе правил системного анализа провести дальнейшую декомпозицию проектируемой СС на отдельные элементы (подсистемы) до уровня, позволяющего проводить соответс твующее математическое моделирование их воздействия на ОС.

Задачи исследования и соответс твующие факторы негативного воздействия определяются для множества подсистем иерархического типа, взаимосвязанных с создаваемой СС. С каждой подсистемой из этого множества связано значение фактора негативного воздействия, определяющее общий уровень соответствия выбранной цели. Таким образом, концептуальная идея, результаты инженерных изысканий, планировочная структура, функциональная структура, техническая структура, а также входящие в СС ТС, реализация их жизненного цикла и осуществление их функций проецируются на поведение и функции СС в целом и, как следствие, определяют комплексное техногенное воздействие на ОС.

Системный экологический анализ и оценка всех подсистем, включая ТС, с учетом экологических ограничений создает наиболее полную гипотезу относительно экологического поведения СС в целом.

На рис. 2 представлена модель в виде иерархической структуры для оценки геоэкологической безопасности по результатам проведения инженерных изысканий (включая инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические). Анализ показывает, что в зависимости от решений, принимаемых на этом этапе, возможен переход площади, отведенной под с троительство (части С), из категории природных ландшафтов и ресурсов (П) в категорию ПТС.

Рис. 2. М одель оценки геоэкологической безопасности ПТС при проведении инженерных изысканий В работе предлагаются алгоритм и методы оценки геоэкологической безопасности ПТС по результатам инженерно-экологических изысканий для обоснования выбора оптимального варианта размещения промышленных объектов по геоэкологическим критериям. Алгоритм содержит оценку степени нарушеннос ти ландшафта (табл. 2), определение негативных факторов воздействия на окружающую среду, моделирование уровней негативного воздействия, установление детерминированных или качественных значений факторов воздействия и их весовых коэффициентов, определение час тных и комплексных геоэкологических критериев для оптимизации выбора конкурентных пунктов/площадок.

В табл. 2: Кн – коэффициент площадной нарушенности ландшафтов:

К н = S ПТС +С / S П, (1) где SПТС+С – площадь природно-технической системы с вновь вводимой площадью застройки, м ;

SП – площадь ес тественного ландшафта с естественным стабильным гомеостазом, м.

Таблица Система и критерии оценки состояния ПТС Решения Оценка состояния уязвимости Категория состояния П Естественный ландшафт Устойчивое динамическое равновесие с естественными стабильными взаимоотношениями (гомеостаз экосистем) ПТС+С 1.Степень нарушенности Состояние, при котором развитие природно ландшафта (Кн0,5) приводит к техногенных процессов приводит к возникновению высокого уровня нарушению динамического равновесия и вероятности нарушения способствует возникновению критических динамического равновесия ситуаций при эксплуатации ПТС 2.Степень нарушенности Состояние ПТС, при котором развитие ландшафта (0,3Кн 0, 5) приводитприродных и природно-техногенных к вероятности нарушения процессов приводит к нарушению динамического равновесия динамического равновесия и может способствовать возникновению критических ситуаций при эксплуатации 3.Степень нарушенности Состояние ПТС, при котором развитие ландшафта (Кн0,3) не приводит к природных и природно-техногенных нарушению динамического процессов не приводит к нарушению равновесия динамического равновесия Модель оценки геоэкологической безопасности СС на этапе проектирования представлена на рис. 3. Структурный и параметрический синтез и оптимизация подсистем СС, оценка промежуточных решений относительно конечной цели – минимизации негативного воздействия на ОС в жизненном цикле СС – позволит повысить геоэкологическую безопасность создаваемой ПТС.

Рис. 3. М одель оценки геоэкологической безопасности на этапе проектирования Рассмотрим подсистему, моделирующую отношения на этапе эксплуатации, где устойчивость СС и ее геоэкологическая безопасность определяются, прежде всего, оптимальными инженерными решениями при реализации строительного проекта (рис. 4).

Рис. 4. М одель оценки геоэкологической безопасности на этапе эксплуатации Анализ этой модели показывает, что геоэкологическая безопасность ПТС зависит от показателей состояния СиТС, уровня инженерной защиты, компенсационных возможностей природной среды, показателей состояния природной среды. Отсюда можно сделать вывод о том, что возможны два способа управления геоэкологической безопасностью ПТС:

геоинформационный (на основе анализа показателей состояния объектов природной среды и их компенсационных возможностей) и технический (на основе экологических показателей СиТС и уровня инженерной защиты).

Технический способ управления по предложению ряда авторов (В. А. Грачев, В. В. Гутенев, В.М. Котляков, А.Л. Ревзон и др.) предполагает регулирование режима функционирования системы в зависимости от характера и степени динамической природной составляющей, несущей способности оснований сооружений и состояния (надежности) технической составляющей.

Автор предлагает повысить эффективность технического способа управления геоэкологической безопасностью ПТС за счет анализа, оценки и управления технико-экологическими показателями ТС с целью минимизации негативного воздействия на ОС в жизненном цикле. Общая структура управления геоэкологической безопасностью ПТС в строительстве представлена на рис. 5.

Повышение геоэкологической безопасности ТС при их разработке связано с совершенствованием системы проектирования ТС за счет расширения круга задач, решаемых на разных стадиях проектирования. Принципы проектирования с учетом экологических аспектов, задачи комплексного проектирования и действия, связанные с интегрированием экологических аспектов, представлены в работе.

Рис. 5. М одель управления геоэкологической безопасностью ПТС в строительстве При системном исследовании, анализе и оценке проектируемых ТС и условий их функционирования определяются импликативные взаимосвязи между показателями назначения (прежде всего функциональными, структурными и конструктивными) и показателями входа и выхода на основных уровнях продукционной системы – производства, эксплуатации и переработки.

Под продукционной системой понимаем совокупность материально или энергетически связанных единичных процессов, которые выполняют одну или более конкретных функций;

под структурированной системой – совокупность технических элементов (подсистем), имеющих общее параметрическое множество.

Для определения экологических показателей проектируемых сис тем исследованы возможные экологические последствия функционирования их в полном жизненном цикле, т.е. исследованы материальные и энергетические потоки на входе и выходе продукционной системы.

Общая экологическая характерис тика и безопасность проектируемых ТС о [X ( Ai ) ] представляется как совокупность негативных воздействий на входе и выходе в продукционную систему:

m n m n 0 [X ( Ai ) ] = вх [X ( Ai ) ] + вых [ X ( Ai )], (1) j j j =1 i =1 j =1 i= где j, i – соответствующие индексы номенклатурной принадлежности объекта природы (j =1…m) и технических показателей объекта (i=1…n);

вх [X ( Ai )] – негативное воздейс твие на входе в продукционную систему j или стадию ЖЦ объекта Х, характеризуемого техническими показателями Аi ;

вых [X ( Ai )] – негативное воздействие на выходе из продукционной j системы или стадии жизненного цикла.

Далее в общем случае рассматривается геоэкологическая безопасность ТС с учетом декомпозиции по жизненному циклу и функциональной декомпозиции.

На стадии производства материалов геоэкологическая безопасность ТС на входе в продукционную систему зависит от потребления абиотических ресурсов и энергии:

n n вх [ X ( Ai )] = f (M kкм mkкм ), (M kкм Ekкм ), (2) км k =1 k = где M kкм – масса k-го конструкционного материала, используемого в конструкции ТС, кг;

mkкм – удельный расход сырья на получение 1 кг k-го конструкционного материала, кг/кг конструкционного материала;

E kкм – удельный расход энергии на получение 1 кг k-го конструкционного материала, МДж/кг конструкционного материала.

Выходной поток негативного воздействия зависит от экологических показателей, связанных с производством материалов:

n n вых [ X ( Ai )] = f ( M kкм mвыхk ), E выхk, (3) км км км k =1 k = где mвыхk – удельная масса, характеризующая образующиеся отходы км (выбросы, сбросы, твердые отходы) при производстве 1 кг k-го конструкционного материала, кг/кг конструкционного материала;

E выхk – энергетическое негативное воздействие при производстве k-го км конструкционного материала, МДж.

Анализ полученных регрессионных зависимостей показывает, что снижение негативного воздействия на этой стадии зависит от снижения потребления массы каждого k-го конструкционного материала, входящего в конструкцию, что широко применяется в настоящее время и выражается, в том числе, и в снижении общей массы конструкции ТС. Также при проектировании следует на этапе структурного синтеза стремиться к выбору материалов с лучшими экологическими показателями при производстве, а при параметрической оптимизации следует учитывать, что общее негативное воздействие на ОС зависит от оптимального соотношения различных конструкционных материалов (их массы). Это может быть промежуточным критерием оценки геоэкологической безопасности альтернативных вариантов проектируемых ТС.

На стадии производства ТС негативное воздействие определяется в основном в зависимости от пр = Т з, (4) где Т – уровень техногенного воздействия технологического комплекса;

з – уровень инженерной защиты окружающей среды:

n з = зi, (5) i = где зi – вклад в снижение негативного воздействия от применения методов, средств и аппаратов очис тки вентиляционных выбросов, сточных вод, рециклинга отходов производства ТС.

пр p у, (6) где у – установленные для предприятия предельно допустимые выбросы в атмосферу, нормы образования отходов и нормативы сточных вод.

В общем случае снижение негативного воздействия от деятельности промышленных предприятий дос тигается внедрением «более чистых технологий» и компенсационными возможностями инженерной защиты ОС путем реализации природоохранных защитных мероприятий.

На с тадии эксплуатации ТС целесообразно рассматривать два варианта функционирования ТС как самостоятельных объектов и как элементов систем более высокого иерархического уровня, в т.ч. и СС.

В первом случае на стадии эксплуатации рассмотрим негативное воздействие от объекта Х (электротехническая система), характеризуемого показателями А i, связанное прежде всего с переносом энергии, которое напрямую зависит от функциональных показателей ТС. На входе это зависимость вх [X ( Ai )] = f ( E вх ), (7) э где E вх – энергия, потребляемая ТС, МДж.

Эффективность использования Е в х зависит от основных показателей проектируемых систем (коэффициента полезного действия, коэффициента мощности cos, удельной массы на единицу полезной мощности и др.). Но при эксплуатации неизбежны потери энергии, которые выражаются на выходе как n вых [ X ( Ai )] = f ( Ke i ), (8) э i = где Ke i – параметрические показатели экологического воздействия.

При проектировании на промежуточных этапах следует проверять функциональные и конструктивные характеристики ТС, влияющие на основные энергетические потоки: тепловые потери, электромагнитные излучения, уровни шума, вибрации и др. Для снижения негативного воздейс твия материальных потоков следует предусмотреть сокращение и безотходное использование расходных материалов.

Во втором случае, когда ТС являются одним из элементов систем более высокого иерархического уровня (СС и ПТС), определяются материальные и энергетические входные и выходные потоки, приходящиеся на долю ТС, которые особо значимы на этапах производства и выведения из эксплуатации СС, а также уровень физических воздействий проектируемых ТС, оказывающих влияние на абиотическую среду и биоту, особенно в зоне массовых застроек.

Оценивается также роль ТС в сохранении динамического равновесия и устойчивости ПТС.

Для повышения геоэкологической безопасности на стадии эксплуатации ТС необходимо следовать общеизвестным принципам: повышение надежности и долговечности, удобс тво обслуживания и ремонта, использование модульных конструкций, уменьшение расходных материалов и др. Уровень негативных воздействий на входе и выходе будет зависеть от материальных потоков и потоков энергии, необходимых для поддержания эксплуатации ТС.

На стадии рециклинга ТС следует рассматривать возможность рециклинга отдельных подсистем, агрегатов, узлов, деталей, материалов. Для материалов негативное воздействие будет определяться на входе как n вх [ X ( Ai )] = f (M kр E kр ), (9) р k = где M kр – масса k-го конструкционного материала ТС, ожидаемого к рециклингу, кг;

E kр – расход энергии на рециклинг 1 кг k-го конструкционного материала, МДж/кг конструкционного материала.

Следует выбирать технологии рециклинга с минимальным потреблением энергии и минимальным техногенным воздейс твием на окружающую среду. На выходе негативное воздействие определяется как n вых [ X ( Ai )] = f ( (M kр M kпр }, E вых ), (10) р k = где M kпр – приведенная масса выбросов от рециклинга 1 кг k-го конструкционного материала, кг/кг конструкционного материала;

Е вых – негативное энергетическое воздействие на ОС от процесса рециклинга (энергетические потери), МДж.

Для снижения этого воздействия при структурном синтезе следует предусмотреть возможность выбора материалов, пригодных к рециклингу, использования рециклированных материалов, возможность разборки конструкций ТС после завершения эксплуатации и использования ее элементов для реконструкции аналогичных или других ТС. Также актуально при параметрической оптимизации учитывать, что общее негативное воздейс твие на этой с тадии зависит от оптимального соотношения масс конструкционных материалов.

Для управления экологическим проектированием разработаны политика, цели и программа повышения геоэкологической безопасности ТС. Программа может быть предс тавлена и в алгоритмах (например, алгоритм для снижения негативного воздействия при рециклинге представлен на рис. 6).

Из любых двух конкурентоспособных вариантов (Х 1 и Х 2 ) при проектировании ТС при условии, что Х 1, Х 2 (где – совокупность продукционных систем) Х 1 будет предпочтительней Х 2 относительно цели при характеристической функции 0 только при условии m m ( Х 1, ) p 02 ( Х 2, ), (11) j =1 j =1 i где цель исследования – минимизация негативного воздействия на ОС в жизненном цикле;

01,02 – уровень негативного воздействия первого и второго вариантов.

Рис. 6. Алгоритм реализация экологической цели ( к у1 – коэффициент унификации, а к рс – коэффициент разборки конструкции ТС) При нормировании уровня допустимых негативных воздействий ТС задаются ограничения следующего вида:

01 [X 1 ( Ai1 )] [ H ] j, (12) 02 [ X 2 ( Ai 2 )] [ H ] j где [н ] j – нормируемая величина воздействия на j-й компонент природы.

Оценка проектируемых ТС по множеству критериев, в т.ч. и экологических, является весьма сложной задачей. При решении задачи выбора конкурентных вариантов с использованием нескольких экологических показателей применяют различные качественные и количественные методы оценки. При этом использование всех экологических показателей на ранних стадиях проектирования нецелесообразно, так как это значительно увеличивает время исследования. Поэтому на каждом этапе проектирования следует с помощью экспертных оценок выбирать основные экологические показатели, которые зависят от уточняемых на выбранном этапе проектирования технических характеристик проектируемых СиТС.

Автором используется метод оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС, основанный на импликативных отношениях технических и экологических показателей СиТС, или принципе «Что будет если…?» («What If»), и позволяющий прогнозировать негативный отклик в ОС при изменении параметров СиТС. Этот метод относится к группе качес твенных методов оценки экологической безопасности. В то же время он дает представление об отклонениях показателей конкретных физ ических величин и может служить основой для детерминированных методов оценки, а также позволяет выработать корректирующие воздействия не только с позиций совершенствования функционирования СиТС, но и геоэкологической безопасности. Метод использует промежуточные параметры, характеризующие состояние СиТС, и способствует повышению геоэкологической безопасности на этапе разработки систем.

На рис. 7 показана модель использования промежуточных параметров СиТС для анализа, оценки и выработки управляющих корректирующих воздействий для повышения геоэкологической безопасности проектируемых ПТС. В методологическом плане эту схему можно применять к любой с тадии разработки СС и входящих в нее ТС и, в принципе, любой ПТС.

Рис. 7. М одель использования импликативных отношений экологических и технических показателей для повышения геоэкологической безопасности ПТС Использование в качестве приложений к этой модели критерия «экологически безопасная система», в которую входят материалы, технические системы и технологические процессы (табл. 3), а также «проверочных листов» (табл. 4), позволяющих корректировать уровень предполагаемого негативного воздействия от принятия проектных решений, сделает возможным проведение управляющих корректирующих воздействий для повышения геоэкологической безопасности ПТС не только квалифицированным специалис там в области экологии, но и инженерам-строителям, конструкторам, технологам, механикам и др.

Критерием «экологически безопасного материала» могут быть экологические показатели, характеризующие негативное воздействие на ОС при производстве различных конструкционных материалов. В работе приводится оригинальная методика определения приведенной массы выбросов при производстве материалов, которая адаптирована к российским условиям и дает результаты, сравнимые с другими методиками (табл. 5).

Для качественного анализа геоэкологической безопасности ТС на базе регрессионных математических зависимостей автором разработана модель определения импликативных отношений технических и экологических показателей на примере электротехнических систем.

Таблица Критерии «экологически безопасной системы» Элементы Критерии геоэкологической безопасности системы 1.1. Предложения материала неограниченны 1.М атериалы 1.2. На материал нет существующих или ожидаемых правовых ограничений 1.3. Низкие затраты энергии и природных ресурсов на добычу, производство, использование материала 1.4. М инимальное негативное воздействие на ОС при добыче, производстве, эксплуатации и рециклинге 1.5. Возможность рециклинга 1.6. М инимальное негативное воздействие на производственную среду и др.

2.Технические 2.1. Уменьшение массы и объема ТС системы 2.2. Применение, где возможно материалов одной марки для повышения эффективности последующего рециклинга;

2.3. Ограничение на использование в ТС композиционных и комбинированных материалов 2.4. Повышение энергетического КПД 2.5. Повышение надежности и удлинение срока службы 2.6. М инимизация негативного воздействия в жизненном цикле 2.7. Применение экологической маркировки продукции 2.8. Уменьшение расходных материалов при эксплуатации, ремонте и обслуживании 2.9. Возможность рециклинга 2.10.Выбор способа сборки ТС, с учетом последующей разборки и др.

3.Технологические 3.1. Сокращение потребления материальных и энергетических ресурсов процессы 3.2. Уменьшение экологического и производственного риска 3.4. М инимизация дополнительных процессов 3.5. М инимизация негативных воздействий на ОС 3.6. М инимизация численности необходимых аппаратов очистки и др.

Таблица Проверочный лист (на примере промежуточной оценки уровня шума электрической машины) Экологический показатель Конструктивные и функциональные показатели, влияющие на увеличение уровня негативного воздействия 1. Уровень шума 1.1. Уменьшение воздушного зазора 1.2. Увеличение площади излучающей поверхности.

1.3. Увеличение окружной скорости.

1.4. Увеличение потребляемой мощности 1.5. Увеличение магнитного потока 1.6. Увеличение силы тока 1.7. Снижение магнитной проводимости воздушного зазора и др.

Таблица Экологические показатели при производстве различных конструкционных материалов Материалы Приведенная масса Экоиндикатор, «Экоиндикатор- 95» выбросов, балл/кг материала балл /кг материала кг/кг материала (Козлов А.В.) (данные университета г. Delft) (Графкина М.В.) Алюминий 2975,84 0,564 18, М едь 22720,6 3,148 Пластмасса 1375,12 0,2983 5, Свинец 4126,88 0,769 6, Сталь 998,367 0,222 4, Новизна этого подхода заключается в том, что экологические показатели рассчитываются с учетом технических показателей проектируемых ТС, используемых при их параметрической оптимизации. Модель представлена на рис. 8.

Рис. 8. М одель взаимосвязи технических и экологических показателей ТС В модели (рис. 8) применяются следующие обозначения:

k eА – комплексный показатель, учитывающий негативное воздействие на атмосферу;

Мk – масса конструкционного k-го материала;

кг ;

k – число материалов;

k i – коэффициент приведения, характеризующий воздействие на атмосферу i-го загрязняющего вещества;

mi – – масса i-го загрязняющего вещества, кг ;

k eТ – комплексный показатель, учитывающий негативное воздействие на гидросферу;

k j – коэффициент приведения, характеризующий воздействие на гидросферу от j-го загрязняющего вещества;

m j – масса j-го загрязняющего вещества, кг ;

k eОТ – комплексный показатель, учитывающий негатив ное воздейств ие образующихся отходов;

К Иk – коэффициент использования k-го материала при производстве конструкционных материалов, деталей, узлов ТС в целом;

K ( ) – интегральный показатель негативного воздействия ТС с учетом ЖЦ;

l – расстояние от вариантов C j до идеального варианта C 0 ;

k eш – показатель, учитывающий негативное воздействие шума на ОС;

N – мощность, кВт;

c – характеристика акустического импеданса, кг /с м2;

S – площадь звукоизлучающей поверхности, м2;

– коэффициент излучения ( =15);

Vэф 2 – среднеквадратичная нормальная скорость звукопоглощающей поверхности, м/с;

0 – константа, зависящая от шероховатости поверхности и свойств газа, выражается в единицах удельной звуковой мощности ( 0 0 = 310 3 Вт/м2);

u – окружная скорость, м/с;

к eВ – показатель, учитывающий негативное воздействие вибрации на ОС;

M ТС – масса ТС, кг ;

l я – длина пакета якоря, м;

n я – частота вращения якоря, об/мин;

k eэми – показатель, учитывающий негативное воздействие электромагнитных излучений на ОС;

B – магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл;

Dя – наружный диаметр якоря, м;

c я – постоянная электрической машины, не зависящая от режима ее работы;

a – коэффициент полюсного перекрытия;

k eп – показатель, учитывающий вероятность возгорания в электрической сети;

Iдоп – предельно допустимый ток по условиям пожарной безопасности и оптимальной долговечности электрической сети, А;

Sпр – площадь сечения токопроводящей жилы провода, м ;

dн – наружный диаметр провода, м;

Тпр.max – максимально допустимая температура изоляции провода по условию ее теплостойкости, К;

Тпр – установившаяся температура провода, К;

Тср – температура окружающей среды, К;

– удельное сопротивление жилы провода, Ом·м;

– теплопроводность, Вт/м·г рад;

Gi – масса i-го элемента электрической сети, кг.

Характерной особеннос тью процесса разработки новых сис тем является необходимос ть выбора альтернативных вариантов. Улучшение в решении задач проектирования одних параметров может привести к ухудшению других.

В настоящее время совершенствование функциональных показателей СиТС, осуществляемое путем структурной или параметрической оптимизации, должно проводиться с учетом всесторонней комплексной экологической оценки получаемых вариантов на различных этапах разработки. Оценка должна проводиться с определением и сопоставлением экологических показателей вариантов по качественному или детерминированному выражению некоторых частных, а на завершающем этапе – комплексных критериев, учитывающих степень выполнения предъявляемых к создаваемой системе экологических требований.

Таким комплексным критерием, как было сказано выше, выбран минимум негативного воздействия на ОС с учетом жизненного цикла создаваемой системы, определяющий геоэкологическую безопаснос ть выбранного варианта в сравнении с другими рассматриваемыми конкурентоспособными вариантами.

Качественные методы оценки геоэкологической безопасности используются на начальных этапах разработки, если реальная система не может быть описана количес твенными характеристиками или отсутс твуют закономерности в виде аналитических зависимостей, а также при недос татке исходных данных для проведения расчетов. Качес твенные методы оценки актуально использовать при выборе концептуальной модели создаваемой системы. Количественные методы оценки применяются на последующих этапах для анализа конкурентных вариантов создаваемых систем.

Детерминированные методы также могут быть использованы и на начальных этапах при наличии аналитических зависимостей, устанавливающих импликативную взаимосвязь экологических и технических показателей создаваемых систем, а также при необходимом объеме исходной информации для проведения вычислений.

Для комплексной оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС автором используются методы, основанные на модели расстояния до эталонного варианта, в которых предполагается существование небольшого числа латентных характеристик, определяющих состояние объекта, а, следовательно, и значение комплексного экологического критерия. Кроме предположения о существовании латентных характеристик и эталонного варианта, фундаментальным для этих методов является предположение о наличии определенной зависимости между «близостью» объектов в области исходных частных экологических показателей и расстоянием между этими объектами в области латентных характеристик.

В соответс твии с этими методами для комплексной оценки геоэкологической безопасности конкурентных вариантов необходимо в пространстве частных экологических показателей (ЧЭП) задаться эталоном, которому соответс твует точка с координатами Сэ ( y1 э, y 2 э,..., y nэ ), и выбрать соответс твующую метрику l (Cэ, С j ), описывающую расстояние объекта до эталона.

В качестве эталона целесообразно выбирать идеальный вариант проектируемой СиТС относительно функции цели, т.е. вариант, у которого все ЧЭП одновременно принимают наилучшие значения. В случае если идеальный вариант проектируемой системы принят как цель, к которой «стремятся» сравниваемые варианты, расстояние l j от рассматриваемых альтернативных вариантов C j до идеального варианта C 0 будет характеризовать геоэкологическую безопасность различных конкурентоспособных вариантов проектируемой системы (16) l j = d (C j, C 0 ), j = 1, N, где d – функция, соответствующая используемой метрике;

– показатель, который характеризует геоэкологическую lj безопасность j-го конкурентного варианта проектируемой системы.

Например, для измерения расстояния l (C j, C 0 ) между оцениваемыми вариантами C j ( j = 1, N ) и идеальным вариантом C 0 в случае, если ЧЭП нельзя считать равноценными, можно использовать метрику Минковского n ( yij y i0 ) 2, (17) l (C j, C 0 ) = j = 1, N, i i = где i (i = 1, n ) – весовые коэффициенты, учитывающие неравноценнос ть частных экологических показателей;

y ij – значение i-го нормированного значения час тного экологического показателя для j-го варианта;

y i 0 – значение i-ой координаты вектора идеального варианта.

Значения l (C j, C 0 ), являющиеся комплексными экологическими показателями конкурентных систем и представляющие собой меру близости оцениваемых вариантов к идеальному, интерпретируются как комплексный геоэкологический критерий рассматриваемых вариантов. Неоднороднос ть ЧЭП предопределяет необходимость проведения специальных преобразований – унификации и нормирования.

Апробация теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС осуществлена на примерах выбора оптимальных вариантов размещения Архангельской АТЭЦ и Петровской ГРЭС в Шатурском районе Московской области и оптимального варианта проектируемой электрической машины. Результаты оценки геоэкологической безопасности конкурентных пунктов размещения Архангельской АТЭЦ – «Правобережный», «Рикасиха», «Цигломень» (рис. 9), представленные в табл. 6, показали преимущество в штатном режиме работы варианта ее размещения в пункте «Рикасиха».

В случае оптимизации выбора площадки для Петровской ГРЭС (рис. 10) оценка геоэкологической безопасности по комплексному критерию (табл. 7) показывает, что наименьшее негативное воздействие на ОС в штатном режиме работы ожидается при размещении ее на площадке «Радовицкая».

Для оценки и расчета экологических показателей проектируемых ТС разработано программное обеспечение (рис. 11), предназначенное для формирования, хранения и быстрого дос тупа к информационно-справочному массиву, используемому для экологической оценки;

расчета экологических показателей;

анализа и оценки экологического состояния проектируемых технических систем с построением графических диаграмм;

графической интерпретации результатов экологического анализа и оценки проектируемой системы;

передачи информационных массивов, как на электронных носителях, так и по информационным сетям для обеспечения контроля за процессом проектирования. Результаты оценки (на примере электрической машины) приведены на рис. 12. Оптимальным является вариант 2, который будет оказывать наименьшее воздейс твие на ОС с учетом жизненного цикла при высоких технических показателях и выполнении функциональных ограничений.

Рис. 9. Ситуационная карта района исследования. Пункты размещения АТЭЦ слева направо: «Рикасиха», «Цигломень», «Правобережный» Таблица Значения экологических показателей для конкурентных пунктов размещения Архангельской АТЭЦ Экологические показатели «Правобережный» «Рикасиха» «Цигломень» 2.8710-2 1.1610-2 3.7810- Фактор загрязнения воздушного бассейна, с/м Фактор загрязнения водной 3 3 среды, баллы 0.86310-4 2.5910-4 4.7110- Фактор загрязнения почвы, скм2 /м Фактор изъятия земель, 2 2 баллы Фактор воздействия на 2 2 растительный и животны й мир, баллы Комплексный 0.54, 0.34 0. геоэкологический критерий Рис. 10. Ситуационная карта района исследования. Пункты размещения Петровской ГРЭС сверху вниз: «Воймежный», «Радовицкий» Таблица Значения экологических показателей для конкурентных площадок размещения Петровской ГРЭС Экологические показатели «Воймежная» «Радовицкая» Фактор загрязнения воздушного бассейна, с/м3 9.810-3 3.410- Фактор загрязнения водной среды, балл 3 2 3 - 3.110- Фактор загрязнения почвы, скм /м 1. Фактор изъятия земель, баллы 2 Фактор воздействия на растительный и ж ивотный мир, 1 баллы Фактор воздействия на особо охраняемые территории, 2 баллы Комплексный геоэкологический критерий 0.67 0. Рис. 11. Ввод данных в программу Рис.12. Экологические и функциональные показатели конкурентоспособны х вариантов Переход к проектированию с полной экологической ответственнос тью потребует, помимо изменений в инс титуциональной системе ответс твенности, более сложной системы экологического менеджмента и совершенствования системы подготовки кадров. Мировоззренческий аспект проектирования как вида инженерной деятельности связан с последовательным переходом от жестко детерминированных формализованных расчетных схем к вероятностным моделям, что особенно характерно для анализа и оценки техногенного воздействия.

Необходимо отметить, что особенно велика роль проектировщика, так как сложность задач проектирования, выдвигаемых практикой, растет значительно быс трее, чем даже возможности вычислительной техники, что требует их осмысления и творческого решения разработчиком, глубоких научных знаний и интуиции.

Поэтому для полного анализа и оценки технических, экономических, социальных и экологических характеристик создаваемой системы целесообразно компоновать группу исследователей, состоящую из различных специалистов. Примерная структура группы разработчиков электротехнических систем представлена на рис. 13. Такой подход использован при оценке геоэкологической безопасности ПТС и выборе оптимального варианта пункта/площадки размещения промышленного объекта, а также экологической оценки проектируемых электрических машин.

Рис. 13. Структура группы разработчиков Подготовка кадров и их осведомленность об экологических проблемах, возникающих при взаимодейс твии человека и создаваемых им СиТС с ОС, стали считаться одним из главных условий перехода мирового сообщества к устойчивому развитию и решения проблем будущего выживания человечес тва.

На взгляд автора, необходимо вести подготовку кадров, обеспечивающую формирование стратегического экологического мировоззрения, направленного на разработку превентивных методов и решений по предотвращению негативного воздействия на ОС и управлению экологическими характеристиками создаваемых СиТС. Сис тема подготовки кадров (вузовская подготовка, переподготовка, повышение квалификации, внутрифирменное образование и аттес тация специалистов и руководителей) должна способствовать формированию у каждого человека экологического самосознания, а у руководителей – экологической ответс твеннос ти за принятие решений. Основными принципами экологического образования являются системность, непрерывнос ть, всеобщность.

Совершенствование научно-методологических подходов к изменению и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответс твеннос ти за принятие проектных решений базируется на следующих принципах:

– развитие стратегического экологического мышления и обучение навыкам проведения анализа и оценки геоэкологической безопасности создаваемых систем в разных пространственно-временных координатах (от выбора технической концепции и анализа локальных загрязнений при эксплуатации до оценки экологического поведения ПТС в целом и глобальных воздействий с учетом жизненного цикла);

– использование теории и методов оценки геоэкологической безопасности создаваемых систем для формализации техногенного отклика в разных точках пространственно-временного поля при функционировании СиТС (установление импликативных отношений функциональных и экологических показателей, характеризующих воздейс твие на геосферы на различных этапах жизненного цикла).

Теоретические цели экологической подготовки в контексте этой проблемы:

– анализ процессов проектирования и разработки СиТС для интегрирования экологических показателей на ранних этапах проектирования;

– составление многоуровневых энергетических и материальных балансов для поиска закономерностей и повышения геоэкологической безопасности создаваемых систем на локальном и глобальном уровнях;

– овладение методами количественной и качес твенной оценки ингредиентных и параметрических воздействий ТС в жизненном цикле, а также поиска комплексного геоэкологического критерия оценки;

– использование механизма и инс трументов системы экологического управления процессами проектирования.

Для формирования стратегического экологического мышления, направленного на минимизацию техногенного воздействия и претворение в жизнь концепций «проектирование для экологии» и «экосистемного комплексного подхода», актуально, помимо традиционных дисциплин, в учебные планы высшего образования вводить новую дисциплину «Основы экологического проектирования технических систем».

Следует совершенствовать также систему подготовки дипломированных специалистов-экологов с целью расширения их профессиональной деятельности. Целесообразно вести подготовку дипломированных специалистов-экологов с направленнос тью на разработку (проектирование) ТС и системный анализ с позиций биосферных принципов. Эколог-разработчик ТС наряду с конструкторами, технологами, экономистами и др. сможет войти в команду разработчиков СиТС, он должен иметь навыки анализа и оценки геоэкологической безопасности проектируемых систем на различных этапах разработки. Эколог – системный аналитик должен иметь навыки по оцениванию взаимодействия природных и технических систем в глобальных временных и прос транс твенных рамках.

Автором реализованы основные научно-методологические подходы к совершенствованию экологического образования при подготовке студентов по специальности 280202.65 «Инженерная защита окружающей среды».

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработаны теория и методы оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС с позиций экоцентризма и полной экологической ответственнос ти, направленные на минимизацию негативного воздействия, позволяющие устанавливать импликативные зависимости технических и экологических показателей и управлять ими с учетом жизненного цикла СиТС.

Для этого:

– сформулированы основные положения теории оценки геоэкологической безопасности на этапе разработки СиТС с учетом их жизненного цикла;

– разработаны основные правила методологии системного экологического исследования и анализа иерархических уровней ПТС, позволяющие выявить взаимосвязи и оценить уровень геоэкологической безопасности на этапе разработки СиТС;

– дано теоретическое обоснование взаимосвязи технических показателей проектируемых систем с их экологическими показателями и выявлены час тные и комплексные критерии оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС.

2. Предложены физические модели с троительной и других технических систем:

– физическая модель ТС представляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения, превращения и переноса энергии и материалов и балансе входных и выходных потоков;

– физическая модель исследуемой СС предс тавляет собой сеть взаимоотношений между системой и природной средой, основанных на законах сохранения, превращения и переноса энергии и материалов и балансе входных и выходных потоков, а также законах сохранения динамического равновесия и устойчивости строительной и природной систем.

3. Проведены теоретическое обоснование и практическая реализация оценки геоэкологической безопасности промышленных объектов на предпроектных стадиях строительс тва по результатам инженерно-экологических изысканий и технических систем на этапе научно-исследовательских работ, на основе анализа импликативных отношений технических характеристик объектов с уровнем негативного воздействия при реализации жизненного цикла.

4. Разработаны методы оценки геоэкологической безопасности СС на предпроектных с тадиях, основанные на анализе уязвимости экосистем, а также методы оценки геоэкологической безопасности проектных вариантов ТС на основе баланса материальных и энергетических входных и выходных потоков и анализа многофакторных регрессионных уравнений, устанавливающих импликативную взаимосвязь конструктивных и функциональных показателей с уровнем негативного воздействия на жизнеобеспечивающие геосферные оболочки.

4. На основе регрессионных зависимостей экологических и технических показателей проектируемых ТС разработаны проверочные листы, которые позволяют корректировать проектные решения и управлять геоэкологической безопасностью ТС.

5. Проведено обобщение и предложены методы качественной и количественной оценки геоэкологической безопасности на основе час тных и комплексных геоэкологических критериев.

6. Разработаны программы, алгоритмы, системы критериев для оценки геоэкологической безопасности создаваемых ПТС и необходимое программное обеспечение оценки геоэкологической безопасности ТС при параметрической оптимизации.

7. Разработанные теория и методы оценки геоэкологической безопасности апробированы при выборе оптимальных вариантов размещения Архангельской АТЭЦ и Петровской ГРЭС, а также при проектировании электротехнических систем. Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.

8. Предложены научно-методологические подходы к изменению и формированию стратегического экологического мировоззрения и экологической ответс твенности за принятие проектных решений и предложены перспективные облас ти профессиональной деятельности экологов, что имеет значение для реализации концепции устойчивого развития.

9. Разработана дисциплина «Основы экологического проектирования» и опубликована монография «Экологическое проектирование продукции» для формирования стратегического экологического мировоззрения и экологической ответственнос ти за принятие технических решений у студентов как будущих участников хозяйственной деятельнос ти.

По материалам диссертации опубликованы следующие основные работы (в т.ч. 12 – в издания х, рекомендованных ВАК РФ, одна монография, свидетельство № 10729 о регистрации программы):

1. Графкина М.В., Потапов А.Д. Оценка экологической безопасности строительных систем как природно-техногенных комплексов (теоретические основы). //Вестник М ГСУ, №1, 2008.

– С. 23-28.

2. Графкина М.В. Алгоритм выбора оптимального варианта размещения промышленных объектов по геоэкологическим критериям. //Естественные и технические науки, № 2, 2008. – С. 290-294.

3. Графкина М.В., Брюхань Ф.Ф. Оптимизация размещения тепловых и атомных станций по геоэкологическим критериям. //Естественные и технические науки, №2, 2008. – С. 286-289.

4. Графкина М.В., М илюков А.С., Пьянкова Е.Е. Инновационные механиз мы управления эколого-экономическими показателя ми продукции на этапе проектирования. //Известия Тульского государственного университета, выпуск 2, 2006. – С. 253-260.

5. Графкина М.В., М илюков А.С. Рециклирование технических систем. //Экология и промышленность России, июль 2006. – С. 32-33.

6. Графкина М.В., Пьянкова Е.Е. Совершенствование управления процессом выбросов на промышленных предприятиях. //Известия Тульского государственного университета, выпуск 2, 2006. – С. 136-142.

7. Графкина М.В., Гнатюк Д.И. Воздействие автотранспорта и промышленных производств на окружающую среду. //Известия Тульского государственного университета, выпуск 6, 2006. – С. 105 – 107.

8. Графкина М.В. Теоретические основы экологических критериев оптимизации.

//Автотракторное электрооборудование, № 9, 2004. – С. 29-31.

9. Графкина М.В.. М илюков А.С. Сравнение экологических показателей проектируемого электрооборудования автомобилей. //Экология и промышленность России, апрель 2004. – С.

29-31.

10. Графкина М.В. Экологические критерии поиска и оптимизации проектных решений.

//Известия Тульского государственного университета, выпуск 6, 2003. – С. 175-176.

11. Графкина М.В., М ашинин В.В., М ельников А.Ф. Экологические показатели автотракторного электрооборудования. //Автотракторное электрооборудование, №4, 2002. – С. 18-21.