CC BY
41
УДК 504.05: 504.064
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГОРОДОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В УСЛОВИЯХ МЕЖГОРНЫХ КОТЛОВИН: ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ
А. П. Щербатюк, канд. техн. наук, доцент, ФГ БОУ ВО «Забайкальский государственный университет», Россия, г. Чита, [email protected]
Выявлено, что межгорные котловины характеризуются пониженным потенциалом самоочищения атмосферы, в условиях антропогенного воздействия для них характерно активное загрязнение природных сред (самого воздуха, водных объектов, почв, донных отложений, биоты) и, как следствие, снижение качества среды обитания человека.
Установлено, что в городских районах наблюдается многократная опасная концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе, что оказывает негативное воздействие на здоровье проживающих там людей. В частности, существенно возрастает риск заболеваемости населения болезнями органов дыхания, происходит нарушение репродуктивного здоровья поколений.
Практика показала, что достаточно эффективным средством борьбы с загрязнением атмосферного воздуха городов вредными техногенными выбросами являются полосы зеленых насаждений, эффективность которых может варьироваться в довольно широких пределах — от 7 до 35%.
It is revealed that intermountain hollows are characterized by lower potential for atmosphere self-cleaning, besides, in the conditions of the anthropogenic impact, the active pollution of natural environments (air proper, water objects, soils, bottom sediments, biota) and, as follows, the decrease of the quality of human habitat are typical for it.
It is established that in urban areas there is a multiple dangerous concentration of harmful substances in the atmospheric air, which has a negative impact on the health of the people living there. In particular, the risk of population's morbidity with respiratory diseases substantially increases, the reproductive health of generations is disrupted.
The practice has shown that the stripes of green plantations, the effectiveness of which can widely vary from 7 to 35 %, are sufficiently effective means of combating the pollution of the atmospheric air of the cities by harmful technogenic emissions.
Ключевые слова: экологическая безопасность, атмосферный воздух, города, внутриконтиненталь-ные межгорные котловины, геоэкологические исследования, заболеваемость, природные и антропогенные факторы, оптимальные инженерные решения.
Keywords: ecological safety, atmospheric air, cities, intercontinental intermountain hollows, geoecological studies, morbidity, natural and anthropogenic factors, optimal engineering solutions.
Введение. В Российской Федерации 44 субъекта (более 50 % территории РФ) имеют в своих пределах горные регионы. Межгорные котловины представляют собой неотъемлемый элемент структуры г орных систем, являются основными центрами проживания населения горных регионов и играют значительную роль в их хозяйственной деятельности, в связи с чем наиболее подвержены антропогенному воздействию.
В силу того что межгорные котловины характеризуются пониженным потенциалом самоочищения атмосферы, в условиях антропогенного воздействия для них характерно активное загрязнение природных сред (самого воздуха, водных объектов, почв, донных отложений, биоты) и, как следствие, снижение качества среды обитания человека.
Городская среда в условиях межгорных котловин нередко становится агрессивной по отношению к человеку. В городских районах наблюдается многократная опасная концентрация ВВ в атмосферном воздухе, что оказывает негативное воздействие на здоровье проживающих там людей [1].
В частности, существенно возрастает риск заболеваемости населения болезнями органов дыхания, происходит нарушение репродуктивного здоровья поколений [2]. Снижение качества жизни населения городов, расположенных в условиях межгорных котловин, проявляется в негативных тенденциях роста смертности (в основном от заболеваний органов дыхания) приблизительно в 2—3 раза по отношению к средним показателям по РФ (Министерство здравоохранения и социального развития РФ отдел медицинской статистики ГУЗ МИАЦ «Смертность населения Забайкальского края» за период 2005—2015 гг.).
Велика роль зеленых насаждений в очистке воздуха городов. Дерево средней величины за 24 часа восстанавливает столько кислорода, сколько необходимо для дыхания трех человек. За один теплый солнечный день гектар леса поглощает из воздуха 220—280 кг углекислого г аза и выделяет 180—200 кг кислорода. С 1 кв. м газона испаряется до 200 г/ч воды, что значительно увлажняет воздух. В жаркие летние дни на дорожке у газона температура воздуха на высоте роста человека почти на 2,5 °С ниже, чем на асфальтированной мостовой. Не случайно в последнее время в практике озеленения все чаще отдается предпочтение ландшафтному или свободному стилю проектирования, при котором 60 % бла-
гоустраиваемой территории и более отводится под парки и скверы. А над парками и скверами возникают нисходящие потоки воздуха, потому что поверхность листьев значительно прохладнее асфальта и железа. Пыль, увлекаемая нисходящими токами воздуха, оседает на листьях. Один гектар деревьев хвойных пород задерживает за г од до 40 тонн пыли, а л иственных — около 100 тонн [3].
Практика показала, что д остаточно эффективным средством борьбы с вредными выбросами автомобильного транспорта являются полосы зеленых насаждений, эффективность которых может варьироваться в довольно широких пределах — от 7 до 35 % [4, 5].
Здесь большое поле деятельности для биологов, генных инженеров, автодорожников, специалистов других профессий [6—8].
Объект и методы исследования. Объект исследования — воздушная среда городов, расположен -ных в условиях внутриконтинентальных межгорных котловин.
Задача исследования — выбор оптимальных вариантов схем размещения фито-технологических скверов и парков с целью повышения экологической безопасности воздушной среды городов в условиях внутриконтинентальных межгорных котловин.
При выборе соответствующих вариантов схемы рационального размещения фито-технологи-ческих скверов и парков следует учитывать способность определенных видов растений:
— противостоять чрезмерным газопылевым выбросам, воздействию тяжелых металлов, электромагнитным полям и тепловым аномалиям, солевому стрессу, изменению кислотности, уплотнению и подтоплению почвы, вредителям и болезням;
— создавать придорожный ландшафт, положительно действующий на восприятие водителем изменения дорожной обстановки;
— обеспечивать максимальную снего- и пыле-защиту, снижение шума, а также концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе;
— аккумулировать тяжелые металлы биомассой;
— иметь фиксированные пределы роста биомассы.
Конструирование искусственной экосистемы предполагает после ее создания специализированный уход с применением биологически активных веществ, биологических удобрений и биопестицидов, поскольку ее искусственное происхождение исключает самодостаточность, которую можно наблюдать в природе.
В последние годы появилась и пока не разработана технология активного использования растительности для удаления транспортного загрязнения. Поглощение загрязнений деревьями рассчитывалось с использованием баз данных по характеристикам деревьев и уравнений роста древостоя. При оценке площади листовой поверхности учитывались коэффициент затенения лиственных и хвойных деревьев, условия роста. При помощи расчетных моделей принималось, что рост парковых лесов составлял в 1,78 раза меньше, а рост лесов в 2,29 раз меньше, чем рост уличных деревьев [9].
Городская растительность имеет разнообразный видовой состав, а рубка деревьев для исследования массы и площади листовой поверхности запрещена. Поэтому для расчетов площади листовой поверхности использовали аллометричес-кие уравнения, в которых учитывалась зависимость площади листовой поверхности от диаметра дерева [10].
Обязательные требования к системе озеленения — равномерность и непрерывность. Основные же элементы системы озеленения города — парки, сады, озелененные территории жилых и промышленных районов, набережные, бульвары, скверы, защитные зоны.
Результаты исследований и их обсуждение. Разработаны и запатентованы эффективные инженерные решения для управления экологической безопасностью воздушной среды городов в условиях внутриконтинентальных межгорных котловин и проведена оценка эффективности внедрения инженерной защиты территории от техногенных опасностей на примере г. Чита.
В соответствии с нормативными документами, озеленение площади крупного города на одного человека должно составлять 10 м2. Согласно подсчетам, для читинцев эта цифра должна достигать 3 млн 435 тыс. м2. По официальным данным администрации города Чита (Управление архитектуры). Общая площадь зеленых насаждений в пределах городской черты составляет 15 597 га, из них на долю озелененных территорий общего пользования приходится 263 га, что составляет 7,6 м2 на одного человека, т. е. 76 % от нормативного показателя.
Для озеленения города, приведения площади насаждений в соответствие с нормативными показателями, с целью инженерной защиты территорий от техногенных опасностей разработан комбинированный комплекс, который включает следующие альтернативные способы, в зависимости от рельефа местности города. Первый способ защиты атмосферного воздуха осущест-
Рис. 1. Комплекс инженерной защиты территории города от техногенных опасностей в нижней точке котловины: месторасположение административного района (1); фито-технологический парк (2); система фито-технологических скверов (3); образец сквера, выполняющего роль естественной аэродинамической трубы
а) б)
Рис. 2. Комплекс инженерной защиты территории от техногенных опасностей: а) открытая автомобильная стоянка (1); фито-технологический сквер (4); б) закрытая (подземная) автомобильная стоянка: 1 — жилые или административные строения; 2 — фито-технологический сквер; 3 — фильтровентиляционная система; 4 — вход в закрытую (подземную) автомобильную стоянку; 5 — основное направление ветра по розе ветров
вляется в теплый период года с помощью строительства лесотехнических сооружений (фито-технологических скверов и парков) по трем вариантам: а) в пределах нижних точек котловины; б) у открытой автомобильной стоянки; в) у закрытой (подземной) автомобильной стоянки. Второй способ защиты осуществляется в холодный период года с помощью использования оригинального технического устройства, основанного на увеличении площади испарения.
Комплекс инженерной защиты территории города от техногенных опасностей в нижней точке котловины представлен на рис. 1.
Эффективность инженерных решений по улучшению экосистемы города в условиях внут-риконтинентальных межгорных котловин также достигается ежегодным приростом фитомассы деревьев, которые являются естественным фильтром для очистки атмосферного воздуха от ТВ и ВВ, скапливающихся в нижних точках котловин. В результате чего в летнее время года происходит естественная очистка атмосферного воздуха города от загрязнения.
Фито-технологические скверы размещаются за автомобильными стоянками по розе ветров. Строятся два фито-технологических парка. Они выполняют роль естественной аэродинамической трубы. Размещаются на противоположных окраинах города, по розе ветров, с подветренной стороны и имеют форму вытянутых прямоугольных л есополос. Первая играет роль естественного фильтра для поступающих в город воздушных масс, вторая — исходящих. Также усиливаются лесопосадки газонов улиц, проходящих поперек города, особенно с подветренной стороны.
Деревьями для засадки фито-технологических парков и скверов, обладающими наилучшими показателями по очистке атмосферного воздуха от ВВ, являются тополь и сирень, представляющие собой двухуровневую систему очистки, наиболее эффективную при котлованном рельефе территории города, что позволяет сократить количество ВВ в атмосферном воздухе в л етнее время года на 20...30 %.
Рядом с открытыми автомобильными стоянками создаются фито-технологические скверы,
]ГПГШт>
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 Лет
Диоксид азота
Пи,.
0,005 3 0,004 0,003
«
иц0,002 а
| 0,001
0
12 345 6789 10 Лет
3 50
Й 40
«
& 30
а р
нтр 20 е
к 10 о
* 0
ИНпиш.
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 Лет
Фенол
1 2 3 Лет
«
и и
а тра
н е и н о
0,02 0,015 0,01 0,005
Формальдегид
\
2
Лет
Рис. 3. Изменение концентрации ТВ и ВВ за период с 2016 по 2030 г. при использовании инженерных мероприятий,
улучшающих качество атмосферного воздуха города
1
0
0
Ф
*Ф<Ф Ф
СО/МО-10
8
г—
1 ........
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Время, ч
Отношение концентраций СО^ОХ в выбросах без применения инженерных технических решений Отношение концентраций СО^Ох в выбросах с применением инженерных технических решений
Рис. 4. Альтернативные варианты биосферно-совместимых фито-технологических парков и скверов, достигнутые результаты при внедрении комбинированных инженерных комплексов
расположенные таким образом, что сам сквер размещается на некотором расстоянии, которое принимается в соответствии с расчетом, и вытянут в сторону основного направления ветра по розе ветров.
Для закрытых автомобильных стоянок, где загрязнители воздуха выбрасываются в наибольшем количестве при неустойчивых режимах работы ДВС во время запуска и остановки, создаются фито-технологические скверы на поверхности, комбинированные с подземной фильтровентиля-
ционной системой, позволяющие сократить количество ВВ на 10...15 %.
Фито-технологический сквер, являющийся дополнительным естественным фильтром, в теплое время года работает следующим образом. ВВ вместе с воздушными массами из закрытой (подземной) автомобильной стоянки (4), находящейся под жилым или административным зданием (1), попадают в фильтровентиляционную систему (3), где ч астично пройдя очистку, выбрасываются в фито-технологический сквер (2), рас-
6
4
2
сеиваясь в сторону основного направления ветра по розе ветров по всей площади фито-технологи-ческого сквера.
Превентивными мероприятиями, снижающими негативное влияние техногенных процессов, является переход значительного количества автомобилей на газовое топливо, посредством внедрения нового технического решения. В условиях низких температур сокращается количество выбросов ВВ на 20...30 %.
Комплекс инженерной защиты территории от техногенных опасностей для открытой и закрытой (подземной) автомобильных стоянок показан на рис. 2.
Выполнен расчет прогнозного изменения концентраций ВВ (период 2016—2030 гг.) в атмосферном воздухе города при совместном использовании инженерных мероприятий, улучшающих качественные показатели атмосферного воздуха. Определен оптимальный период времени (3...14 лет), когда будут достигнуты концентрации ВВ по пяти приоритетным веществам, соответствующие нормам ПДК (рис. 3).
Альтернативные варианты биосферно-совместимых фито-технологических парков и скверов, достигнутые результаты при внедрении комбинированных инженерных комплексов представлены на рис. 4.
За счет строительства фито-технологических парков и скверов за период 2016—2030 гг. концентрация ВВ должна снизиться: по взвешенным веществам на 7,12 %, по бенз(а)пирену на 7,2 %, по диоксиду азота на 10 %, по фенолу на 33,3 %, по формальдегиду на 33,5 %.
Заключение. Таким образом, научно обоснованный рациональный выбор эффективных вариативных комплексных инженерных решений, включая биосферно-совместимые фито-техноло-гические скверы и парки, предназначенные для очистки атмосферного воздуха от ВВ и аэрозольных частиц, позволяет существенно снизить уровень техногенного воздействия на компоненты окружающей среды города в условиях внутрикон-тинентальных межгорных котловин и обеспечить экологическую устойчивость географических территорий.
Библиографический список
1. Рекомендации по качеству воздуха для Европы. — 2-е изд. — Копенгаген: Европейское региональное бюро ВОЗ, 2000 (региональные публикации ВОЗ, сер. № 91). — Режим доступа: http://www.euro.who.int/air/activities/200502234 (дата обращения: 05.01.2017).
2. Абросимова Ю. Е., Ушаков В. А., Галицкая Е. Г., Ступин А. Б. Анализ влияния загрязнения атмосферного воздуха на показатели заболеваемости // Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России. — СПб.: ГГО, 1994. — С. 10—12.
3. Щербатюк А. П. Растения как индикаторы состояния урбанизированных экосистем // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. — 2013. — № 2. — С. 56—60.
4. Сидоренко В. Ф., Кириллов Г. П., Фельдман Ю. Г. Исследование газозащитной эффективности зеленых насаждений на автомагистралях // Гигиена и санитария. — 1973. — № 10. — С. 6.
5. Щербатюк А. П. Способ снижения загрязнения атмосферного воздуха городов выбросами автомобильного транспорта в условиях сложного ландшафта с помощью зеленых насаждений // Кулагинские чтения: XII Междунар. на-уч.-практ. конф. — Чита: ЗабГУ, 2012. — Ч. 5. — С. 136—138.
6. Щербатюк А. П. Анализ влияния рельефа местности и температурных инверсий на загрязнение атмосферного воздуха в городах, расположенных в регионах с резко континентальным климатом // Приоритетные направления развития науки и технологий: VIII Всерос. науч.-практ. конф. — Тула: ТулГУ, 2010. — С. 5—9.
7. Щербатюк А. П. Анализ загрязнения атмосферного воздуха городов отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей, где концентрации примесей превышают предельно допустимую концентрацию (ПДК) // Кулагинские чтения: XI Междунар. науч.-практ. конф. — Чита: ЗабГУ, 2011. — Ч. 3. — С. 171—173.
8. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Промышленно-транспортная экология. — М., 2003. — С. 174.
9. Nowak D. J., Crane D. E., Stevens J. C. Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States // Urban Forestry & Urban Greening. — 2006. — Vol. 4. — P. 115—123.
10. Widlowski Jean-Luc, Verstraete M., Pinty B., Gobron N. Allometric Relationships of Selected European Tree Species EUR 20855. EC Joint Research Centre, TP 440 I-21020 Ispra (VA), Italy. — 2003. — 70 p.
THE RISE OF ECOLOGICAL SAFETY OF THE AIR OF THE CITIES LOCATED IN THE INTERMOUNTAIN HOLLOWS: THE CHOICE OF THE OPTIMAL ENGINEERING SOLUTIONS
A. P. Shcherbatyuk, Ph. D. (Engineering), Associate Professor, [email protected] FSBEI HE "Transbaikal State University", Chita, Russia
References
1. Recommendations on air quality for Europe. 2nd ed. Copenhagen: WHO Regional Office for Europe, 2000 (WHO Regional Publications, No. 91). Available at: http: //www.euro.who.int/air/activities/200502234 (Date of access: 05.01.2017).
2. Abrosimova Yu. E., Ushakov V. A., Galitskaya E. G., Stupin A. B. Analysis of the influence of atmospheric air pollution on the incidence rate // Yearbook of the state of atmospheric pollution in cities in Russia. St. Petersburg: GGO, 1994. P. 10—12. [in Russian]
3. Shcherbatyuk A. P. Plants as indicators of the state of urbanized ecosystems // Transbaikal State University Journal. 2013. No. 2. P. 56—60. [in Russian]
4. Sidorenko V. F., Kirillov G. P., Feldman Yu. G. Investigation of gas-protective efficiency of green plantations on highways // Hygiene and sanitation. 1973. No. 10. P. 6. [in Russian]
5. Shcherbatyuk A. P. The way to reduce pollution of the atmospheric air of cities by motor transport emissions in conditions of a complex landscape with the help of green plantations // Kulagin Readings: XII International scientific-practical conference. Chita: ZabGU, 2012. Part 5. P. 136—138. [in Russian]
6. Scherbatyuk A. P. Analysis of the impact of terrain and temperature inversions on atmospheric air pollution in the cities located in the regions with sharply continental climate // Priority guidelines of science and technology development: VIII All-Russian scientific-practical conference. Tula: TulGU, 2010. P. 5—9. [in Russian]
7. Shchebatyuk A. P. Analysis of atmospheric air pollution of cities with gas-fired (OG) internal combustion engines (ICE) of cars, where the concentrations of impurities exceed the maximum permissible concentration (MPC) // Kulagin Readings: XI International scientific-practical conference. Chita: ZabGU, 2011. Part 3. P. 171—173. [in Russian]
8. Lukanin V. N., Trofimenko Yu. V. Industrial-transport ecology. Moscow, 2003. P. 174. [in Russian]
9. Nowak D. J., Crane D. E., Stevens J. C. Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States // Urban Forestry & Urban Greening. 2006. Vol. 4. P. 115—123.
10. Widlowski Jean-Luc, Verstraete M., Pinty B., Gobron N. Allometric Relations of Selected European Tree Species EUR 20855. EC Joint Research Center, TP 440 I-21020 Ispra (VA), Italy. 2003. 70 p.
