CC BY
16
УДК 556.18:504.06 + 556.51
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© 2013 г. В.Л. Бондаренко, В.Б. Дьяченко, А.В. Федорян
Новороссийская морская государственная Novorossiysk Maritime State
академия Academy
В концептуальном методологическом плане рассматривается системный подход при оценке воздействия строительства на окружающую среду в пределах бассейновой геосистемы. На основе закона сохранения мощности и второго начала термодинамики получены зависимости, позволяющие делать оценку уровня энергетического воздействия на окружающую природную среду и устанавливать тенденцию функционального развития системы «природная среда - объект деятельности - население».
Ключевые слова: природная среда; объект деятельности; население; мощность; энергия.
In the conceptual methodological plan the system approach in an estimation of influence of water basins on an environment is considered within the limits of pools of the rivers. Using the law of preservation of capacity and the second beginning of thermodynamics, the dependences are received, allowing to do an estimation of a level of power influence of a water basin on surrounding natural environment and to establish the tendency of functional development of system «the Water basin - the Surrounding natural environment».
Keywords: natural area; object activity; population; power; energy.
Природоохранное законодательство обязывает выполнять эколого-экономическое обоснование при строительстве предприятий, зданий и сооружений на территории Российской Федерации. Такое обоснование должно предшествовать принятию решения об инвестициях в реализацию проекта. Но применительно к водохранилищным гидроузлам недостаточно только расчета эффективности проекта. Важна стратегия управления при определенном уровне надежности и безопасности, что достаточно сложно в реализации, так как имеется вероятностная компонента - несовершенство гидрологического прогноза. Для уже эксплуатируемых объектов имеется еще одна тревожная компонента - сроки эксплуатации, существенно превышающие проектные. Как оценить реальное состояние объекта без разрушения его целостности? Какая система мероприятий должна быть назначена, чтобы вывести параметры надежности и безопасности объекта на требуемый уровень?
Наличие водохранилищ в геосистемах вносит определенные изменения в естественные процессы взаимодействия природных (биотических и абиотических) компонентов, в частности в формирование речного стока.
Нами предлагается энерго-энтропийный подход в оценке воздействия водохранилища на окружающую природную среду, который базируется на законах природы и принципах устойчивого развития (функционирования) природно-технических систем (ПТС) «природная среда - объект деятельности - население»
(«ПС-ОД-Н») с учетом жизненно важных интересов человека.
В системном понимании причиной возникновения различного рода проблем и кризисных ситуаций в функционировании ПТС «ПС-ОД-Н», где под ОД понимается водохранилищный гидроузел, является рассогласованность во взаимодействии отдельных компонентов системы. Для изучения процессов взаимодействия водохранилища с природными компонентами (биотическими, абиотическими) окружающей среды используется закон сохранения мощности, который позволяет рассматривать такую систему как целостную, динамичную, устойчиво неравновесную и обладающую свойством изоморфизма на всех уровнях.
В соответствии с законом сохранения мощности в указанных системах неустойчивое равновесие преодолевается переходом на другой, качественно новый уровень функционального развития с расширением пространственно-временных границ. Примерами неустойчивого равновесия для систем «водохранилище -окружающая природная среда» может являться аварийная ситуация, связанная с переполнением объема водохранилища и последующим переливом через гребень плотины, разрушением напорного фронта и переходом системы в новые пространственно-временные границы, или полным заилением чаши водохранилища.
Необходимо отметить, что сохраняться может не только «застывшее и неизменное», но и тенденция, например, тенденция происходящих изменений в
системе. Так, если тенденция изменений сохраняется на определенном периоде времени эксплуатации водохранилища, то можно говорить о закономерности устойчивого развития или функционирования данного объекта. А если будет установлена аналитическая связь этого правила с законами сохранения, то такая закономерность приобретает статус закона движения или изменения.
В процессах взаимодействия природных и техногенных компонентов системы «водохранилище - окружающая природная среда» объединяющим началом выступает закон сохранения полной мощности (^полн), в соответствии с которым любое изменение «полезной» мощности (Р) компенсируется изменением мощности «потерь» (Э):
^олн = P + О^Т5].
Система «водохранилище - окружающая природная среда» (рисунок) объединяет в себе два сопряженных непрерывно протекающих процесса - это активное воздействие окружающей природной среды в пределах бассейновой геосистемы на формирование энергетического потенциала водохранилища и воздействие водохранилища полученным потенциалом мощности на окружающую среду в зонах влияния данного техногенного объекта.
P
Рис. 1. Энергетический баланс системы «водохранилище - окружающая природная среда»
Окружающая природная среда сообщает водохранилищу потоки энергии, которые формируют полную мощность на входе (^олн) или потенциальную возможность системы:
^олн = (г), ^5г5].
1
Ресурсы, накапливаемые в водохранилище, используются в течение периода времени т П = 1 год при выполнении функциональных задач, задаваемых проектными решениями. Водохранилище, затрачивая поток полезной мощности (Р) в течение периода времени т0 = 1 год, выполняет функциональные задачи и воздействует на окружающую природную среду, теряя определенное количество потока мощности (Э) от полной мощности (^олн) на входе в систему, которая определяется по формуле
N = N + N +N
1 уполн 1 усолн 1 увод 1 увещ?
где NсORH - потоки мощности от солнечной радиации, которые определяются в зависимости от радиацион-
ной интенсивности, усваиваемой поверхностью водотока (реки) в фоновом рассмотрении и при наличии водохранилища.
Nсолн _ Есолн/фон ИЛИ Nсолн _ Есолн/прог.
Следовательно, система «водохранилище - окружающая природная среда», в пределах бассейновой геосистемы водного объекта, вносит определенные изменения во взаимодействия природных компонентов (биотических и абиотических), которые в энерго-энторпийном отношении характеризуются диссипа-тивными и антидиссипативными процессами. Если при наличии водохранилища в окружающей его природной среде будут происходить изменения с тенденцией увеличения или роста диссипативных процессов, то можно говорить о негативном воздействии техногенного объекта на окружающую среду и жизненно важные интересы человека. Такие изменения сопровождаются, как правило, снижением уровня экологической безопасности в зоне действия техногенного объекта - водохранилища.
Следует указать, что в обобщенном понимании все сложные системы, к каковым относятся ПТС «ОД - Н», включая объект деятельности (ОД) и население (Н), ведут себя одинаково и функционируют в соответствии со вторым законом термодинамики [1]. Но утверждение, что любая система неуклонно только деградирует, может быть опровергнуто тем, что в природе наблюдаются и процессы самоорганизации и, соответственно, роста упорядоченности. Подтверждением этому являются теоретические исследования Ларса Онсагера [Lars Onsager], Ильи Пригожина [2] и др., которые подтвердили универсальность второго закона термодинамики. В строгом понимании второй закон термодинамики применим только к системам, которые находятся в состоянии равновесия, когда масса, энергия и конфигурация системы не изменяются или перестали изменяться. Но в реальности применительно к рассматриваемым ПТС мы наблюдаем изменения не только в природных средах - атмосфере, гидросфере, геологической среде, почвенном покрове, но и в ОД, который эксплуатируется не один десяток лет.
Если второй закон термодинамики универсален, как это утверждается современными исследованиями в теории термодинамики, то он может быть использован в изучении ПТС, представляющих собой локальные пространственные пределы природной среды, границы которых определяются зонами влияния ОД [2]. Возникает вопрос, как действует второй закон термодинамики в ПТС?
В открытых природных системах (ПС), где протекают процессы взаимодействия биотических и абиотических компонентов между собой при непрерывном поступлении потоков солнечной энергии, наблюдается эволюционное развитие многообразных экосистем
в пределах бассейновой геосистемы. В ПТС ОД вносит определенные изменения в естественные процессы природной среды, которые могут вызвать как деградацию, так и сбалансированное взаимодействие ОД с ПС и Н, которое характеризуется динамическим равновесием. Второй закон термодинамики объясняет, почему последовательность равновесных состояний не может быть необратимой и почему система не может вернуться в первоначальное состояние, к примеру до внедрения ОД, не получив определенное количество энергии из окружающей среды в виде определенных восстановительных мероприятий. В качестве необратимости, второй закон термодинамики вводит понятие энтропии (5). Энтропия - это величина, скорость роста которой обусловливает интенсивность процессов преобразования форм энергии. Наблюдение скорости роста энтропии позволяет определять направление эволюционного развития системы, которое неотъемлемо связано с процессами изменения и сохранения. Обеспечение снижения темпов роста энтропии в той или иной системе достигается постоянным и эффективным рассеиванием легко используемой энергии (энергии солнца, пищи и т.п.) и преобразование ее в энергию наиболее стабильной формы - тепловую. Обычно энтропию рассматривают как степень неупорядоченности системы, но в реальности это может ввести в определенное заблуждение. На основе результатов исследований, проведенных в НГМА, в структуре ПТС целесообразно выделять образующие компоненты - природные и техногенные в пределах зон влияния ОД. Так, в сложных ПТС в качестве природных и техногенных компонентов в виде отдельных подсистем рассматриваются: климатические характеристики; приземные слои атмосферы; растительный мир; животный мир; гидрографическая сеть, в которой формируется сток (поверхностный, подземный); геологическая среда верхних слоев литосферы; ОД как центральный компонент рассматриваемой системы; население, которое проживает в зоне влияния ОД. Следовательно, рассматриваемый класс ПТС базируется на восьми базовых компонентах, разделяемых на отдельные элементы, количество которых в каждой компоненте принимается в зависимости от решаемых задач.
Выделяемые элементы природных и технических компонентов рассматриваются как подсистемы более низкого иерархического уровня. Совокупные и коллективные свойства компонентов ПТС для удобства называются интегральными или системообразующими, а их количественная оценка - интегральными характеристиками соответствующих количественных показателей. Важной характеристикой ПТС считается ее структура, которая отражает множество связей, взаимодействий между компонентами и составляющими их элементами, имеющих существенное значение в процессах преобразования форм энергии внутри
системы, например энергии водного потока в электричество.
Для рассматриваемых ПТС энтропия характеризует степень состояния структурных образований - биотических, абиотических и техногенных компонентов. На каждое структурное образование природной среды ОД воздействует по-разному и соответственно энергоэнтропийное состояние будет разным.
Состояние как отдельных структурных образований, так и составляющих их элементов, в рассматриваемой ПТС определяется уровнем энтропии и балансовым соотношением свободной (Есвоб) и связной (Есвяз) частей энергии, которое выражается коэффициентом полезного действия (КПД - п) в виде:
П Есвоб / Еполн — 1 ,
где Еполн - полный поток энергии, поступающий в
систему, Еполн Есвоб - Есвяз-
Качественно, чем выше энтропия, тем в большем числе отдельные элементы и структурные образования ПТС могут находиться в состоянии тенденции роста неупорядоченности и соответственно связанной энергии (Есвяз), которая обусловливает снижение их функциональной надежности, выражаемой КПД использования качественной свободной энергии (Есвоб), например энергии водотока на ГЭС и т.п.
Энтропия ПТС характеризуется числом различных микросостояний рассматриваемых отдельных элементов и структурных образований в виде компонентов природных и технических, которые соответствуют определенному макросостоянию данной системы в пространственных пределах рассматриваемой бассейновой геосистемы. Математически энтропия есть произведение числа микросостояний (тмк) на логарифм этого числа. Изменения, происходящие в ПТС под воздействием процессов преобразования форм энергии, сопровождаются ростом энтропии, так как КПД - п = Есвоб/Еполн всегда меньше единицы, поскольку предшествующее состояние отличается от настоящего, т.е. имеется направленность протекающих процессов, что обусловливает «стрелу времени».
Изменение энтропии в неравновесных системах, соответственно, и в рассматриваемых ПТС, определяется известным уравнением Ильи Пригожина [2]:
dS _ deS diS dt dt dt
где dS - полное изменение энтропии в системе за период времени dt; diS - изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами внутри системы или производством энтропии; deS - энтропия, импортированная из окружающей внешней среды.
Согласно второму закону термодинамики, diS всегда положительна, а deS может быть как положительной, так и отрицательной величиной.
В общем случае необратимые изменения diS в ПТС связаны с потоками Сх в виде солнечной энергии или веществ (жидкого, твердого стока и т.п.) за время Л. Тогда изменение энтропии diS можно представить в виде diS = Fdx, где F - обобщенная (термодинамическая) сила, которая выражается в виде функций переменных - температуры, относительной влажности, концентрации веществ, действующего напора Нм и др.
Для рассматриваемых ПТС суммарные необратимые процессы выражаются как сумма всех изменений, вызванных потоками ск, что может быть представлено выражением
ЛБ = ^ - ск > 0 или — _Е —F > 0, dt dt
которое в обобщенном виде отражает второй закон термодинамики, где энтропия системы в каждом необратимом процессе определяется произведением Сх
силы F и потока J = —.
СХ
Методология изучения внутрисистемных процессов ПТС базируется на теории открытых систем, которая была сформулирована И.Р. Пригожиным [2]. Исходя из концепции необратимости процессов были разработаны теоретические основы неравновесной нелинейной термодинамики, в которых понятие закрытых систем сменилось на принципиально иное базовое понятие открытой системы, имеющей способность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Согласно вышеизложенному, потоки энергии и внутреннее энергетическое состояние ПТС определяют уровень энтропии объекта. Поэтому одной из компонент является надежность - параметр, более всего интересующий проектировщиков и эксплуатационников. Уровень надежности отдельного конструктивного элемента или сооружения в целом зависит от множества различных по природе факторов. Основным базовым фактором является используемый строительный материал с его физико-механическими характеристиками, которые проявляются в процессе взаимодействия конструктивного элемента или сооружения с внешними потоками энергетического воздействия. Следовательно, под понятием надежность следует понимать запас внутренней энергии сопротивления обобщенным воздействиям подводимых потоков энергии, как на отдельные конструктивные элементы, так и сооружения в целом. Запасенная энергия в элементах сооружения в процессе функциональной эксплуатации преобразуется. Сбалансированность запасенной в сооружении энергии, определяемой напряжениями и подводимыми потоками энергии, определяемыми действующими нагрузками, выражается законом сохранения энергии:
Ег _ Е ,
1 _1
где Ег - формы энергии 1, 2, 3,..., п, подводимой к объекту; £^ - формы энергии 1, 2, 3,., п, запасенной
в сооружении; К/ - коэффициент преобразования, показывающий связь подводимой энергии типа г с запасенной энергией типа ].
Количественные значения напряжения и действующих нагрузок на конструктивные элементы и сооружения в целом определяются известными методами расчета, которые рекомендуются действующими СНиП.
Безопасность, например водоподпорного гидротехнического сооружения (ВГТС), оценивается по трем основным составляющим: экологическая, техническая и социально-демографическая.
Экологическая безопасность определяется уровнем вносимого ВГТС дисбаланса в процессы движения (обмена) потоков вещества, энергии и информации в различные иерархические уровни экосистем в рамках бассейновой геосистемы водного объекта.
Техническая безопасность ВГТС определяется уровнем риска (К) возникновения аварийных ситуаций на сооружениях и подразделяется на гидрологическую, гидравлическую, конструктивную, фильтрационную и русло-формируемую, которые исследуются самостоятельно, а в интегральном виде дают общий уровень безопасности гидроузла [3].
Социально-демографическая безопасность определяется уровнем социального дискомфорта населения, проживающего в зоне действия ВГТС (верхний и нижний бьефы).
Сложившаяся практика показывает, что разрешение социальных и экологических проблем в процессе эксплуатации ПТС зачастую требует принятия мер, снижающих показатели эффективности и надежности водохозяйственных объектов, например увеличения попусков воды в нижний бьеф для гарантии водоснабжения, или наоборот повышение уровня воды в водохранилище до критических отметок с целью максимального снижения паводкового расхода в нижний бьеф. При этом требования по социальной и экологической безопасности могут войти в противоречие с требованиями по надежности и эффективности ПТС, и дальнейшая его эксплуатация станет экономически невыгодной.
Для формирования тенденции устойчивого развития (функционирования) ПТС применяются критерии оптимизации, основанные на минимизации стоимости жизненного цикла 11, максимизации экономического эффекта 12, минимизации себестоимости продукции 13, максимизации рентабельности 14 :
Ij = K + M ^ min; I2 = D - (K + M) ^ max;
I=
C
K + M
min;
I=
П
К + М
max,
где К - расходы на строительство водохранилищно-го гидроузла; М - текущие эксплуатационные расходы на поддержание функционирования водохрани-лищного гидроузла; D - доход от эксплуатации во-дохранилищного гидроузла; С - стоимость произведенной продукции; П - прибыль.
Обеспечение устойчивого развития ПТС будет способствовать сохранению доминирования естественных процессов преобразований форм энергии над техногенными процессами взаимодействия ОД с природными средами.
Рассмотренный энерго-энтропийный подход дает возможность более качественно прогнозировать текущее состояние и будущее развитие сценариев событий в ПТС, которые широко используются в отечественной водохозяйственной практике и странах ближнего зарубежья.
Литература
1. Природообустройство: территории бассейновых геосистем : учеб. пособие / под общ. ред. И.С. Румянцева. Ростов н/Д., 2010. 528 с.
2. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М.; Л., 1960.
3. Дьяченко В.Б. Бондаренко В.Л. Теоретические основы
оценки уровня безопасности водоподпорных гидротехнических сооружений // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2001. Т. 3. № 2. С. 159 - 162.
Поступила в редакцию 29 октября 2012 г.
Бондаренко Владимир Леонидович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Природообустройство», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (863-5) 22-45-13. E-mail: [email protected]
Дьяченко Владимир Борисович - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Информатика», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (863-5) 22-45-64. E-mail: [email protected]
Федорян Алексей Валерьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Природообустройство», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (863-5) 22-45-13. E-mail: [email protected]
Bondarenko Vladimir Leonidovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Environmental Engineering», Novorossiysk Maritime State Academy. Ph. (863-5) 22-45-13. E-mail: [email protected]
Diachenco Vladimir Borisovich - Candidate of Technical Sciences, professor, head of department «Informatics», Novorossiysk Maritime State Academy. Ph. (863-5) 22-45-64. E-mail: [email protected]
Fedorian Aleksei Valerievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Environmental Engineering», Novorossiysk Maritime State Academy. Ph. (863-5) 22-45-13. E-mail: [email protected]
