Размыв модельного грунта из сферических частиц Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УЕБТЫНС

мвви

БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

ГЕОЭКОЛОГИЯ

УДК 620/91 + 711

О.О. Егорычев, И.В. Дуничкин

ФГБОУВПО «МГСУ»

ВОПРОСЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗАСТРОЙКИ1

Освещены вопросы прогнозирования микроклимата города на примере г Москва. Рассмотрена климатическая структура такого города как Москва. Указана взаимосвязь ветрового режима с климатическими и градостроительными факторами. Представлены возможные подходы к оценке ветроэнергетического потенциала застройки. Проанализирован зарубежный опыт и классификация факторов, влияющих на размещение ветроэнергетических установок. Приведены различные примеры размещения малых ветроэнергетических установок мощностью 1 кВт и подходы к проектированию модифицированных проектных решений застройки. Указана возможность детализации данных микроклимата о ветровом режиме для размещения ветроэнергетических установок с учетом городского благоустройства и озеленения. Рассмотрен вопрос первичной привязки ветроэнергетических установок в застройке на основе ветроэнергетического потенциала зданий и территории.

Ключевые слова: микроклимат, ветровой режим, ветроэнергетический потенциал, малые ветроэнергетические установки.

Прогноз микроклимата в городской застройке необходим не только для регулирования температурно-влажностного режима, загазованности и запыленности воздуха, обоснования плотности жилого фонда, повышения эффективности использования территории города и др., а также для многофакторной оценки ветроэнергетического потенциала городской застройки и территории [1]. В коллективных работах О.И. Поддаевой и других авторов указывается один из основных критериев оценки ветроэнергетического потенциала: «информация о среднегодовых скоростях ветра по территории позволяет сориентироваться на перспективную выработку электроэнергии...» [2] и вероятные реальные условия, в которых методики оценки микроклимата применимы для принятия решения об эффективности работы ветроэнергетических установок: «застойные зоны воздуха свидетельствуют о неэффективности размещения ветроэнергетических установок, в первую очередь горизонтально-осевого типа» [3, с. 225]. Поэтому для принятия решения по объектам на локальном уровне необходимо среднегодовые скорости ветра анализировать совместно с другими факторами микроклимата. В связи с этим требуется определять взаимосвязь ветрового режима с объектами городской среды, физико-техническими

1 В рамках ГК 16.552.11.7064 от 13.07.2012 г

факторами, формирующими климат на всех уровнях. Это влечет, в свою очередь, необходимость представления схемы их взаимодействия как основы для оценки ветроэнергетического потенциала. В качестве модели воздушного пространства поселений использована разработка в виде двухъярусной структуры на основе трудов Ф.Л. Серебровского (рис. 1) [4, с. 34].

В [5, с. 120] П.П. Коваленко дополнил эту схему трехступенчатой градацией шероховатости подстилающей поверхности (макро-, мезо-, микро-), которым в нижнем приземном ярусе воздушных масс соответствуют основные уровни аэрационного режима как слагающие микроклимата, являющиеся исходными данными для оценки ветроэнергетического потенциала. Скорость и направление движения воздушных масс формируется под влиянием факторов географической среды только выше границы нижнего (приземного) яруса.

Свободная атмосфера > 1000...1500 м

Верхний ярус воздушных масс > 50...200 м; < 1000... 1500 м

Нижний (приземный) ярус воздушных масс < 50...200 м МАКРОУРОВЕНЬ > 25 м; < 50...200 м ¡rh i—i

Рис. 1. Схема воздушных пространств поселений (по Ф.Л. Серебровскому)

Анализ воздушного пространства над городом показывает, что его можно представить как различные слои — верхние (до 1000 м) и нижние (до 200 м). Зона открытого движения воздуха представлена верхними слоями. Зона движения воздуха с препятствиями представлена нижними слоями. Они делятся на макроуровень, мезоуровень и микроуровень:

до 200 м над поверхностью земли оказывает влияние в основном высокоэтажная застройка (например, башенного типа) — это макроуровень;

до 25 м над поверхностью земли оказывает влияние вся застройка (высокоэтажная, среднеэтажная, частично малоэтажная) — это мезоуровень;

до 3 м над поверхностью земли оказывают влияние высокоэтажная, сред-неэтажная и малоэтажная застройки, а также элементы благоустройства и озеленение — это микроуровень.

Здесь можно сделать вывод о том что, каждый городской объект влияет на ветровой режим на соответствующем уровне, испытывая при этом на себе воздействие от этих уровней в зависимости от градостроительной организации пространства.

В [6] дана обобщенная оценка ветрового климата г. Москвы: «.... поле скорости над городом почти всегда имеет сложную структуру. Даже в том случае, когда погодная ситуация максимально проста (например, безоблачное небо и слабый ветер в центре обширной зоны высокого давления), небольшие локальные различия в свойствах подстилающей поверхности, к которым относятся формы рельефа, параметры застройки, вызывают неупорядоченные воздуш-

ные течения. Поэтому широкие обобщения о влиянии городов на ветровой режим, встречающиеся в литературе, могут быть, в лучшем случае, отправными точками для понимания механизмов этого влияния» [6, с. 80]. Эта оценка еще раз подтверждает необходимость структурировать ветроэнергетический потенциал в соответствии с системой уровней городского климата. Таким образом, систематизация элементов воздушной среды позволяет в дальнейшем выполнять уровенную оценку ветроэнергетического потенциала.

Для решения вопроса прогнозирования микроклимата необходимо отметить, что Москва является городом «двух сезонов», поэтому при архитектурно-климатическом анализе обычно решается одновременно 2 задачи: защита от ветра и холодового стресса в зимнее время и обеспечение аэрации и комфортных микроклиматических условий летом. Хотя, анализируя современную проектную практику, следует отметить, что она не соответствует в полной мере классическим рекомендациям ЦНИИП градостроительства и зарубежных ученых [7—9]. Возникает вопрос о поиске инструмента учета в практике проектирования результатов прогнозирования микроклимата для оценки ветроэнергетического потенциала, а в связи с этим — еще одна задача, относящаяся ко всем сезонам года, — определение оптимальных мест для расположения малых ветроэнергетических установок.

Этапами учета природно-климатических условий при планировке новой и реконструкции существующей застройки являются:

выявление комплекса природно-климатических и градостроительных факторов и установление их взаимосвязи применительно к конкретной стадии строительного проектирования и градостроительной ситуации;

проведение оценки по комплексу выявленных природных факторов; разработка системы требований по защите городской среды от неблагоприятного воздействия природных условий;

разработка предложений по рациональному использованию природных ресурсов, а именно энергии ветра и солнца;

разработка градостроительных и архитектурно-строительных решений, обеспечивающих практическую реализацию выявленных требований.

Градостроительное освоение территории вызывает целый ряд последствий в мезо- и микроклиматической обстановке местности. Их причиной является изменение условий мезо- и микромасштабной циркуляции атмосферного воздуха в результате появления новых строительных объемов, изменение теплового баланса за счет эмиссии техногенного тепла и изменения альбедо (отражательной способности) подстилающей поверхности, повышается коэффициент поверхностного стока с застраиваемой территории и т.д. В результате исследований учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций ФГБОУ ВПО «МГСУ» были выявлены в более мелком масштабе наиболее значимые микроклиматические процессы, которые состоят:

в изменении условий инсоляции территории, учитываемых при расположении фотоэлектрических панелей в застройке;

образовании зон устойчивого снижения скорости ветра, с загрязненным воздухом;

6/2013

формировании зон теплового дискомфорта — перегрева летом и переохлаждения зимой;

образовании зон усиления скорости ветра при определенных его направлениях на границе застройки, оптимальных для расположения малых ветроэнергетических установок.

Таким образом, получение информации о расположении в пространстве сезонных зон усиления ветра позволяет переходить к оценке ветроэнергетического потенциала для размещения малых ветроэнергетических установок.

Характерные примеры расположения ветроэнергетических установок в пространстве городской застройки можно рассмотреть в работе М. Дж. Даффи (рис. 2—5) [10].

Рис. 2. Визуализация малых ветроэнергетических установок CATIA V5 на углу знания («Figure 8-1: CATIA V5 render of building corner mounted small wind turbines») [10, pp.

31—33, 78]

Рис. 3. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на стене знания («Figure 8-2: CATIA V5 render of building wall mounted small wind turbines») [10, pp. 31—33, 78]

Рис. 4. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на мачте городского освещения («Figure 8-5: CATIA V5 render of street light pole mounted small wind turbines») [10, pp. 31—33, 78]

Рис. 5. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на крыше здания («Figure 11-6: A CATIA V5 render of various mounting configurations for a small wind turbine on a building, including mounting to the walls and corners») [10, pp. 31—33, 78]

Приведенные выше рисунки демонстрируют возможность метрического расположения ветроэнергетических установок, что позволяет при прогнозе микроклимата оценивать ветроэнергетический потенциал с учетом рядно-метрического размещения оборудования. Однако в российских условиях ряд факторов также будет влиять на размещение оборудования, а значит на точность оценки ветроэнергетического потенциала. Согласно Т.В. Прохоровой «основ-

ными факторами влияющими на размещение ветроэнергетической установки на зданиях вляются следующие:

климатический фактор (скорость ветра в нижнем ярусе воздушных масс, использование карт ветровой обстановки);

ветровой режим (скорость ветра на мезоуровне городской среды, данные метеостанций);

планировочная ситуация застройки (скорость ветра на локальном уровне городской среды, данные численного моделирования и физические эксперименты);

экологические ограничения (взаимовлияние ветроэнергетической установки аэрационного режима и распределения загрязненных масс воздуха, шумовое загрязнение);

архитектурно-конструктивные ограничения (конструктивная схема и несущая способность конструкций);

архитектурно-эстетические ограничения (целостность композиции здания и ветроэнергетической установки);

подобное комплексное ориентирование позволяет вести дальнейшую разработку типологии по энергетической автономности» [11, с. 125].

Таким образом, складывается типологическая взаимосвязь между факторами микроклимата, комплексно взаимодействующими с ветроэнергетическим потенциалом застройки и территории города, в которую необходимо добавлять конструктивные условия самой застройки и конструктивные ограничения малых ветроэнергетических установок, а также требования безопасности [12]. Подводя итог, следует отметить, что по обобщенной оценке на основании прогноза микроклимата, например г. Москвы, первоочередные объекты исследования — это башенная и разноэтажная застройка, в которой наблюдается повышение ветроэнергетического потенциала. Наиболее часто это встречается при расстановке зданий, в которой низкое здание, встречающее поток воздуха, расположено перед следующим за ним высоким, так как это связано с увеличением турбулентности воздушного потока [13]. Корректировка методов оценки ветроэнергетического потенциала согласно проанализированным материалам позволит не только оценить потенциал застройки и территории, но и детализировать эти данные для благоустройства и озеленения. Это даст возможность рассмотреть целесообразность размещения ветроэнергетических установок. Так может выполняться первичная привязка ветроэнергетических установок в застройке.

Библиографический список

1. Climate booklet for urban development: references for zoning and Planning. Baden-Wurttemberg Innen Ministerium, Stuttgart, 2004.

2. Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Кочанов О.А. Основные подходы к исследованию возобновляемых источников энергии как энергетического потенциала территорий и застройки // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 221—228.

3. Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Прохорова Т.В. Влияние пространственной организации реконструируемой жилой застройки на ветроэнергетический потенциал среды // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 221—228.

4. Серебровский Ф.Л. Аэрация населенных мест. М. : Стройиздат, 1985. 170 с.

5. Коваленко П.П., Орлова Л.Н. Городская климатология. М. : Стройиздат, 1993. 144 с.

6. Город, архитектура, человек и климат / М.С. Мягков, Ю.Д. Губернский, Л.И. Конова, В.К. Лицкевич ; под ред. М.С. Мягкова. М. : Архитектура-С, 2006. 320 с.

7. Руководство по оценке и регулированию ветрового режима жилой застройки. М. : ЦНИИП градостроительства, 1986.

8. Lawson T.V. The Wind Content of the Built Environment // Journal of Industrial Aerodynamics, 3. 1978. Pp. 93—105.

9. Oke T.R. Street Design and Urban Canopy Layer Climate // Energy and Buildings, Vol. 11. 1988. Pp. 103—113.

10. Duffy M.J. Small wind turbines mounted to existing structures. Thesis for the Degree of Master of Science in Aerospace Engineering. Georgia Institute of Technology. Atlanta. USA. 2010. P. 105.

11. Прохорова Т.В. Особенности и перспективы развития ветроэнергетики в урбанизированной среде // Вестник Поволжья. 2013. № 2. С. 121—128.

12. Лазарева И.В. Urbi et orbi. Пятое измерение города // Тр. РААСН. Сер. Теоретические основы градостроительства. М. : ЛЕНАНД, 2006. 80 с.

13. Ghiaus С., Allard F., Santamouris M., Georgakis C., Nicol F. Urban environment influence on natural ventilation potential //Building and Environment, Volume 41, Issue 4. 2006. рp. 395—406.

Поступила в редакцию в мае 2013 г.

Об авторах: Егорычев Олег Олегович — доктор технических наук, научный консультант учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];

Дуничкин Илья Владимирович — кандидат технических наук, заместитель руководителя учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций, доцент кафедры проектирования зданий и градостроительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].

Для цитирования: Егорычев О.О., Дуничкин И.В. Вопросы прогнозирования микроклимата городской среды для оценки ветроэнергетического потенциала застройки // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 123—131.

O.O. Egorychev, I.V. Dunichkin

CLIMATE PROJECTIONS FOR THE URBAN ENVIRONMENT IN THE ASSESSMENT OF THE WIND ENERGY POTENTIAL OF BUILDINGS

Moscow climate is applied by the authors to study particular issues of climate projections. As part of the research, the authors developed the climatic structure of Moscow. The authors identified the interrelation between climatic and urban planning factors, on the one hand, and wind conditions, on the other hand. The urban climate is essential from the viewpoint of temperature, humidity, gas concentration, and air pollution. Any research into the urban climate includes the study of the residential housing density, efficient use of urban facilities, as well as the multi-component assessment of the wind energy potential.

Any climate projections are based on the fact that Moscow is a city of the "two seasons"; therefore, any architectural and climatic analysis is employed to resolve two problems at the same time: one problem consists in the protection from wind and cold stress in winter, and the other one consists in the aeration and development of comfortable conditions in summer. The analysis of contemporary design solutions has proven that contemporary urban designers do not follow all scientific recommendations. The objective of the research is to develop the instrument that will make it possible to take account of climate projections in the assessment of the wind power potential. The practical objective is the identification of optimal locations of small wind turbines.

The relationship between the wind pattern and urban planning factors is analyzed in the article. The authors provide approaches to the assessment of the wind energy potential of cities on the basis of the analysis of the international experience and classification of factors influencing the positioning of wind turbines. They also demonstrate various examples of arrangement of small wind turbines with a capacity of 1 kW. Moreover, the authors provide advanced design solutions for wind turbines. This publication is made within the framework of State Contracts 16.552.11.7064, 13.07.2012.

Key words: microclimate, wind pattern, wind energy potential, small wind turbines.

References

1. Climate Booklet for Urban Development: References for Zoning and Planning. Baden-Wurttemberg Innen Ministerium, Stuttgart, 2004.

2. Poddaeva O.I., Dunichkin I.V., Kochanov O.A. Osnovnye podkhody k issledovaniyu vozobnovlyaemykh istochnikov energii kak energeticheskogo potentsiala territoriy i zastroyki [Basic Approaches to Research into Renewable Sources of Energy as the Energy Potential of Territories and Built-up Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 221—228.

3. Poddaeva O.I., Dunichkin I.V., Prokhorova T.V. Vliyanie prostranstvennoy organi-zatsii rekonstruiruemoy zhiloy zastroyki na vetroenergeticheskiy potentsial sredy [Effect of Spatial Organization Patterns of Restructured Residential Housing Areas on the Wind Energy Potential of the Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 221—228.

4. Serebrovskiy F.L. Aeratsiya naselennykh mest [Aeration of Populated Areas]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1985, 170 p.

5. Kovalenko P.P., Orlova L.N. Gorodskaya klimatologiya [Urban Climatology]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1993, 144 p.

6. Myagkov M.S., Gubernskiy Yu.D., Konova L.I., Litskevich V.K.; Myagkov M.S., editor. Gorod, arkhitektura, chelovek i klimat [City, Architecture, Man, and Climate]. Moscow, Arkhitektura-S Publ., 2006, 320 p.

7. Rukovodstvo po otsenke i regulirovaniyu vetrovogo rezhima zhiloy zastroyki [Guidebook for Assessment and Regulation of the Wind Regime of Residential Areas]. Moscow, TsNIIP gradostroitel'stva publ., 1986.

8. Lawson T.V. The Wind Content of the Built Environment. Journal of Industrial Aerodynamics. 1978, no. 3, pp. 93—105.

9. Oke T.R. Street Design and Urban Canopy Layer Climate. Energy and Buildings. 1988, vol. 11, pp. 103—113.

10. Duffy M.J. Small Wind Turbines Mounted to Existing Structures. Georgia Institute of Technology. USA, Atlanta, 2010, 105 p.

11. Prokhorova T.V. Osobennosti i perspektivy razvitiya vetroenergetiki v urbanizirovan-noy srede [Features and Prospects for Development of Wind Energy Generation in Urbanized Areas]. Vestnik Povolzh'ya [Proceedings of the Volga Regions]. 2013, no. 2, pp. 121—128.

12. Lazareva I.V. Urbi et orbi. Pyatoe izmerenie goroda [Urbi et orbi. Fifth Urban Dimension]. Tr. RAASN. Ser. Teoreticheskie osnovy gradostroitel'stva. [Works of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences. Theoretical Fundamentals of Urban Planning]. Moscow, LENAND Publ., 2006, 80 p.

13. Ghiaus S., Allard F., Santamouris M., Georgakis C., Nicol F. Urban Environment Influence on Natural Ventilation Potential. Building and Environment. 2006, vol. 41, no. 4, pp. 395—406.

About the authors: Egorychev Oleg Olegovich — Doctor of Technical Sciences, Research Advisor, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];

Dunichkin Il'ya Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Deputy Director, Training, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Associate Professor, Department of Design of Buildings and Urban Development, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].

For citation: Egorychev O.O., Dunichkin I.V. Voprosy prognozirovaniya mikroklimata gorodskoy sredy dlya otsenki vetroenergeticheskogo potentsiala zastroyki [Climate Projections for the Urban Environment in the Assessment of the Wind Energy Potential of Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 123—131.

УДК 628.4

Е.В. Орлов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕШЕНИЯ ПРИ СОВМЕСТНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИСТЕМ МУСОРОУДАЛЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ В СОВРЕМЕННЫХ ЖИЛЫХ ДОМАХ

В современных домах проблемы ресурсосбережения выходят на первое место в таких системах, как канализация и мусороудаление. Рассмотрены варианты совместной работы канализации и мусороудаления по сплаву органического мусора из жилых зданий. Приведены компоновочные схемы и элементы. Показаны основные преимущества таких решений с учетом современных требований.

Ключевые слова: мусороудаление, канализация, гидравлический затвор, измельчитель, мусоропровод, загрузочный клапан, очистное устройство, биогаз.

При строительстве современных жилых зданий все чаще применяют ресурсосберегающие решения. Это обусловлено стремлением жить в ногу со временем, а также необходимостью сохранения ценных ресурсов, которые ранее безвозвратно терялись при эксплуатации инженерных систем в домах (тепло, вода и т.д.). Не стоит также забывать, что забота о защите окружающей среды даже в масштабах отдельного дома — это вклад в поддержание экологического равновесия во всем мире.

Система канализации здания предназначена для удаления стоков, образующихся в результате санитарно-гигиенических процедур, хозяйственной и производственной деятельности человека, а также атмосферных и талых вод. Система удаляет загрязнения в жидком и частично твердом состоянии (сточные воды) [1].

Твердые отходы подразделяются на минеральные (пластик, стекло и т.д.) и органические, подвергающиеся гниению (пищевые отбросы). В многоквартирных зданиях такие отходы удаляют с помощью мусоропроводов [2].

В последние несколько десятков лет остро встала проблема захоронения твердых бытовых отходов, которая вызывает все больше опасений. Это связано, прежде всего, с загрязнением верхнего слоя Земли, а также природных подземных и поверхностных вод [3]. Поэтому в последнее время предлагается один из вариантов решения проблемы — раздельный сбор отходов с последующей переработкой, что даст возможность использовать заново, казалось бы, ненужное сырье [4]. Но каким образом можно реализовать решение данной проблемы на практике, а не в теории?

Разделять мусор в многоэтажных домах города, оборудованного мусоропроводами, на настоящий момент не представляется возможным, так как в мусоропровод кидают самые разные отходы, которые попадают в один контейнер. Этот контейнер потом увозится мусоровозом на свалку и, естественно, сортировкой отходов никто не занимается [5].

Совсем недавно российская фирма ООО «Прана», занимающаяся системами мусороудаления жилых домов, предложила один из вариантов раздельного сбора мусора, предполагающий изменение конструкции мусоропроводов [6].

Конструктивное решение заключается в возможности установки в мусоросбор-ной камере на специальном механизме в виде карусели отдельных контейнеров для определенного вида мусора (стекло, пластик, бумага и т.д.), поворачивающиеся с помощью специальной автоматики. Житель дома выходит выкидывать разные виды мусора, подходит к загрузочному клапану мусоропровода, рядом с которым установлен специальный автоматический пульт управления для карусели с контейнерами. Житель нажимает на кнопку, которая соответствует определенному типу отходов (бумага), и карусель, двигаясь, подставляет под ствол мусоропровода нужный контейнер, который будет принимать только бумагу. Затем он открывает загрузочный клапан, кладет туда бумагу, закрывает его, и она, падая по стволу вниз, попадает в определенный контейнер для сбора макулатуры. Точно такие же действия необходимо проделать для других видов мусора. Идея достаточно интересна, правда пока в коммерческую эксплуатацию она не пошла из-за малого размера большинства мусоросборных камер, так что разместить там несколько разных контейнеров пусть даже и небольшого объема не всегда представляется возможным. К тому же раздельный сбор отходов у нас пока не закреплен законодательно, что затрудняет организацию таких систем. Естественно, принять такую систему у людей с нашим менталитетом проблематично, особенно повсеместно.

Раздельный сбор отходов в специальные контейнеры по видам (бумага, стекло, пластик и т.д.), устанавливаемые на лестничных клетках жилых домов, которые потом должны увозиться соответствующими службами, тоже вызывает много вопросов. Некоторое время назад проводился эксперимент по такому сбору отходов в одном доме. Естественно, многие просто не примут такую систему в силу сложившегося менталитета.

Организацию раздельного сбора мусора по видам затрудняет отсутствие определенного закона, а также нежелание строить мусороперерабатывающие заводы. Сейчас таких заводов в стране очень мало. Более перспективным и реальным на сегодняшний день видится раздельный сбор органических (пищевых) и минеральных отходов.

В настоящее время во многих развитых странах, например США, для удаления органических отходов (пищевые отбросы) с успехом используют внутреннюю систему канализации жилых домов. Для этого на каждой кухне, где происходит образование органических отбросов, на выпуске у мойки устанавливают специальный прибор, который называется измельчителем пищевых отходов [7]. Принцип этого прибора достаточно прост, пищевые отходы в нем измельчаются, после чего можно, включив смеситель или кран, смыть измельченные фракции водой во внутреннюю канализационную сеть здания. Таким образом, применение данного устройства позволяет жителям беспрепятственно избавляться от органических отходов, что способствует лучшему санитарно-гигиеническому состоянию жилища (отсутствие неприятных запахов, грязи). Прибор имеет свои недостатки, например, в нем нельзя измельчать все виды пищевых отходов. Овощи жилистой структуры, такие как сельдерей, не поддаются дроблению. Дополнительное неудобство создает шум при работе.

В нашей стране такой метод удаления органических отходов себя не зарекомендовал, поскольку такой способ удаления мусора законодательно не предусмотрен. В России для удаления органических отходов используются мусоропроводы или уличные контейнеры. К тому же прибор стоит достаточно

дорого (примерно 15...25 тыс. р.), что не придает ему популярности. Однако применение внутренней канализации совместно с системами мусороудаления для удаления органических отходов из жилых зданий может быть актуальным и осуществимым в нашей стране.

Для решения перечисленных проблем по удалению загнивающего мусора из жилых домов предлагается организовать совместную работу систем мусо-роудаления и канализации жилого дома. Для этого необходим пересмотр строительных норм по проектированию мусоропроводов, а также мусоросборных камер [8].

Предлагается создать систему для вновь строящихся зданий, где размер мусоросборной камеры будет достаточен для размещения нужных конструктивных решений (не менее 8.10 м2). Это возможно, так как очень часто большой холл при входе в подъезд в жилых домах не используется. В новом здании необходимо предусмотреть проектом два ствола мусоропровода на подъезд, один из которых будет служить для приема только органических отходов, а другой — минеральных. По статистике объем органических отходов составляет в среднем 30.35 % от общего количества отходов, поэтому можно установить ствол меньшего диаметра (менее 450 мм).

Мусоросборные камеры будут отличаться друг от друга. Мусоропровод для приема минеральных отходов будет иметь стандартную мусоросборную камеру (рис. 1). Мусоропровод для приема органических отходов должен иметь более просторную мусоросборную камеру, куда предлагается установить специальный контейнер, соединенный с дробилкой, производящей полное измельчение пищевых и кухонных отбросов. Дробилку предлагается соединить с сетью внутренней канализации здания. Она должна измельчать все виды органических отбросов, поэтому предлагается взять за основу механическое измельчение лезвиями, как в механическом измельчителе отходов (рис. 2) [8].

Рис. 1. Мусоросборная камера жилого дома в Москве

б

7

Рис. 2. Проектирование двух мусоропроводов в одном подъезде: 1 — вход в му-соросборную камеру по приему минеральных отбросов; 2 — падающий минеральный мусор; 3 — ствол мусоропровода для приема минеральных отбросов; 4 — тележка для приема минеральных отбросов; 5 — дверь в подъезд; 6 — козырек подъезда; 7 — внутренняя канализации, соединенная с дробилкой; 8 — гидравлический затвор; 9 — дробилка для органических отбросов; 10 — контейнер для приема органических отбросов; 11 — падающий органический мусор; 12 — вход в мусоросборную камеру по приему органических отбросов; 13 — ствол мусоропровода для приема органических отбросов

Мусоропровод для приема органических отходов работает следующим образом. Вначале пустой контейнер для мусора в мусоросборной камере заполняется органическими отходами в течение дня. Вечером специальный обслуживающий персонал перегружает органические отбросы в дробилку. Во время дробления отходов автоматически подается объем воды от внутреннего водопровода, необходимый для смывания измельченных фракций во внутреннюю канализационную сеть здания. В месте присоединения дробилки к внутренней канализации трубопровод должен иметь большее пропускное сечение, чем по всей длине. Также дробилка должна быть оснащена гидравлическим затвором, который будет препятствовать попаданию неприятных запахов из внутренней канализационной сети в мусоросборную камеру.

После опустошения контейнера должны производиться санитарно-гигиенические процедуры с камерой и контейнером (по возможности) с помощью специального поливочного крана со шлангом.

Для стенок мусоросборной камеры целесообразно создать дополнительную шумоизоляцию, чтобы шум работающей дробилки не был слышен жителям дома. Целесообразно также сделать шумоизоляцию для двери мусорос-борной камеры.

Необходимо будет проводить процедуру очистки стенок мусоропровода от органических загрязнений с помощью специального очистного устройства [9].

Эффективность работы системы не должна вызывать сомнений при должной эксплуатации, а также при правильной агитационной политике в сфере ресурсосбережения. Жителям не потребуется тратить деньги и покупать дорогие измельчители пищевых отходов индивидуально. Они, как обычно, будут пользоваться своими мусоропроводами. Всю нагрузку на себя возьмет эксплуатирующая организация.

Установка второго мусоропровода для сбора пищевых отходов вместе с совместной работой с системой внутренней канализации позволит снизить нагрузки на свалки, которая в последнее время от года к году возрастает. Конечно, возрастут нагрузки на канализацию городов и очистные сооружения, но это не станет критическим фактором, так как очистные сооружения очистят воду от таких загрязнений без особого труда. Переработанные пищевые отходы могут впоследствии использоваться для создания почвенных удобрений и биогаза, который применяется в качестве топлива, что существенно снизит нагрузку на свалки [10]. Главное, что будет создан замкнутый цикл, в котором пищевые отходы уже никогда не попадут на свалки и полигоны совместно с минеральными отбросами.

Для окружающей среды измельчение отходов является наиболее удобным и рациональным способом для отделения отходов, подверженных гниению, от твердых бытовых отходов уже на начальном этапе.

Анализируя опыт США, можно сказать, что при утилизации пищевых отходов с помощью измельчителей в канализацию затрачивается меньше всего средств из городского бюджета, чем при их захоронении на полигонах.

Пищевые отходы состоят на 70 % из воды, следовательно, водоочистные сооружения — это более естественный способ переработки подобных отходов, чем способ сбора отходов и их захоронение. Извлечение подверженных гниению отходов и отделение их от твердых отходов также уменьшает количество переносчиков болезней: мух, грызунов, тараканов, которых они привлекают.

Библиографический список

1. Самойлов А.В. Установка и реконструкция систем мусороудаления. Проблемы и пути решения // АВОК. 2010. № 1. С. 52—62.

2. Никитин С.Г. Особенности эксплуатации систем мусороудаления высотных зданий // АВОК. 2009. № 6. С. 8—16.

3. Пупырев Е.И. Системы жизнеобеспечения городов. М. : Наука, 2006. 247 с.

4. Шевченко Т.И. Извлечение ресурсов из отходов: мотивационные аспекты // Твердые бытовые отходы. 2010. № 5. С. 14—17.

5. Лобов Р.С. Вывоз мусора на полигоны: проблемы и пути решения // Твердые бытовые отходы. 2010. № 4. С. 56—57.

6. Антонов А.А., Шилкин Н.В. Системы мусороудаления и бельепроводы. Особенности проектирования и эксплуатации // АВОК. 2009. № 4. С. 28—42.

7. Орлов Е.В. Система пневматического мусороудаления // Технологии мира. 2011. № 4. С. 33—36.

8. Лукашева Е.П. От мусора к топливу // Твердые бытовые отходы. 2010. № 4. С. 58—59.

9. Baccini P. Henseler G., Figi R., Belevi H. Water and element balances of municipal solid waste landfills // Waste Management and Research. 2008. V 5. № 4. Pp. 483—499.

10. Кашковський В.I., Кухар В.П. Способи знешкодження високотоксичних стоив звалищ твердих побутових вiдходiв // Наука та шновацп. Кшв. 2005. Т. 1. № 6. С. 107—116.

Поступила в редакцию в марте 2013 г.

Об авторе: Орлов Евгений Владимирович — кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, [email protected].

Для цитирования: Орлов Е.В. Ресурсосберегающие решения при совместном использовании систем мусороудаления и канализации в современных жилых домах // Вестник МГСУ. 2013. № 6. С. 132—138.

E.V. Orlov

RESOURCE SAVING SOLUTIONS FOR THE SHARED USE OF HOUSEHOLD WASTE REMOVAL SYSTEMS AND SEWAGE NETWORKS IN MODERN RESIDENTIAL BUILDINGS

The problem of resource saving is particularly relevant for household waste removal systems and sewage networks in modern residential houses. Some options for the shared use of sewage networks and natural organic waste removal systems in residential buildings are assessed by the author. Layouts, operation patterns and elements of the systems are provided. Strengths of shared operation of the systems and networks are analyzed with account for the present-day requirements applicable to the systems in question.

The positive factor is that residents do not need to spend money for expensive food waste disposers for their homes. They will also use garbage chutes in their houses.

Joint operation of food waste removal systems and domestic sewage networks will reduce the load on landfills which has been increasing in the recent years. It will increase the load on urban sewage networks and water treatment facilities, but it will not be a critical factor, because treatment facilities are capable of purifying water without much difficulty. Processed food waste may be applied to produce fertilizers and biogas to be used as fuel. Therefore, benefits of the limited use of landfills are obvious.

Waste shredding is the most convenient, efficient and nature friendly way of processing the organic waste at the initial stage of its generation. It prevents rotting typical for the organic waste if disposed together with the municipal solid waste.

The experience of the United States, where food waste is treated by in-sink food erators and removed into the sewage system is less expensive for city budgets than their disposal at landfills.

Food wastes consist mainly of the water (70 %); therefore, water treatment facilities assure a more natural way of processing this type of waste than waste collection and disposal. Separation of organic waste from solid waste also reduces the number of disease vectors such as flies, rodents, and cockroaches.

Key words: garbage disposal, sewage, hydraulic shutter, erator, garbage disposal, boot valve, water treatment facilities, biogas.

References

1. Samoylov A.V. Ustanovka i reconstruktsiya system musoroudaleniya. Problemi i puti resheniya [Installation and Restructuring of Waste Removal Systems. Problems and Solutions]. AVOK [Journal of Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Building Thermal Physics]. 2010, no. 1, pp. 52—62.

2. Nikitin S.G. Osobennosti ekspluatatsii sistem musoroudaleniya vysotnykh zdaniy [Features of Operation of Waste Removal Systems of High-rise Buildings]. AVOk [Journal of Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Building Thermal Physics]. 2009, no. 6, pp. 8—16.

3. Pupyrev E.I. Sistemy zhizneobespecheniya gorodov [Urban Sustainment Systems]. Moscow, Nauka Publ., 2006, 247 p.

4. Shevchenko T.I. Izvlechenie resursov iz otkhodov: motivatsionnye aspekty [Extraction of Resources from Wastes: Motivational Aspects]. Tverdye bytovye othody [Solid Household Wastes]. 2010, no. 5, pp. 14—17.

5. Lobov R.S. Vyvoz musora na poligony: problemy i puti resheniya [Waste Delivery to Landfills: Problems and Solutions]. Tverdye bytovye othody [Solid Household Wastes]. 2010, no. 4, pp. 56—57.

6. Antonov A.A., Shilkin N.V. Sistemy musoroudaleniya i bel'eprovody. Osobennosti pro-ektirovaniya i ekspluatatsii [Waste Removal Systems and Laundry Chutes. Features of Design and Operation]. AVOK [Journal of Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Building Thermal Physics]. 2009, no. 4, pp. 28—42.

7. Orlov E.V. Sistema pnevmaticheskogo musoroudaleniya [Pneumatic Waste Removal System]. Tekhnologii mira [Technologies of the World]. 2011, no. 4, pp. 33—36.

8. Lukasheva E.P. Ot musora k toplivu [From Waste to Fuel]. Tverdye bytovye othody [Solid Household Waste]. 2010, no. 4, pp. 58—59.

9. Baccini P. Henseler G., Figi R., Belevi H. Water and Element Balances of Municipal Solid Waste Landfills. Waste Management and Research. 2008, vol. 5, no. 4, pp. 483—499.

10. Kashkovs'kiy V.I., Kukhar V.P. Sposobi zneshkodzhennya visokotoksichnikh stokiv zvalishch tverdikh pobutovikh vidkhodiv. Nauka ta innovatsi'i'. Ki'i'v, 2005, vol. 1, no. 6, pp. 107—116.

About the author: Orlov Evgeniy Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; viv-k@ yandex.ru, +7 (499) 183-36-29.

For citation: Orlov E.V. Resursosberegayushchie resheniya pri sovmestnom ispol'zovanii sistem musoroudaleniya i kanalizatsii v sovremennykh zhilykh domakh [Resource Saving Solutions for the Shared Use of Household Waste Removal Systems and Sewage Networks in Modern Residential Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 132—138.

УЕБТЫНС

мвви

УДК 502.3

А.Д. Потапов, С.С. Рябова*

ФГБОУВПО «МГСУ», *Академияуправления

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К КОНЦЕПЦИИ НООСФЕРЫ И ЕЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОМУ РАЗВИТИЮ

Предложен новый критический подход к оценке концепции ноосферы. С позиций современного состояния цивилизации оценены основные принципы концепции ноосферы по В.И. Вернадскому. Показано, что эти ключевые основы в настоящее время не могут быть реализованы как базис ноосферы. Рассмотрены основные принципы метода гармонизации в части создания условий для реализации ноосферы. Показано, что коэволюционный подход к дальнейшему развитию человечества и биосферы является базовым для формирования ноосферы. Формирование современной теории ноосферы рассматривается в качестве одной из ключевых задач всего комплекса естественных наук с глубоким использованием достижений техники и технологий.

Ключевые слова: ноосфера, гармонизация, коэволюция, экологический кризис, теория ноосферы, концепция устойчивого развития, геологическая сила, разум, человечество, биосфера, социум, техника, технологии, экосистема.

Рассмотрение современного состояния и путей дальнейшего развития экологической науки приводит к необходимости более глубокого изучения положений концепции ноосферы. Созданная в первой трети ХХ в. работами великого российского философа-космиста В.И. Вернадского, философа-математика Е. Леруа, теолога-геолога П. Тейяра де Шардена, эта концепция рассматривается в многочисленных работах их последователей и современных ученых как полностью сформировавшаяся теория ноосферы. Однако такой подход представляется несколько преждевременным, что может быть обосновано следующими положениями, вытекающими из рассмотрения ключевых основ концепции В.И. Вернадского [1—3].

Первый тезис, с которым можно согласиться с определенными ограничениями, что человечество — это великая геологическая сила [4, с. 303]; ограничения мы видим в том, что при колоссальном развитии техники и технологий человечество оказывает свое влияние только на поверхностную часть Земли, а точнее только на самый верхний слой земной коры. Пока не смогли изучить прямыми методами все земную кору, остановившись на 12,25 км. Все наши огромные строительные проекты, колоссальные динамические (взрывные) воздействия могут только отчасти соперничать с вулканической деятельностью или коровыми землетрясениями. Геологическая сила человечества — пока только деятельность, соизмеримая с экзогенными процессами небольшой мощности.

Второй тезис, который может быть принят, но также с ограничениями, — «эта (геологическая) сила есть разум и воля человека как существа социально организованного» [4, с. 303]. Но сейчас о социальной организованности всего человечества, да и отдельного человека говорить преждевременно, о чем свидетельствуют непрекращающиеся социальные конфликты, войны и т.п.

Третий тезис о том, что «лик планеты изменен человеком настолько глубоко, что оказался затронутым ее биогеохимический метаболизм» [4, с. 303], может быть во многом принят, в связи с получением данных о катастрофическом снижении биоразнообразия, потере многими экосистемами ассимилирующей способности, в довершение к чему следует упомянуть о природно-техногенных системах. Вопросы биогеохимического метаболизма еще следует изучить, но налицо отсутствие в них признаков природного метаболизма. В пользу недостаточности наших представлений о частичном разрушении биогеохимического метаболизма говорит тот факт, что в настоящее время эти заключения сделаны в большинстве случаев на основании изучения экосистем, в которых функционируют высшие растения и животные, а вопрос исследования микробоценозов и экосистем, в которых они функционируют, требует приложения больших усилий ученых.

Четвертый тезис о том, что человечество эволюционирует в сторону обособления от остальной биосферы, может быть принят также только в той части, что человечество, исповедуя сугубый антропоцентризм, попросту паразитирует на биосфере. В рассматриваемом тезисе В.И. Вернадский обосновывал целесообразность перехода человечества на позиции автотрофно-сти, что «...даст ему доселе отсутствующие возможности использования его вековых духовных стремлений... реально откроет перед ним пути лучшей жизни» [4, с. 288]. В настоящее время речи об автотрофности человечества не идет.

Таким образом, на первый взгляд основополагающие положения концепции ноосферы по В.И. Вернадскому, не позволяют рассматривать ее как базис теории вследствие тезиса о том, что в практической деятельности человечество эти положения если не отвергает, то во многом и не подтверждает. Из изложенного следует вывод о несостоятельности понятия ноосферы как непрерывно расширяющейся в пространстве и во времени сфере разума и духа. При всей кажущейся мощи современных технологий и образцов техники реальный, практически осязаемый результат разумного воздействия на окружающую среду найти далеко непросто, в основном вся экспансия разума на окружающую среду пока заключена в теоретических рассуждениях, которые никоим образом не могут быть рассмотрены как непрерывно расширяющиеся в пространстве и времени. То есть о сложившейся в классическом понимании теории ноосферы говорить преждевременно. Для преобразования концепции в теорию необходимо определить некоторые принципы или методы достижения ноосферы, к числу первых из них, на наш взгляд, следу-

ет отнести возможность коэволюции в развитии человека и природы и гармонизации этого развития. Здесь уместно остановиться на том, что в последнее время обсуждается мысль о том, что концепция устойчивого развития является неким подобием ноосферного подхода к развитию человечества. Устойчивое развитие — это решение сугубо прагматичное, направленное на решение конкретных задач данного этапа человеческой цивилизации. Естественно, что главный принцип устойчивого развития в разумном ограничении потребления ресурсов биосферы очень созвучен концепции ноосферы, но отвечает он лишь существующему уровню развития науки и техники. Что же касается проблемы устойчивое развитие — ноосфера, то необходимо однозначно констатировать, что термин «устойчивое развитие» означает лишь современный этап развития человеческого общества, который не реализован в полном объеме и предшествует достаточно далекому по времени становлению ноосферы. Понятие устойчивого развития, на взгляд многих специалистов, ограничено в своем содержании. Это связано с тем, что человечество многообразно по своему функционированию и масштабности взаимодействий между отдельными личностями и всем обществом, которое развивается на природной среде.

Природная среда развивается закономерно, по законам химической и биологической эволюции, коэволюционно и гармонично. Коэволюционно-стью и гармоничностью взаимодействия между природной средой и социумом в настоящее время не отличаются. Угроза экологической катастрофы напоминает человеку, что он должен жить в согласии с природой. Внутренняя гармония человека, достижение которой является идеалом развития человека как социотипа, — важный фактор развития гармонии человека с внешним миром. Античные авторы и их постулаты, античная религия являются образцом идеологии гармоничного взаимодействия человека и природы. Современные идеологии, современная во многом маргинальная культура определяет нынешнее положение вещей в экологическом состоянии биосферы. Поэтому согласие между человеком и человечеством и природой еще надолго остается актуальным. К настоящему времени базой культуры стал (и пока остается) антропоцентризм, создавший нынешнюю технократическую цивилизацию. Новой же парадигмой современности обязан стать биоцентризм. Идеи биоцентризма впервые были высказаны А. Швейцером в Этике благоговения перед жизнью [5].

Современный человек исповедует потребительскую идеологию, он ориентирован на изъятие ресурсов и их использование, что отвечает антропоцен-тристским принципам. Изменение парадигмы на биоцентризм предполагает отказ от ориентации на идеалы потребления, что должно отвечать принципам гармонизации и в конечном итоге привести к изменению отношения к природе. Это отношение к внешнему миру как среде, коэволюционно и гармонично отвечающей внутренней сущности человека как неотъемлемой части приро-

ды, должно прежде всего выразиться в культуре, в этической, нравственной и познавательной ее составляющих. Собственно, эти тезисы описывают принципы (идеалы) устойчивого развития. Современное общество создало два основных средообразующих фактора как результаты технократического развития: масштабное строительство и сельское хозяйство. Подробное рассмотрение не входит в задачи данной работы, но они являются примером природоборческого принципа развития человечества и причиной современного экологического кризиса. К числу факторов возникновения этого кризиса многие специалисты, и с этим невозможно не согласиться, относят особенности современного состояния научного познания и темпы экономического и технического прогресса. Результаты этого прогресса требуют изменения взаимоотношений между человечеством и природой, становление новой формы этих взаимодействий для достижения ноосферы, а именно формирование гармоничного единства человека и природы.

В.И. Вернадский в качестве эпиграфа первого очерка своей книги «Биосфера и ноосфера» привел слова Ф.И. Тютчева о созвучье в природе [1]. Гармония в соответствии с ее пониманием в философской литературе предполагает, что составные части системы представляют собой сущностное единство. Это условие, по всей вероятности, выполняется. Второе объективное основание возможности гармонизации взаимоотношений человека и природы — та ее «подчиненность мере и гармонии», о которой писал В.И. Вернадский [1]. Наконец, третьей объективной предпосылкой гармонизации человека и природы выступает историческая практика их взаимодействия, то, что сама человеческая культура формировалась как способ разрешения противоречий между человеком и природой.

Современная система человек — природная среда отличается неустойчивостью в связи с развивающимся экологическим кризисом, а это предполагает возможность по меньшей мере бифуркации пути развития человеческого общества, а именно развития экологического кризиса до состояния глобальной экологической катастрофы, либо достижения ноосферы. Для первого пути человеком уже созданы все предпосылки, для второго же пока есть только начальное формирование принципов перехода к биоцентризму, а вопросы коэволюционного развития и гармонизации человечества и биосферы носят пока сугубо теоретический характер. Необходимо в этой связи определить, что гармонизация представляет собой процесс, целью которого и должна стать «сфера разума» — ноосфера. При этом сразу следует сказать, что в данном контексте достижение гармонии не предполагает ее статического состояния. Последнее часто выступает в качестве критики принципа гармонизации, исходя из того, что два элемента одной системы человек — среда находятся в противоречии, в котором человек, якобы, играет доминирующую роль, при этом опускается тот факт, что человек создан природой, а это означает, что наличие противоречий и является движущей силой уже существующего коэ-

волюционного единства и наличия гармонии, которая приобретает сущность диалектического процесса.

Как писал И.И. Шмальгаузен, «в индивидуальной жизни организмы "питаются" отрицательной энтропией окружающей среды, т.е. поддерживают свою упорядоченность активным воздействием на эту среду — ее дезорганизацией, разрушением... В эволюции организмы снижают энтропию, т.е. увеличивают свою упорядоченность естественным отбором особей, наиболее успешно разрушающих внешнюю среду, т.е. повышающих ее энтропию» [6]. Преображать природу надо — без этого существование общества невозможно. Но, преобразовывая природу, человек не должен ослаблять ее порождающую силу. Творческое преобразование природы предполагает в каждом преобразовательном акте создание качественно нового, а не тиражирование ранее изобретенного. Творческий подход к любому делу, и в частности к преобразованию природы, является способом раскрытия сущностных сил человека, реализацией им своей природы, и в то же время он необходим для решения экологической проблемы, поскольку именно массовое тиражирование научно-технических достижений во многом ответственно за экологические трудности.

Ю. Одумом были выделены два принципиальных положения, определяющие эволюционное развитие экосистем, заключающих наличие и возможность выживания взаимодействующих видов в изменяющихся, вновь создающихся экосистемах, с изменением соотношения отрицательных и положительных взаимодействий. В общем это отвечает положениям коэволюции и гармонизации, иными словами, в рамках биосферы опасности и преодоление их способствуют эволюции [7]. На это обратил внимание еще философ Ф. Ницше, сформулировав принципы «живите опасно» и «ищите врагов ваших». Трудности нужны, чтобы их преодолевали и таким образом совершенствовались [8]. Коэволюционная «гонка вооружений» в конкурентной борьбе в системе хозяин — паразит способствует большему разнообразию экосистем. В определенной степени это отражает отмеченное выше сложившееся положение в глобальной экосистеме человечество — биосфера. Ю. Одум дает следующее определение коэволюции, или сопряженной эволюции: «Сопряженная эволюция — это тип эволюции сообщества (т.е. эволюционных взаимодействий между организмами, при которых обмен генетической информацией между компонентами минимален или отсутствует), заключающийся во взаимных селективных воздействиях друг на друга двух больших групп организмов, находящихся в тесной экологической взаимозависимости» [7, с. 354].

Принципиально важным является выявление генетического механизма коэволюции. По результатам многочисленных исследований, таким механизмом является естественный отбор, но не среди индивидов, а в группах организмов. Именно такой механизм позволяет сообществам и популяциям, в том числе и социуму, сохранять все признаки, которые необходимы для со-

хранения и развития собственно сообщества, но во многом негативны для индивидов. Коэволюция, в частности, способствует развитию взаимопомощи между индивидами, которая играет значительную роль в проявлениях гармонизации. Групповой естественный отбор в сообществе в своем развитии при надлежащих условиях может привести к уничтожению популяции (иногда с очень высокой скоростью) в том случае, когда она оказывается либо тормозом развития, либо ее существование становится вредным для сообщества. Становится возможным констатировать, что человек (человечество), осуществляя взаимодействие с биосферой по типу паразитизма, может оказаться ненужным системе биосфера — человечество и будет обречен на уничтожение. Только на основе перехода от паразитизма к мутуализму, возможно обеспечение смены парадигмы развития человечества — переход от антропоцентризма к биоцентризму. Этот переход должен быть обеспечен дальнейшим накоплением знаний о биосфере и основных экологических законах. Здесь уместно остановиться на следующем: исследователи достаточно глубоко изучили законы развития внутренних и внешних взаимодействий на низших иерархических уровнях, но при этом дальше констатации тезиса, что Земля — сложная саморегулирующаяся система самого высокого иерархического уровня, не идут. При этом обнадеживающим фактом является то, что в этой системе действуют чрезвычайно мощные силы, которые способны сохранять качество атмосферы, гидросферы, литосферы, т.е. глобального биотопа для всей биоты в глобальной экосистеме планеты.

Земля является саморегулирующейся системой (созданной биотой и окружающей средой), способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Дж. Лавлоку, мы обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает свойством глобального гомеостаза, способного нейтрализовать неблагоприятные внешние воздействия в пределах способности к саморегуляции [9]. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или полностью уничтожить. Эволюция биосферы, по Дж. Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Можно предположить, что на смену естественным механизмам эволюции приходит разум, однако нельзя просто так отмахнуться от философских утверждений, к примеру Э. Гартмана, А. Бергсона [10, 11], что разум и абстрактное мышление уводят человека от понимания природы. Значительной причиной возникновения экологического кризиса современного мира является все более увеличивающийся разрыв между достижениями науки и техники и способностями биосферы к их восприятию и ассимиляции. Решением в данном случае является экологизация науки и техники, а также формирование ноосферного мышления каждого человека и человечества в целом [12].

Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология VESTNIK

_MGSU

Выводы. 1. Концепция ноосферы в настоящее время требует серьезного теоретического осмысления на базе современных достижений естественных наук, техники и технологии для создания основ теории ноосферы.

2. Концепция устойчивого развития имеет только узкий сугубо прагматический смысл данного этапа развития человечества и только в малой степени может быть положена в основу современной теории ноосферы.

3. К числу основополагающих принципов теории ноосферы должны быть отнесены «гармонизация» и коэволюция применительно к развитию человечества и биосферы

4. Одним из методов решения проблем «ноосферологии» должна стать экологизация всех сторон развития и деятельности человечества

Библиографический список

1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М., 1989. 185 с.

2. Le Roye E. L'exigence idealiste et le fait d'évolution. Paris. 1927. 196 p.

3. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., 1988. 224 с.

4. Вернадский В.И. Автотрофность человечества // Русский космизм. М., 1993. 368 с.

5. Швейцер А. Благоговение перед жизнью. М. : Прогресс, 1992. 572 с.

6. Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М.-Л. : Из-во АН СССР, 1939. 232 с.

7. ОдумЮ. Экология : в 2-х т. М. : Мир, 1986. Т. 1 — 328 с.; Т. 2 — 376 с.

8. Ницше Ф. Воля к власти. Опыт переоценки всех ценностей / пер. с нем. Е. Гер-цык и др. М. : Культурная революция, 2005. 880 с.

9. Lovelock J. Gaia: A New Look at Life on Earth. 3 rd ed. Oxford University Press, 2000. 85 p.

10. Гартман Н. К основоположению онтологии / пер. с нем. Ю. В. Медведева ; под ред. Д.В. Скляднева. СПб. : Наука, 2003. 639 с.

11. Бергсон А. Творческая эволюция. М., 2006. 1408 с.

12. Потапов А.Д., Рябова С.С. Экологизация науки и техники как метод формирования ноосферы // В.И. Вернадский и ноосферная парадигма развития общества, науки, культуры, образования и экономики в XXI веке : тр. Междунар. конф. 12—14.03.2013. Т. 1. С. 176—190.

Поступила в редакцию в мае 2013 г.

Об авторах: Потапов Александр Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];

Рябова Светлана Сергеевна — старший преподаватель кафедры управления региональным развитием, Академия управления при Президенте Республики Беларусь (Академия управления), 220007, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Московская, д. 17, [email protected].

Для цитирования: ПотаповА.Д., Рябова С.С. Современный подход к концепции ноосферы и ее теоретическому развитию // Вестник МГСУ. 2013. .№ 6. С. 139—147.

A.D. Potapov, S.S. Ryabova

A MODERN APPROACH TO THE CONCEPT OF THE NOOSPHERE AND DEVELOPMENT OF ITS THEORY

The authors elaborate on a new critical approach to the assessment of the concept of the "noosphere". The basic principles of Vernadskiy's concept of the "noosphere" are assessed from the viewpoint of the current state of the human civilization. It is proven that the key principles of Vernadskiy's theory cannot serve as the basis for the noosphere. So far, the theory of the "noosphere" does not exist. There are just a few prerequisites for the attainment of the noosphere, due to the limited knowledge and information about the natural environment and the human ability to interact with it without inflicting any damage.

The authors argue the noosphere can only be attained if and when the superiority of the anthropocentrism is overcome and the shift-over to the biocentrism is implemented. The authors insist that the concept of "sustainable development", which is widely regarded as the primary method for overcoming the global ecological crisis, can be evaluated as a limited and purely pragmatic solution to the environmental problems arising at this phase of the human development; therefore, it may serve as the basis for the modern theory of the "noosphere" to a limited extent.

The basic principles of the method of harmonization used to arrange the conditions needed for the implementation of the noosphere are considered in the article. The authors demonstrate that the co-evolutionary approach to further development of the humanity and the biosphere is the basis for the formation of the noosphere. The conclusion is that both mutualism and competition facilitate evolution. The concept of co-evolution applies to the philosophical principle of harmonization valid both for an individual person and the whole humankind.

A widening gap between the research achievements and the ability of the biosphere to perceive and to assimilate them is the reason for the ecological crisis. The solution consists in the ecologization of science and technology, as well as in the generation by each person and the whole humankind of the noosphere-centered mode of thinking. Compilation of the modern theory of the "noosphere" is a key task of natural sciences to be attained through the employment of technological advancements.

Key words: noosphere, harmonization, co-evolution, ecological crisis, theory of the noosphere, concept of sustainable development, geological force, intelligence, humanity, biosphere, society, technology, ecosystem.

References

1. Vernadskiy V.I. Biosfera i noosfera [Biosphere and Noosphere]. Moscow, 1989,185 p.

2. Le Roye E. L'exigence idealiste et le fait d'evolution. Paris, 1927, 196 p.

3. Teilhard de Chardin P. Fenomen cheloveka [Phenomenon of Man]. Moscow, 1988, 224 p.

4. Vernadskiy V.I. Avtotrofnost' chelovechestva. Russkiy kosmizm. [Autotrophy of the Humankind. Russian Cosmism]. Moscow, 1993, 368 p.

5. Schweitzer A. Blagogovenie pered zhizn'yu [Reverence for Life]. Moscow, Progress Publ., 1992, 572 p.

6. Shmal'gauzen I.I. Putii zakonomernosti evolyutsionnogo protsessa [Routes and Patterns of the Evolutionary Process]. Moscow-Leningrad, Iz-vo AN SSSR Publ., 1939, 232 p.

7. Odum J. Ecology. Springer-Verlag, 1986, vol. 1, 328 p., vol. 2, 376 p.

8. Nietzsche F. Will for Power. Experience in Revaluation of All Values. [Volya k vlasti. Opyt pereotsenki vsekh tsennostey]. Kul'turnaya revolyutsiya publ., 2005, 880 p.

9. Lovelock J. Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford University Press, 2000, 85 p.

10. Gartman N. K osnovopolozheniyu ontologii [The Founding Principle of the Ontology]. St.Petersburg, Nauka Publ., 2003, 639 p.

11. Bergson A. Tvorcheskaya evolyutsiya [Creative Evolution]. Moscow, 2006, 1408 p.

12. Potapov A.D., Ryabova S.S. Ekologizatsiya naukii tekhniki kak metod formirovaniya noosfery [Ecologizaiton of Science and Technology as the Noosphere Formation Method]. V.I. Vernadskiy i noosfernaya paradigma razvitiya obshchestva, nauki, kul'tury, obrazovani-ya i ekonomiki vXXI veke. [V.I. Vernadskiy and the Noospheric Paradigm for Development of Society, Science, Culture, Education and Economy in the 21st Century]. Tr. Mezhdunar. konf. [Works of International Conference]. March 12—14, 2013, St. Petersburg, vol. 1, pp. 176—190.

About the authors: Potapov Aleksandr Dmitrievich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Engineering Geology and Geo-ecology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];

Ryabova Svetlana Sergeevna — Senior Lecturer, Department of Management of Regional Development, Academy of Public Administration of the President of the Republic of Belarus (Academy of Management), 17 Moskovskaya st., Minsk, 220007, Republic of Belarus; s-6093981@ yandex.ru.

For citation: Potapov A.D., Ryabova S.S. Sovremennyy podkhod k kontseptsii noosfery i ee teoreticheskomu razvitiyu [A Modern Approach to the Concept of the Noosphere and Development of Its Theory]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 139—147.

УДК 628.8 + 620.193

А.Г. Рымаров, В.В. Смирнов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ БАССЕЙНА НА КОРРОЗИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ1

Испарение в воздух помещения бассейна воды с растворенными в ней хлоро-производными приводит к проникновению водяного пара с хлоропроизводными в толщу ограждающих конструкций и к коррозии арматуры. Влагопередача через наружные и внутренние ограждающие конструкции активно происходит в холодный период года, но имеет место и в теплый период, при этом вместе в водяным паром в толщу ограждений поступают производные хлора, которые являются агрессивной средой для стальной арматуры. Циркуляция воздуха, содержащего водяные пары с хлоропроизводными, приводит к коррозии элементов систем отопления и вентиляции. Дано описание причин и результата коррозии стальной арматуры от производных хлора в результате действия газового режима в помещении бассейна.

Ключевые слова: газовый режим здания, вентиляция, производные хлора.

Здания бассейнов, построенные 20 и более лет назад, эксплуатируются в РФ зачастую без капитальных ремонтов и обследований состояния зданий на предмет износа. В помещении бассейна применяется гидроизоляция внутренних поверхностей наружных стен, которая разрушается с течением времени. Активное хлорирование воды практикуется повсеместно. Газовый режим помещения бассейна по концентрации хлоропроизводных определяется распространением производных хлора в воздухе вместе с молекулами воды [1, 2]. Водяной пар испаряется с поверхности воды в помещения бассейна, увлекая с собой хлоропроизводные элементы, взаимодействует с металлическими элементами интерьера (части систем отопления, вентиляции, крепление подвесных потолков и пр.) и затем поступает в толщу ограждающих конструкций [1], где происходит взаимодействие производных хлора с арматурой.

Наружные и внутренние ограждающие конструкции могут быть выполнены из железобетона, который формируется из наполнителей, портландцемента или сульфатостойкого цемента или других видов цемента и арматуры, представляющей собой металлические (стальные) стержни различного диаметра. В идеальных условиях бетон должен полностью прекращать коррозию стальной арматуры, однако в реальных условиях этого не происходит, коррозия арматуры возникает под влиянием ряда факторов [3—5]. Первая группа факторов связана с составом металла, с его термодинамической устойчивостью и структурой металла; вторая — технологическая, определяемая составом бетона, во-доцементным отношением, толщиной защитного слоя и условиями твердения бетона; третья — эксплуатационная, связана с качеством эксплуатации железобетонных конструкций, в т.ч. характером изменения температуры, влажности, движении агрессивных сред, характером газообмена и наличием стимуляторов

1 Исследование выполнено в рамках ГК № 16.552.11.7064 от 13.07.2012 г.

коррозии во внешней среде и в самом бетоне [6, 7]. Строительные материалы наружных и внутренних ограждающих конструкций обладают определенной гигроскопичностью и паропроницаемостью, что определяет их влажностный режим [8, 9]. В определенных условиях значительный вклад в пассивацию железа в бетоне может вносить омическое сопротивление электролита — поровой жидкости (зависит от толщины водной пленки), а при относительной влажности воздуха менее 60 % омическое сопротивление поровой жидкости очень велико, что нарушает ионную проводимость внешней цепи коррозионной пары, что может привести к полному прекращению коррозии арматуры [3, 4].

Водяные пары вместе с молекулами и ионами хлорпроизводных приводят к коррозии цементной части бетона и металлических элементов [4]. Хлор, как правило, поступает в воздух с водяными парами в качестве положительно заряженных ионов, ПДК хлора в воздухе равна 1 мг/м3, следовательно, концентрация хлора в воздухе бассейна должна быть не более 0,01 мг/м3, что определяется безопасностью человека и формированием возможных сочетаний хлоропроизводных в концентрациях менее ПДК. Концентрация хлоридов, диффундирующих в бетон из окружающей среды, на порядок ниже, чем концентрация хлоридов, содержащихся в бетоне, но их коррозионное воздействие более значительно, чем последних, что объясняется их свободным, не связанным состоянием [4], применение материалов на внутренних поверхностях ограждений с повышенным сопротивлением паропроницанию приводит к значительному снижению поступления водяного пара с хлорпроизводными в толщу ограждений. На рис. 1 показано, как увеличивается скорость коррозии стальной арматуры в зависимости от вида цемента и от температуры внутреннего воздуха [4].

70

24 26 28 30 32 34

Температура, °С

й портландцемент )( портландцемент сульфатостойкий

Рис. 1. Изменение коррозии стальной арматуры в среде 3% хлорида натрия в зависимости от температуры

Проведены расчеты влияния воды с содержанием 3% хлорида натрия на коррозию бетона на основе армированного портландцемента и сульфатостой-кого цемента без гидроизоляции с целью определения сокращения диаметра арматуры, результаты расчетов приведены в таблице.

6/2013

Изменение диаметра арматуры для температуры окружающей среды 32 °С

Характеристики стержня Низкоуглеродистая сталь Сталь с содержанием углерода 0,1 %

Возраст, лет 5 10 16 5 10 30

Диаметр начальный, мм 20 20

Диаметр конечный, мм 17 14 10 19,1 18 13,5

Согласно условиям комфортного микроклимата для посетителей в бассейнах для отдыха (аквапарках) температура воздуха должна быть 32 °С в рабочей зоне. Однако, согласно проведенным авторами данной статьи исследованиям, температура воздуха в действующих бассейнах колеблется в пределах от 25 до 35 °С и более, а под перекрытием в теплый период года в жаркий день температура воздуха может подниматься и выше (до 45 °С), если отсутствует кондиционирование воздуха.

Обследование зданий бассейнов показало наличие коррозии стальных элементов системы отопления, окрашивание которых проводится ежегодно (рис. 2), кроме того, имеют место повреждения гидроизоляции наружных и внутренних ограждений при длительной эксплуатации здания.

Рис. 2. Вид отопительного прибора и труб под действием коррозии

Коррозия несущих ограждающих конструкций приводит к снижению прочности и долговечности здания, что угрожает безопасности людей [9].

Полученные экспериментальные и расчетные данные явились предпосылками для создания метода расчета газового режима здания с бассейном для прогнозирования коррозии металлических элементов.

Библиографический список

1. Смирнов В.В. Исследование влияния параметров микроклимата на долговечность несущих конструкций помещения бассейна : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М. : МГСУ, 2009.

2. Рымаров А.Г. Прогнозирование параметров воздушного, теплового, газового и влажностного режимов помещений здания // Academia. 2009. № 5. С. 362—364.

3. Заикин Б.Б., Москалейчик Ф.К. Коррозия металлов, эксплуатирующихся во влажном воздухе, загрязненном сернистым газом или хлором // Натурные и ускоренные испытания : сборник МДНТП. М. : МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1972. С. 160—168.

4. Тупикин Е.И., Саидмуратов Б.И. Коррозия и защита стальной арматуры в песчаных бетонах. М. : ВНИИЭгапром, 1991.

5. Овчинников И.Г., Раткин В.В., Землянский А.А. Моделирование поведения железобетонных элементов конструкций в условиях воздействия хлорсодержащих сред // Сборник докладов. Саратов : СГТУ, 2000. С. 50—55.

6. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. 6-е изд. М. : Высш. шк., 1980.

7. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. 4-е изд. М. : Стройиздат, 1973.

8. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. 2009. № 5. С. 297—305.

9. Moore J.F.A. and Cox R.N. Corrosion of metals in swimming pool buildings. Report 165, 1989.

Поступила в редакцию в январе 2013 г.

Об авторах: Рымаров Андрей Георгиевич — кандидат технических наук, доцент кафедры отопления и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)188-36-07, [email protected];

Смирнов Владимир Викторович — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры отопления и вентиляции ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)188-36-07, [email protected].

Для цитирования: Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенности влияния газового режима помещения бассейна на коррозию арматуры в ограждающих конструкциях // Вестник МГСУ. 2013. № 6. С. 148—152.

A.G. Rymarov, V.V. Smirnov

INFLUENCE OF THE GASEOUS REGIME OF THE INDOOR SWIMMING POOL ONTO CORROSION OF REINFORCING BARS OF ENCLOSURE STRUCTURES

Evaporation of the swimming pool water into the indoor air causes penetration of the water vapour containing chlorine derivatives into the enclosure structures and corrosion of the reinforcement due to the presence of dissolved chlorine derivatives in the water. Water vapour migration through outdoor and indoor enclosures is intensive in the cold season, but it may also occur in the warm season. Bearing elements of outdoor and indoor enclosures are now made of the reinforced concrete that has fillers — Portland cement or other types of cement and steel, metal (steel) bars of different diameters. In "ideal" conditions, the concrete must stop corrosion of the steel reinforcement, but it does not happen this way in practice, as corrosion of the reinforcement is influenced by a number of factors.

The concentration of chlorides that diffuse into the concrete is lower than the concentration of chlorides in the concrete, but their corrosive influence is higher because of their "non-free" condition. The authors describe the causes and results of corrosion of the steel reinforcement caused by derivatives of chlorine and boosted by the gaseous regime inside the swimming pool building. Analysis of the cases of influence of the water containing 3% of chlorine onto the corrosion of reinforced Portland cement aimed at the

reduction of the reinforcement rod diameter is performed. Corrosion of bearing structures

causes the loss of strength and durability of buildings, and this process is unsafe from the

viewpoint of security of people.

Key words: gas regime of buildings, ventilation, chlorine derivatives, water vapour,

penetration, corrosion.

References

1. Smirnov V.V. Issledovanie vliyaniya parametrov mikroklimata na dolgovechnost'nesu-shchikh konstruktsiy pomeshcheniya basseyna [Research into the Influence of the Microclimate Parameters onto the Durability of Bearing Structures of Buildings of Swimming Pools]. Moscow, MGSU Publ., 2009.

2. Rymarov A.G. Rymarov A.G. Prognozirovanie parametrov vozdushnogo, teplo-vogo, gazovogo i vlazhnostnogo rezhimov pomeshcheniy zdaniya [Projection of Air, Heat, Gas and Humidity Regimen of Building Premises]. Academia [The Academy]. 2009, no. 5, pp. 362—364.

3. Zaikin B.B., Moskaleychik F.K. Korroziya metallov, ekspluatiruyushchikhsya vo vlazh-nom vozdukhe, zagryaznennom sernistym gazom ili khlorom [Corrosion of Metals Used in the Humid Air, Polluted by the Sulfur Dioxide Gas or Chlorine]. Naturnye i uskorennye ispytaniya. Sbornik MDNTP. [Field and Accelerated Tests. Collection of Moscow House of Science and Technology Promotion]. Moscow, MDNTP im. F.E. Dzerzhinskogo publ., 1972, pp. 160—168.

4. Tupikin E.I., Saidmuratov B.I. Korroziya i zashchita stal'noy armatury v peschanykh betonakh [Corrosion and Protection of Steel Bars in Sand Concretes]. Moscow, VNIIEgaprom publ., 1991.

5. Ovchinnikov I.G., Ratkin V.V., Zemlyanskiy A.A. Modelirovanie povedeniya zhelezo-betonnykh elementov konstruktsiy v usloviyakh vozdeystviya khlorsoderzhashchikh sred [Behaviour Modeling of Structural Elements Made of Reinforced Concrete and Exposed to Chlorine-containing Environments]. Sbornik dokladov [Collection of Reports]. Saratov, SGTU Publ., 2000, pp. 50—55.

6. Nikiforov V.M. Tekhnologiya metallov i konstruktsionnye materialy [Technology of Metals and Structural Materials]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1980.

7. Fokin K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastey zdaniy [Thermal Engineering of Enclosing Components of Buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1973, 288 p.

8. Gagarin V.G. Teplofizicheskie problemy sovremennykh stenovykh ograzhdayushchikh konstruktsiy mnogoetazhnykh zdaniy [Thermalphysic Problems of Contemporary Wall Enclosure Structures of Buildings]. Academia [The Academy]. 2009, no. 5, pp. 297—305.

9. Moore J.F.A. and Cox R.N. Corrosion of Metals in Swimming Pool Buildings. Report 165, 1989.

About the authors: Rymarov Andrey Georgievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Heating and Ventilation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 188-36-07;

Smirnov Vladimir Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of Heating and Ventilation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; vsegdavsem@ mail.ru; +7 (499) 188-36-07.

For citation: Rymarov A.G., Smirnov V.V. Osobennosti vliyaniya gazovogo rezhima po-meshcheniya basseyna na korroziyu armatury v ograzhdayushchikh konstruktsiyakh [Influence of the Gaseous Regime of the Indoor Swimming Pool onto Corrosion of Reinforcing Bars of Enclosure Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 148—152.

УЕБТЫНС

мвви

ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 532.5

В.С. Боровков, М.А. Волынов*

ФГБОУВПО МГСУ, *ГНУВНИИГиМ им. А.Н. Костякова

РАЗМЫВ МОДЕЛЬНОГО ГРУНТА ИЗ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

Представлен анализ сил, действующих со стороны водного потока на частицы верхнего слоя модельного донного грунта, сложенного сферическими частицами. Показано, что сила, создающая гидростатическую пригрузку, определяется площадью пятен тесного контакта частиц, в пределах которых тонкая пленка прочно связанной воды не передает гидростатического давления. Эта сила должна учитываться при крупности частиц менее 0,03 мм. Установлено, что основной силой, вызывающей взвешивание частиц, является подъемная сила, возникающая вследствие несимметричности обтекания частиц верхнего слоя грунта. С использованием скорости на вершинах частиц верхнего слоя грунта в качестве характерной получено критериальное условие взвешивания частиц водным потоком в виде равного единице отношения этой скорости к гидравлической крупности частиц. Представлены данные, подтверждающие полученный критерий.

Ключевые слова: модельный грунт, сферические частицы, подъемная сила, взвешивание донных частиц, критерий взвешивания.

При физическом моделировании [1, 2] и анализе процессов размыва, миграции примесей из русловых грунтов в речную воду [3] часто рассматриваются модели грунта [4], состоящие из сферических частиц. Выбор такого модельного грунта связан с тем, что гидравлические характеристики сферических частиц хорошо известны [5], взаимодействие свободных одиночных частиц с обтекающим их водным потоком изучено достаточно детально [6]. Вместе с тем, взвешивание потоком сферических частиц, слагающих ровное дно потока, исследовано недостаточно.

До настоящего времени остается нерешенным вопрос о том, насколько связано взвешивание частиц непосредственно с обтеканием их осредненным (по времени) потоком [7], какова роль турбулентных пульсаций скорости и давления, а также влекущей силой трения, возникающей между движущимся потоком и неподвижным дном [8].

В качестве исходного условия при рассмотрении взвешивания частиц донного грунта обычно берется ровное дно, сформированное частицами в плотной упаковке (рис. 1).

При этом в качестве сил, удерживающих частицу, учитывается сила тяжести за вычетом Архимедовой силы, сила лобового давления, сила гидростатической пригрузки и сила сцепления. В качестве взвешивающих называются подъемная сила, связанная с несимметричностью обтекания частиц и пульсациями скорости, а так же сила турбулентного пульсационного давления и силовое воздействие фильтрационного потока [9]. Выражение, характеризующее подъемную силу, можно записать в виде

Р- (1)

где Сп — коэффициент подъемной силы; ик — скорость на вершине выступа шероховатости; й — диаметр частицы модельного грунта.

Рис. 1. Схема взвешивания частиц донного грунта

Рассмотрим более подробно каждую из действующих сил. Сила тяжести может быть определена, если известен объем частицы и ее плотность.

К числу сил, удерживающих частицу в системе, кроме сил тяжести, относятся силы сцепления. Силы сцепления действуют как в слитных, так и в мелкодисперсных грунтах, определяя взаимное притяжение частиц друг к другу.

Гидростатическое давление, действующее на частицу, создает архимедову силу, действующую в полной мере и оказывающую влияние на устойчивость частиц лишь в том случае, если давление будет приложено ко всем точкам ее поверхности. Так и происходит, когда частица окружена слоем воды значительной толщины. Однако имеются предположения, что на частицы донного грунта действует гидростатическая пригрузка, возрастающая с глубиной потока [10]. Рассмотрим этот вопрос более детально. Известно, что пленка прочно связанной воды, окружающая частицу, ведет себя как жесткая связь, не передающая гидростатического давления [11]. Следовательно, там, где частицы тесно соприкасаются и расстояние 5р между их поверхностями вблизи точки контакта не превышает 5пр = (1...2)10-6 м, гидростатическое давление на частицы не передается. По этим площадкам на частицу действуют силы реакции, значение которых определяется неуравновешенным гидростатическим давлением. По сути дела, это будет означать, что сила Архимеда будет действовать на частицу не полностью [12].

Результирующая вертикальная сила, действующая на частицу в покоящейся жидкости, будет определяться разностью между весом частицы (в воздухе) р^й3 и силой плавучести

(Рт -Р)3 + Р^®э, (2)

где рт — плотность частицы; к — глубина потока; юэ — площадь «пятна контакта».

Второе слагаемое в этом выражении и является силой гидравлической при-грузки, действующей на частицу. Ее значение определяется площадью «пятна контакта» юэ и глубиной погружения частицы под уровень И. Приведенные выше данные о толщине слоя прочно связанной воды позволяют оценить гидростатическую пригрузку.

Сопоставим силу пригрузки П = pghюэ с силой тяжести, действующей на частицу в воде О = (рт — р) ^й3, учитывая, что при гексагональной упаковке число «пятен контакта» для частиц поверхностного слоя будет равно 6.

П _ 6pghnдlр _ 36р ЬЪ О ~

(Рт -Р)g 1 nd3 6

Рт -Р d

20

d3

(3)

где = 10-6 м — радиус «пятна контакта», близкий к толщине слоя прочно связанной воды.

Расчет по этому соотношению при И = 1 м для частиц различной крупности (табл.) показывает, что отношение гидростатической пригрузки к силе тяжести, действующей на частицу, возрастает с уменьшением диаметра частицы.

Отношение гидростатической пригрузки к весу частицы

d, мм 1,0 0,316 0,1 0,0316 0,01

П 5 • 107 1,6 • 105 5 • 104 1,6 • 10-2 5 • 101

G

Данные расчета показывают, что даже для натурных водотоков гидростатическая пригрузка для частиц й > 0,03 мм мала по сравнению с силой тяжести, действующей на частицу, и может не учитываться в расчетах устойчивости грунтов к размыву. Этот вывод согласуется с данными измерений Ц.Е. Мирц-хулава [13].

Рассмотрим более детально факторы, определяющие подъемную силу ¥, возникновение которой связано с тем, что верхняя поверхность частиц обтекается потоком со скоростью и в то время как скорость обтекания их нижней границы близка к нулю. Значение силы будет зависеть от квадрата актуальной скорости на вершине выступа шероховатости и Поэтому успех количественного определения условия взвешивания частиц во многом зависит от точности расчета актуальной скорости (( + и'). Скорость ик определяется по-разному в зависимости от режима сопротивления. При решении данного вопроса будем рассматривать песочную шероховатость Никурадзе с геометрическим размером зерен й = , составляющую безгрядовую поверхность дна.

Как известно, речные русла обнаруживают квадратичный режим сопротивления [14]. В режиме квадратичного сопротивления при —¡^ >50 для определения ик используем логарифмический профиль скорости И. Никурадзе, справедливость которого для речных потоков доказана [15]

вестник^ 6/2013

и = + 8,48,

и* к ^ (4)

откуда находим и

— = 6,75. (5)

и* ^

Это соотношение получено при г = — , так как плоскость отсчета при песочной шероховатости, согласно И. Никурадзе, выбирается на половине высоты выступа шероховатости. Кроме скорости обтекания ик, для расчета подъемной силы ^ следует определить величину С

Имеющиеся экспериментальные данные о подъемной силе, действующей на частицу, связаны либо с ее непосредственной приборной регистрацией путем закрепления частицы на весах той или иной конструкции, либо с расчетом по результатам наблюдений за потерей устойчивого равновесия частицами, находящимися на дне потока. Весьма тщательно поставленные опыты А.Б. Алкаевой, В.М. Доненберга и И.Г. Квасовой [16] показывают (рис. 2), что коэффициент подъемной силы соизмерим с коэффициентом сопротивле-

и ё

ния свободно падающей частицы вплоть до значений —--100. При значе-

ий 3 У

ниях Яей = —— > 10 величина Сп меньше коэффициента сопротивления Сс V

и приближается к коэффициенту сопротивления шара С что согласуется с данными расчетов.

С,

<1 9 о 2 • 3

а о о о ^о—о-^а э > \о * -о о 4 • 5

/ / г V I ^ __1

-2 -1 0 1 2 3

V

Рис. 2. Соотношение между коэффициентом подъемной силы и коэффициентом сопротивления: 1 — данные Чепила [17]; 2 — данные Ялина, ламинарный поток; 3 — данные Ялина, турбулентный поток; 4 — данные Алкаевой и Донненберга [16]; 5 — данные Эйхорна, ламинарный поток [17]

Выразим вес частицы в условиях свободного падения через ее гидравлическую крупность Ж

г Ж2 пё2 ..

с°р~2—4 = °.

С учетом полученного значения подъемной силы и выражения для веса условие предельного равновесия покоящейся частицы можно записать в виде

_ Ш2 пй2 мК пй2

СоР--= Спр—-, (7)

2 4 2 4

откуда

ик = Cd W Cn

(8)

Учитывая, что для шарообразных частиц в зоне автомодельности обтекания по числу Рейнольдса CD = CDm = 0,47, условие предельного равновесия для таких частиц с достаточной точностью можно записать в виде

— = 1, (9)

W

где u — критическое значение актуальной (мгновенной) скорости на вершине выступов частиц сферической шероховатости.

Полученное на основе простой физической модели условие предельного равновесия подтверждает предположение, сделанное ранее К.В. Гришаниным [18] на основе анализа экспериментальных данных В.С. Кнороза [19]. Следу-

ет заметить, что полученное условие справедливо при -> 50 . Кроме того,

v

предполагается автомодельность обтекания частиц при их свободном падении, т.е. WL > 350.

V

Условие предельного равновесия для шарообразной частицы может быть получено и в иной форме

0.5р Цс ^ = (р, -р)g (10)

2 4 О

Откуда условие предельного равновесия можно получить в виде

2 _

= 2,67-^rZP . (11)

gd р

Для кварцевых шарообразных частиц это соотношение записывается в виде

2

Ii

= 4,4. (12)

gd

Таким образом, получены достаточно простые и физически обоснованные зависимости, характеризующие условия предельной устойчивости сферических модельных частиц к взвешиванию под воздействием обтекающего их водного потока.

Библиографический список

1. Regazzoni P.L., Marot D. Investigation of interface erosion rate by Jet Erosion Test and statistical analysis // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2011. V 15, Iss. 8. рр. 1167—1185.

2. Salehi Sadaghiani M.R., Witt K.J. Experimental identification of mobile particles in suffusible non cohesive soils // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2011. V. 15, Iss. 8. pp. 1155—1165.

3. Dey A.K, Tsujimoto T., Kitamura T. Experimental investigations on different modes of headcut migration // Journal of Hydraulic Research. 2007. V 45, pp. 333—346.

4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1969. 742 с.

5. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М. : КолосС, 2004. 655 с.

6. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., СмилгаВ.П. Адгезия твердых тел. М. : Наука, 1973. 280 с.

7. Davis M., Köhler H.J., Koenders M.A. Unsaturated subsoil erosion protection in turbulent flow conditions // Journal of Hydraulic Research. 2006. V. 44, Iss. 3. pp. 41—43.

8. Лелявский С. Введение в речную гидравлику. Л. : Гидрометеоиздат, 1961. 228 с.

9. Михайлова Н.А. Перенос твердых частиц турбулентными потоками воды. Л. : Гидрометеоиздат, 1966. 232 с.

10. Дерягин Б.В., Абрикосова И.И., Лифшиц Е.М. Молекулярное притяжение конденсированных тел // Сб. физич. наук. 1958. № 64. С. 493—528.

11. Бобков В.Ф., Гербурт-Гейбович А.В. Основы грунтоведения и механики грунтов. М. : Высш. шк., 1964. 365 с.

12. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. М. : Энергия, 1980. 360 с.

13. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости. М. : Колос, 1967. 177 с.

14. Волынов М.А. Пропускная способность самоформирующихся речных русел // Природообустройство. 2011. № 5. С. 66—71.

15. Локальное кинематическое подобие течения и распределение скоростей в речных потоках / В.Н. Байков, В.С. Боровков, М.А. Волынов, Д.В. Писарев // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 6 (32). С. 12—19.

16. Алкаева А.Б., Доненберг В.М., Квасова И.Т. Условия предельной устойчивости частиц несвязного грунта на дне турбулентного потока // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1978. Т. 126. С. 22—29.

17. Гришин Н.Н. Механика придонных наносов. М. : Наука, 1982. 160 с.

18. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л. : Гидрометеоиздат, 1969. 427 с.

19. Кнороз В.С. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы ее определяющие // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1958. Т. 59. С. 62—81.

Поступила в редакцию в апреле 2013 г.

Об авторах: Боровков Валерий Степанович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гидравлики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)-261-39-12, [email protected];

Волынов Михаил Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, руководитель отдела, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВНИИГиМ), 127550, г. Москва, ул. Большая Академическая, д. 44, [email protected].

Для цитирования: Боровков В.С., Волынов М.А. Разрыв модельного грунта из сферических частиц // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 153—160.

V.S. Borovkov, M.A. Volynov

EROSION OF MODEL RIVER BEDS COMPOSED OF SPHERICAL PARTICLES

Erosion of a model river bed composed of spherical particles is analyzed in the article. The authors provide their summarized analysis of forces applied by the water flow onto particles of the upper layer of the model bottom soil composed of spherical particles. The authors have proven that the force producing the hydrostatic surcharge is determined by the dimensions of areas of tight particle-to-particle contacts, where a thin film of unfree water is incapable of transmitting hydrostatic pressure. This force must be considered if the particle size is below 0.03 mm. The authors have identified that the principal force responsible for the elevation of particles is the lifting force caused by the flow asymmetry in the upper soil layer. If the velocity demonstrated on the tops of particles of the upper soil layer is considered as the characteristic velocity, criterial condition of elevation of particles by the water flow is obtained as the ratio of this velocity to the hydraulic size of particles which is equal to one. The authors provide their explanation backing the above conclusion.

Key words: model river bed, erosion, spherical particles, particle velocity, particle elevation criteria.

References

1. Regazzoni P.L., Marot D. Investigation of Interface Erosion Rate by Jet Erosion Test and Statistical Analysis. European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2011, vol. 15, no. 8, pp. 1167—1185.

2. Salehi Sadaghiani M.R., Witt K.J. Experimental Identification of Mobile Particles in Suffusible Non-cohesive Soils. European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2011, vol. 15, no. 8, pp. 1155—1165.

3. Dey A.K., Tsujimoto T., Kitamura T. Experimental Investigations on Different Modes of Headcut Migration. Journal of Hydraulic Research. 2007, vol. 45, pp. 333—346.

4. Shlikhting G. Teoriya pogranichnogo sloya [Boundary Layer Theory]. Moscow, Nauka Publ., 1969, 742 p.

5. Shterenlikht D.V. Gidravlika [Hydraulics]. Moscow, Kolos Publ., 2004, 655 p.

6. Deryagin B.V., Krotova N.A., Smilga V.P. Adgeziya tverdykh tel [Adhesion of Solid Bodies]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 280 p.

7. Davis M., Köhler H.J., Koenders M.A. Unsaturated Subsoil Erosion Protection in Turbulent Flow Conditions. Journal of Hydraulic Research. 2006, vol. 44, no. 3, pp. 41—43.

8. Lelyavskiy S. Vvedenie v rechnuyu gidravliku [Introduction into River Hydraulics]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1961, 228 p.

9. Mikhaylova N.A. Perenos tverdykh chastits turbulentnymi potokami vody [Transfer of Solid Particles by Turbulent Water Flows]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1966, 232 p.

10. Deryagin B.V., Abrikosova I.I., Lifshits E.M. Molekulyarnoe prityazhenie kondensi-rovannykh tel [Molecular Attraction of Condensed Bodies]. Sb. fizich. nauk [Collection of Physical Sciences]. 1958, no. 64, pp. 493—528.

11. Bobkov V.F., Gerburt-Geybovich A.V. Osnovy gruntovedeniya i mekhaniki gruntov [Fundamentals of Pedology and Soil Mechanics]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1964, 365 p.

12. Kiselev P.G. Gidravlika. Osnovy mekhaniki zhidkosti. [Hydraulics. Fundamentals of Fluid Mechanics]. Moscow, Energiya Publ., 1980, 360 p.

13. Mirtskhulava Ts.E. Razmyv rusel i metodika otsenki ikh ustoychivosti [Erosion of River Beds and Methods of Assessment of Their Stability]. Moscow, Kolos Publ., 1967, 177 p.

14. Volynov M.A. Propusknaya sposobnost' samoformiruyushchikhsya rechnykh rusel [Capacity of Self-forming River Beds]. Prirodoobustroystvo [Nature Management]. 2011, no. 5, pp. 66—71.

15. Baykov V.N., Borovkov V.S., Volynov M.A., Pisarev D.V. Lokal'noe kinematicheskoe podobie techeniya i raspredelenie skorostey v rechnykh potokakh [Local Kinematic Similarity of the Current and Velocity Distribution in River Flows]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Civil Engineering Journal]. 2012, no. 6 (32), pp. 12—19.

16. Alkaeva A.B., Donenberg V.M., Kvasova I.T. Usloviya predel'noy ustoychivosti chas-tits nesvyaznogo grunta na dne turbulentnogo potoka [Conditions of the Limit Stability of Particles of Non-cohesive Soils on the Bottom of a Turbulent Flow]. Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva [Proceedings of All-Soviet Research Institute of Hydraulics named after B.E. Ve-deneev]. 1978, vol.126, pp. 22—29.

17. Grishin N.N. Mekhanika pridonnykh nanosov [Mechanics of Natural Drifts]. Moscow, Nauka Publ., 1982, 160 p.

18. Grishanin K.V. Dinamika ruslovykh potokov [Dynamics of Bed Flows]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1969, 427 p.

19. Knoroz V.S. Nerazmyvayushchaya skorost' dlya nesvyaznykh gruntov i faktory ee opredelyayushchie [Non-erosive Velocity for Non-cohesive Soils and Its Determinant Factors]. Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva [Proceedings of All-Soviet Research Institute of Hydraulics named after B.E. Vedeneev]. 1958, vol. 59, pp. 62—81.

About the authors: Borovkov Valeriy Stepanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Department of Hydraulics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 261-39-12;

Volynov Mikhail Anatol'evich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Director, Department of Water Resources Management, All-Russian Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A.N. Kostyakov (VNIIGIM), 44 Bolshaya Akademicheskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation; [email protected].

For citation: Borovkov V.S., Volynov M.A. Razmyv model''nogo grunta iz sfericheskikh chastits [Erosion of Model River Beds Composed of Spherical Particles]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 153—160.