Роль экологических и климатических факторов при застройке территории Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Экологическое строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624:551.582

В.К. САВИН, д-р техн. наук, член-корр. РААСН, Н.Г. ВОЛКОВА, канд. техн. наук,

Ю.К. ПОПОВА, инженер

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Москва, Локомотивный пр., 21)

Роль экологических и климатических факторов при застройке территории

Климатические перемены сопровождаются изменением метеорологических параметров, оказывающих как позитивное, так и негативное влияние на строительные конструкции и материалы. Климат как основной природный экологический фактор формирует аэродинамические процессы в атмосфере. Воздушное пространство арктической территории РФ фильтрует загрязненные потоки воздуха и сохраняет экологическое равновесие на планете. Также значительна роль лесов как источника кислорода, поглощающих углеродистые соединения и поставляющих древесину. При проектировании и строительстве зданий и сооружений, а также при их последующей эксплуатацией необходимо учитывать состояние окружающей среды, рассматривая совместно вопросы экологии и строительства.

Ключевые слова: экология, климат, аэродинамика, состав воздуха, загрязняющие вещества, строительство.

V.K. SAVIN, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAACS, N.G. VOLKOVA, Candidate of Sciences (Engineering), Yu.K. POPOVA, engineer, Scientific and Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivny Passage, 127238, Moscow, Russian Federation)

Role of Ecological and Climatic Factors in the Course of Territory Development

Climatic changes are accompanied by changes of meteorological parameters which influence both positively and negatively on the building structures and materials. Climate as the main natural ecological factor forms aerodynamic processes in the atmosphere. The air space of the Arctic territory of RF filters the contaminated air flows and preserves the natural equilibrium on the planet. The role of forests as an oxygen source which absorb carbon compounds and supply the timber is also considerable. In the course of design and construction of buildings and structures as well as during their operation it is necessary to take into account the environmental conditions considering the problems of ecology and construction in common.

Keywords: ecology, climate, aerodynamics, air composition, polluting substances, construction.

Климат как экологический фактор оказывает влияние на течение всех природных процессов: геологических, географических, геохимических, гидрологических, гидрогеологических и биологических, происходящих на Земле. Он характеризуется многолетними сезонными режимами погоды, поступлениями солнечной радиации, процессами циркуляции воздушных масс и степенью их загрязнения и зависит от географического положения местности, а также от топографии подстилающей поверхности.

К основным параметрам «Строительной климатологии» относятся температура наружного воздуха, скорость его движения, давление, характеристика изменения водяного пара, количество осадков, солнечная радиация, облачность. Информация, полученная посредством наблюдений, измерений, регистрации и осреднения различных метеорологических параметров, а также изучения нестационарных процессов и явлений, происходящих в атмосфере и на земной поверхности, используется в строительстве [1, 2].

Климатические характеристики меняются со временем. В последние годы отмечено повышение температурного фона в зимний период. Результаты расчетов показали, что температура воздуха за зимний период стала в среднем на 0,2-1оС выше нормы, причем особенно выделяются изменения в течение последних трех десятилетий, когда температура воздуха зимой была на 1-3оС (1981-1990 гг.) и на 1-5оС (1991-2000 гг.) выше нормы. При анализе климатических параметров за аномалии температуры воздуха принимались отклонения от средней многолетней нор-

мы, принятой по средней температуре периода устойчивого температурного режима по данным наблюдений до 1980 г. В табл. 1 приведены значения отклонений среднемесячной температуры воздуха от климатической нормы или температурные аномалии в мае 2013 г. для ряда городов РФ [3].

При проведении исследований было проанализировано влияние потепления климата на основные нормируемые климатические параметры: продолжительность, среднюю температуру и градусо-сутки отопительного периода. Полученные данные свидетельствуют, что потепление весьма неравномерно распределяется по территории РФ. В наименьшей степени оно проявилось в северных районах (Архангельск, Верхнеимбатск, Якутск) Так же неравномерно происходило потепление и во времени.

Таблица 1

Наиболее значительные аномалии среднемесячной температуры воздуха в мае 2013 г. на территории России и их повторяемость

Станция Аномалии температуры, оС Повторяемость раз в число лет

Санкт-Петербург 3,5 13

Москва (ВВЦ) 3,8 12

Волгоград 3,8 33

Ростов-на-Дону 4 65

Курск 4,9 Впервые

Томск -2,3 13

Хатанга 7,6 Впервые

Научно-технический и производственный журнал

Ecological construction

Таблица 2

Уровни загрязнений территории РФ

Потенциал загрязнений Район и его климатические условия

Низкий Побережье морей Северного Ледовитого океана

Умеренный Большая часть европейской территории РФ, Западная Сибирь

Повышенный Северный Кавказ, Дальневосточное побережье. Везде туман и слабые ветры

Высокий Урал, территория между Енисеем и Леной, Закавказье. Безветренная зима. Летом застой воздуха

Опасный Бассейн реки Колымы, Забайкалье, горные районы. Слабые ветры и мощные инверсии, недостаток кислорода

Изменения климата влияют на теплозащитные качества ограждающих конструкций, расход строительных материалов и энергопотребление здания. Повышение температуры в летний период влечет необходимость применение солнцезащитных устройств.

Следует заметить, что различия в конструктивных решениях обусловлены, как правило, не одним климатическим параметром, а их комплексом, на основе которого проводится строительное климатическое районирование с адаптацией проектных решений для каждого района. Архитектурные и конструктивно-планировочные решения необходимо принимать с учетом природных и общественных законов функционирования окружающей среды [4, 5]. Учет отрицательных климатических воздействий необходим для обеспечения качества строительства, надежности и долговечности строительных объектов, эффективного использования материальных и топливно-энергетических ресурсов.

Россия играет особую роль в экосистеме планеты. Обладая большими территориями, почти не затронутыми хозяйственной и промышленной деятельностью, она оказывает доминирующее влияние на устойчивость биосферы Земли. Воздушное пространство арктической территории фильтрует загрязненные потоки воздуха, формируя глобальные атмосферные процессы, сохраняя экологическое равновесие на планете. Площадь Арктического региона с морской зоной и континентальным шельфом, прилегающим к побережью, составляет значительную часть территории Российской Федерации [6]. Экология среди прочих вопросов занимается миграцией загрязняющих веществ, для перемещения которых не существует государственных границ.

Изменение состава атмосферы, главным образом содержания углекислого газа и водяных паров, обусловливает парниковый эффект, приводящий к потеплению климата, а его ослабление - к похолоданию. Увеличение СО2 обусловлено вулканической деятельностью земной коры и антропогенным фактором, его снижение - результатом фотосинтеза зеленых растений в биосфере Земли.

На термический режим атмосферы оказывает влияние состав и количество парниковых газов, в которые входят углекислый газ (20%), водяной пар (примерно 50%), метан (20%) и др. Метан - более легкий газ, достигающий верхних границ тропосферы, сжижаясь, образует «серебристые облака» и задерживает длинноволновую радиацию. Солнечные лучи разлагают метан на водяной пар и углекислый газ (период полураспада 15 дней), разрушающие озоновый слой. Этот опасный в природе газ в большем количестве является следствием антропогенной деятельности в части

6'2014 ^^^^^^^^^^^^^

утилизации отходов, сжигания биомассы и других его источников. Исследования показали, что рост приземной температуры за последние 50 лет соотносится с увеличением поступления метана в атмосферу.

Н. Еланский в своей статье «Климат-контроль - инструмент глобальный» отмечает, что на 15% территории нашей страны с населением более 60 млн человек загрязнение природной среды превышает допустимые нормы. Заболоченные территории России являются крупнейшим резервуаром углекислого газа и многих загрязняющих веществ, поглощенных из атмосферы.

Урбанизация — характерное явление нашего времени. Уровень концентраций вредных веществ-примесей от выбросов промышленных предприятий и авиа- и автотранспорта обусловлен высотой застройки, переносом веществ и их рассеиванием, перемешиванием, растворением в атмосфере воздуха. Качественный состав воздуха в городах зависит от сложного взаимодействия антропогенных и природных факторов — параметров климата и топографии местности. Так, многие из городов Сибири и Урала (Барнаул, Екатеринбург, Иркутск, Кемерово, Красноярск, Новокузнецк, Новосибирск, Хабаровск и Челябинск) расположены в неблагоприятных климатических зонах с низкой рассеивающей способностью атмосферы и характеризуются высоким потенциалом загрязнения, смогом. И.М. Елшин в 80-е гг. XX в. указывал на деление территории страны по потенциалу загрязнения воздуха в зависимости от района и климатических условий [7].

Большие города являются своеобразными «теплыми островами» с температурой поверхности Земли на 1,5-2оС выше, чем в сельской местности, что приводит к интенсификации конвективного теплообмена на поверхности Земли и увеличению миграции вредных веществ.

Загрязнения атмосферы, в свою очередь, оказывает влияние на климатические и микроклиматические условия территории. Изменения микроклимата, происходящие в городах и индустриальных центрах, характеризуются увеличением средней температуры воздуха на 2-9оС, уменьшением видимости, увеличением осадков и облачности, усилением циркуляции воздуха.

Перемены касаются и пригорода. На крупных животноводческих фермах и предприятиях мясной промышленности выделяется значительное количества аммиака, вызывающего разрушительное действие на растительность и здоровье человека. Сохранение биосферы требует специальных мер по охране окружающей природной среды.

Состав воздуха зависит от сложного взаимодействия антропогенных, климатических и природных факторов. Качество воздуха в городах в течение десятилетий наблюдает Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова с помощью Государственной сети мониторинга загрязнения атмосферы. К наиболее характерным загрязняющим веществам относятся диоксид серы, окись углерода, диоксид азота, свинец, озон, фенол, аммиак и др. Оценка степени загрязнения воздуха производится по национальным критериям качества воздуха ПДК (предельно допустимая концентрация) с учетом норм, утвержденных Минздравом, и критериям, принятым Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

Закон РФ № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» (редакция от 27.12.2009 г.) устанавливает комплекс мер по ее защите.

- 1б7

Экологическое строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Озон, возникающий в результате фотосинтеза, накапливается в приземном слое атмосферы. Большие концентрации озона приводят к хроническим заболеваниям и потере сознания, особенно у детей и пожилых людей. Если же квартиры не имеют сквозного продувания, а по типовым проектам таких квартир в доме порядка 50-60%, вредные вещества аккумулируются и накапливаются [8].

Загрязненный воздух мегаполисов наносит вред зданиям, памятникам архитектуры, а также строительным материалам. Некоторые из применяемых в строительстве материалов, такие как известняк, портятся из-за повышенного содержания в воздухе углекислого газа.

Дождь, насыщенный парами серной и углекислой кислот, приводит к разрушению поверхностного слоя и коррозии металла. Исключение составляет медь, которая под воздействием серосодержащих веществ покрывается зеленой патиной, предохраняющей ее от дальнейшего разрушения.

Особенности атмосферного воздуха, связанные с изменением в системе общей циркуляции воздушных потоков в северном полушарии и глобальным «парниковым эффектом», привели к общему потеплению климата в Москве. Влияние неблагоприятных факторов на воздух города можно проследить на примере мегаполиса. Контроль состояния воздушной среды проводится центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды на стационарных постах. Климатические исследования атмосферы осуществляются также обсерваторией МГУ им. М.В. Ломоносова, где замеряют почти 40 показателей метеорологического, радиационного режима атмосферы, химический состав осадков.

Появилась тенденция к значительной повторяемости в холодный период сочетания сравнительно высокой (выше 0оС) температуры воздуха с повышенной (более 70%) влажностью воздуха, приводящего к оттепелям, отрицательно воздействующим на конструкции зданий, сооружений, дороги, коммуникации, ухудшающим здоровье. В Москве за последние три десятилетия количество осадков в холодное время года с ноября по март возросло примерно на 12% [9].

Территориальная протяженность РФ определяет качественное различие воздушной среды городов, оказывая влияние на принятие градостроительных решений, выбор строительных материалов, долговечность зданий. Данные, приведенные на графике устойчивой климатической нормы (рисунок), свидетельствуют о различном влажност-ном режиме городов Томска и Хабаровска в зимний период времени (1925-1980 гг.). Повторяемость влажной погоды в Хабаровске в среднем в семь раз выше, чем в Томске, что значительно сокращает долговечность строительных конструкций и ухудшает их теплотехнические качества.

При выборе отделочных материалов для фасадов зданий необходимо представлять себе механизм разрушения этих материалов в условиях атмосферного воздействия и влагопереноса в наружных стенах. Все это особенно актуально в районах континентального и резко континентального климата.

Прозрачность атмосферы является косвенным показателем загрязненности воздуха. В загрязненной атмосфере снижается солнечная радиация. Видимая ее составляющая на территории РФ достигает 50%, прямая радиа-

16 14 12 10

2 8

о 6

1= 4

□ Томск Ц Хабаровск

л1

1

ш

I I I I II I I I I I 1 I I _ I

<5> ОЙ (Л .С?

Интервалы относительной влажности воздуха, %

ция - до 15% по сравнению с радиацией при незагрязненной атмосфере. Ультрафиолетовая радиация уменьшается на 30%, а она, как известно, обладает антибактериальными свойствами.

Высокая естественная запыленность и пыльные бури приводят к тому, что средние уровни запыленности воздуха в городах России в 2-3 раза выше, чем в городах Европы. В некоторых городах уровни запыленности превышают ПДК в 10 раз и более. Зимой запыленность воздуха на 50% ниже, чем летом, особенно у автомагистралей в жилых районах она снижается на 20-35%.

Наиболее опасны мелкие частицы пыли диаметром меньше 10 мк, способные достигать нижних частей респираторного тракта, вызывая заболевания органов дыхания, кардиологические, рак легких. По мнению многих ученых, воздействие высоких (пиковых) концентраций вредных веществ более опасно, чем длительное воздействие низких.

Интегральный коэффициент прозрачности атмосферы Московского региона за последние годы уменьшился на 3%, аэрозольная оптическая толщина выросла на 39%. Загрязнение атмосферы города приводит к уменьшению прямой радиации при ясном небе на 9%, суммарной -на 5%. Если за короткий период оптическая толщина атмосферного слоя в Москве возрастает больше чем в два раза, то в пригороде всего на 6%. Пылевое загрязнение атмосферы незначительно, в основном негативное влияние оказывают антропогенные факторы.

Топография региона влияет на экологическую ситуацию приземного слоя атмосферы. Для ряда городов РФ (Новокузнецк, Кемерово, Саратов, Норильск) неблагополучное состояние воздушного бассейна усугубляется их размещением в низинах и котловинах пойм рек. При застойном воздухе над городом степень загрязнения усиливается приземной инверсией, приводящей к высокой концентрации вредных веществ с возможностью образования смога (дымного тумана). Например, в Лондоне в 1952 г. от смога в течение 5 дней погибло более 4 тыс. человек.

Высокий уровень загрязнения увеличивает заболеваемость органов дыхания на 41%, возникновение злокачественных новообразований на 35% по сравнению со статистикой городов с меньшим уровнем загрязнения. Особенно тяжело переносится загрязненный воздух людьми с хроническими заболеваниями сердца и системы кровообращения. Интенсивный подсос в течение многих лет загрязнен-

2

0

Научно-технический и производственный журнал

—---- жнлищно! : —

СТРОИТЕЛЬСТВО

Ecological construction

ного или отравленного воздуха в квартиры нижних этажей в жилых массивах вблизи промзон и автомагистралей, усиливающийся при работе принудительной вытяжной вентиляции, отрицательно сказывается на здоровье жильцов.

Всем памятны периоды задымления Москвы от горящих торфяников. Воздух был перенасыщен токсичными продуктами горения. Излишнее осушение торфяных болот, повлиявшее на водный баланс местности и повредившее верховые болота - регуляторы стока и питания рек, привело к экологическому бедствию.

Климатический режим местности вблизи искусственных водохранилищ (Краснодарское, Красноярское, Братское и др.) претерпел большие изменения в сторону его значительного увлажнения, в связи с этим возникли проблемы с состоянием ограждающих конструкций, эксплуатацией и микроклиматом зданий и сооружений.

Для решения задач по охране окружающей среды нужна интеграция знаний, различных направлений строительной науки: ландшафтной архитектуры, архитектурного и конструктивного проектирования, проектирования инже-

Список литературы

1. Волкова Н.Г. Развитие нормирования строительной климатологии // Бюллетень строительной техники. 2012. № 8. С. 37-38.

2. Волкова Н.Г., Попова Ю.К. Триединая задача экологии применительно к проблемам строительства // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 108-116.

3. Бережная Т.В., Голубев А.Д., Паршина А.Н. Аномальные гидрометеорологические явления на территории РФ в мае 2013 г. // Метеорология и гидрология. 2013. № 8. С.112-120.

4. Савин В.К. Строительная физика. Энергоэкономика. М.: Лазурь, 2011. 415 с.

5. Савин В.К. Климатология и градостроительство // Градостроительство. № 4 (20) 2012. С. 55-58.

6. Шабетник В.Д. Основные причины глобальной катастрофы и общее направление возрождения Земли // Международный экологический форум «Инвестиции в экологию - шаг в будущее». Тезисы докладов. 2001. С. 9-10.

7. Елшин И.М. Строителю об охране окружающей природной среды. М.: Стройиздат, 1986. 136 с.

8. Ишков А.Г. Экологические проблемы Центрального федерального округа России // Международный экологический форум. Инвестиции в экологию - шаг в будущее. Тезисы докладов. 2001. С. 43-44.

9. Умнякова Н.П. Новый СП 131.13330.2012. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология. Актуализированная редакция» // АВОК. № 7. 2013. С. 72-76.

нерных систем обеспечения микроклимата зданий (ИСО) и строительных материалов. Выводы

Климат как основной природный экологический фактор оказывает влияние на течение всех процессов в биосфере. Климатические и экологические перемены ставят перед специалистами следующие задачи:

- перед проработкой основных проектных решений необходимо проведение инвентаризации источников загрязнений по месту строительства;

- адаптация зданий и сооружений, включая инженерные системы обеспечения микроклимата помещений, к новым условиям биосферы;

- при оценке климатических условий региона необходимо учитывать качество воздушной среды, а также топографию и экологию местности.

Для устранения издержек урбанизации, ослабления техногенного воздействия человека на окружающую среду необходима перестройка человеческого мировоззрения и осознание существующей экологической ситуации в мире.

References

1. Volkova N.G. Development of rationing of construction climatology. Bulletin ofconstruction equipment. 2012. No. 8, pp. 37-38. (In Russian).

2. Volkova N.G., Popova Yu.K. Triune problem of ecology in relation to construction problems. Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. 2009. No. 5, pp. 108-116. (In Russian).

3. Berezhnaya T.V., Golubev A.D., Parshina A.N. The abnormal hydrometeorological phenomena in the territory of the Russian Federation in May, 2013. Meteorology and hydrology. 2013. No. 8, pp. 112-120. (In Russian).

4. Savin V.K. Stroitel'naja fizika. Jenergojekonomika [Construction physics. Power economy]. Moscow: Lazur',

2011. 415 p.

5. Savin V.K. Klimatologiya and town planning. Town planning.

2012. No. 4 (20), pp. 55-58. (In Russian).

6. Shabetnik V.D. Main reasons for a global disaster and general direction of revival of Earth. International Ecological Forum. Investments into ecology - a step to the future. Theses of reports. 2001. Pp. 9-10. (In Russian).

7. Elshin I.M. Stroiteljuobohraneokruzhajushhejprirodnojsredy [Stroitelyu about protection of surrounding environment]. Moscow: Stroyizdat, 1986. 136 p.

8. Ishkov A.G. Environmental problems of Central federal district of Russia. International Ecological Forum. Investments into ecology - a step to the future. Theses of reports. 2001. Pp. 43-44. (In Russian).

9. Umnyakova N.P. New SP 131.13330.2012 «SNiP 23-01-99* "Building Climatology". Updated Edition». AVOK. 2013. No. 7, рp. 72-76. (In Russian).

6'2014

59