CC BY
347
УДК 502/504(1-21)
ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
Влияние инженерных систем на качество городской среды
Е. И. Пупырев,
доктор технических наук, профессор, директор института «МосводоканалНИИпроект»
Коммунальные системы охватывают все сферы жизнедеятельности городов. Они включают в себя системы водоснабжения, канализации, управления отходами, электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения, сбора и очистки поверхностного стока. В больших городах коммунальные системы практически определяют условия жизни горожан и качество городской среды, оказывая на неё как положительное, так и отрицательное воздействие.
Предлагается глава из монографии Е. И. Пупырева «Системы жизнеобеспечения городов», где приведены результаты длительной работы по изучению влияния коммунальных систем на качество городской среды, по систематизации и формализации оценки и сравнения городских инженерных систем, что необходимо для обеспечения высокого качества городской среды и проектирования оптимальных инженерных систем.
Ключевые слова: жилищно-коммунальное хозяйство, инженерные системы, городская среда.
Города наши меняются вместе с Россией, и по мере роста благосостояния населения качество городской среды улучшается. Пока еще сохраняется огромная разница в уровне коммунального обслуживания российских городов. Так, в Москве на жилищно-коммунальное хозяйство в расчёте на одного жителя тратится в несколько раз больше средств, чем в Московской области, или, например, в горо дах Поволжья.
Развитие городов имеет необратимый характер. Современному москвичу трудно вообразить возврат к гужевому транспорту, да и экологическая обстановка в Москве вряд ли улучшится при замене 3 млн автомобилей на 3 млн лошадей. Городские власти обычно пытаются составлять планы развития городов на много лет вперёд, но жизнь вносит существенные коррективы в их реализацию, что ш всей оче-
видностью можно наблюдать на примере дорожного строительства в Москве. Тем не менее стратегическое и оперативное городское планирование становится необходимым условием создания комфортабельной городской среды. Другим необходимым условием является проектирование и строительство городских систем, оптимальных как по капитальным и эксплуатационным затратам, так и по воздействию на окружающую среду, включая природную и социальную. Задача эта очень сложная, не имеющая однозначного решения, хотя чрезвычайно актуальная для города.
Ниже приведены результаты длительной работы по изучению влияния коммунальных систем на качество городской среды, по систематизации и формализации оценки и сравнения городских инженерных систем, что необходимо для обеспечения высокого
явиеиииш
качества городской среды и проектирования оптимальных инженерных систем. Подробно рассмотрены:
• классификация коммунальных систем;
• система удельных оценок качества городской среды;
• типовая структурная схема и модель городской инженерной системы.
Характеристика коммунальных систем
Коммунальные системы охватывают все сферы жизнедеятельности городов. Они включают в себя, в частности, системы водоснабжения, канализации, управления отходами, электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения, сбора и очистки поверхностного стока.
Кроме того, к коммунальным системам относятся коллекторно-речная сеть, средства снегоуборки, дорожная сеть, метрополитен, городской транспорт, уход за зелёными насаждениями, благоустройство территории, телефонная сеть, волоконно-оптические и другие сети передачи информации, ремонт зданий и сооружений, лифтовое хозяйство, городская торговля.
Коммунальные системы в больших городах практически определяют условия жизни горожан и качество городской среды, оказывая на неё как положительное, так и отрицательное воздействие. Это системы большой размерности. Например, система водоснабжения Москвы состоит из 5 водопроводных станций общей мощностью 6,5 млн кубических метров питьевой воды в сутки, почти 10 тыс. км магистральных водопроводов, десятков регулирующих узлов (рис. 1). Система управления водостоком с территории Москвы состоит из сооружений по очистке загрязнённых стоков, около 100 насосных станций и 5,5 тыс. км коллекторов, регулирующих водоёмов. Коммунальные системы простираются на сотни квадратных километров, работают круглосуточно, обладают высокой надежностью. В подземном пространстве Москвы проложены сотни тысяч километров инженерных коммуникаций, на территории города построены десятки сложнейших заводов, обеспечивающих комфортную жизнь горожан и устойчивое развитие города.
Коммунальные системы создаются десятилетиями, срок их жизни - столетия, а модернизация, как правило, требует значительных вложений из городского бюджета. Наряду с постоянным совершенствованием существующих городских систем создаются и новые системы: например, сбор и переработка снега с городских магистралей Москвы.
Коммунальные системы имеют много общего и взаимозависимы. Все они в основном привязаны к географии, рельефу и геологии городской территории. Они характеризуются примерно одинаковыми временными характеристиками (например, время реакции на управляющие воздействия измеряется часами). Изменение одной инженерной системы, как правило, влечёт за собой модификацию других инженерных систем.
Рис. 1. Система водоснабжения Москвы
Классификация коммунальных систем
В целом предлагаемая классификация коммунальных систем, показанная на рис. 2, отражает современную городскую практику, но не вполне совпадает с управленческой структурой города. В соответствии с реальной практикой управления городским хозяйством коммунальные системы делятся на два класса.
Первый класс. Системы, в которых поставленная задача решается преимущественно организационно-техническими мероприятиями, назовём их организационно-техническими коммунальными системами. С их помощью решаются социальные, экологические и другие задачи жизнеобеспечения города в основном организационными средствами с объединением разнородных технических средств. К этим системам относятся: городская торговля, благоустройство территории, содержание жилищного фонда и природных комплексов.
Второй класс. Системы, в которых решение поставленной задачи достигается строительством инженерных сооружений, назовём их инженерно-техническими (инженерными). С их помощью решаются задачи жизнеобеспечения городов однотипными инженерными методами с объединением подобных технических средств. Например, системы водоснабжения, телефонии, городское теплоснабжение.
Коммунальные системы
Инженерно-технические системы
Организационнотехнические системы
Торговая сеть
Содержание жилого фонда
Благоустройство территории зелёных насаждений
Содержание природных комплексов
Рис. 2. Классификация коммунальных систем города
Для построения следующего уровня классификации коммунальных и, в частности, инженерных систем целесообразно использовать функциональный признак, так как в современных городах коммунальные системы почти не пересекаются по набору выполняемых задач. Тем не менее построить абсолютно альтернативную классификацию непросто уже потому, что, как правило, коммунальные системы многофункциональны. Например, система водоотведения Москвы частично собирает и территориальный сток, система благоустройства территории содержит и средства ухода за зелёными насаждениями.
Инженерные системы подразделяются на системы ресурсопользования, энергоснабжения и транспортные.
Системы ресурсопользования призваны обеспечивать жителей природными ресурсами, и прежде всего водой, а также отвечать за санитарную очистку города от сточных вод и других бытовых отходов.
Системы энергообеспечения - это снабжение жителей электроэнергией, теплом. По городской практике к этому классу инженерных систем относится система газоснабжения, использующая газ как энергоресурс, хотя по существу это система ресурсопользования.
Наконец, в отдельный класс выделяются транспортные системы, отвечающие за перемещение по городу жителей, и информационные системы.
Оценки качества городской среды
Качество городской среды может оцениваться как субъективно, так и объективно. Объективными показателями являются:
• степень развития инфраструктуры;
• обеспеченность жителей материальными и энергоресурсами нормируемого качества;
• качество природных сред, таких как атмосферный воздух, водные объекты, почвы, зелёные насаждения.
Субъективными показателями качества городской среды служат состояние здоровья населения и заболеваемость.
Получение объективных данных о состоянии городской среды - актуальная научно-прикладная задача. Не менее важной задачей является и получение формализованных, в том числе интегральных, оценок качества городской среды, которые используются в основном природоохранными органами для оценки ущерба природной среде и планирования природоохранной деятельности. Например, для качества атмосферного воздуха, воды, почвы предложено несколько вариантов интегральных оценок и их классификация. В градостроительной практике используются удельные оценки качества городской среды.
В табл. 1 приведены некоторые часто используемые оценки и их значения для трёх городов -Монреаля, Москвы и Нью-Йорка. При этом Монреаль выбран как один из лучших в мире. По большинству показателей качество городской среды Москвы отстаёт от других столиц мира. По уровню загрязнения окислами азота Москва - одна из самых грязных столиц Европы. Некоторые показатели качества городской среды допускают неоднозначное толкование. Так, увеличение объёма образования твёрдых бытовых отходов, с одной стороны, свидетельствует о росте потребления и благосостояния, а с другой - желательно его уменьшать, чтобы не увеличивать нагрузку на природную среду в городе и пригородах.
явиеиииши
Показатели качества городской среды
Таблица 1
Название Монреаль Москва Нью-Йорк
Питьевая вода, л/чел.-сут. 1200 600 700
Потребление электроэнергии, кВт-ч/чел.-год 12000 3900 6100
Бытовые отходы, кг/чел.-сут. 2 1,1 1,7
Дороги, м/чел. 2 0,4 1,4
Плотность населения, чел./км2 5700 8000 8900
Жилплощадь, м2/чел. 30 11
Парки и скверы, км2/чел. 21,9 5,1 14,5
Информационный ресурс, % телефонизации 99% 89% 98%
Теплоснабжение, мощность, ккал/ч-чел. 1,37
Качество воздуха (2002 г.), N02, доли ПДК 1,35
Качество воды в р. Москве (2002 г.), класс загрязнения 4-5(загрязненные, грязные)
Качество почвы, % площади почвы, СПК выше допустимого 14,76
Воздействие инженерных систем на качество городской среды
Инженерные системы формируют качество городской среды, обеспечивая жителей необходимыми ресурсами, жильём, дорогами, общественным транспортом, очищая город от отходов.
Одновременно с этим инженерные системы оказывают прямое и косвенное негативное воздействие на природные комплексы.
Прямое воздействие - это выбросы в атмосферу и сбросы в водные бассейны, загрязнение почвы, потери ресурсов и энергии при транспортировке.
Косвенное воздействие - это потребление ресурсов и энергии, производство которых сопровождается загрязнением природной среды, а также изменением ландшафта, геологического строения, перекрытием естественных водотоков.
Специалисты МосводоканалНИИпроекта выделяют следующие причины затопления участков территории города:
• ошибки проектировщиков в расчёте водосточной сети при застройке новых микрорайонов города;
• сверхнормативные утечки в водопроводной и тепловых сетях;
• несанкционированная застройка прибрежных территорий и произвольное изменение русла предприятиями, расположенными по берегам рек;
• ошибки в проектировании дорожной сети;
• недостаточная пропускная способность переходных труб под дорогами и железнодорожными путями;
• ошибки при проектировании коллекторов;
• засорение водосточной сети строительными и другими видами отходов.
Для того чтобы избежать ошибок в проектировании городской инфраструктуры, чрезвычайно важно
научиться формализованными способами оценивать воздействие инженерных систем на качество городской среды.
Оценка и сравнение инженерных систем
Для целей городского планирования, построения оптимальных инженерных систем, оценки воздействия систем на качество городской среды было бы полезным научиться оценивать состояние инженерных систем и сравнивать их друг с другом.
Количественно в любой балльной системе оценить инженерные системы невозможно. Наиболее разумной является оценка таких систем множеством формализованных оценок с последующим их экспертным анализом.
Нет смысла оценивать инженерную систему по качеству производимого ею продукта, если качество нормируется, например СанПиН, потому что не может быть питьевой воды первого и второго сорта. Нет также смысла оценивать систему по стоимости её строительства, потому что если проект прошёл утверждение, то стомость строительства объекта становится аксиомой. По стоимости строительства можно было бы оценивать и сравнивать проекты при условии одинакового качества результата.
Инженерные системы целесообразно оценивать по трём группам показателей: производительности системы, воздействия на окружающую среду и стоимости эксплуатации.
Для оценки и сравнения систем удобнее использовать удельные показатели. Однако даже если собрать или вычислить множество таких показателей, всё равно будет необходимо оценить хорошо или плохо построена и работает инженерная система. Оценку состояния инженерной системы можно про-
водить либо в сравнении с некоторой «идеальной» системой, либо в сравнении с аналогом.
Для того чтобы построить идеальную модель, нужно знать передовые технологии, предельные значения таких характеристик инженерных систем, как энергопотребление, потери и утечки, стоимостные показатели и т. п. Кроме того, построение модели идеальной инженерной системы требует наличия подробных данных о состоянии и прогнозе развития рассматриваемого региона, знаний об имеющейся и перспективной технической базе. Таким образом, очевидно, что построение идеальной инженерной модели - это предмет самостоятельной научно-исследовательской работы.
Более простым вариантом оценки инженерной системы является использование так называемого аналога, в качестве которого может быть взята подобная инженерная система какого-либо похожего города, выбранного в качестве идеала, например Берлина или Монреаля.
В табл. 2 приведены сравнительные удельные показатели систем водоснабжения Москвы и Германии (среднестатистические данные). Из таблицы следует, что питьевая вода в Москве в 20 раз дешевле, чем в Берлине, что никоим образом не соответствует ее реальной стоимости, особенно если учесть больший уровень утечек и сравнимые цены на электроэнергию.
В табл. 3 приведены сравнительные показатели системы водоотведения Москвы и городов Германии.
Показатели систе
Состав показателей по сравнению с табл. 2 изменен. В нее включены такие важные показатели, как приток грунтовой воды, процент вторичного использования условно чистых вод. Так как стандарты очистки воды в разных системах водоотведения могут не совпадать, в таблицу включена строка интегрального показателя качества воды по сравнению с российским стандартом.
Табл. 3 показывает, что сравнение с системой-аналогом не всегда корректно, поскольку по некоторым показателям сравниваемая система может оказаться лучше аналога. Поэтому более правильно строить модель идеальной инженерной системы. Перечень рекомендуемых удельных показателей для систем водоснабжения, водоотведения и управления отходами также может дополняться в зависимости от региона и города.
В табл. 4 предлагается множество удельных показателей для оценки системы управления твёрдыми бытовыми отходами. Важным показателем здесь являются объём образования отходов и производительность системы сбора и переработки отходов.
По данным Департамента жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства города Москвы, в 2002 году в городе было образовано 2,62 млн тонн бытовых отходов жилищного сектора, 770 тыс. тонн крупногабаритного бытового мусора, 1,1 млн тонн отходов, приравненных к бытовым, образованных коммерческими предприятиями, итого 4,49 млн тонн бытовых отходов. В тот же период в Москве прожи-
Таблица 2
ы водоснабжения
Показатель Аналог Москва
Производственные мощности, л/чел.-сут. 500 650
Фактический объем потребления, л/чел.-сут. 160 390
Утечки воды, % 8 12
Доля электроэнергии в себестоимости, % 10 25
Отпускная цена, руб./м3 (2003 г.) 60 3,12
Показатели системы водоотведения Таблица 3
Показатель Аналог Москва
Производственные мощности, л/чел.-сут. 400 550
Фактическая производительность, л/чел.-сут. 300 450
Приток грунтовой воды, % 13
Вторичное использование условно чистых вод, % 10
Интегральный показатель качества воды, доли ПДК 2 1
Тариф, руб./м3 (2003 г.) 60 2,83
Показатели системы управления твердыми бытовыми отходами Таблица 4
Показатель Аналог Москва
Производственные мощности, кг/чел.-сут. 2,5 1,1
Фактический объём образования, кг/чел-сут. 2 1,1
Вторичное использование отходов, % 50 20
Доля сжигаемых отходов, % 15 6
Тариф, руб./чел. в месяц (2003 г.) 750 6
Неконтролируемая эмиссия отходов, % 5 15-20
ямеиииш
вали около 10 млн человек с постоянной регистрацией и около 1 млн с регистрацией на срок более года. В пересчете на 1 жителя в Москве ежедневно образовывалось чуть более 1 килограмма бытовых отходов. Для сравнения: в Нью-Йорке этот показатель составляет около 2,2 килограмма.
Другим важным показателем является процент вторичного использования отходов. При этом основная задача - не получение финансовой прибыли от продажи продуктов, образованных в результате переработки отходов, а уменьшение количества отходов, складируемых на пригородных полигонах или сжигаемых на заводах. В таких странах, как Канада, Германия, этот показатель достигает 50%. К этой же группе экологических показателей относится процент неконтролируемой эмиссии отходов в окружающую среду. Однако получить его, по крайней мере для Москвы, можно только путём экспертных оценок. В городе пока не создана система контроля за перемещением отходов.
Получение фактических данных о функционировании инженерных систем является самостоятельной задачей производственного контроля в комплексе городского хозяйства Москвы, которая пока даже не обсуждается в полном объёме. Характерно, что в городах, где прошла приватизация коммунальных систем, например в Лондоне, фактические данные систем в статистических справочниках не указываются, а приведены в основном финансовые показатели.
Возможности проектирования оптимальных инженерных систем
Проектирование инженерных систем - это сочетание творчества и формализованных процедур. Зачастую проектирование осуществляется на основе инженерного опыта с использованием уже выполненных аналогичных проектов. В то же время для прогноза сбалансированности характеристик проектируемых инженерных систем в настоящее время не разработан аппарат математического моделирования [1].
Анализ объектов городской среды, выявление закономерностей развития инженерных систем позволили сформулировать общие содержательные критерии построения оптимальных городских инженерных систем:
• опора на достоверные исходные данные и прогнозы;
• ориентация на реально достижимые стандарты и нормативы качества;
• комплексный учёт последствий принимаемых административных и технических решений;
• по возможности многофункциональное использование инженерных объектов городской среды;
• постоянный мониторинг качества городской среды.
Анализ инженерных систем предназначен прежде всего для перехода от содержательных описаний структуры и свойств системы к формализованным параметрам. С этой целью были исследованы структура и алгоритмы функционирования инженерных
систем, входящих в комплекс городского хозяйства Москвы. Анализ позволил впервые предложить типовую структурную схему городской инженерной системы (рис. 3).
Городская инженерная система состоит из четырёх частей. Во-первых, это источники ресурса, например водохранилища; во-вторых, сооружения по обработке исходного ресурса в соответствии с существующими требованиями к его качеству. Следующая часть инженерной системы - это подсистема транспортировки ресурса потребителю. И наконец, последняя часть системы - это потребители, т. е. объекты городской среды, включая жителей и предприятия. Та же структурная схема может использоваться для описания системы управления отходами, водоотведения, коллекторно-речной сети. В этом случае стрелки на рис. 3 меняют направление.
Источник Подготовка ресурса продукта
Транспортировка продукта Пользователи
Рис. 3. Схема городской инженерной системы
С некоторыми допущениями от структурной схемы можно перейти к модели городской инженерной системы, представив её в виде неориентированного ненагруженного графа-дерева (рис. 4). На рисунке обозначено: Б - источник, R - подготовка продукта, Pj - транспортные средства, и - потребитель. Модель описывает как инженерную систему подачи некоторого ресурса жителям города, так и системы управления отходами, удаления и очистки атмосферных осадков, канализования города.
Рис. 4. Модель городской инженерной структуры
Анализ процесса проектирования инженерной системы в городском хозяйстве позволяет выделить следующие этапы ее создания:
• возникновение и формулировка проблемы;
• проведение исследовательских работ по оценке количественных и качественных характеристик проблемы, сбор исходных данных;
• составление генеральной схемы;
• разработка технико-экономических обоснований;
• проектирование объектов.
Обычно формулировка проблемы осуществляется на содержательном уровне, например: прекратить сбрасывать снег с городских магистралей в реку или ограничить вывоз использованного пластика на городские свалки.
Первым этапом проектирования инженерной системы является формализация городской проблемы, прежде всего количественная оценка объёма ресурса, который будет производить инженерная система. Необходимо также оценить диапазон изменения объёмов, период и временную динамику их производства, пространственное распределение. Обработка результатов экспериментов и расчёты, как правило, проводятся методами статистического анализа. Результатом первого этапа синтеза является обобщенная модель инженерной системы.
На втором этапе проектирования разрабатывается генеральная схема инженерной системы, при построении которой определяются числовые параметры модели. Она включает в себя:
• разработку требований к конечному продукту;
• оценку мест его потребления или образования, составление пространственных карт, диаграмм, таблиц объёмов производства;
• расчет параметров транспортной сети;
• размещение объектов производства (утилизации) продукта (отхода), расчёт мощностей объектов;
• выбор и сравнительную оценку технологий производства (утилизации);
• разработку и анализ балансовых схем;
• расчёт укрупненных технико-экономических показателей.
На третьем этапе проектирования городской инженерной системы проводится детализация требований к объектам инженерной системы, разрабатываются проекты объектов городской среды, составляющих систему, осуществляется экспертиза их воздействия на окружающую среду, уточняются их характеристики и временные параметры строительства системы.
Предлагаемые типовая схема и обобщенная модель инженерной системы могли бы использоваться на втором и третьем этапах проектирования для расчёта объёмов производства, нагрузок на транспортную сеть, прогнозирования потерь и ухудшения качества ресурса, расчёта динамических характеристик системы. Несмотря на большую размерность городских инженерных систем в целом, реальные инженерные сети проектируются как расширение существующих, что упрощает проблему размерности и облегчает использование формализованных моделей.
Литература
1. Пупырев Е. И. Системы жизнеобеспечения городов. - М.: Наука, 2006. - 247 с. - ISBN 5-02-033966-0.-с. 26-39.
ЯВИЄИ1ИИІИ
