ГРАДОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Московский ордена трудового красного знамени
архитектурный институт
На правах рукописи
УДК 711.554:669(470.5)+518.5
Архитектор
Бояркина Марина Геннадьевна
ГРАДОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ (НА ПРИМЕРЕ УРАЛЬСКИХ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ)
18.00.04 - Градостроптсльство, районная планировка, ландшафтная
архитектура и планировка сельскохозяйственных населенных мест
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата архитектуры
Москва-1992
Диссертация выполнена в Московском ордена Трудового Красного
Знамени архитектурном институте на кафедре Информатики.
Н А У Ч Н Ы Й РУКОВОДИТЕЛЬ:
Кандидат архитектуры, доцент Е.П.Костогарова
НАУЧНЫЙ К О Н С У Л Ь Т А Н Т :
доктор архитектуры, профессор В.В.Владимиров
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОШОНЕНТЫ:
доктор архитектуры, профессор А.П.Вергу^ов,
кандидат архитектуры,
А.Х.Бутусов
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИОАЦИЯ - Центральный научно-исследовательский и
проектный-'икспериментальный институт по методологии,
организации, экономике и автоматизации проектирования и
инженерных изысканий /ЦНИИпроект/ Госстроя СССР
Защита состоится
1Й92 г. в
специализирова1шого Совета Д.063.20.01 при
часов на заседании
WIOCKOBCKOM
ордена
Трудового Красного Знамени архитектурном институте по адресу:
103754, г. Москва, К-31, ул. Рождественка, 11.
С диссертацией можно ознако\шться в библиотеке Московского
архитектурного института.
Автореферат разослан " М'"
Ученый секретарь
специализированного Совета,
профессор
ifu^P^^l*^
1992 г.
М.Н. Иманов
VTEm
.»
:)r,tnU
^
Актуальность исследования.
Б связи с экологическим кризисом конца ХК века проблемы
храны окружающей среды приобретают все большее значение в архиэктуре и градостроительстве. Экологическое состояние крупных и
рупнеиших городов, где степень загрязнения окружающей среды почI цовсеместно превышает пределы допустимых концентраций вредных
сбросов, вызывает особенную тревогу. Бред, причиняемый человеку
^следствиями промышленного производства - химикатами, радиацией,
уланом и вибрацией вызывает физический дискомфорт , а это связа) со скачкообразным ростом числа заболеваний сердца и нарушения
ювообращения. Исследования показали, что в развитых промышленIX странах 50$ смертных случаев происходит от подобных заболева[й. По данным международных экспертов, к 2000 году загрязненность
:ру2сающей среды может вырасти в 6-10 раз по сравнению с сущестУнинальность среды обитания исключает возможность активного
сперимента с нею, поэтому для 14-ормирования ее экологических
честв имеет большое значение построение и использование сооттствующих прогностических математических моделей. Системы обесчения оптимальных характеристик среды зачастую выдвигают протиречивые требования, достижение общей цели, некоего глобального
гимума возможно не всегда и лишь на основе комбинаторного комэмисса. Успех может быть достигнут только тогда, когда объект
эектирования или реконструкции будет рассматриваться как элеIT окружающей среды, когда будут учтены его прямые и обратные
13И со средой и обеспечен необходимый баланс комфортности как
I человека, так и для городской среды, т.е. осуществлен "эколо[еский подход" к данному объекту.
Новые разработки в области исследования и проектирования
юдской среды у нас в стране и за рубежом используют богатый
- 2 накопленный опыт анализа отдельных показателей и характеристик
1
о
среды , их визуализации с помощью средств компьютерной графики^.
Хотя вопросы описания отдельных факторов среды вполне убедитель­
ны, но недостаточно изучены вопросы адекватного синтеза городской
среды в целом. К тому же, экологические нормы и критерии трудно
реализуемы в процессе проектирования, т.к.: 1/ недостаточно раз­
работана система норл и критериев, которые надо обеспечить в про­
екте; 2/ некоторые экологические критерии вообще не учитываются и
исследования по их анализу не проводятся; 3/ считается, что гра­
достроительными средствами нельзя улучшить экологическую обста­
новку в городе; 4/ отсюда не существует практического механизма
использования экологических критериев на всех стадиях проектиро­
вания, и недостаточен экологический контроль за качеством проекта.
В связи с этим предлагается разработать систему гра,достройтельных средств регулирования экологического состояния городской
среды, прогнозируемых с помощью математической модели.
Цель исследования. Выявить принципы экологического анализа
индустриальных ландшафтов в городской среде и разработать метод
проектирования и восстановления оптимальных средовых показателей
в условиях активного антропогенного влияния промышленности в круп­
ном и крупнейшем городе с помощью математической модели.
Задачи исследования:
- определить сущность градоэкологического подхода к формированию
индустриальных ландшафтов;
•а
- выявить теоретическую основу градоэкологического мониторинга"^,
работы Ю.А.Израэля, В.В.Пененко, А.Е.Алояна, Ф.Я.Ровинского,
М.В.Гальперина и др. /СССР/, В.Хассельблат / Ш А / , С.Ринальди и д
работы С.Руфф, Д.Кокс, Э.ван Дэма, С. Уолфрема /США/ и др.
3 МОНИТОРИНГ - от лат. монитор /напоминающий, контроллирукций/ система повторных наблюдений, оценки и прогноза состояния окру­
жающей среды под влиянием человека.
- 3 определить его цель, задачи, типы и категории, принципы описания
градоэкологического мониторинга предприятия и его окружения;
- выявить градостроительные условия и экологические факторы для
объекта исследования - исторически сложившихся металлургических
предприятий на Урале;
- обобщить методы моделирования и прогнозирования экологических
качеств среды и выявить наиболее предпочтительные для градост­
роительной модели оптимизации состояния среды;
- разработать прогностическую модель оптимизации экологических
качеств производственной и окружающей ее городской среды?
- выработать обобщенный критерий оптимизации экологичеекого сос­
тояния городской среды для моделирования;
- разработать систему градостроительных средств регулирования
состояния производственной и окружающей ее городской среды;
- предложить методику проектирования и реконструкции индустриаль­
ных ландшафтов с помощью градоэкологического мониторинга среды;
- предложить систему организации и инструментальные средства для
локального, общегородского и регионального мониторинга.
Объект исследования. В качестве объекта исследовались эколо•ические качества среды промышленного предприятия с классом вред[всти 1 /по СНиП 245-7S/ и его окружения в центре крупнейших и
р у ш ш х городов на Трале. Эти предприятия, сложившиеся,большей
аетью в ХУ111 веке в качестве "замкового камня" планировки уральких городов-заводов^, находятся в центрах городов и являются
амими сильными очагами распостранения производственных вредносей на общегородские центры и жилуи среду города.
градостроительным аналшзом уральских городов занималось много
архитекторов - Н.С.Алферов, Н.Н.Ляпцев, А.А.Стариков, Г.С.Заикин, А.А.Барабанов, Р.М.Лотарева, В.И.Вершинин и др.; все они
отмечают, что для уральских городов характерен определенный
тип производственно-селитебного образования - "город-завод".
_ 4 —
Предмет исследования. 1'радоэкологический мониторинг инду­
стриального ландшафта в центре крупнейшего уральского города
на основе математической модели.
Границы исследования. Экологические качества городской сре­
ды рассматривались, в зависимости от градостроительных средств;
административно-правовые, с5иоинженерные и технологические аспек­
ты мониторинга не разрабатывались. При моделировании не учитывал­
ся психо-физиологический комдаорт человека, визуальный, социальны:
и культурный мониторинг.
Методы исследования:
- самоорганизации и синергетики при представлении общей картины
протекащих в среде процессов^;
- охраны окружающей среды для обобщения экспериментальных данных,
Ук/ормализации дуункциональных зависимостей и разработки принципе!
2
моделирования ;
- системологии при автоматизации решения системных задач"^;
- экспериментальных измерений и диагностики качества компонентов
среды архитектурной климатологии, метеорологии и мониторинга'*;
- дискретной оптимизации и прогнозирования при аормулировке мате­
матической модели^;
описаны И.Пригожиным, С.П.Курдюмовым, Г.Р.Иваницким и др.
о
работы В.И.Вернадскогд, Б.Л.Казначеева, С.С.ЦЬарца, К.Грегори,
Ж.Детри, Ж.Дорста, Дк.Марша, Ю.Одума, П.Г.Олдака и др.
разрабатывались А.А.Ьогдановым, Л.Ф.Берталанфи, Н.Винером, Дж.
Форрестером, У.Р.Эшби, Дк.Н.Гигом, Дж.Клиром и др.
работы З.К.Елинкова, Н.В.Оболенского, С.В.Ьоколея, В.М.Пивкина,
Ф.Л.Серебровского по архитектурно-строительной климатологии;
И.Э.Реттера, Б.Г.Пруткова по акустике; Б.Г.Шелейховского, !,1.И.
Будыко, !.1.Е.Берлянд, Э.м.Ьезуглой, Ф.Я.Ровинского, Ю.А.Израэля
в области мониторнга окрунащей среды и мониторинга загрязнение
° А.Н.1ИХ0Н0В, А.А.Самарский, Н.И.Артоболевский, В.М.Глушков и д^
- 5современных информационных технологий для сбора, обработки, хранения и представления данных градоэкологического мониторинга .
Теоретической базой исследования стали работы по: "средовому
7
щходу" в градостроительном проектировании , промышленной эколоО
Q
ш , урбоэкологии , ландшафтоведению
-in
, математическому моделиро-
шию и автоматизации проектирования градостроительных объектов ,
|Двлированию и оптимизации отдельных факторов городской среды .
Научная новизна исследования. В диссертации разработан градо:ологический подход к проектированию и реконструкции индустриальк ландшафтов, который заключается : в принципе активного освоения
неразрывного проектирования как среды предприятия, так и его блиihnero окружения; в принципе анализа и проектирования среды с
мощью градоэкологического мониторинга. Сформулированы основы
адоэкологического мониторинга: его цель, задачи, основные принпы, типы и категории. Разработана комплексная оптимизационная
дель локального объекта градоэкологического мониторинга - среды
едприятия и его окружения в городе.
описаны П.Дк.деннингом и Р.Б.Брауном, Н.Виртом, К.Парком, М.Леском, А.ван дэмом, Ж.-Л.Лорьером, А.З.Спектором, Д.Леннатом и др.
А.Г.Раппапорт, В.Л.Глазычев, А.Э.Гутнов, О.Н.Яницкий, З.Н.Яргина
В.А.Красильников, Б.А.Новиков, Ю.П.Бочаров, Н.Н.Ким, О.С.Бутаев,
Г.И.Полторак, Ю.Н.Хромец, К.М.Яковлевас-йктецкис, ivl.Н.Болотова
З.В.Владимиров, Е.М.'/шкулина, А.Г.Большаков, С.Б.Чистякова,
i.В.Лазарева и др.
3.А.Николаевская,. А.П.Вергунов, Дж.Саймондс, Л.Б.Лунц, Д.Л.Ар­
манд, Бауэр Л. и Вайничке X., Залесская Л . С , А.В.Сычева и др.
Л.Н.Авдотьин, Э.П.Грирорьев, Е.П.Костогарова, В.С.Нагинская,
Г.И.Лаврик, И.С.Рафалович, И.П.ийшаков, Д.Н.Яблонский и др.
С.В.Зоколей, Б.Г.Шелейховский, И.А.Реттер, Ф.Л.Серебровский,
В.В.Пененко, А.Е.Алоян, к т.Прутков и др.
- 6 Практическая денность работы заключается в переоржентадаи
процесса проектирования промышленных объектов в городе на исполь­
зование градоэкологического подхода и новых информационных техно­
логий и интеграции
научных данных в процесс творчества архитек
тора-градостроителя. Актуален данный методический аппарат для ре­
шения конкретных прикладных задач в сложных экологических ситуаци
ях, возможно его применение для экологической экспертизы проекта.
Модель экологического качества любого пространства или локального
участка среды может применяться в рамках соответствующего раздела
ТЭО, проекта генерального плана или проекта детальной планировки
градостроительных объектов. Результаты исследования могут служить
практическим материалом для дисциплины "Охрана окружающей среды",
для создания подсистемы учебно-исследовательской САПР в программе
вузовской подготовки архитекторов.
Предмет зашиты составляют:
- положения научно-методического подхода к построению информаци­
онной технологии градоэкологического мониторинга;
- теоретические основы градоэкологического мониторинга;
- математическая модель локального градоэкологического мониторинг
среды предприятия и его окружения.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные
положения диссертации докладывались на научно-практических конфе­
ренциях СвердАрхИ /1985, 1990гг./, областной научно-технической
конференции "Автоматизация, проектных и конструкторских работ"
/1985г./, конференциях молодых математиков У Щ АН СССР /1986,1987
гг./, У научно-практической конференции молодых ученых ЦНИИПпромзданий,/1986г./, на конференции "Формирование архитектуры произ­
водственной среды при реконструкции промышленных предприятий"
/1986г./, научно-технической конференции "Защита окружающей средь
и промышленных зданий от агрессивных промышленных выбросов"/19871
- 7 Некоторые положения и выводы исследования использованы в на1но-исследовательском отчете Уралпромстройниипроекта "Провести
^следования и выявить предпосылки математического моделирования
1пологических структур предприятий тяжелой промышленности /шифр
змы 87-1-85/ и научно-исследовательском отчете того же института
1ровести исследования и разработать методику оптимизации архитекгрных решений производственных комплексов на основе математичес)Г0 моделирования" / Гос. per. S 01860105361/.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех
1ав, заключения, библиографии и графической части на 39 цланшвтах.
Во введении характеризуется проблематика и актуальность рабогI, обосновываются гипотеза и границы исследования.
В первой главе "Градоэкологический подход к объекту проекти)вания" на основе обзора работ по экологии города выявляются
зедпосшши перехода к градоэкологическому проектированию городсой среды и наиболее опасных экологически объектов / в частноети,
)едприятий черной металлургии/; рассматриваются особенности антро)генной городской экосистемы в сравнении с естественно-природной.
качестве основного принципа градоэкологического подсода jKasfiBa;ся организация градоэкологического мониторинга объекта проекти»вания; дается определение градоэкологического мониторинга, цель,
|дачи, типы, и категории, а также принципы функциониревания и оршизации такого мониторинга.
Во второй главе "Анализ условий и факторов производственной
)еды" заключено обследование предприятий по методу градоэкологиiCKoro мониторинга: дается анализ градостроительных, исторических
социально-экономических условий развития объектов, планировочных
•пов объектов, а также анализ экологических факторов производст!НН0й среды, в том числе первичных - микроклиматических, вторичк - антропогенных и третичных - антропопатогенных. Приводятся
- 8 -количественные зависимости, описыващие экологические характерис­
тики городской среды,
В третьей главе "Моделирование экологических показателей про­
изводственной среды" на примере среды предприятия охшсаны принциш
построения математической модели локального градоэкологического мс
ниторинга. На основе аналогов - советских и зарубежных моделей экс
логического состояния среды и влияния производственных вредностей
на среду и человека со^<ормулирована модель влияния градостроитель­
ными средствами на качество среды предприятия и его окружения. Рас
смотрено и формализовано понятие "комфортность пространственноэкологической ниши" как целевой критерий модели. Сделан'расчет по
двум реальным предприятиям и выявлены наиболее экологически опти­
мальные градостроительные мероприятия; приводится методика анализг
результатов моделирования.
В четвертой главе "Оптимизация проектирования и реконструкцш
городской среды с помощью градоэкологического мониторинга" предла­
гаются: методика проектирования и реконструкции среды из трех сту­
пеней - исследовательской /анализ/, инструментальной /прогноз/ и
проектной /синтез/; система организации служб градоэкологического
мониторинга /от локальных групп реализации мониторинга до служб
общегородского и регионального значения, осуществляющих поддержку,
координацшо и управление; система инструментальных средств монито­
ринга для получения, обработки, передачи и хранения данных, пред­
ложенная на основе современных информационных технологий.
В заключении дается расширенное определение метода градоэко­
логического мониторинга, рассматриваются границы его применения
в градостроительном проектировании, основные выводы и перспективы
его дальнейшей разработки.
- 9 СОДЕРИНИЕ РАБОта
Экологическое состояние города зависит от типов и уровня
штропогенного воздействия на городской ландшафт. Все источники
)агрязнвния города делятся на три основных типа: 1 - промышленное
)агрязненив /от предприятий и обслухиващего их транспортно-энер'втического комплекса/; 2 - транспортное транзитное загрязнение
'от средств грузе- и людоперевозок/; 3 - социально-бытовое загряз[ение /от селитебных, обслуживающих культурно-бытовых объектов/.
I крупнейших и крупных городах с тяжелой прсжшшленностью 1 и 2
ипы загрязнения дают до 80-90^ объема всех вредных химических
еществ, токсично действуицшс на городской лашшафт и человека.
то» факт служит основной предпосылкой перехода от избирательного
роектироваяия отдельных городских промышгенных зон и других объктов к градоэкологическому планированию и прогнозированию на
ceot уровнях.
Градоэкологцческий подход к объекту проектирования.
Теоретическо'е изучение экологии городской среды начиная с
D-X гг. у нас в стране реализовалось в следующих направлениях
зхитвктурной науки: архитектурная климатология, строительная фипеа, прсмыменная экология, урбоэкология, лаадшафтоведение и
1К0Й относительно новый раздел как теория "средового подхода".
Однако город как объект проектирования остается единым целым
подвергается совокупному, совместнгалу влиянию факторов среды на
л свои компоненты. Разделение архитекторов на промышленных и
адостроиталей разделило на два объекта и суть одного целого едприятие и город /индустриальный и городской ландшафт/ и приве, о одной стороны, к более детальному иззгчению их специфики, а
другой стороны, оставило без внимания вопросы их взаимодействия
взаимовлияния - как планировочные, так и гигиенические.
Планировочный аспект этого взаимодействия выразился в возник-
- 10 новении территорий, обладающих свойствами, нехарактерными ни для
одной из функциональных зон города /так называемые "стыковые зо­
ны", "припромышленные территории", санитарно-защтные зоны/. Это
территории, прилегающие к предприятиям и граничащие непосредст­
венно с другими элементами города. Гигиенический аспект выражает­
ся в том, что эти территории обладают эффектом "буфера": это ру­
беж окисления или выщелачивания почв, место выпадения твердых
составляющих газопылевыбросов. Кроме того, зараженная раститель­
ность этих санитарно-защитных зон сама выделяет в атмосферу ток­
сичные вещества и является источником вторичного загрязнения го­
родской среды. Наличие таких территорий в какой-то мере является
дополнительным фактором деградации городских экосистем и среды
в целом.
Анализируя среду предприятия, нельзя обойти среду его "окру­
жения": они формируют целостный индустриальный ландшафт, характеризущийся одними и теми же элементами, экологическими факторами
и их характеристиками.
Для того, чтобы улучшить экологические качества городской
среды, необходимо рассмореть сам процесс ее деградации. Окружаю­
щая среда меняется в результате человеческой деятельности и посте­
пенно оказывает влияние на эту деятельность: деятельность - вли­
яние на среду - наблюдение за состоянием среды - оценка состояния
- прогноз состояния - оптимизирующее решение - деятельность' и т.;
В данной работе рассматривается часть этой "эвольвенты"-^ влияния
человека на среду, а именно: наблюдение за состоянием среды оценка состояния - прогноз состояния - оптимизирущее решение.
Этот процесс исследуется в рамках теории комплексного мониторинга
^ эвольвентой /от лат. - развертывающий/ здесь называется эволюци­
онная поступательная кривая, пространственно неопределеннай
- 11 жруяающей среды /Израэль Ю.А., Ровинский Ф.Я./jjjui обозначения подсистемы регулирования качества среды гра[остроительными средствами введем термин
г р а д о э к о л о г и -
[ е с к и й мониторинг, - это система наблюдений, оценки и прогноla экологического состояния городской среды в результате грацоформрующей архитектурно-строительной деятельности, Б зависимости от
[асштаба можно различать следующие типы мониторинга: глобальный юниторинга континента или планеты в целом; региональный - монитоинГ:.региона; локальный - городской или районный, мониторинг объекта.
ЦЕЛЬЮ градоэкологического мониторинга является оптимизация гоодской среды с помощью градостроительных мероприятий, ОБЪЕКТОМ кологический потенциал городской среды. К ЗАДАЧАМ градоэкологичесого мониторинга можно отнести следующие: - организация мониторинга
агрязнений, выявление источников загрязнения; - определение уроввй воздействия и мест с повышенной опасностью воздействий; - оцвна возникающей в результате воздействий нагрузки на горвдекур среду
человека; - разработка критериев комфортности для городской среды
человека; - оценка степени влияния градостроительными средствами
1 состояние городской среды; - прогноз качеств среды в зависимости
: принимаемых мероприятий; - принятие градостроительных мер по
[учшению качеств городской среды; - разработка информационней твхигогии градоэкологического мониторинга /автоматизированной системы
iopa, передачи, обработки и хранения информгщии/; - создание такой
:ствмн вместе с организацией служб мониторинга в особо опасных реонах, городах, на экологически опасных объектах.
В зависимости от уровня и средств реализации градоэкологичесй мониторинг разделяется на категории:
органолвптичвский, самый основополагающий, выявляемый с помощью
органов чувств, - умозаключения о состоянии городской среды на
этом уровне может сделать каадый человек;
- 12 - специальный, реализуемый специалистами по контролю некоторых
характеристик среды с помощью различных приборов, инструментов
и методов /например, биоиндикации/;
- аналитический, характеризующийся кшплексным анализом всех
компонентов среды;
- операционный, имеющий в своем арсенале не только анализ, но и
операции, способные улучшить качество среды.
Только операционный мониторинг решает задачу синтеза оптима­
льных параметров среды, включает на разных стадиях и специальный,
и аналитический мониторинг. Операции апробируются на способность
решать акологические проблемы и конфликты, впосхедотввк склады­
ваясь в определенную последовательность действий. Целью данной
работы является операционный локальный мониторинг крупного про­
мышленного предприятия и его окружения в центре крупнейшего городг
Принципы градоэкологического мониторинга.
Яри (^ор11шроваш1и операционного мониторинга объектов г по­
строении моделей прогнозирования городской среды удалось выявить
несколько общих закономерностей, которые описывают структуру,
функции и принципы изучения городской среды. В широком смысле
их можно назвать принципами градоэкологического мониторинга:
ИЕРАРХИЧНОСТЬ, или встроенность. Модель небольшого пространства
встроена в модель объекта, локальная модель объекта встроена в
общегородскую, общегородская модель - часть региональной, а ре­
гиональная модель, в свою очередь, часть глобального мониторинга.
СИНКРЕТИЗМ^, дополняет понятие комплексности, выявляет акцент
на конструктивный синтез в отличие от анализа. Синкретизм мони­
торинга выражается в одновременном наблвдении за его составляю­
щими: климатом, ландшафтом, загрязнением сред, состоянием чело^ термин по отношению к городской среде впервые употреблен
В.Л.Глазычевым
- 13 века, и городской среды в цолш.
ЦИКЖЧНОСТЬ. Подверженность всех происходящих в среде:изменений
повторению через определенный пройвхуток времени /сутки? месяцы,
годы и т.д./, что обусловило возможность определения среднестатис­
тических закономерностей их проявления и прогнозирования.
АСИНЗСРОННОСТЬ, Процессы, происходящие в двух или нескольких точ­
ках среды одновременно, не одинаковы. Они имеют, скорее, волновую
природу: развиваясь в одной точке среды,.лроцесс раопостраняетея
ПС бллзлежайшие пространства постепенно и, либо угасает со време­
нем, либо приобретает силу /эффект снежного кома/.
УПРАВЛНШОСТЬ. В отличив от природных систем, характериауюпщх.ея в
большей степени элементами самоорганизации, мониторинг лкредеювс
систем показывает, что они не являются саморвгулируюиошивя. Город
шрактериэуется в большей степени функцией потребления: ен удовлет^
зоряет свои материальные и анергетические потребности из природных
1СТОЧНИК0В, создает и использует продукцию, рано или позднв {февра[;вя ее в отходы, которые не утилизируются оаии до. себе. Такая сие?ема не является саморегулирующей и успешно существует, еоля оосо1И вещества, энергии и отходов будут правильно управлявмн*
Л А Д О Ш И И ИНТЕГИЩИИ С ПРИРОДНЫМ. МОНИТОИШГОМ. Городская и нрирод:ая экосистемы состоят из одних и тех же биотических ц абиоричесях элементов. Человек играет основную роль в той и другой, снстее. Процессы, протекающие в этих средах, аналогичны: круговорот
ещества и энергии, накопление токсичных ингредиентов, эволюция
ред в связи с антропогенным влиянием. Природные и антропогенные
рвды все более взаимодействуют и проникают друг в друга, терригош их соприкосновения и сопряхення имеют тенденцию расширяться.
Эти принципы положены в основу разработки математической иоэли локального мониторинга конкретных объектов. Однако наравне с
дологическими факторами необходимо было рассмотреть и градострои-
- 14 тельные условия развития объектов.
Анализ градостроительных
УСЛОВИЙ
развития объектов.
В качестве объектов рассматривалась среда предприятий метал­
лургического профиля, исторически сложившихся в центрах крупней­
ших городов Урала. На основе исторических.свидетельств, значитель­
ных исследований сохранившихся заводов можно заключить: 1/ метал­
лургические заводы в ХУ11-ХУ111 вв. являлись градоформирующими
элементами развития поселений на Урале; 2/ заводы исторически рас­
полагались на плотинах рек с целью использования водной энергии в
производстве; 3/ размещаясь в центре города, заводы вместе со сво­
им окружением формировали первоначальный градостроительный ансамбль,
предопределяя композиционную схему плана города: две взаимно пер­
пендикулярные оси, одна из которых образовывалась прудом, заводом
и поймой реки, а другая - продольной осью плотины /по Ляпцеву Н.Н./
4/ заводы активно преобразовывали городской ландшафт: устройство
пруда, формирование террас рельефа - завод располагался в нижнем
уровне, в пойме, а застройка - на уровне плотины; раскрывали за­
стройку города на городской пруд /по Бершинину В.И./.
Социально-экономическими условиями формирования среды объек­
тов являются: - наличие разновременной и разностилевой застройки
низкого качества, перестройка зданий и утрата архитектурных па­
мятников; - устаревшая технология литья и обработки металлов, со­
хранение ручного труда на тяжелых операциях; - большая территори­
альная стесненность, неразвитость инфраструктуры; - отсутствие
требуемых по СНиП 245-79 санитарно-защитных зон, надежных очист­
ных сооружений даш сточных вод, воздухоочиотных и шумозащитных
сооружений; - экстенсивный характер застройки и освоения террито­
рии; - предприятия формируют панораму пруда, граничат с селитьбой,
являются местом приложения труда большого, количества работающих.
- 15 Планировочные типы стшроуральскюс заводов.
Н.С.Алферов, посвятивший этим объектам несколько фундаменталь­
ных трудов, выделил три основных типа расположения предприятий от­
носительно города: Екатеринбургский, Нижне-Тагильский, Ижевский
заводы располагались в центре города /тип "В" по В.И.Вершинину/;
Добрянский и Чермозский с ситемой прудов разделяют город на две
части /тип "Б"/; Невьянский и Пожевский заводы располагались на
границе города /тип "А"/. Если рассматривать плотину пруда с заво­
дом своеобразным "замковым камнем" планировки города, то можно вы­
делить следуюлще типы планировки предприятий:
- опоясывающий: расположение завода в пойме реки и по обеим сторо­
нам плотины с выходом на пруд /встречается часто - Реж, Купта,
Невьянск, Верх-Исетский завод и др./;
- односторонний: расположение завода в пойме реки, на одном из ее
берегов, ниже уровня плотины"/встречается наиболее часто - Ревда,
Северский, Шевск,
Нижние Серга, Верхние Серги, Шхайловский/;
- вклкзченннй: расположение завода внутри системы прудэв и йгеал
/встречается редко - Чермоз, Баранча, Нижний Тагил/.
Для экологического анализа как наиболее типичные и ярко выра­
женные примеры выбраны два предприятия - типа "В" - в центре круп­
нейших городов Урала - опоясывающего типа /Верх-Исетский завод/ и
одностороннего типа /Ижевский завод/.
Анализ экологических Факторов производственной среды.
Для обозначения мониторинга среды предприятия как.локального
объекта назовем его "грацоэкологическим мониторингом производствен­
ной среды". Поскольку объектом анализа является экологический по­
тенциал производственной среды, необходимо рассмотреть элементы
этого потенциала. Они делятся на три группы факторов: природные первичные, издавна присущие данному ландшафту; антропогенные - вто­
ричные, ооусловленные производственными вредностями; и антропопато-
- 16 генные - третжч1{ые, характеризующие совместнее влияние первичных
и вторичных факторов на человека. К первичным факторам можно от>
нести микроклиматические характеристики: конвекционную /Т/ и ра­
диационную /в/ температуры воздуха, относительную влажность воз­
духа /в/, скорость / V / и повторяемость ветра; к антропогеннш!
факторам - концентрации вредных выбросов в атмосферу /С/, отечные
воды /Q-/ и почву /Ц/. производственный шум / L / и др.; к антропопатогенным - токсичность воздушной ореды для человека / W / и уро­
вень субъективных 011{ушённй человека-в зависимости от комплвква
' факторов /Q /.
Модмирфваниа 9KWPivt9g«p^ прга?ат?л9й пмдз^эдфтвещ??!
сведи.
Общую гармонию мджду экологическими характеристиками среды,
означащую врнведенив их к норматквным значениям и достижение л«кальноге оптхмума в какой-либо точке'среды, н11Эогвм"коыфортновт>ю"
и примем за целевую функцию модели. В общем виде ее мвжне ввивать
так:
где:
т,
1
^комфортность/
Q — > max •
^ ^^ ^ т, Е, В. V, С, q. П. L ,w) ;
где в скобках перечислены вышеизложенные характеристики.
Комплексная количебтввнная мера sKOJfonnecKoro потенциала
производственной среды описывается системой уравнений оптимизации
вышеназванных характеристик в каждой.т.очкэ србдш. Решение задачи
оптимизации в каков-либо точке среды идет ]!;оследовательно и комп­
лексно в процессб приведения к оотимальным. нормативным значениям
всех характеристик среды в этой течке. До этого проводятся натур­
ные замеры фактических значений первичных и вторичных характерис­
тик среды согласно модульной сетке 5x5 м и у источников вредностей.
Укрупненным модулем Производственной среды в модели принята "про­
странственно-экологическая ниша" - любая по-площади и коифигура-
- 17 НИИ территория, отличающаяся однородностью и стабильностью факти­
ческих характеристик среды на протяжении длительного периода вре­
мени. В отличие от классического понятия "экологическая ниша" здесь
подразумевается пространственное физическое распространение среды
однородного качества. В отличие от традиционных модульных сеток,
применяемых при цифровом моделировании территории, пространственноэкологические ниши не являются равновеликими и отражают
скорее
природу происходящих в среде процессов, а не планировочные принци­
пы членения территории. Такое отличие обусловлено тем, что объектом
моделирования выступает не территории, а элемент физической среды.
В качестве численного метода приближенного решения системы
используется дискретная оптимизация с помощью независимых парамет­
ров. Непрерывное решение суункций характеристик представляет собой
сложную математическую задачу, в то время как точное решение систе­
мы может быть недоступным.На практике такое решение может оказать­
ся бесполезным из-за случайных факторов, неучтенных при прогнозе.
В качестве независимых параметров модели использована система
градостроительных средств, в которую входят: а/ архитектурно-плани­
ровочные средства: - перепланировка территории с целью создания
комфортного йнсоляционного и аэрационного режима; - реконструкция
зданий; - применение эдз^)ективных покрытий для заищты от излишней
радиации и поглощения излучений и шума; - применение зеленых на­
саждений определенного породного состава, плотности и конфигурации
для улучшения гликроклимата, поглощения газопылевыбросов и защиты
от шума и излучений;
б/ конструктивные средства: - устройство за­
щитных экранов, усройств, оборудования; - возведение пространствен­
ных уровней для разделения функций производства, транспортных и
людских потоков; в/ технические средства: - создание искусственных
водоемов, повышающих влажность атмосферы и поглощагадих взвешенные
воздухе вещества; - введение дополнительных очистных соору»:ений
- 18 для стоков промышленного предприятия, для воздуха;' - как крайняя
мера - закрытие вредного участка производства.
Произведенные расчеты показали, что градостроительными средст­
вами можно значительно улучшить качество среды в большинстве прост­
ранственно-экологических ниш, но не во всех. Часть старых участков
заводов-, модель рекомендует закрыть; эти территории можно рекон­
струировать технологически или переориентировать на ооучение или
экскурсионное обслуживание.
Реализация операционного мониторинга крупных предприятий в
центре города стала ключевым моментом при разработке методики про­
ектирования и реконструкции городской среды, предложений по орга­
низации служб градоэкологического пониторинга на разных градострои­
тельных уровнях и некоторых инструментальных средств мониторинга.
Методика проектирования и реконструкции городской среды.
Методика основана на поэтапной реализации исследования качеств
городской среды /анализ/, моделировании и прогнозировании оптималь­
ных качеств /прогноз/ и Проектировании комфортной среды /синтез/.
По результатам экспериментального обследования объектов
условия
развития и данные факторного анализа вносятся в специализированную
базу данных по объекту. Моделирование и прогноз городской среды
включают: - создание операционной среды моделирования /программный
комплекс на компьютере/, - обработку экспериментальных данных,
- расчет и последующее моделирование оптимальных качеств среды,
- проверку результатов модели, - верификацию и корректировку базы
данных /SH/, модели или программ.
Проектирование объекта, выполняемое при помощи компьютера,
предполагает: - владение одной из систем графического моделирова­
ния трехмерных объектов; - формирование реальной компьютерной мо•дели изучаемого объекта; - изменение трехмерной модели с учетом
прогнозирования / создание ВД градостроительных средств, выбор
- 19 средств по рекомендации модели и внесение1 их в реальную модель,
соотнесение и масштабирование применяемых средств в трехмерной
модели, общекомпозиционное решение генерального плана и упорядо­
чение объемно-пространственной композиции/.
Организация системы градоэкологического мониторинга на разных
градостроительных уровнях предполагает несколько типов деятельнос­
ти, которые могут выполняться группами: реализации мониторинга,
математического сопровождения и системной поддержки, трансляции
информации, координации и руководства мониторинга.
На локальном объектном уровне его осуществляет группа реали­
зации из специалистов по качеству городской среды, которые обсле­
дуют объект, размещают точки контроля качества среды, приборы и
датчики, следят за работой системы. Общегородской мониторинг ха­
рактеризуется организацией групп системной поддержки, которые
обеспечивают информационные каналы мониторинга, и групп математи­
ческого сопровождения, создаицих прогностические модели, коррек­
тирующих БД мониторинга. Кроме того, общегородской центр шлеет
группу руководства и координации деятельности локальных объектов.
Региональный центр мониторинга осуществляет функции руководства
и ретрансляции данных мониторинга для охраны среды в населенных
пунктах региона, а также функцию независимого контроля работы
объектных и городских служб.
Инструтленталъные средства градоэкологического мониторинга
включают как оборудование на основе цифровой вычислительной тех­
ники, так и аналоговые приборы, химические и другие методы конт­
роля качества различных природных и антропогенных сред.
Для сбора, обработки данных и математического прогноза на
их основе наиболее рационально создать локальные сети с разветв­
ленной сетью терминалов на объектах мониторинга /кольцевой кон­
фигурации или с помощью "шины"/ и центральным городским центром
- 20 с комплексом Супер-ЭВМ, способным работать с параллельными запро­
сами КЗ нескольких Щ, с виртуальной надежной операционной систе­
мой международного стандарта /типа VNIX , XEWIX , СВМ и др./.
Коли физическая прокладка сети невозножна по ряду причин, можно
использовать телефонную сеть через модем, сетевой контроллер, или
сеть факсимильной связи. Существуют новые системы оптической пере­
дачи данных, системы космических спутников связи, на которые опи­
рается глобальный мониторинг.
Отдельная проблема состоит в (формировании коглплекса програм1ЛН0Г0 обеспечения градоэкологического мониторинга, включающего
операционную среду моделирования, реляционную и картограа^ческую
базы данных /БД/, систему управления базами данных /СУДД/, опера­
ционную среду трехмерного моделирования и системные средства под­
держки всего nporpaviMHoro комплекса.
В данной работе представлена экспериментальная программа,
написанная на Турбо-Си для персонального компьютера• ГН.1 PC/AT;
визуализация выполнена с помощью стандартного пакета AUTOCAD - 10.
Экспериглентальное прогнозирование с помощью модели градоэко­
логического мониторинга и внедрение основных положений работы в
научные исследования и предпроектные разработки по металлургичес­
ким предприятиям в гг. 1!;катеринбург и Ижевск показывает, что в
целях оптимизации состояния городской среды наиболее целесообраз­
но создавать общегородские информационные системы мониторинга.
Такая система позволит избежать дублирования трудоемких экологи­
ческих исследований и обеспечит наиболее эффективное использова­
ние информации для проектирования, экологического контроля-и реа­
гирования на уровне города. Это позволит также управлять экологи­
ческой ситуацией на более высоких уровнях: регинальном и глобаль­
ном.
- 21 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕЩОВАНИЯ
1. В диссертации разработан оригинальный градоэкологический
подход к объекту проектирования, основанный не только на совмест­
ном рассмотрении объекта и окружающей городской среды, но и на
важнейшей составляющей этого подхода - градоэкологическом монито­
ринге - системе наблюдений, оценки и прогноза состояния городской
среды в зависимости от проводимых градостроительных мероприятий.
с помощью методов математического моделирования.
2. Существующие методы изучения и прогнозирования состояния
окружающей среды и антропогенных воздействий ориентированы на
анализ отдельных показателей среды, в лучшем случае, на достижение
критерия качества какого-либо фактора среды. Такие методы неучиты­
вают взаимосвязи и взаимовлияния факторов окружающей среды, и их
нельзя рассматривать в качестве аналогов при моделировании монито­
ринга. 1у'1етод градозкологического мониторинга основывается на. сово­
купном анализе всех факторов городской среды и их взаимовлиянии.
3. В ходе исследования факторов окружающей среды, особеннос­
тей городских экосистем сформулированы принципы градозкологическо­
го мониторинга: 1/ иерархичность, или встроенность; 2/ синкретизм,
или неразрывность рассмотрения факторов среды в комплексе; 3/ цикшчность происходящих в среде изменений; 4/ асинхронность происхоцящих процессов в двух или нескольких точках среды; 5/ управляелость градозкологического мониторинга в отличие от саморегулирую­
щегося природного; 6/ аналогии и интеграции с природным мониторин­
гом.
4. На основе анализа более тридцати объектов - староуральских
«еталлургических заводов в крупных и крупнейших городах Урала вышлены следующие случаи их размещения относительно плотины и заюдского пруда:"опоясывающий"- расположение объекта в пойме реки,
[О обеим сторонам плотины с выходом на пруд, встречается часто;
- 22 "односторонний" - расположение завода в пойме реки, на одном из
ее берегов, ний^е уровня плотины, встречается наиболее часто;
" включенный" - расположение внутри системы русел и прудов, встре­
чается редко.Рассмотрение этих случаев по признаку располокения в
планировочной структуре города дает возможность выявить наиболее
типичные объекты градоэкологического мониторинга:' опоясываюдий
тип /Верх-Исетский завод/ и односторонний иип /Ижевский завод/.
5. На основе принципов градоэкологического мониторинга пост­
роена математическая модель выявленных типичных локальных предприя­
тий. Объектом моделирования стали экологические качества среды
предприятий, в которые входят: первичные гиикроклиматические фак­
торы - конвекодонная и радиаодонная температура, влажность возду­
ха, скорость и порывистость ветра; вторичные антропогенные факто­
ры: концентрации вредных выбросов в атмосферу, почву, вточные
воды, производственный и транспортный шум; третичные антропопатогенные с^шсторы: токсичность воздуха, уровень субъективных ощуще­
ний человека в зависимости от климатических и антропогенных факто­
ров.
Комплексная количественная мера качества городской среды
описывается системой уравнений оптимизации этих характеристик. Ре­
шение задачи оптимизации идет в процессе приведения к нормативным
значениям характеристик среды в какой-либо точке объекта с помощью
оптимизирующих средств. Общая гармония меаду этими показателяг/и в
случае одновременного.приведения их к оптимальным значениям назва­
на "ком(^)ортностью среды" и является целевым критерием модели.
6. Задача "комфортности среды" предприятия решается с помо­
щью системы градостроительных средств, которые делятся fea^:
- архитектурно-планировочные: перепланировка территории, реконст­
рукция зданий, применение эффективных покрытий и зеленых насаж-
- 23 ^ений определенной плотности, газоустойчивости и конфигурации;
- конструктивные средства: создание защитных конструкций и экранов
от шуг-га и излучений, пространственных функциональных уровней;
- технические средства: устройство искусственных водоемов, очистных
сооружений, закрытие наиболее опасных участков производства.
7. Для реализации метода градоэкологического мониторинга пред—
сагется информационная технология, которая включает методику аналиla, прогноза и проектирования городской среды с помощью мониторинга,
фганизацию служб градоэкологического мониторинга на разных уров­
не /региональном, городском и объектном/ и инструментальные ередтва для реализации технологии,которые представляют собой комплекс
ехнических средств, устройств и приборов для получения, обработки,
ередачи и хранения инаюрмации о состоянии городской среды.
В целях организации инд1юрмационной cиcтe^ш предлагается созать каналы передачи данных с разветвленной сетью приборов и датикон по каждетлу объекту градоэкологического мониторинга, вычислиельную сеть общегородского назначения для обработки данных, пронозирования, проектирования и передачи необходимой ин1уормацки в
егиональные службы. }^)анение данных должно осуществляться центраизованно, в одной базе данных, которая может и ооущеотвлять реляаонный поиск данных, и хранить картографическую информацию. База
анных дополняется операционной средой мониторинга, ^суда включаютI процедуры формирования математических моделей и процедуры интерэетации выводов моделирования в трехмерную модель объекта.
П О Л С а Ш Ш ДИССЕРТАЦИИ ОПУЕДИКОВАШ В СЛЕЩТОиЩ РАБОТАХ:
1. Вопросы шумовой KOMijJopTHOCTH при разработке комплексной
)дели оптимизации экологического состояния промышленного преджятия //Региональные проблемы архитектуры, градостроительства и
- 24 и промышленного искусства /рала: Тезисы докладов научно-творческой
кони^ренции С М . - Свердловск, 1985 /совм. с А.Н.Голдобиной/.
2. Промышленная территория как метрическое пространство //
Конференция молодых мате;,гатиков УО АН СССР /ин^орглационные матери­
алы/.- Свердловск: /О АН СССР, 1936 /совы, с С.С.Титовым и др./.,
3. Вычислительный эксперимент: оптимизация экологического
состояния металлургического предприятия //.материалы / научно-прак­
тической кон'^^.еренции молодых ученых ЦШФлромзданий.- М., 1966.
4. Град^ическое обеспечение исследований по оптимизации рекон­
струкции //нормирование архитектуры производственной среды при
реконструкции промышленных предприятий: Тезисы докладов конферен­
ции молодых ученых.- Свердловск, 1986.
о. Количественный анализ проьшшленной территории как метри­
ческого пространства //Известия.вузов. Строительство и архитекту­
ра.- 1937.--№ 10 /совм. с С.С.Титовым/.
6. Экологическое прогнозирование как необходимое условие
предпроектного исследовэлия промышленного предприятия //Защита
окружающей среды и промышленных зданий от агрессивных производст­
венных выбросов: Тезисы докладов научно-технической конференции
/17 ноября/.- Свердловск, 1987.- С.19-20.
7. Моделирование оптимальной схемы генерального плана•
производственного когушлекса в рея;име диалога архитектора и dKi//
Известия вузов. Строительство и архитектура.- 1989.- & 1 /совм.
с А.В.Поповым, Н.И.ГлазкоБО!!/.
8. Градостоительный мониторинг производственной среды.- Ма­
териалы ХУ111 научной консуеренции ..lApxIl.- М., 1938.
5. .иош1торинг городской среды //Региональные особенности дюрл31рования архитектуры >:а1лых и общественных зданий: Ыежвузовский
сборник статей.- Ростов на Дону, 19S2 /принято к печати/.