Классификация и экологическая оптимизация геотехнических систем

Геотехнические системы можно представить как искусственную физико-химическую систему, исходя из того, что процессы переноса массы, энергии и информации в них подчиняются одним и тем же общим закономерностям.

При этом природную подсистему следует рассматривать как химический реактор с распределенными параметрами, процессы внутри которого направлены на нейтрализацию техногенной нагрузки.

Физико-химическая система – это m-фазная, n-компонентная система, распределенная в пространстве и переменная во времени, осложненная совместными явлениями различной природы (гидромеханические, химические, тепловые, диффузионные и т.д.) и своими линейными и рассредоточенными параметрами, в которой при наличии источника или стока в каждой точке гомогенной среды и на границе фаз происходит перенос вещества, энергии, информации.[]

Исходя из данного определения искусственные физико-химические системы, в зависимости от характера их взаимодействия с природной средой и степени трансформации природных ресурсов, энергии и информации, можно представить пятью уровнями []:

1 уровень – технологический аппарат, т.е. техническая физико-химическая система, предназначенная для реализации одного или нескольких параллельно протекающих процессов, по физико-химической трансформации природных ресурсов (включая и вторичные ресурсы) или для производства (утилизации) энергии, при одних параметрах в рабочей зоне.

2 уровень – технологическая линия, т.е. техническая физико-химическая система, представляющая собой последовательность взаимосвязанных материальными и энергетическими потоками физико-химических систем 1-го уровня и предназначенная для осуществления ряда последовательных физико-химических процессов преобразования сырья в целевую продукцию.

3 уровень – система «Промышленное предприятие – окружающая среда», т.е. геотехническая физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 2-го уровня, связанных между собой основными и вспомогательными процессами, и обеспечивающая выпуск одного или нескольких видов целевой продукции, и окружающей природной среды.

4 уровень - система «Промышленное узел – окружающая среда», т.е. геотехническая физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 3-го уровня, объединенных взаимосвязанной инфраструктурой (источники энергии, транспортная сеть, социально-культурные и бытовые объекты и т.д.)

5 уровень - Территориально-производственный комплекс - геотехническая физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 4-го уровня, связанных по принципу ресурсных и производственно-технологических циклов с целью полного использования ресурсного потенциала региона.

Наибольший интерес с точки зрения природообустройства представляют физико-химические системы 3-5 уровней, являющиеся геотехническими системами. Интенсивность процессов в этих системах обусловлена спецификой технологических процессов. Территория указанных систем складывается из сочетания зон двух типов: импактных зон (зон непосредственного влияния) и зон косвенного влияния [].

Импактная зона – это целенаправленно преобразованная территория, на которой размещены промышленные объекты. В ней сконцентрированы вещества и энергии участвующие в технологических процессах. В импактной зоне выделяются три подзоны: активная, ослабленной активности и периферийная.

Активная подзона представляет собой совокупность технологический аппаратов и линий, осуществляющих процессы переработки природных ресурсов в экстремальных условиях интенсивных нагрузок. Следовательно, здесь формируются максимальные техногенные нагрузки, на окружающую среду, характер проявления которых определяется степенью открытости технических систем, т.е. интенсивностью материально-энергетического обмена с окружающей средой.

Подзона ослабленной активности охватывает территории, на которых расположены склады сырья, готовой продукции, реагентов и т.д. Она характеризуется высокой концентрацией веществ, участвующих в технологическом процессе, нормальными давлением и температурой и большей степенью открытости, чем активная подзона.

В периферийной подзоне располагаются хранилища и накопители отходов производства, отличающиеся повышенными концентрациями загрязняющих веществ при нормальных температуре и давлении. В этой подзоне достаточно высока нагрузка на окружающую среду, что связано с осуществлением процессов миграции веществ в условиях преобразованного ландшафта (зачастую с перемещенными, нарушенными грунтами), нарушенных почвенном покрове и растительности и измененной динамики подземных вод. Технические системы, расположенные в рассматриваемой подзоне, являются практически открытыми с частичными ограничениями (локализованные хранилища, водонепроницаемые покрытия и т.д.).

Зона влияния представляется естественным ландшафтом, но с повышенными концентрациями веществ, используемых в технологических процессах. В ней в наибольшей степени проявляется действие механизма самоочищения природной среды, которое зависит от географических условий, величины техногенного давления (пресса) и предельно допустимых экологических нагрузок.

Функционирование любой физико-химической системы приводит к образованию информационно-насыщенных, нестационарных материально-энергетических полей, величины характеристик которых существенно превышают значения соответствующих характеристик окружающей среды. Кроме того, при переходе от более низких уровней системы к более высоким, может наблюдаться наложение этих полей, что является причиной образования локальных критических зон с аномально высокими показателями их материальной и энергетической составляющих. Указанное состояние необходимо учитывать при оптимизации физико-химических систем.

Основываясь на классической теории поля, импульс взаимодействия техногенной и природной подсистем открытой физико-химической системы можно представить в виде []:

, (1)

где: к^т,к^п – коэффициенты массоэнергопереноса для субстанций генерируемых соответственно техногенной и природной подсистемами;

D^т, D^п – движущие силы процессов переноса, проявляющиеся, соответственно в техногенной и природной подсистемах;

F – площадь контакта техногенной и природной подсистем в процессе массоэнергопереноса;

R – расстояние, на котором проявляется влияние техногенной подсистемы на природную за время t.

Условием оптимизации функционирования физико-химической системы является сбалансированность при определенных ограничениях, накладываемых спецификой самой системы, взаимодействия техногенной и природной подсистем, т.е. оптимизация импульса этого взаимодействия, которая при t»const, в соответствии с выражением (1), представляется следующим образом []:

.

Реализация указанного условия оптимизации может быть достигнута за счет сокращения поступления материальных и энергетических отходов в окружающую среду (снижения интенсивности этого поступления), уменьшения площади контакта техногенной и природной подсистем и максимально возможной изоляции производственных процессов от активных компонентов природной среды (воды, воздуха).

Уровень эколого-экономической оптимальности техногенной составляющей геотехнической системы можно оценить по выражению[]

, (2)

где: К₁ – коэффициент использования производственной мощности;

К₂ – коэффициент использования сырьевых ресурсов, характеризующий технологический выход продукции;

К₃ – коэффициент экологической эффективности очистных сооружений;

К₄ – коэффициент экологической безопасности производства.

Коэффициенты , входящие в выражение (2), определяются по формулам:

;

;

;

;

;

,

здесь: Q_Ф,Q_Р – фактическая и расчетная мощности производства;

М_пр – масса продукции с учетом переработанных и утилизированных отходов;

М_с – масса сырья;

М_р – масса вспомогательных ресурсов;

K₃’- коэффициент обеспеченности очистными сооружениями;

K₃”- коэффициент эффективности очистных отходов;

K₃’”- коэффициент утилизации уловленных отходов;

m_об, m_оп, m_ул, m_ут - соответственно масса образовавшихся, поступивших на очистные сооружения, уловленных и утилизированных отходов в единице относительной токсичной массы;

m_пд3, m_ф – разрешенное предельное и фактическое поступление загрязняющих веществ в природную вреду в единицах относительной токсичной массы.

В пределе каждый из указанных коэффициентов стремиться к единице.

Основные принципы эколого-экономической оптимизации геотехнических систем и содержания задач этой оптимизации для рассмотренных уровней физико-химических систем представлены в табл.1 [].

Таблица 1

Основные принципы и задачи оптимизации геотехнических систем

Уровень физико-химической системы	Содержание задачи оптимизации	Пути решения задачи оптимизации
1 уровень	Повышение эффективности и интенсивности технологического процесса, сокращение потерь вещества и энергии
2 уровень	То же, что и для 1 уровня; локализация источников отходов; сокращение потребления природной энергии на технологические нужды; уменьшение образования отходов; снижение токсичности и
Таблица 1 (окончание)
	температуры отходов
3 уровень	То же, что и для 1 и 2 уровней; замыкание циклов, утилизация вторичных энергетических ресурсов, сокращение запасов сырья, продукции, отходов на промышленной площадке,; герметизация, изоляция площадки от подвижных компонентов природной среды; повышение плотности застройки промышленной площадки; размещение предприятия в оптимальных природных условиях
4 уровень	То же, что и для1-3 уровней; максимальное использование вторичных материальных и энергетических ресурсов
5 уровень	То же, что и для 1-4 уровней; максимальное использование комплексного потенциала природного сырья на всех стадиях производства от добычи до получения готовой продукции