1.3 Взаимодействие городов с абиотическими компонентами природы

Города, как материальная среда обитания, прежде всего, взаимодействуют с абиотическими компонентами геосферы: литосферой, гидросферой и атмосферой. Влияние населенных мест на эти компоненты весьма велико.

Понятие литосферы объединяет поверхность земли, почвы, геологическую среду и подземные воды на территории. Ниже рассмотрено взаимодействие городов с литосферой.

Территория (поверхность земли с внутренними и прибрежными водами в определенных границах) - важнейший градостроительный фактор. На территориях размещают застройку. Они необходимы как резервное пространство, без которого город развиваться не может. Этих территорий в промышленно-развитых странах становится все меньше, поскольку в мире для техногенного использования каждый день изымается 2 тыс. га земель. Считают, что примерно 15% суши уже занято городами.

Высказываются опасения, что через 100 - 150 лет на каждого жителя планеты будет приходиться менее 1 - 0,5 га территории. В этой связи возникла проблема выявления приоритетности ее градостроительного потребления, оценки земель для определения, под какой вид хозяйственной деятельности ее использовать, выбора того из них, который наиболее полно отвечает особенностям данной местности. Например, дилемма оптимизации потребления может заключаться в сравнении эффективности сохранения ценного ландшафта как рекреационного объекта и «легких» города относительно целесообразности развития здесь промышленности или добычи полезных ископаемых.

Еще одна проблема заключается в определении оптимальной интенсивности ресурсопотребления, мощности промышленной базы и, следовательно, величины города. Можно предусмотреть широкомасштабную разработку природных ископаемых, развить мощную промышленность и построить большой город при ней, который окажется не нужным после исчерпания запасов этих ископаемых. Возможен и другой подход: экстенсивное потребление запасов, рассчитанное на длительный срок. В этом случае нет необходимости строить большой город и занимать значительные территории, но эксплуатировать его более длительный срок.

К этой проблеме примыкает и тенденция поглощения разрастающимися городами сельскохозяйственных угодий. В свете нехватки продовольствия сокращение пахотных земель с ценным покрытием - почвами - крайне нежелательно. Альтернативой этому является градостроительное освоение территорий, ранее считавшихся неблагоприятными.

Почвенный покров является верхним горизонтом литосферы, имеющим огромную потребительскую ценность и необходимым для существования биосферы. Почвы характеризуются высокой концентрацией в них живого вещества, продуктов его жизнедеятельности и отмирания. Они обладают высокой активностью.

Почвенный покров представляет собой общепланетарный аккумулятор и распределитель энергии. Через почву осуществляются сложнейшие процессы обмена веществ и энергии всех обитающих в биосфере организмов с неживой природой.

На планете запасы почв достаточно велики. Однако при градостроительном освоении территорий сохранение почвенного покрова является одной из важных экологических задач, что связано с длительностью процесса почвообразования. На создание слоя почвы толщиной всего 2 - 3 см требуется от 200 до 1000 лет, и чем севернее зона освоения, тем дольше восстанавливаются почвы. Условия для относительно быстрого почвообразования существуют только на 22% поверхности суши. Почвы разрушаются вследствие естественных и антропогенных причин. Особенно при воздействии ветра и воды.

Процессы водной эрозии активны на плотно заселенных территориях, где вследствие концентрации антропогенной нагрузки нарушены травяные покровы, изменены гидродинамические, геохимические и аэродинамические режимы. Это же относится к дефляции почв - процессу раздувания мелких частиц ветром.

Естественные стоки поверхностных вод трансформируются за счет заливки больших площадей асфальтом, изменения русел рек и ручьев, устройства насыпей и выемок. Если такие мероприятия выполняют без устройства регулярных водотоков, риск размыва почвенного покрова, да и мягких подстилающих слоев из наносного грунта, возрастает. Связано это с увеличением скоростей движения дождевых и талых вод на определенных участках, а если скорости станут выше критических, то вода потянет за собой частицы грунта.

Геохимическое засорение - следствие попадания в почвы и грунты химически активных веществ (гербицидов и минеральных удобрений, тяжелых металлов и их оксидов, а также других производственных отходов).

Способы хранения и утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) оказывают значительное влияние на геохимическое состояние почв. Складирование ТБО на площадках, оборудованных без должного соблюдения экологических требований и без предварительной переработки, повышает риск «заражения» поверхности земли токсичными химическими веществами. О масштабности проблемы можно судить по тому, что в мире ежегодно образуется около 1 млрд. т бытового мусора. В его составе с каждым годом обнаруживают все больше компонентов синтетического происхождения, которые практически не расщепляются естественным путем, а накапливаются в окружающей среде.

Серьезную экологическую опасность для почв и грунтов представляют твердые производственные отходы (ТПО). Их объем в несколько раз превышает объемы ТБО. Свалки, полигоны, хвостохранилища и терриконы занимают значительные площади и несут в себе значительный экологический риск.

Представить характер геохимического засорения литосферы можно, рассмотрев данные табл.2. В ней приведены источники загрязнения и наиболее распространенные группы химических элементов, выделяемых этими источниками.

Таблица 2 – Геохимическое засорение литосферы

Группы химических веществ	Источники загрязнения почв
	Промыш­ленность	Комму­ - нальное хозяйство	Транс­ - порт	ТЭЦ	АЭС	Сельское хозяйство
Тяжелые металлы и их соединения	+	+	+	+	-	+
Циклические углеводороды, бенз(а)пирен	+	+	+	+	-	+
Радиоактивные вещества	+	+	_	+	+	-
Нитраты, нитриты, фосфаты, пестициды	-	+			-	+

Геоморфологические условия и, в частности, техногенные изменения природного ландшафта на территории, нужно выделить в отдельную проблему. Для градостроительной экологии имеют значение особенности форм рельефа, крутизна и незыблемость откосов, рукотворные изменения поверхности земли. Терриконы пустой породы при угольных шахтах, карьеры в местах добычи полезных ископаемых открытым способом, провалы и прогибы на поверхности земли, образовавшиеся в результате обрушения крыши подземных выработок, весь­ма существенно меняют рельеф местности.

На дневной поверхности таких рукотворных насыпей и выемок, существующих многие годы, не образуется почвенный покров. В результате возникают так называемые «лунные ландшафты», создающие негативный «психологический климат», отрицательно влияющий на людей.

Геохимические аномалии в литосфере отражают на картах. По степени геохимического загрязнения территории делят на три группы: с высокой, средней и низкой степенью загрязнения.

Геологические и гидрогеологические условия нарушаются в результате градостроительной деятельности на многих территориях. Возникают геолого-динамические процессы, которые чреваты не только нарушением рельефа, но могут привести к катастрофам. К числу этих процессов относят такие, как просадки и провалы, карстовые явления и суффозионные процессы, оползни и оврагообразование.

Просадки могут быть следствием рукотворного нарушения природного гидрогеологического баланса. Они возникают, например, при неумеренном заборе из подземных горизонтов воды для бытовых и хозяйственных нужд.

Провалы часто возникают на подработанных шахтами и другими подземными выработками территориях. В мире имеют место случаи, когда в провалы, образовавшиеся над неправильно законсервированными шахтами, оседали целые населенные пункты,

Карстованию подвержены территории около 400 городов России. Карстовые провалы возникают в результате движения подземных вод в известняках и других нестойких породах, например таких, как гипс, доломит или соли, фильтрационно выносимые водой из толщи пласта. В городах этот процесс чаще всего является следствием техногенного нарушения водоупорных пород выработками, буровыми и свайными скважинами. Через них вода проникает в карстовые породы.

Карстовые нарушения распространены неравномерно. Каналы в породах приобретают причудливые формы, и их трассы трудно проследить геологическими изысканиями. Поэтому никогда нельзя быть уверенным, что под любым участком земли, расположенным в карстовой области, нет скрытых пустот, иногда заглубленных на 70 - 80 м.

Суффозионные процессы характерны для наносных мелкозернистых грунтов. Вода, попадающая вследствие техногенного нарушения геологического строения на местности и движущаяся с высокой скоростью, вымывает из них мелкие частицы, и фунты теряют часть своей прочности.

Возможны просадки лессовидных грунтов, сложенных из принесенных ветром мельчайших обломков кварца, полевого шпата, кальция и слюды. В сухом состоянии лесс обладает значительной прочностью, но при увлажнении утрачивает значительную ее часть, поскольку вода, как правило, нарушает сцепление частиц и пористую структуру отложений. Возникает процесс прогрессирующего разрушения, приводящий к значительным просадкам породы, составляющим до 10% мощности слоя. Известны случаи понижения уровня дневной поверхности из-за описываемого явления, достигающие 4,5 м.

Не менее опасны оползневые явления, часто протекающие в результате техногенной деятельности в городах, нарушения природного состояния геологических пород. Предотвращение оползней - одна из важнейших экологических задач градостроительства, тем более что в России территории около 200 городов подвержены этому явлению.

Сползание геологических пород характерно для крутых склонов, где поверхность имеет уклон более 30 %, но сползают и так называемые подошвенные слои на почти горизонтальном рельефе. Такой оползень наблюдали в Подмосковье у рек Пахры и Москвы при уклоне всего 18 %. Аналогичный оползень имел место в Англии.

Причины сползания и оплыва пород разнообразны, но не последнее место занимают подгрузка склонов застройкой и другая человеческая деятельность, например подработка склонов. Подтопление подземными водами и увлажнение поверхностными являются катализатором оползней, поэтому не случайно рельеф нарушается у рек, крупных водоемов и морей. Обычно сползают наносные породы, но есть примеры, хотя и довольно редкие, оползней в твердых, например известняках.

Овраги образуются за счет струйчатой эрозии, вызванной периодическим действием водных потоков, образующихся во время таяния снега или обильных дождей. Рукотворное изменение системы поверхностных водотоков и уничтожение растительности на склонах усугубляет процессы оврагообразования.

Появление оврагов - довольно длительный процесс. Сначала на местности появляются вытянутые в сторону стока промоины, называемые депрессиями рельефа. Потом они углубляются и принимают различные формы. Образуются боковые ответвления - отвершки, представляющие собой маленькие овражки. Овраги могут быть также следствием динамичных сдвигов рельефа и сползания откосов.

Подтопление территорий, как правило, является следствием человеческой деятельности. Гидрогеологический режим изменяется при ликвидации болот, этого естественного испарителя грунтовых вод. Поэтому засыпкой болота стимулируется нарушение режимов испарения и естественного водообмена на прилегающей территории.

Большие заасфальтированные площади, засыпанные овраги и балки также изменяют природные условия испарения влаги и движения фильтрационных стоков на местности. В этих случаях возможно не только повышение уровня грунтовых вод. Стоки, загрязненные выбросами автомобильного транспорта и жидкими отходами производств, попадают в эти воды и делают их токсичными. Такое загрязнение влечет за собой последствия. Во-первых, подземные воды становятся непригодными для использования в бытовых и хозяйственных целях. Во-вторых, загрязненные верховодки препятствуют озеленению территорий, так как деревья гибнут из-за солей, содержащихся в почве. В-третьих, воды глубоких водоносных слоев становятся агрессивными для подземных коммуникаций и геологических пород, увеличивают скорость их разрушения, что может привести к выходу из строя инженерных систем, просадкам и провалам поверхности на больших территориях.

На территориях, инженерно благоустроенных много лет назад, возникает другая проблема. Длительная эксплуатация подземных водо-проводящих инженерных сетей без должного профилактического ремонта и вследствие этого в значительной степени изношенных создает крайне неблагоприятную экологическую ситуацию. До 20% транспортируемой жидкости попадает в грунты и вызывает не только повышение уровня подземных вод. Канализуемые стоки становятся агрессивными к окружающей геологической среде, засоряют грунты и почвы токсичными веществами.

Геофизические нарушения литосферы отражают на картах территорий. По степени геологического риска их делят на четыре группы: чрезвычайно опасные весьма опасные, опасные и малоопасные.

Гидросфера и человеческие поселения взаимодействуют в нескольких направлениях. Без воды компоненты биосферы не могут существовать. Например, современному человеку для обеспечения нормальной жизнедеятельности нужно воды примерно 300 л /сут. В расчете на численность человечества, заселяющего землю, ее потребление в тысячу раз меньше, чем устойчивый сток всех рек в мировой океан за это же время (1 млн. м³).

Расчеты показали, что в настоящее время в мире используется не более 10 % пресной воды. Тем не менее, острота проблемы ощущается повсеместно, поскольку развитие производительных сил и технологий привело к использованию значительно большей части речного стока. Проблема усложняется еще и тем, что водные ресурсы на земном шаре распределены неравномерно. Кроме того, имеет место загрязнение водоемов сточными водами. После очистки требуется их 5-, 10-кратное разбавление, только тогда вода будет пригодна к дальнейшему употреблению.

Объем стоков возрастает по мере роста населения и урбанизации общества. Через 50 - 70 лет для разбавления стоков вторичной воды, сбрасываемой в водоемы после очистки, потребуется не менее половины стока рек всего земного шара.

Градостроительные факторы кардинально влияют на гидросферу. Различают два вида техногенного вмешательства в природный баланс поверхностных вод:

1) изменение режима водотока;

2) загрязнение водных бассейнов.

Водные режимы нарушаются на территориях городов при спрямлении естественных русел водотоков, устройстве каналов, каскадов водоемов. На гидрологическую ситуацию влияет заключение малых рек и ручьев в коллекторы, что имеет место во многих крупных городах, устройство набережных стенок с подсыпкой и градостроительным освоением прибрежных пойм.

Причиной увеличения притоков на определенных направлениях может служить прекращение фильтрации воды в грунты из-за покрытия асфальтом значительных площадей. Обводнению территорий способствует осушение болот. Функционирование предприятий водоемких отраслей промышленности также является причиной нарушения природных гидрологических режимов. Примером может служить электроэнергетический комплекс - один из водоемких. Для работы ГЭС создают водохранилища. В них плотинами поднимают уровень воды на десятки метров. Этим кардинально нарушается водный баланс, затапливаются значительные территории суши, дополнительно подпитываются подземные горизонты, увеличиваются напоры и скорости движения вод. Появление водохранилищ и рукотворных морей изменяет климат в целых регионах, делает его более влажным. Подтапливаются целые массивы застройки в городах.

В технологическом процессе ТЭЦ для охлаждения агрегатов потребляют огромное количество воды. После использования ее сбрасывают в открытые водоемы, чем нарушается их тепловой баланс. Если же не проведена предварительная обработка такой воды, то в природу попадают продукты сгорания, химические соединения и другие вещества.

Загрязнение гидросферы в результате градостроительной деятельности связано, прежде всего, с использованием всех видов транспорта. В основном загрязнение поверхностных водоемов автотранспортом происходит в процессе ливнестока с городских территорий. В большинстве городов этот вид стоков не очищается. Только в некоторых крупных городах в последние годы системы дождевой канализации стали оснащать очистными сооружениями.

Загрязнение гидросферы сооружениями железнодорожного и воздушного транспорта несет в себе локальный характер. Это в основном места мойки подвижного состава, ремонта и заправки.

Водный транспорт загрязняет водотоки и водоемы нефтепродуктами, балластными водами и хозяйственными стоками судов. Скоростные суда наносят вред флоре и фауне, поскольку они вырабатывают волны большой энергии, которые повреждают придонную и прибрежную растительность.

Угроза загрязнения нависла и над морями, особенно в акваториях портов. В крупных городах мира они превращаются в мертвые зоны, поскольку здесь природная среда деградировала.

Третий фактор загрязнения гидросферы - это недостаточная очистка жидких отходов хозяйственно-фекальной и промышленной канализации. В городах России (за редким исключением) до сих пор используют устаревшие очистные сооружения. Они не полностью очищают стоки. В водоемы попадают экологически небезопасные, а иногда и токсичные элементы.

Гидросфера загрязняется не только стоками. Возможен атмосферный перенос в виде оседающей на водную поверхность пыли.

Рассматривая факторы загрязнения гидросферы, нельзя не остановиться на воздействии пестицидов и гербицидов, применяемых в сельском хозяйстве и влияющих на глобальное состояние гидросферы. Насчитывают сотни тысяч разновидностей этих искусственных соединений.

Большинство из таких соединений, попадая в естественную среду, остаются за пределами естественного круговорота веществ, поэтому они накапливаются в придонном иле, воде озер и рек. Накопление органики, нитратов и фосфатов влечет за собой так называемое вторичное загрязнение. Его суть заключается в стремительном развитии простейших водорослей. Отмирая и перегнивая, они поглощают свободный кислород. Нормальное течение биологических процессов нарушается, что ведет к гибели рыбы и ухудшению химического состава воды.

Аналогичные явления наблюдают и при сбросе технологических вод пищевых производств. Недостаточно очищенные, они несут в себе органические вещества и отрицательно влияют на гидросферу.

Загрязнение атмосферы есть функция самых различных процессов, протекающих на земле, - естественных и искусственных.

Естественное загрязнение имело место и до появления человеческих цивилизаций. Целый ряд явлений природы, в том числе лесные пожары и пыльные бури, извержения вулканов и газовые выделения из толщи земной коры, всегда будут характерны для некоторых регионов нашей планеты.

С увеличением популяции и концентрацией населения в городах, индустриализацией и развитием транспорта на естественное загрязнение наложились антропогенные выбросы. Достаточно рассмотреть последствия воздействия углекислого газа (диоксида углерода).

В атмосферу ежегодно попадает до 20 млрд. т этого газа техногенного происхождения. Зеленые насаждения не способны переработать такое количество газа, поэтому за последние десятилетия содержание СО₂ в воздухе увеличилось на 12%. При дальнейшей концентрации создается угроза парникового эффекта, в результате которого возможен разогрев земной поверхности на несколько градусов. Как следствие этого начнут таять полярные льды, что приведет к повышению уровня мирового океана на десятки метров. Как предполагают ученые, будет затоплена часть суши, сейчас возвышающаяся над океаном менее чем на 70 м.

Тепловой эффект наблюдается и на уровне городских поселений, где имеет место добавочный нагрев атмосферы. Установлено, что в центре крупного города температура воздуха на 1,5 - 2°С выше, чем на периферии.

Загрязнение химическими веществами имеет локальный характер. Выбросы экологически вредных металлургических, химических и других предприятий способны образовать несвойственные естественной атмосфере токсичные соединения. Из года в год они все более интенсивно воздействуют не только на биосферу, но могут стимулировать разрушение абиотических элементов природного и искусственного происхождения. Интенсивно выветриваются горные породы, подвергаются коррозии металлические и каменные элементы зданий и сооружений.

Наиболее напряженная ситуация складывается в городах с монофункциональной градостроительной базой, где основой такой базы служат отмеченные выше вредные предприятия. В городах, особенно крупных и крупнейших, городской транспорт является основной причиной загрязнения атмосферы. В промышленно развитых странах на его долю приходится до 80% попадающих в воздух выделений и только 30% - на долю промышленности.

Атмосфера является самой подвижной средой биосферы. Массы воздуха не только стоят «шапками» над городами, но и переносятся ветрами на большие расстояния. В зависимости от метеорологических условий локальные очаги загрязнения могут влиять на экологическую обстановку в целых регионах. Поэтому, решая проблемы строительства и реконструкции городов, градостроители рассматривают вопросы экологии и охраны среды в глобальных масштабах (на уровне континентов, группы и отдельных стран). Внутри страны их решают на разных территориальных уровнях: регионов, их административно-хозяйственных районов, агломераций, городов и их районов.

Процессы загрязнения атмосферы обычно регулируются путем сокращения выбросов от их источников. Для этого разработаны специальные нормы ПДК различных соединений, которые могут присутствовать в воздушном бассейне.