6. ДИСТАНЦИОННАЯ ФОРМА КУРСАТема 1. Формально-логические и теоретико-методические основы организации природных и природно-технических систем1.1. Понятие системы Системой называется множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определённую целостность, единство. Сложный объект называется системным или просто системой, если: 1) имеется определенный метод, позволяющий конечным числом шагов выделить в нем различные подсистемы, затем подсистемы этих подсистем и т. д. вплоть до отдельных элементов, которые в рамках данного исследования и данным методом не могут быть разделены на составляющие; 2) все подсистемы (компоненты) и входящие в них элементы взаимно связаны по меньшей мере с одним другим элементом или подсистемой и нет таких, которые бы не находились в связи с другими, образующими системы; 3) все компоненты системы разбиты на уровни (уровни определяются свойствами компонентов и набором операций, с помощью которых эти компоненты, а также их связи, свойства и отношения выделяются и фиксируются); низкий элементарный уровень образуется взаимосвязанными элементами; между различными уровнями также существуют связи; если система не разделяется сразу на отдельные элементы, то она является периодической; 4) связи между элементами и компонентами осуществляются через фиксированные конечные наборы отношений и преобразований.^ Целостностью системы называется общность элементов, составляющих систему и образующих структурно-функциональное единство. Целостные системы характеризуется следующими признаками: сравнительно высоким (в пределах данного класса) развитием внутренних взаимодействий, связей и отношений; изменением основных элементов, причем вне данного целого, наиболее дифференцированные из них вообще не могут длительно существовать; различным выражением самостоятельности всей системы как целого; выделением «ведущего звена», а также внутренних и внешних связей; главенствующей ролью целого по отношению к «основным относительно неделимым элементам»; кодированным отображением или программированием свойств целого в специализированных подсистемах и даже в некоторых элементах предыдущих уровней (рефлексивность систем). Материальные образования только тогда системы в том или ином смысле «целостные», когда они представляют собой объективно существующие объединения. В то время как термин «целое» употребляется по отношению ко всяким совокупностям вещей, свойств и явлений, в том числе и к таким, составляющие которых не объединены никакими значимыми связями и зависимостями. Следует иметь в виду, что при одинаковом множестве одних и тех же элементов могут образовываться различные системы. Точно также сходные системы могут образовываться из различных элементов.^ 1.2. Совокупные и эмерджентные свойства системыСвойства системы подразделяются на совокупные и эмерджентные. Совокупные складываются из свойств отдельных элементов подсистем, элементарных систем.^ Эмерджентность системы — наличие у системы свойств целостности (эмерджентных свойств), т. е. таких свойств системы, которые не присущи составляющим ее элементам. В естественных науках эмерджентные свойства (например, свойства химических соединений) и приводящие к их возникновению системообразующие процессы (например, химические реакции) описываются в форме естественнонаучных законов и закономерностей. К разряду эмерджентных свойств относятся целостность (каждый элемент влияет на все, все - на него), кумулятивность (изменение каждого элемента вызывает изменение системы), организованность (в том числе иерархичность), управляемость, открытость-замкнутость, устойчивость-неустойчивость (способность-неспособность функционировать и заданном режиме) и др. Эмерджентность системы или интегративность системы — это свойства целого, не выводимые из свойств частей, т. е. не присущие ни одной отдельно взятой части. Так, к эмерджентным свойствам относится магнитность сплава некоторых немагнитных элементов (например, марганца и германия). Сколько бы мы ни исследовали каждый из этих элементов в отдельности, магнитность их сплава мы прогнозировать не в состоянии, так как она появляется лишь в сплаве.^ 1.3. Природные и природно-технические системы: понятия, соотношение, цели изученияСуществование и различные виды деятельности человека протекают на Земле в пределах так называемой окружающей среды. Под окружающей средой принято понимать систему взаимосвязанных природных и антропогенных объектов, в которых протекают труд, быт и отдых людей. Это понятие включает природные, социальные и искусственно создаваемые, различные по масштабам и назначению явления, прямо или косвенно воздействующие на жизнь и деятельность человека. Окружающая среда — это среда обитания и производственной деятельности человека. Необходимо иметь в виду, что понятие «окружающая среда» более общее, более широкое, чем понятия «внешняя среда» и «производственная среда», которые являются ее составной частью. Производственная среда ограничена воздействием на человека только производственных факторов в условиях трудовой деятельности. Факторы окружающей среды делятся на естественные (природные) и искусственные (антропогенные или техногенные). Естественные факторы определяются действием различных природных компонентов. При этом термином «природа» чаще всего обозначают совокупность объектов и систем материального мира в их естественном состоянии, не являющемся продуктом трудовой деятельности человека. Искусственные факторы возникают в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека. Природная среда является важнейшей составной частью окружающей среды, включающей в себя четыре главных компонента — живую (биоту, или биотическую) атмосферу, гидросферу и литосферу. Три последние в этом ряду геосферы образуют (по В.И. Вернадскому) биосферу — сложную наружную оболочку Земли, среду обитания биоты — живого вещества планеты. Сложные естественные тела оболочек Земли представляют собой определенные системы, относящиеся к различным уровням и линиям взаимно пересекающейся и переплетающейся иерархической организации Земли в целом. Они отражают разные формы существования материи. Для примера на рис. 1.1 приведены основные соотношения геологических, географических систем, а также биогеосистем и биосистем в соответствии с представлениями И.В. Крутя – известного философа и теоретика в области наук о Земле. Здесь среди геологических объектов, наряду с вещественной (минерально-формационной) и эндогенно-структурной линиями систем, выделяется стратиграфическая линия организации, представленная специфическими историческими системами — стратокомплексами. В собственно-географическом ряду систем выделяются снизу вверх по иерархии: урочища, ландшафты, зоны, провинции, пояса, материк и море, географическая оболочка. Экосистемы образуют свой таксономический ряд единиц (вплоть до биогеосферы), которые полностью не совпадают с физико-географическими системами, хотя и выделяются в их пределах. Существует также ряд собственно биологических систем от организмов и их сообществ (биоценозов) до биосферы в целом.Рис. 1.1. Некоторые соотношения геосистем, биогеоситем и биосистем по И.В. Крутю (Геологические тела, 1986)Подобно тому, как среди геологических объектов одно из центральных мест принадлежит геологической формации, а среди географических — ландшафту, среди экосистем важнейшей считается биогеоценоз, у которого могут выделяться структурные ярусные подсистемы — синузии. Биогеоценоз (от греч. bios — жизнь, ge — земля, koinos — общий) — единый природный комплекс, представляющий совокупность растений, животных и микроорганизмов с соответствующим участком земной поверхности (биотопом). Биогеоценоз характеризуется специфическими для него свойствами атмосферы (микроклиматом), геологического строения, условий рельефа, почвы, водного режима с образованием особой системы, обладающей определенным типом обмена вещества и энергии между различными организмами, а также организмами и средой обитания. Таким образом, биогеоценоз — это совокупность биотических и абиотических факторов — биоценоза и биотопа. При этом под биотопом (от греч. bios — жизнь, topos — место, местность) понимается участок земной поверхности, характеризующийся большей или меньшей однородностью геологического строения, микроклимата, водного режима, рельефа и почвенного покрова. Перечисленные выше естественные геосферы представляют собой природные оболочки Земли. Кроме них выделяется также и искусственная (антропогенная) или техногенная «оболочка» — техносфера, созданная человеком искусственная среда обитания, рассматриваемая как часть биосферы. Техносфера, согласно А.Е. Ферсману и С.В. Калеснику, представляет собой материальную часть общественной системы — социосферы, взаимодействующую с природными системами. В рамках техносферы выделяются хозяйственные (технические) системы, являющиеся основными компонентами техносферы и объединяющие материально-технические средства производственной и сопутствующей ей деятельности, а также технологические процессы, соответствующие целям производства. Такими хозяйственными системами, например, являются промышленность, сельское хозяйство, строительство, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д. Саму же геохимическую деятельность человечества А.Е. Ферсман назвал техногенезом. В 1944 г. В.И. Вернадский предсказал преобразование биосферы в качественно новое состояние — в ноосферу, сферу разума, которую он рассматривал (еще не видя в этом угрозу состоянию окружающей среды) как новое геохимическое явление на нашей планете, когда человек становится крупнейшей геологической силой. В науках о Земле ноосфера рассматривается как планетарное явление, как особый этап развития планеты, как особая ее оболочка, в которой проявляется деятельность человеческого общества. Ноосфере свойственны и механическая, и физико-химическая, и биогенная миграция вещества. Но не они определяют ее своеобразие: главную роль, согласно А.И. Перельману, играет техногенная миграция вещества на Земле. Ноосфера В.И. Вернадского, по мнению, представляет собой вторую (первая — техносфера) подсистему социосферы. Она идеальна и отражает духовную жизнь общества. В целом концепция ноосферы разработана пока слабо, хотя не вызывает сомнений основной тезис В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана о том, что человечество стало мощной геологической силой. В настоящее время в ноосфере идут процессы формирования нового, экологического знания, направленного на рациональное взаимоотношение общества и природы. Изучение процессов на уровне ноосферы в целом не должно ограничиваться только экосистемным подходом: оно должно включать все разделы естественных наук наряду с исследованием хозяйственно-экономических и общественно-политических аспектов. Именно этим и призвана заниматься относительно новая междисциплинарная отрасль знания – геоэкология. Природная среда взаимодействует (сейчас или потенциально в будущем) с различными инженерно-хозяйственными объектами или инженерными сооружениями, созданными человеком. Под инженерными сооружениями понимаются любые техногенные объекты, созданные человеком в процессе инженерно-хозяйственной деятельности в пределах природной среды или на ее поверхности, включая открытые или подземные выемки. Термином «хозяйственная деятельность» или «инженерно-хозяйственная деятельность» обычно обозначаются всевозможные, воздействия происходящие в техносфере. Сами же инженерные сооружения рассматриваются как источники техногенных воздействий той или иной природы на окружающую среду в целом или на ее отдельные элементы (горные породы, рельеф, подземные воды, воздух и др.). При этом источником техногенного воздействия не может служить какая-либо инженерно-хозяйственная деятельность человека сама по себе, например, строительная, сельскохозяйственная и т.п. Воздействие оказывается на природную среду в результате этой деятельности, и непосредственный источник воздействия, реализуемого в процессе этой деятельности, всегда материален.^ Техногенными воздействиями называются различные по своей природе, механизму, длительности и интенсивности влияния, оказываемые человеком на объекты природной среды в процессе его жизнедеятельности и хозяйственного производства. Взаимодействие инженерного сооружения с природной средой определяется сочетанием типа сооружения с типом среды как принципиально различных по материалу: «материал» природной среды «живет» по природным законам, а материал инженерного сооружения — по техническим. При этом задача проектировщика (изыскателя, строителя, представителя службы эксплуатации сооружения) состоит в том, чтобы из этого разнообразного материала создать единую природно-техническую (природно-техногенную) систему (ПТС), функционирующую в оптимальном по некоторым фиксированным критериям режиме. Таким образом, природно-техническая система (ПТС) — совокупность природных и искусственных объектов, формирующихся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений и технических средств, взаимодействующих с природными объектами. Или иными словами ПТС — совокупность форм и состояний взаимодействия компонентов природной среды с инженерными сооружениями на всех стадиях функционирования, от проектирования до реконструкции. в результате деятельности человека за всю историю его существования, и в особенности за последние 50-100 лет, на Земле сформировались такие системы, в которых большую роль играют не только естественные, но и техногенные процессы. Эти системы можно назвать природно-техническими. К ним относятся разнообразные городские и сельские поселения, сельскохозяйственные системы, отдельные промышленные предприятия и индустриальные зоны, транспорт и транспортные коммуникации, энергетические системы, горнорудные предприятия вместе с зонами их влияния, рекреационные системы и др. Природно-технические или природно-техногенные системы (ПТС) существенно преобразовали ту природу, которая была до появления человека. Уже в древнем Риме горнопромышленные предприятия заметно влияли на состояние окружающей среды. Несмотря на то, что ПТС и сейчас обычно занимают относительно небольшую площадь, их влияние на экосистему Земли и ее составные части весьма велико. Природно-техногенные системы отличаются двойственностью, как это видно из самого термина. С одной стороны, первоначальные природные их особенности в значительной степени изменены, и состояние ПТС определяется антропогенной нагрузкой на них. С другой стороны, основные особенности их функционирования во многом зависят от природных условий, в которых эти системы размещаются. Основные компоненты ландшафта, такие как рельеф, геологическое строение, климат и до некоторой степени природные воды сохраняют свои основные особенности и в пределах ПТС, оказывая решающее влияние на состояние природно-техногенной системы. Даже в больших и древних городах (как, например, в Москве), несмотря на продолжительную и интенсивную антропогенную нагрузку, первоначальные естественные черты просвечивают сквозь позднейшие антропогенные наслоения. Геоэкологические проблемы природно-техногенных систем также двойственны. Они несут в себе как антропогенные, так и естественные черты. В самом деле, многие геоэкологические проблемы горнопромышленных городов похожи, потому что тип производства, характер и уровни загрязнения среды подобны. Но они в то же время могут весьма сильно отличаться друг от друга, потому что их природные условия (геолого-геоморфологические и гидроклиматические) могут быть столь же различны, сколь различаются, например, Кольский полуостров и Прикаспийская низменность. Отличительная особенность геоэкологического подхода к анализу ПТС заключается в том, что главным объектом геоэкологии является исследование взаимосвязей между собственно технической системой и окружающей ее природной системой. в то время как анализ экологических процессов на предприятии (транспортной системе, населенном пункте, сельскохозяйственном поле и пр.) относится к инженерному делу, агрономии, архитектуре и другим прикладным областям знания. Объектом геоэкологии может быть взаимодействие нефтепроводов и окружающей среды в Аравийской пустыне или Сибирской заболоченной лесотундре на многолетнемерзлых грунтах, тогда как вопросы функционирования механизмов и инженерных систем в этих специфических природных условиях относятся к категории инженерной экологии. Однако четкую границу между инженерной экологией и геоэкологией природно-техногенных систем провести достаточно трудно. Вследствие острой практической необходимости прикладная экология развивается интенсивно во многих отраслях прикладных наук. Чаще всего ее обозначают на русском языке термином «инженерная экология». Для желающих познакомиться более детально с этим разделом знания, в том числе с принятыми в нашей стране экологическими стандартами и нормативами, имеется ряд публикаций (см. список дополнительных литературных источников к настоящей лекции). Зародившаяся в 60-х годах XX в. в Институте географии АН СССР концепция геотехнических систем (И. П. Герасимов, Л. Ф. Куницын, В. С. Преображенский, А. Ю. Ретеюм, К. Н. Дьяконов и др.) получила широкое развитие в полевых исследованиях сотрудников академических институтов и университетов (С. Л. Вендров, В. С. Аношко, В. И. Булатов, Л. М. Граве, Т. В. Звонкова, А. В. Дончева, А. Г. Емельянов, Л. К. Малик, П. Г. Шищенко, Г. И. Швебс и др.). Ее становление связано главным образом с изучением влияния гидротехнических систем (водохранилищ ГЭС), мелиоративных систем и Каракумской геотехнической системы на ландшафты окружающей территории. С появлением термина «геологическая среда» (Е. М. Сергеев), под которой понимают горные породы и почвы вместе с природными и техногенными геологическими процессами, концепция геотехнических и природно-технических систем в 80-е годы прошлого столетия стала разрабатываться и в теории геологии (Г. К. Бондарик, А. Л. Ревзон, О. Н. Толстихин). Целостность ПТС предопределена технологией производства и достигается вещественными, энергетическими и информационными потоками. В состав ПТС входят блоки или подсистемы контролирования, регулирования и управления (рис. 1.2). Средствами контролирования могут быть пилотируемые космические станции и искусственные спутники Земли, простые термометры и другие приборы, собирающие информацию о состоянии различных частей ПТС (геоэкологический мониторинг). Регулирование осуществляется затворами на мелиоративных осушительных системах, сельскохозяйственной авиацией, рассеивающей минеральные удобрения, и т.д. Управляют ПТС диспетчеры ГЭС, агрономы, инженеры. В ряде случаев функцию управления могут выполнять автоматы с обязательным участием компьютеров. ПТС — системы открытые, обменивающиеся со средой веществом и энергией. Поэтому они образуют сферу влияния, состоящую из зон, подзон и поясов, в пределах которых природные процессы в той или иной степени детерминированы функционированием ПТС. Управление ПТС предусматривает учет состояния всех подсистем, в том числе природной в сфере влияния, что необходимо для реализации на практике принципа оптимизации.Рис. 1.2. Принципиальная схема геотехнической системы (по Дьяконову, Дончевой, 2002): I - геотехническая система, II — сфера ее влияния; 1 — блок регулирования; 2 — инженерно-технические сооружения; 3— искусственно созданная природная подсистема; 4 — средства контролирования; 5 — блок управления. Потоки: а — входящий поток вещества и энергии; б — управляемый поток вещества и энергии; в— выходящий (трансформированный) поток вещества и энергии; г— информационные связи (потоки).Модель геотехнической системы позволяет рассматривать вещественно-энергетические и производственно-технологические аспекты взаимодействия производства с ландшафтами. Она открывает возможность для осуществления прогноза изменения природно-территориальных комплексов под влиянием хозяйственной деятельности человека. Концепция природно-технических систем предусматривает экологическую, технологическую, экономическую и социальную оценки, но не всей ПТС, а её влияния на окружающую природную среду. Модель ПТС может быть использована при проектировании значительного числа объектов — нефтедобывающих комплексов, водохранилищ ГЭС, тепловых электростанций, осушительных и оросительных систем, противоэрозионных, рекреационных и др.^ 1.4. Классификация процессов по типу обмена веществом и энергией со средойметодология изучения взаимодействия техники и природы базируется на рассмотрении связей между природными и техническими подсистемами ПТС. В настоящее время выделяют семь типов процессов, которые органически связаны с проявлением действия техники в природе и могут вызывать негативные последствия. В перечислении А. Ю. Ретеюма эти семь типов процессов выглядят следующим образом. 1. Поступление в природу чужеродной субстанции: выделение твердых минеральных отходов; выброс минеральной пыли; сбросы растворов (жидких отходов); затопление (при создании водохранилищ); выделение органических веществ; накопление мусора; выделение микроорганизмов (фермами, заводами микробиологических препаратов); выделение живых организмов (акклиматизация и интродукция – переселение особей отдельных видов растений или животных за пределы естественного ареала в новые для них места обитания); генерирование электромагнитных излучений; шум; выброс радиоактивных элементов; выделение тепла. 2. Извлечение из природы субстанции: добыча твердых полезных ископаемых; добыча нефти; добыча газа; откачка и забор воды; добыча органических веществ (торф, сапропель); сбор растительной биомассы; заготовка леса; промысел животных. 3. Блокирование: остановка потоков минеральных веществ (вдольбереговых потоков наносов в море, песка в пустыне, оползневых масс на склоне); подпор водных потоков (ручьев, рек, подземных вод); остановка потоков снега (метелевого переноса у заграждений); предотвращение или резкое уменьшение испарения (почвенной влаги при вырубке лесов, с поверхности водоема при разливе нефти); остановка движущихся живых организмов (мигрирующих животных у искусственных препятствий); остановка потоков воздуха у сооружений. 4. Ускорение потоков без приложения внешней силы: поверхностных вод (в самотечных каналах при спрямлении русел рек); подземных вод при дренаже; воздуха (при линейной застройке городов и поселков); живых организмов (вынос мальков на поля с поливной водой); минеральных веществ (почвенных солей при подтоплении в аридном климате). 5. Превращения субстанции: воды (при замерзании почвенной влаги на искусственно оголенных от снега участках или испарении с поверхности прудов); льда и снега (таяние многолетнемерзлых пород под трубопроводами); водяного пара (выпадение дополнительных атмосферных осадков над орошаемыми полями); минерального вещества (выщелачивание горных пород или их образование из растворов); органического вещества (минерализация гумуса при осушении почв). 6. Мобилизация субстанции: воды (при таянии многолетнемерзлых пород, каптаже подземных вод); воздуха (благодаря бризам на берегах крупных водохранилищ); минерального вещества (эрозия, абразия, взмучивание илов со дна водоемов и водотоков; миграция солей к земной поверхности при орошении почв в засушливом климате, подвижки блоков земной коры, сопровождающиеся землетрясениями, после заполнения водохранилищ и откачки из недр нефти и газа); живых организмов (распугивание животных вокруг промышленных объектов или, наоборот, их привлечение пищевыми отходами); органических веществ (при вспашке); радиоактивных элементов (при выщелачивании из внесенных в почву фосфорных удобрений). 7. Иммобилизация субстанции: минеральных веществ (осаждение речных наносов в верхнем бьефе гидроузлов, захоронение твердых отходов); воды (заболачивание территорий вырубок леса в северных регионах, закачка сточных вод в скважины, закачка вод в нефтяные горизонты для поддержания внутрипластового давления); снега (непреднамеренное задержание снега вдоль дорог); органических веществ (складирование бытовых отходов); живых организмов (применение пестицидов, гербицидов, использование аттрактантов); радиоактивных веществ (захоронение отходов). Одни и те же природно-технические системы могут быть источником различных типовых процессов. Например, с водохранилищами ГЭС связано поступление чужеродной субстанции — затопление террас, долины реки; блокирование потоков минеральных веществ (вдольбереговой поток наносов); мобилизация субстанции (бризы); иммобилизация субстанции (осаждение наносов).Контрольные вопросы: Что называется системой? Что называется целостностью системы? Как подразделяются свойства систем? Что принято понимать под окружающей средой? Каково соотношение понятий «окружающая среда», «внешняя среда» и «производственная среда»? Как подразделяются факторы окружающей среды? Что понимается под инженерными сооружениями? Что называется «техногенными воздействиями»? Что понимается под «природно-технической системой» (ПТС)? Чем определяется взаимодействие инженерного сооружения с природной средой? Какова роль специалиста-исследователя в обеспечении безопасности и оптимальности взаимодействия инженерного сооружения с природной средой? Какие системы можно привести в качестве примера современных ПТС? В чём причина двойственности проблем, связанных с природно-техническими системами? Когда и в связи с чем начала развиваться концепция природно-технических систем?Литература к теме 1: География, общество, окружающая среда. Том II. Функционирование и современное состояние ландшафтов/ Под ред. проф. К.Н. Дьяконова и проф. Э.П.Романовой. М.: «Издательский дом «Городец», 2004. 606 с. Геологические тела (терминологический справочник)/ Под ред. Ю.А.Косыгина, В.А.Кулындышева, В.А.Соловьева. М., 1986. 334 с. Королёв В.А. Мониторинг геологической среды: Учебник/ Под ред. В.Т.Трофимова. М.: Изд-во МГУ, 1995. 272 с. Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология. Учебник. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. 415 с. Экология города. Учебное пособие/ Под ред. А.С.Курбатова. М.: Научный мир, 2004. 620 с. Ясаманов Н.А. Основы геоэкологии. Учебное пособие. М.: Academia, 2003. 351 с.