Особенности управления окружающей средой как средой обитания методами экологической кибернетики

УДК 574

А. В. Мельников, В. Н. Мельников

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ КАК СРЕДОЙ ОБИТАНИЯ МЕТОДАМИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ

Окружающая среда включает в себя природную и антропогенную составляющие, и ее рассматривают в общем случае как среду обитания всего живого и в связи с рациональным использованием природных и других ресурсов [1-6]. При этом больше внимания обращают на общие проблемы природной составляющей окружающей среды как основополагающей во многих проблемах управления окружающей средой и важнейшей составляющей экологических систем управления.

Природа в широком смысле охватывает весь мир во всем многообразии его форм. С учетом экологических проблем управления экологическими процессами природа - это совокупность естественных и искусственных условий существования живых организмов, в том числе человека.

В отличие от других живых организмов, человеку присуще разумное начало, он способен к целенаправленной деятельности и преобразованию окружающей его среды. Воздействие человека на окружающую природную среду может сопровождаться изменением факторов среды, отклонением показателей природной среды от нормы, нарушением жизнедеятельности человека и других организмов.

Основой отношений человека и природы является его деятельность, которая всегда связана с различными составляющими природы. Поэтому изменение отношения к природе и взаимосвязь с природой определяются изменением характера, направленности и масштабов человеческой деятельности.

До начала серьезного развития науки, техники и технологий связь человека с природой была основана преимущественно на увеличении объема и состава получаемых от природы ресурсов. При этом масштабы деятельности общества ограничивалась в основном развитием производительных сил.

С развитием производительных сил такой способ эксплуатации постепенно приблизился к критическому уровню, когда масштабы потребления традиционных источников энергии, сырья, материалов стали сравнимыми с масштабами общих запасов в природе. Это обстоятельство способствовало переходу от интенсивного способа эксплуатации природы к экстенсивному, более рациональному использованию природных ресурсов при соблюдении требований к окружающей среде.

Все большее влияние человека на природу приводит к нарушению процессов саморегулирования в экологических системах и более резкому изменению условий существования живой материи, в том числе к ухудшению условий существования человека и его жизнедеятельности. Соответственно, в последнее время все чаще рассматривают экологическую безопасность, которая предусматривает защищенность окружающей среды и человека от антропогенных и стихийных воздействий.

В результате всех перечисленных причин постепенно складывается новый тип отношения человека к природе - к охране природы, управлению природой как совокупности мер сохранения, восстановления и разумного использования природных ресурсов (окружающей среды) с целью создания благоприятных для жизнедеятельности человека условий окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Рассмотрим общие особенности окружающей среды с учетом ее влияния на состояние человека и способность к выполнению производственной и иной деятельности, учитывая природную окружающую среду и элементы искусственной среды (жилые дома, предприятия и другие инженерные сооружения, искусственные ландшафты и т. д.).

Естественный ареал распространения человека ранее определялся природными условиями. Однако в настоящее время сфера деятельности человека значительно расширилась и охватывает всю географическую (земную) оболочку Земли и часть космического пространства.

Географическая оболочка Земли по современным представлениям объединяет во взаимодействии литосферу, атмосферу, гидросферу и биотические сообщества. Географическая оболочка обладает разными видами свободной энергии (лучистая энергия Солнца, внутренняя

энергия Земли, гравитационная энергия, энергия космических лучей). Различные виды энергии взаимодействуют и образуют сложную природную совокупность, влияние которой зависит от характера их взаимодействия и взаимосвязей.

Вещество географической оболочки находится в различных агрегатных состояниях. Основными вещественными компонентами географической оболочки являются горные породы, почва, воздушные и водные массы, лед, биоценозы.

Чтобы учесть влияние особенностей географической оболочки на экологические процессы и системы, отметим некоторые ее основные свойства [4, 7, 8].

1. Целостность, обусловленная непрерывным обменом вещества, энергии и информацией между ее составными частями.

2. Наличие круговорота веществ и связанной с ним энергии, которая обеспечивает многократность проявления одних и тех же процессов и высокую суммарную эффективность.

3. Ритмичность, т. е. повторяемость во времени различных процессов и явлений под влиянием прежде всего астрономических и географических причин.

4. Непрерывность развития как некой целостной системы под влиянием различных сил и причин. Следствием и особенностями развития являются территориальная дифференциация поверхности суши, дна океана; полярная асимметрия, т. е. существенное различие природы географической оболочки в Северном и Южном полушариях; пространственная разнородность природы и т. д.

5. Огромное влияние жизнедеятельности человека на географическую оболочку.

Воздействие человека на окружающую среду становится все более ощутимым. В различной степени изменяются все компоненты среды.

С учетом экологической обстановки в среде обитания человека это влияние носит как положительный, так и отрицательный характер.

В лучшую сторону в основном изменились условия жизни человека, связанные с общим развитием науки и техники, научно-техническим прогрессом, большими возможностями положительно влиять на окружающую среду (создание искусственных ландшафтов, искусственное орошение и осушение земель, защита лесов от вредителей и лесных пожаров, совершенствование способов обработки почвы и т. д.).

Влияние человека на окружающую среду в рассмотренных и во многих других случаях повышает экологическое качество среды.

Однако чаще вмешательство человека в окружающую среду дает отрицательный результат. Основной причиной этого является сложность оценки отдаленных последствий антропогенных воздействий.

Особенно большое отрицательное влияние на окружающую среду оказало развитие отраслей энергетики, химических производств переработка нефти и газа, рост автомобильного и другого транспорта, химизация сельского хозяйства и т. д. Разрушительное воздействие на биосферу оказывают экстремальные воздействия антропогенного характера [8]. К ним относятся прежде всего войны, особенно с применением оружия массового происхождения - ядерного, химического, бактериологического; техногенные экологические катастрофы (аварии на атомных электростанциях, нефтеналивных судах, химических предприятиях, нефтепроводах и т. д.).

Следствием перечисленных антропогенных воздействий на природу является обычно совместное загрязнение атмосферы, поверхности суши, водоемов, усиление парникового эффекта и изменение климата в целом, ухудшение условий существования биоценозов и т. д.

Разрушительное воздействие на все или некоторые составляющие окружающей среды оказывают стихийные действия природного характера. К ним относятся землетрясения, наводнения, извержения вулканов, ураганы, циклоны, тайфуны, засуха, оползни, обвалы, селевые потоки и т. д.

Защита и управление состоянием окружающей среды необходимы с учетом следующих принципов [8, 9]:

— не допускать вредных и опасных последствий нарушения окружающей среды;

— постепенный переход от защиты отдельных районов к защите всего природного окружения;

— улучшение условий в районах со сложными природными условиями благодаря созданию искусственных форм рельефа и ландшафта;

— профилактические мероприятия по предупреждению нежелательных процессов;

— отказ от применения мер защиты, которые связаны с появлением новых нежелательных процессов и явлений;

— охрана ценных памятников природы.

Оптимизация взаимодействия окружающей среды и человека, управление качеством окружающей среды, улучшение условий существования человека предусматривают:

— всестороннее исследование состояния природной среды от местного до планетарного;

— изучение степени устойчивости природных ландшафтов и биосферы в целом к воздействию человека;

— оценка способности окружающей среды к саморегулированию и восстановлению;

— снижение влияния урбанизации;

— учет отрицательного влияния использования природных ресурсов на состояние окружающей среды как среды жизнедеятельности человека;

— регламентация (установление нормативов) содержания вредных веществ в окружающей среде (почва, вода, воздух, растительный субстрат, продукты питания, предметы бытового назначения);

— установление нормативов на сбросы и выбросы вредных веществ по конкретным веществам и их источникам;

— прогнозирование переноса и рассеивания вредных веществ в природных и антропогенных средах, процессов превращения этих веществ под влиянием факторов внешней среды (вторичное загрязнение или встречный синтез), т. е. в более широком смысле - прогнозирование качества окружающей среды;

— соблюдение технологических регламентов работы оборудования и производственных инструкций с целью обеспечения требуемых параметров процессов, влияющих на интенсивность выбросов и сбросов вредных веществ;

— контроль содержания вредных веществ в окружающей среде, а также в сырье, топливе, материалах, полуфабрикатах;

— контроль поступления и содержания вредных веществ в природных средах для принятия мер в случае превышения нормативов, установленных органами здравоохранения.

В основу мероприятий по управлению окружающей средой положено нормирование качества окружающей среды путем установления предельно допустимых показателей, характеризующих воздействие окружающей среды на человека и другие биологические объекты экологических систем управления.

Основные экологические нормативы качества делят на санитарно-гигиенические, производственно-хозяйственные и комплексные.

К первым относятся предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК), предельно допустимый уровень шума, вибраций, усилий, ионизирующих излучений и других физических воздействий.

К производственно-хозяйственным принадлежит предельно допустимый выброс вредных веществ, допустимый сброс вредных веществ, допустимое изъятие компонентов окружающей среды, норматив образования отходов производства и потребления.

Комплексными показателями считают допустимую антропогенную нагрузку на окружающую среду и экологическую емкость территории или акватории.

Предельно допустимая концентрация характеризует количество загрязнителя в атмосфере, в водной среде и почве, приходящееся на единицу объема. Различают максимально разовую и среднесуточную концентрацию ПДК, которые не должны вызывать при вдыхании рефлекторных реакций у человека соответственно в течение 30 минут и при неопределенно долгом воздействии. В России для атмосферного воздуха действует около 500 нормативов концентрации различных вредных веществ.

Если в воздухе присутствует несколько загрязняющих веществ, обладающих суммирующим действием, то результирующее действие определяют в виде суммы, в которой каждое слагаемое равно отношению фактической концентрации вредных веществ к максимально разовой концентрации ПДК.

Для водной среды ПДК загрязняющих веществ соответствует такой концентрации веществ в воде, выше которой она становится непригодной для одного или нескольких видов водопользования. Предельно допустимая концентрация устанавливается отдельно для питьевых вод и рыбохозяйственных водоемов. В России для водной среды действует около 2 000 ПДК вредных веществ.

Предельно допустимая концентрация вредных веществ в почве является максимальной концентрацией, которая не оказывает влияния на почву, на ее способность к самоочищению, на здоровье человека. Для почвы действуют свыше 130 ПДК вредных веществ.

Установлены также предельно допустимые уровни воздействия на человека шума, вибраций, магнитных полей, радиационного воздействия и других вредных воздействий.

Практически можно использовать большое количество ПДК и уровней воздействия в различных средах и при изучении природных и антропогенных воздействий, связанных с различными видами производственной и непроизводственной деятельности. Многие из них характеризуют показатели процессов в атмосфере, гидросфере, литосфере и в биологических сообществах.

Допустимый выброс или сброс характеризуется количеством загрязняющих веществ, которое можно сбрасывать в единицу времени конкретному предприятию в атмосферу, водоем и т. д., не вызывая превышения в них ПДК. Иногда вводят временно согласованные выбросы, которые превышают ПДК, чтобы постепенно снизить концентрацию вредных веществ до нормы, например, за счет совершенствования технологий производства.

Наиболее важным комплексным показателем качества окружающей среды является норматив допустимой антропогенной нагрузки как максимально возможные воздействия на окружающую среду, которые не приводят к нарушению устойчивости экологических систем. Устойчивость характеризуют различными системами показателей, учитывающих природу и особенности антропогенного воздействия. Так, в одной из предложенных систем такими показателями являются запасы живого и мертвого органического вещества, эффективность образования органического вещества или продукции растительного покрова, видовое и структурное разнообразие биологических образований. Другой подобный комплексный показатель связан со способностью к восстановлению экологической системы после антропогенного воздействия. В основном этот показатель применяют при оценке способности к восстановлению растительного покрова и животного мира.

Наконец, для определения потенциальной способности окружающей среды применяют термин «экологическая емкость среды», понимая под ней способность переносить ту или иную антропогенную нагрузку без нарушения основных функций экологических систем управления.

Определение понятия о предельно допустимой антропогенной нагрузке с учетом влияния такой нагрузки на жизнедеятельность человека и состояние животного и растительного мира является одной из основных задач экологической кибернетики. Соответственно, для управления окружающей средой необходимо знать показатели действующих и допустимых нагрузок на окружающую среду.

Перечисленные нормируемые показатели определяют допустимую степень загрязнения окружающей среды и нагрузок на окружающую среду. Кроме них, необходимо учитывать нормируемые и ненормируемые показатели различных сред, которые влияют на качество жизни и способность выполнять те или иные производственные и непроизводственные функции. Так, в экологических системах, связанных с атмосферой, необходимо принимать во внимание различные погодные и климатические показатели, распределение живых организмов. В гидросфере на человека и другие живые организмы влияют океанологические и гидрологические показатели. В литосфере на живые организмы могут влиять некоторые показатели почвы и минерального сырья, состояние грунта, распределение растительности на поверхности земли, степень заболоченности участков земли и т. д.

Кроме нормативных показателей для открытых пространств, нормируют или учитывают некоторые экологические показатели для закрытых пространств, связанные с загрязнением этих пространств, температурой, влажностью и другими показателями, свойственными атмосфере.

Любая система управления включает в себя управляющую подсистему, поле управления и управляемую подсистему. Из общего анализа окружающей среды как среды обитания человека и других биологических объектов следует, что в качестве управляющей подсистемы системы управления экологическими процессами выступают, раздельно или вместе:

— источники загрязнения окружающей среды;

— источники антропогенных нагрузок на среду;

— источники регулирования физических и химических показателей среды (температура, давление, влажность, освещенность, электромагнитные излучения и др.), кроме источников загрязнений.

Соответственно, управляющими показателями управляющей подсистемы являются перечисленные выше параметры источников загрязнения окружающей среды, антропогенных нагрузок на среду и источники регулирования физических и химических показателей. При этом, когда управляют степенью загрязнения окружающей среды или нагрузками на среду, стремятся, чтобы загрязнение и нагрузки не превышали допустимых. Когда же управляют показателями условий среды, которые не связаны с загрязнениями, то или поддерживают эти показатели в определенном диапазоне или они не должны быть больше или меньше допустимых.

Важно предварительно оценить управляющую способность управляющей подсистемы и учитывать, что не всегда управлением можно добиться достижения целей управления по всем или некоторым показателям. Необходимо также учитывать, что, управление некоторыми показателями возможно несколькими способами, каждый из которых можно использовать для регулирования определенных показателей в определенных условиях.

В экологической системе управления окружающей средой может быть несколько источников управляющих воздействий, каждый из которых может характеризоваться несколькими показателями.

При этом иногда рассматривают непосредственно показатели источников управляющих воздействий, а иногда первоначально рассматривают показатели, характеризующие окружающую среду, а затем определяют показатели источников управляющих воздействий экспериментальным или аналитическим путем. При экспериментальной оценке в системах с обратной связью данные о необходимых управляющих воздействиях получают не только по результатам оценки показателей биологической части системы, но и оценки состояния окружающей среды. Таким образом, на управляющую часть системы управления поступает в общем случае информация не только от биологической составляющей системы, но и от поля управления.

Полем управления является пространство, в котором происходит управление. Таким пространством в экологических системах управления является часть пространства атмосферы, водного и земного пространства.

Поле управления в рассматриваемом случае характеризуется различными свойствами, которые сами по себе определяют особенности воздействия на человека и другие биологические сообщества и являются средой для передачи информации, массы и энергии.

Во многих случаях сама среда (поле управления) экологической системы также является управляемой подсистемой с изменением ее параметров так, чтобы с помощью обратной связи обеспечить определенное воздействие на управляемые биологические объекты.

Таким образом, при оценке работы поля управления необходимо учитывать управляющие воздействия управляющей подсистемы, управляющие воздействия через обратную связь со стороны поля управления на управляющую подсистему, управляющие воздействия со стороны поля управления на управляемую (биологическую) подсистему и (управляющие) воздействия посредством обратной связи со стороны управляемой биологической системы на управляющую подсистему.

Управляемой подсистемой служат человек и другие биологические объекты. Такая подсистема характеризуется в общем случае большим числом показателем. Из них для решения конкретной задачи выбирают ограниченное число показателей, которые характеризуют состояние управляемого биологического объекта и его соответствие нормальному состоянию. Кроме того, обратная связь от управляемого (биологического) объекта может идти на управляющую систему, чтобы посредством регулирования управляющих воздействий состояние биологического объекта соответствовало нормальному.

Кроме воздействий регулирующих и регулируемых, в системах управления окружающей средой действуют контролируемые и неконтролируемые возмущающие воздействия и показатели, которые их характеризуют. Возмущающими являются воздействия, которые нарушают требуемую функциональную связь между входными и выходными характеристиками системы

управления. Обычно возмущающими являются некоторые факторы окружающей среды, которые влияют на состояние окружающей среды и работу источников управляющих воздействий средств управления. Возмущающими являются также некоторые воздействия на биологические объекты, которые не относятся к управляемым, но влияют на состояние этих объектов и связь между входными и выходными характеристиками системы управления.

При нескольких управляющих, управляемых и возмущающих воздействиях при работе системы иногда оценивают, например, результирующее управляемое воздействие. Обычно при этом отдельным показателям воздействий различной физической природы придают соответствующие весовые коэффициенты, установленные по результатам экспертного опроса или другим способом.

Экологические системы управления окружающей средой по характеру изменения регулируемых показателей делятся на системы стабилизации, программные и следящие, по принципу действия - на разные виды разомкнутых, замкнутых и комбинированных систем. Применение тех или иных видов систем управления окружающей средой требует серьезного обоснования и во многом зависит от области их применения, решаемой задачи, наличия исходных данных, возможности применения математических и иных видов моделирования.

С учетом возмущающих воздействий наиболее перспективными часто являются комбинированные системы, которые содержат цепь обратной связи с работой по отклонению и разомкнутую подсистему, работающую по возмущению.

Важнейшим мероприятием по охране окружающей среды, особенно как среды обитания человека, является качественный и количественный контроль (мониторинг) за состоянием среды, в первую очередь загрязнением. Мониторинг включает в себя:

— наблюдение за факторами, влияющими на окружающую среду, и за состоянием среды;

— оценку фактического состояния окружающей среды;

— обработку результатов контроля окружающей среды для решения задач регулирования и прогнозирования среды.

Особенно внимательно необходимо контролировать антропогенные изменения среды, определяющие воздействие на окружающую среду человека.

Не меньшее значение имеет прогнозирование состояния окружающей среды. При этом полезно прогнозирование показателей среды, которые определяют ее состояние без учета загрязнения среды, например климата и погоды, и прогнозирование показателей загрязнения среды. Во втором случае прогнозирование полезно проводить в два этапа, прогнозируя сначала показатели источников загрязнения, а затем - состояние самой среды.

Способы и примеры контроля и прогнозирования различных процессов, и частности показателей окружающей среды, рассмотрены, например, А. В. Мельниковым и В. Н. Мельниковым [10].

Влияние окружающей среды на человека и другие биологические сообщества во многом зависит от состояния отдельных составляющих биосферы (атмосферы, гидросферы, литосферы, биологических сообществ). При их описании в экологической кибернетике особое внимание обращают на количественные показатели состояния отдельных компонентов окружающей среды с учетом ее воздействия на человека, взаимосвязь составляющих биосферы, возможности управления показателями окружающей среды.

Заключение

В связи с развитием идей и методов экологической кибернетики уточнены особенности управления окружающей средой как средой обитания человека и других биологических сообществ. Полученные результаты позволяют более эффективно подходить к оценке состояния окружающей среды и адаптировать ее к состоянию и образу жизни живых сообществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берг А. И. Кибернетика - наука об оптимальном управлении. - М.: Энергия, 1964. - 268 с.

2. Шмальгаузен И. И. Кибернетические вопросы биологии. - Новосибирск: Наука, 1968. - 224 с.

3. МилсумДж. Анализ биологических систем управления. - М.: Мир, 1968. - 502 с.

4. Одум М. Основы экологии. - М.: Мир, 1986. - Т. 1 - 328 с.; Т. 2 - 376 с.

5. Мельников А. В. Введение в экологическую кибернетику // Сб. трудов АГТУ. - Экология. - 1998. - С. 39-45.

6. Мельников В. Н., Мельников А. В. Рыбохозяйственная кибернетика. - Астрахань: АГТУ, 1998. - 310 с.

7. Вернадский В. И. Биосфера. - М.: Мысль, 1967. - 346 с.

8. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 602 с.

9. Мельников А. В., Мельников В. Н. Общая классификация и характеристика экологических систем

управления // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2009. - № 1. - С. 48-52.

10. Мельников А. В., Мельников В. Н. Управление запасами промысловых рыб и охрана природы. -

Астрахань: Изд-во АГТУ, 2009. - 484 с.

Статья поступила в редакцию 29.09.2009

PECULIARITIES OF ENVIRONMENT MANAGEMENT AS A HABITAT BY THE MEANS OF ECOLOGICAL CYBERNETICS METHODS

A. V. Melnikov, V. N. Melnikov

Peculiarities of environment management as a habitat of a human being and other biological communities are specified in connection with the development of ideas and methods of ecological cybernetics. The received results allow to approach more effectively to the estimation of the environment state and to adapt it for the condition and way of life of live communities.

Key words: environment, habitat, management, ecological cybernetics, management systems, analysis, management characteristic.