Jules Dupuit

Одной из основных особенностей городской среды является то, что их природная составляющая подвергается значительному антропогенному влиянию, потому что именно в городах сконцентрирована большая часть промышленных предприятий, энергетических мощностей и автотранспорта. Рост города сопровождается сокращением количества чистого воздуха, воды, зеленого пространства и тишины. Жизнедеятельность города вызывает процессы и явления, происходящие в воздухе, на земле и под землей, где нагромождение коммуникаций, трубопроводов, инженерных сооружений влияют на растительный и почвенный покров, подземную гидросферу, геологическое строение (Г.Т. 1).

Природные экосистемы способны противостоять неблагоприятным воздействиям: они обладают способностью восстанавливать как свою функциональную структуру, так и оказывать положительное влияние на окружающую их среду (Г.Т. 2, рис. 2). Природная составляющая городских ландшафтов является основой создания благоприятной жизненной среды и обеспечения экологического равновесия, как одного из условий достижения устойчивого развития.

Природная составляющая (зеленые насаждения (Г.Т. 2, рис. 1) и другие элементы зеленого строительства) городских ландшафтов выполняет целый ряд функций, обеспечивающих поддержание экологического равновесия:

1. Регулирование теплового режима. На городской территории температура воздуха не дает полного представления о существующем тепловом режиме. Наиболее высокие температуры возду­ха характерны для центральных частей города с плотной застройкой, обширными асфальтовыми поверхностями улиц, пло­щадей. Чем больше город, тем значитель­ней разница температур воздуха среди затройки и в крупных массивах зеленых насаждений.

Большая роль в условиях застройки отводится ин­саляционному и радиационному режимам. Суммарная солнечная радиация состо­ит из: прямой солнечной радиации (инсо­ляции); рассеянной, поступающей от всего небосвода; коротковолновой радиации, от­раженной поверхностями, и длинноволно­вого (теплового) излучения нагретых есте­ственных и искусственных поверхностей. Если покрытия аллей, дорог, площа­док, инженерные и архитектурные соору­жения, малые архитектурные формы и другие объекты подвергаются прямому солнечному облучению и нагреваются, то после захода солнца они еще длительное время излучают тепло, которое сущест­венно влияет на микроклимат и вызыва­ет перегрев окружающей среды и повы­шение температуры воздуха. Излучение нагретого до 65 °С искусственного по­крытия составляет 0,48 кал/см², что рав­но почти половине интенсивности сол­нечной радиации. Очень большое значение имеет теплоотдача дорожных покрытий. Летом температура воздуха среди городской застройки значительно выше, чем среди растительности.

Зеленые насаждения способны существенно влиять на микроклимат, понижая температуру и увеличивая скорость движения воздуха, что в условиях лета благоприятно действует на организм человека и создает комфортность теплоощущения. Растения, прежде всего, воздействуют на радиационный режим, снижая интенсивность прямой солнечной радиации.

Интенсивность излученной и отраженной поверхностью радиации и радиус отрицательного воздействия определяется количеством поступающей солнечной радиации и «альбедо» этой поверхности. Коэффициент «альбедо» (отноше отраженного потока к падающему) характеризует отражательную способность верхности. Чем сильнее поверхность отражает радиационную энергию, тем меньше она нагревается и тем больше ее альбедо.

Различные виды растений обладают способностью по-разному отражать, поглощать и пропускать солнечные лучи в зависимости от физиологического строения листьев, структуры, размеров кроны и т.д. (табл. 1).

Таблица 1.

Характеристика прохождения световой энергии сквозь кроны деревьев

Лучший эффект по снижению температуры дают деревья с крупными листьями (каштан, дуб, липа крупнолистная, клен остролистный, тополь сребристый, платан и др.). Альбедо в зависимости от плотности, расположения листьев и формы кроны изменяется у деревьев и кустарников в пределах 8-46 %. Деревья с наибольшим альбедо дают наилучшую защиту от тепловой энергии, и их применение имеет большое практическое значение. Следует учитывать, что альбедо всей кроны дерева на 12-15 % меньше альбедо отдельно взятых листьев. Чем мельче лист, тем меньше тепловой энергии отражает крона растения. Альбедо хвойных пород значительно ниже лиственных. Необходимо иметь в виду, что солнечному нагреву подвергаются листья в основном верхней части кроны.

Листья на дереве располагаются в виде листовой мозаики, не затеняя друг друга. Если листья создают сплошную поверхность, то отражение по сравнению с рыхлым расположением листьев увели­чивается. Просветы в кроне поглощают значительную часть поступающей энер­гии. Листва деревьев и кустарников про­пускает солнечную радиацию за счет про­зрачности кроны. Коэффициент прозрач­ности кроны определяется как отношение интенсивности прямой солнечной радиа­ции под кроной к потоку прямой радиа­ции, падающей на открытое место (по ис­следованиям Е.С. Лахно). На территории зеленых насаждений радиационный режим, а вследствие этого и температура воздуха, меняются в зави­симости от ассортимента деревьев, их воз­раста, плотности смыкания крон, ярусности.

Охлаждающее действие зеленых насаждений в значительной степени объясняется расходом большого количества тепла на испарение и повышение относительной влажности воздуха. Листья имеют температуру значительно ниже температуры окружающего воздуха.

Так же на формирование теплового режима влияют размеры озеленяемой территории. Небольшие участки зеленых насажде­ний и редкая посадка способны снизить температуру воздуха не только внутри мас­сива, но и, незначительно, на прилегающей территории. Существенное влияние зеле­ные насаждения в городе оказывают при размерах их территории свыше 6 га. Эффект влияния озеленения на тепло­вой режим можно значительно увеличить, сочетая зеленые массивы и водоемы.

Величина воздействия зеленых насаждений на тепловой режим городских территорий определяется: образованием оптимальной системы городских зеленых насаждений, включающей разнообразные территории (по размерам, функциональному назначению, струк­туре, видовому составу растений, ланд­шафтным приемам организации (табл. 2) и т.д.); клинообразным вводом вглубь застройки достаточно крупных зеленых массивов, имеющих связь с пригород зелеными зонами; плотностью размещения деревьев и кустарников, обеспечивающей затенение не менее 50 % занятой ими территории.

Таблица 2.

Микроклиматическая эффективность зеленых насаждений в условиях

перегрева городских ландшафтов (по данным ЦНИИП градостроительства)

2. Регулирование влажности воздуха.Микроклиматические условия считаются благоприятными для человека при относительной влажности воздуха 30-70 %. Растительность, обладая большой ис­паряющей способностью, оказывает заметное влияние на влажность и темпера­туру воздуха, вызывая положительные теплоощущения человека. Повышение относительной влажности воздуха почти всегда (за исключением дней с очень высокими температурами) воспринимается человеком как некоторое снижение температуры. Так, повышение влажности на 15% как бы понижает температуру воздуха на 3,5 °С.

Повышенная влажность воздуха внутри зеленых насаждений, по сравне­нию с открытыми территориями, отличается равномерностью, не имеет резких колебаний, что вызвано тем, что испаряющая поверхность зеленых насаждений (деревьев, кустарников, трав) в 20 раз и более превышает занятую этими растениями площадь. Зеленые насаждения как бы регулируют влажность: в период сухости растения усиливают испарение, при высокой влажности водяные пары кон­денсируются на листьях – более про­хладных поверхностях.

Следует отметить, что относительная влажность в городе, как правило, ниже, чем в естественных природных условиях, что является следствием радикальных измене­ний свойств подстилающей поверхности (крыши, мостовые способствуют быстрому удалению с территории города осадков).

Приемы размещения зеленых насаж­дений и их сочетания с открытыми прост­ранствами в значительной степени опре­деляют относительную влажность возду­ха. Наилучшие результаты в создании комфортной обстановки достигаются при чередовании деревьев и кустарников, рас­полагаемых компактными массивами, с полянами, имеющими плотный травяной покров (табл. 2). В этом случае существующий пе­репад радиационных температур между открытыми участками и затененными территориями достигает 30 °С, а влаж­ность 20 %, что способствует перемещени­ям воздуха.

Один гектар насаждений в течение вегетационного сезона испаряет до 3000 т влаги, за этот же период 1 м² газона испа­ряет 500-700 л воды. Ежедневно взрос­лая липа испаряет 0,2 т влаги, хорошо развитый бук – до 0,6 т влаги, а 1 га сто­летних дубов – около 26 т. Ежегодно зе­леные насаждения испаряют 20-30 % ат­мосферных осадков, выпавших на занятую ими территорию. Сравнивая влияние рас­тений и воды на повышение влажности воздуха, можно с уверенностью сказать, что 1 га полноценных растений значительно лучше (почти в 10 раз) увлажняет, осв­ежает воздух по сравнению с водоемом такой же площади.

Умело применяя влаголюбивые расте­ния и используя их качества на террито­рии с повышенной относительной влажно­стью (выше 70 %), последнюю можно зна­чительно снизить.

3. Регулирование подвижности воздуха.Движение воздуха является важней­шим фактором, определяющим микрокли­мат участков городских ландшафтов, осо­бенно в летний период, когда оно оказы­вает существенное влияние на теплоощущения человека в условиях перегрева ок­ружающей среды. Наиболее благоприят­ным для человека является ветровой ре­жим от 0,5 до 3 м/с, при котором легко колышутся ветки, и шелестит листва. Зе­леные насаждения способствуют образо­ванию постоянных воздушных потоков, способных перемешивать и освежать воз­дух даже в условиях полного штиля.

Используя древесно-кустарниковые растения, можно улучшить проветривание всей городской территории или отдельных ее частей, защитить городскую застройку от неблагоприятных ветров (табл. 2), регулировать движение воздуха, ослаблять и увеличи­вать скорость его перемещения, менять направление потока.

В условиях жаркого климата приобре­тают значение размеры листьев в кроне деревьев и кустарников. Чем меньше лист, тем больше тепловой энергии способна поглотить крона. Биологические процес­сы, происходящие в растениях, вызывают значительное охлаждение воздуха, кото­рый опускается вниз и вытесняет нижний слой более теплого воздуха. Вертикаль­ный воздухообмен особенно важен в без­ветренные летние дни. Его возникнове­нию способствуют разрывы между крона­ми (продухи). Загущенные посадки пре­пятствуют циркуляции воздуха. Вследст­вие разницы (до 10-12 °С) температуры воздуха между озелененной и открытой или застроенной территорией происходит горизонтальное перемещение воздушных масс от зеленых массивов к окружению. При этом теплый воздух поднимается вверх, уступая место более холодному.

При расположении зеленых массивов на более высоких отметках по отношению к застройке, интенсивность образования ветра значительно возрастает, а скорость движения воздуха доходит до 1 м/с. Так же воздушные течения (бризы) возникают при наличии крупного массива зеленых насаждений, как правило, на окраине города и при разнице температуры не менее 5 °С, а разности давления не менее 0,7 мм рт. ст. При увеличении скорости ветра температура воздуха остается постоянной, но возрастает его циркуляция. В жаркий летний день движение воздуха особенно ощутимо после захода солнца, когда прогретые поверхности излучают тепловую энергию. В такой день движение воздуха в городе направлено от массива зеленых насаждений к застройке, а ночью, как правило, воздух движется в обратную сторону, к более устойчивому в тепловом отношении зеленому массиву.

В прохладные дни воздушные потоки не образуются. Применяя различные конструкции зеленых насаждений и используя разнообразные приемы их размещения, можно влиять на потоки воздуха, изменять их направление движения и скорость.

4. Регулирования процесса газообмена.Наиболее важной для жизнедеятельности человека частью воздуха является кислород, имеющий биологическое происхожде­ние и появившийся в атмосфере благода­ря растениям. Жизнь на земле возникла и развивалась при участии обычного мо­лекулярного кислорода О₂, озона О₃ и ато­марного кислорода О. В листьях растений из уг­лекислого газа, поступающего из возду­ха, и воды, получаемой из почвы, за счет энергии солнечных лучей образуются уг­леводы (сахар) и в атмосферу выделя­ется свободный кислород. Процесс этот был назван ассимиляцией углерода, или фотосинтезом, от греческих слов «фотос» – свет и «синезис» – образование сложных химических соединений из простых.

В течение только од­ного года солнечная энергия, запасенная растениями за счет фотосинтеза, достаточ­на для обеспечения энергией 100000 боль­ших городов в течение 100 лет. Сжигая каменный уголь, нефть, торф, горючие сланцы, мы используем не что иное, как продукты фотосинтеза. Клетки животных, человека получают необходимую жизнен­ную энергию за счет пищи, которая пред­ставляет собой также законсервирован­ную энергию солнечных лучей.

Дыхание человека позволяет насы­тить его организм кислородом и удалить углекислый газ – углекислоту СО₂. Каж­дый год растения извлекают из атмосфер­ного воздуха 16*10¹⁰ углекислоты, а вы­деляют около 5*10¹¹ т свободного кисло­рода. Состав атмосферы относительно по­стоянен. Содержание кислорода в возду­хе около 21 % (по объему), концентрация СО₂ в разных районах Земли тоже, прак­тически, одинакова за счет турбулентного перемешивания атмосферы и составляет 0,03 %. Кроме того, в составе атмосферно­го воздуха содержатся 78,09% азота и 0,93% аргона.

Взрослый здоровый лес на площади 1 га поглощает 220-280 кг углекислого газа, выделяет в атмосферу 180-220 кг кислорода. В среднем 1 га зеленых насаж­дений поглощает за 1 ч около 8 л угле­кислоты (столько выделяют за это время 200 человек). На выделение кислорода влияет количество листвы дерева и ее состояние. Дерево средней величины может обеспечить дыхание трех человек.

Показатели газообмена в течение ве­гетационного периода у разных деревьев неодинаковы. Если эффективность газо­обмена у ели обыкновенной принять за 1, то у лиственницы она будет 1,18, у сосны обыкновенной — 1,64, у липы крупноли­стной – 2,54, у дуба чешуйчатого – 4,5, у тополя берлинского – 6,91. Зная ин­тенсивность фотосинтеза, а следователь­но, эффективность газообмена и количе­ство выделяемого у разных видов расте­ний кислорода, следует подбирать опти­мальные сочетания и количество деревь­ев и кустарников, необходимых для озе­ленения городских территорий.

Всякое загрязнение вызывает у приро­ды защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Но при все прогрессирующем росте загрязнений становится очевидным, что природные системы самоочищения и, прежде всего, растения рано или поздно не смогут выдержать этот на­тиск, что приведет к нарушению газового баланса атмосферы и, прежде всего, к со­кращению количества кислорода – источника жизни всего живого.

5. Удаление из атмосферы вредных газов.Загрязнение атмосферы – одна из самых распространенных и наиболее сложных форм воздействия городов на окружающую среду. К основным источникам, загрязняющим атмосферу, относятся промышленные предприятия, топливно-энергетические предприятия и транспорт (Г.Т. 3, рис. 1). От загрязненного воздуха страдает человек и все, что его окружает: растительность, животный мир, архитектурные памятники, металл, строительные материалы, ткани и т.д.

В настоящее время в воздухе крупных городов содержаться такие газы, как метан СН₄, окись углерода СО, сер­нистый газ SО₂, закись азота N₂О, озон О₃, двуокись азота NО₂, родон Rr, окись азота NO, водяной пар и др. Их содержание в раз­ных точках земного шара неодинаково и непостоянно. Возникновение новых, еще более па­губных последствий связано с появлени­ем на ТЭЦ и промышленных предприяти­ях труб большой высоты (300-400 м), позволивших снизить загрязнение приземного слоя атмосферы вокруг предприятия, но не уменьшающих количество выбросов, а только рассеивающих их на огромных территориях. Увеличившееся рассеивание элемен­тов повлекло за собой возрастание в окружающей среде концентрации тяжелых металлов. Наибольшую опасность, как для природы, так и для человека представляют ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, ванадий, олово, цинк, сурьма, медь, молибден, кобальт, никель. Свинец в атмосферу попа­дает в основном из выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Тяжелые металлы, попадая с воздухом, водой, растительной и животной пищей непосредственно в организм человека, на­капливаются в печени, почках, оказывают неблагоприятные воздействия на ткани костей.

Исследования ученых показывают, растения способны выполнять важную санитарно-гигиеническую роль, поглощая токсические газы, накапливая вредные вещества в покровных, а затем и внутренних тканях. Часть токсических веществ оттекает из листа и локализуется в побегах, растущих листьях, плодах, клубнях, луковицах, корнях. Количество фторидов, хлоридов, окислов серы, аккумулирующихся во всех органах растений, в сум­ме составляет не более 20 % их содержа­ния в листьях. Древесная растительность может вы­полнять эти функции только при условии, что концентрация аэрозолей, особенно в жидкой или газовой фазах, не достигает пределов, губительно действующих на их живые клетки.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами приводит к накапливанию металлов в растениях (при этом их зольность увеличивается в 1,5-2 раза). Некоторые растения могут ограничивать поступление, регулировать аккумуляцию металлов на уровне организма, отдельных его органов, тканей клеток и регулировать передвижение из корней в листья. Определенная избирательная способность корневого поглощения позволяет растению избегать избыточной аккумуляции металлов.

Устойчивые виды древесных растений, как правило, накапливают больше металлов в корнях, чем в надземной части. У травянистых растений в некоторых случаях защитная реакция к избыточному содержанию металлов проявляется в увеличении соотношения между системой и надземной частью, а при оптимизации питания оно снова выравнивается.

Таким образом, применение пород растений и кустарников, устойчивых к воздействию тяжелых металлов, канцерогенов, бензопиренов, углекислого газа, окислов серы и других газов, при озеленение городских ландшафтов, позволяет значительно снизить концентрацию этих веществ в атмосфере и предотвратить их попадание в организм человека.

6. Очищение воздуха от пыли. Зеленые насаждения задерживают пыль и уменьшают запыленность воздуха (Г.Т. 3, рис. 2). Эффективность пылезащитных свойств растений у разных пород неодинакова и зависит от строения дерева, его ветроза­щитной способности (табл. 3). Лучше всего задер­живают пыль деревья с шершавыми, мор­щинистыми, складчатыми, покрытыми во­лосками или липкими листьями. Шершавые листья (вяза и лиы) и листья, по­крытые тончайшими ворсинками (сирени, черемухи, бузины), лучше удерживают пыль, чем гладкие (клена, ясеня, бирючины). Листья с войлочным опушением по пылезадержанию мало отличаются от листьев с морщинистой поверхностью, но они плохо очищаются дождем. Клейкие листья в начале вегетации имеют высо­кие пылезадерживающие свойства, но за­тем их утрачивают. У хвойных пород на единицу веса хвои оседает в 1,5 раза больше пыли, чем на единицу веса листь­ев, а пылезащитные свойства сохраняют­ся круглый год.

Таблица 3.

Пылезащитные характеристики некоторых деревьев и кустарников

Химический состав пылевых частиц отличается многообразием составляющих его компонентов, часто присутствием зна­чительного количества металлов, особенно в выбросах предприятий металлургической промышленности. Результаты иссле­дований доказывают большую положитель­ную роль зеленых насаждений в борьбе с запыленностью воздуха. Зная пылезащитные свойства растений, варьируя размеры озеленяемой территории, подбирая породы и необходимую густоту посадок, можно до­биться наибольшего пылезащитного эф­фекта. Дожди, освобождая насаждения и воздушный бассейн от пыли, смывают ее на поверхность земли.

7. Ионизация воздуха. Значительная роль в улучшении состо­яния воздуха отводится ионам. Ионы быва­ют легкие и тяжелые. Легкие могут нести отрицательный или положительный заряды, тяжелые – только положительный.

При благоприятных условиях развития растения повышают в воздухе и на приле­гающей территории число легких отрица­тельно заряженных ионов – материальных носителей электрических зарядов, характе­ризующих состояние чистоты воздуха. Умеренно повышенная ионизация воздуха (до 2-3 тыс. ионов на 1 см³) по­ложительно сказывается на здоровье и самочувствии человека. Растительность влияет на ионизацию воздуха в зависи­мости от породного состава, полноты, воз­раста насаждений и некоторых других характеристик.

Наибольший эффект ионизации на­блюдается под кронами следующих пород деревьев: сосна обыкновенная, ель обык­новенная, туя западная, дуб красный, дуб черешчатый, ива плакучая, клен серебри­стый, клен красный, тополь, ли­ственница сибирская, пихта сибирская, бе­реза карельская, береза японская, рябина обыкновенная, сирень обыкновенная, ака­ция белая. Лучше ионизируют воздух смешанные насаждения. Загрязнение атмосферы и, как следст­вие, плохое состояние растительности, ведут к увеличению количества вредных для здоровья человека тяжелых ионов.

8. Оздоровление воздуха. Среди множества факторов, влияю­щих на микрофлору воздуха, особое место отводится фитонцидам. Фитонциды – летучие и нелетучие – выделяемые растениями защищающие их вещества, способные подавлять рост, тормозить раз­витие вредных болезнетворных бактерий, микроорганизмов и таким образом оздоравливать воздух.

Фитонциды дубовой листвы уничтожа­ют возбудителя дизентерии, а фитонциды можжевельника – возбудителей желудоч­но-кишечных заболеваний. Сосна крымс­кая, кипарис вечнозеленый, кипарис гима­лайский задерживают рост туберкулезной палочки. Фитонциды черемухи, рябины, можжевельника используют для борьбы с вредными насекомыми. В сосновом бору, на­ходящемся в хорошем состоянии и благо­приятных условиях произрастания, болез­нетворных бактерий в 2 раза меньше, чем в лиственном. Туя обладает способностью уменьшить загрязненность воздуха болез­нетворными микроорганизмами на 67 %. Хвойные породы за сутки способны выде­лить летучих веществ: 1 га можжевельни­ка – 30 кг, сосны и ели – 20 кг, лиственные породы – 2-3 кг. Однако сосновым на­саждениям свойственны повышенные ради­ация и температура воздуха, пониженная влажность, поэтому для отдыха наиболее благоприятными будут территории смешан­ных хвойно-лиственных насаждений.

Большинство растений проявляет мак­симальную антибактериальную активность летом, когда воздух парков содержит в 200 раз меньше бактерий, чем воздух улиц. При подборе растений для озеленения го­родов (клен мелколистный, липа мелколистная, лиственница европейская и сибирская, пихта сибирская, рябина обыкновенная, сосна сибирская, кедр, черемуха обыкновенная, можжевельник, смородина) необходимо учитывать их бактери­цидные свойства. Насаждения следует раз­мещать с наветренной стороны по отноше­нию к месту пребывания человека.

9. Шумозащитная функция зеленых насаждений. С разви­тием городов проблема борьбы с шумом приобретает все большую остроту. Шум является серьезным фактором, ухудшающим жизненную среду большого города.

Звуковые колебания вызывают повы­шение и понижение давления в воздушной среде. Разность между этим давлением и атмосферным называется звуковым давле­нием. Уровень звукового давления опреде­лятся в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Диапазон возможности восприятия человеческого уха укладывает­ся в 140 дБ. Нижней границей этого диа­пазона является порог слышимости, а вер­хней – максимальный предел громкости, не вызывающий болевого ощущения. По­рог слышимости – 10 дБ, разговорная речь двух стоящих рядом людей – 50, шум на улице – 60-80, шум внутри вагона метро­политена – 90, шум реактивного самолета при взлете – 130, порог болевого ощуще­ния человека – 140 дБ.

Шум отрицательно влияет на орга­низм человека, может явиться причиной его частичной или полной глухоты, вызы­вает сердечнососудистые и психические заболевания, нарушает обмен веществ. Организм часто реагирует на шум на подсознательном уровне. Такое воздействие вызывает повышенную психическую напряженность и агрессивность. Результаты проведенных исследований позволили определить критические вели­чины звукового давления и максимально допустимое время его воздействия на че­ловека: уровень шума 85 дБ человек мо­жет выдержать (без последствий) в течение 8 ч, 91 дБ – 4 ч, 97 дБ – 2 ч, 103дБ – 1 ч, 121 дБ – 7 мин. При уровне шума 40-45 дБ нарушается сон у 10-20 % на­селения, при 50 дБ – у 50 %, а при 75 дБ – у 95 % населения.

Шум города складывается из шумов раз­личных источников и, прежде всего, от промышленных предприятий, транспорта, строек, работы оборудования, бытовых приборов и т.д. В городе самым распрост­раненным и наиболее утомляющим явля­ется шум транспорта*, который зависит от скорости движения и частоты остановок (с их увеличением уровень шума возраста­ет). При прохождении 100 автомобилей в час средний уровень шума на прилегаю­щей к дороге территории составляет 70 дБ. Уровень шума от движения авто­транспорта на улицах местного значения составляет 55 – 65 дБ-А, на магистральных улицах – 70-85 дБ-А.

Для защиты селитебных территорий от шума необходимо максимально использо­вать городское зеленое строительство. Эффект снижения шума зависит от геометрии посадок, породного состава деревьев и кустарников (шумопоглотителями являются ель, тополь обыкновенный, бузина красная, дуб красный), величины и строения кроны, характера облиствления, фенологической фазы растения, а так же уровня шумового воздействия, проходящего через насаждения [42]. Зеленые насаждения, расположенные между источником шума и жилыми дома­ми, участками для отдыха, могут значи­тельно снизить уровень шума (Г.Т. 4, рис. 1). Эффект возрастает по мере приближения растений к источнику шума; вторую группу целесо­образно размещать непосредственно око­ло защищаемого объекта. Звуковые волны, наталкиваясь на ли­стья, хвою, ветки, стволы деревьев различ­ной ориентации, рассеиваются, отражают­ся или поглощаются. Кроны лиственных деревьев поглощают около 25 % падающей на них звуковой энергии. Снижение шума растениями зависит от конструкции, возраста, плотности поса­док и кроны, ассортимента деревьев и ку­старников, спектрального состава шума, погодных условий и т.д.

Рядовые посадки деревьев с открытым подкроновым пространством шум не по­глощают, так как между поверхностью земли и низом крон создается своеобразный звуковой коридор, в котором много­кратно отражаются и складываются зву­ковые волны. Отражение звука происхо­дит, прежде всего, в зоне прямого контак­та с поверхностью шумозащитной полосы и зависит от применяемой конструкции полосы и плотности фронтальной зоны, воспринимающей звуковой удар (Г.Т. 4, рис. 2).

Лучший эффект снижения шума до­стигается при многоярусной посадке де­ревьев с густыми кронами, смыкающи­мися между собой, и опушечными ряда­ми кустарника, полностью закрывающи­ми подкроновое пространство. Хорошо снижают шум полосы из ра­стений с высоким удельным весом зелени (все хвойные породы в среднем на 6-7 дБ эффективнее снижают уровень шума при тех же параметрах полос, чем лиственные, но в городских условиях их применение усложняется высокой чувствительностью к загрязнениям окружающей среды).

Шумопоглощающая способность ра­стений проявляется и зимой, даже в безлиственном состоянии они снижают уровень шума на 2-5 дБ-А. В это время года интенсивность шума несколько сни­жена, кроме того, площади, занимаемые озе­ленением, покрываются снегом, который служит пористым поглотителем шума.

Высокие экологические качества рас­тений, приспособляемость к городским условиям, неприхотливость, цветение, аро­мат делают их незаменимыми при форми­ровании полос шумозащиты.

10. Уменьшение загрязнения почв. Практически во всех городах не сохра­нились естественные почвы, а сформирова­лись своеобразные искусственные, которые продолжают изменять свою струк­туру: нарушается пористость, обеспечива­ющая увлажнение и аэрацию, нарушается равновесие между ее составными элемен­тами, мелкие растительные и животные организмы плохо развиваются, деградиру­ют, гибнут, переставая выполнять важней­шие функции рыхления почвы, разложе­ния органических веществ, их минерализации и приведения в усвояемую растения­ми форму и т.д. Мощность и плодородие насыпных почв на городских территориях, во многих случаях, недостаточны, а относи­тельная влажность значительно ниже, чем у естественных ненарушенных почв, что существенно влияет на развитие растений, ослабляет их и уменьшает устойчивость к загрязнителям. Эрозия почв, чрезмерное уплотнение ее поверхностного слоя способ­ствуют быстрому высыханию и ослабле­нию вегетации растений. Частые механи­ческие нарушения почвенного слоя также ухудшают ее характеристики.

В городских условиях только неболь­шая часть вредных веществ, попадающих в почву, синтезируется, окисляется и нейт­рализуется, а многие химические соедине­ния, частицы шин автомобилей, асфальто­вая пыль, накапливаясь, могут ветром вновь подниматься в атмосферный воз­дух. В современном благоустроенном го­роде все свободные от застройки и проез­дов территории должны быть озеленены, что сокращает возможность появления пыли.

Результаты исследований показали, что отдельные виды растений оказывают свойственное только им влияние на хими­ческий состав почвы и обладают опреде­ленной избирательной способностью по­глощения загрязнителей. Умелое исполь­зование древесных растений позволяет проводить на умеренно загрязненных поч­вах их биологическую рекультивацию. Наиболее высокое содержание минераль­ных элементов в условиях загрязнения наблюдается у дуба черешчатого и липы мелколистной, в условиях слабого загряз­нения – у акации белой. Наибольшее количество железа аккумулируют каштан конский, липа мелколистная, тополь Болле; меди – клен остролистный, акация белая; свинца – тополь Болле, клен ост­ролистный. Применение пород, не только устойчивых к загрязнению почв, но и обладающих способностью их оздоровления, позволяет улучшать состояние почвенного покрова на территории города.

11. Уменьшение загрязнения водоемов.Обострение водных проблем вызва­но изменениями речного стока из-за хо­зяйственной деятельности человека. Агро­технические и лесомелиоративные меро­приятия, урбанизация и развитие про­мышленности, оросительные и осушитель­ные мелиорации привели к изменениям на десятках миллионов гектаров, причем темпы глобального водопотребления продол­жают стремительно расти. Если в 1900 г. оно составляло 400 км³ (в том числе «без­возвратное» – 270 км³), то в 1950 г. – 1100 (650), в 1975 г. – 3000 (1800), а в 2000 г. – около 6000 (3000) км³.

Водные ресурсы относятся к непре­рывно возобновляемым в процессе круго­ворота природным ресурсам. Каждый год с поверхности земли испаряется около 525 тыс. км³ воды. Атмосферный пар, кон­денсируясь, выпадает в виде дождя или снега и питает реки, озера, ледники, под­земные воды и т.д.

Годовая потребность в воде одного жителя современного большого города составляет 150-180 м³, включая комму­нальное хозяйство, полив насаждений, улиц и т.д.

В городах важная санитарно-гигиени­ческая роль отводится рекам, озерам и прудам. Они уменьшают загрязненность воздуха, очищают его от газов промыш­ленного производства и пыли. Одновре­менно водоемы подвергаются большой опасности из-за загрязнения промышлен­ными и хозяйственно-бытовыми стоками, а также поверхностным стоком дождевых и талых вод, стекающих с проезжих час­тей улиц, площадей и т.д.

Для сохранения нормальной жизнедея­тельности водных экосистем требуется уже после очистки 6-15-кратное, а иногда и большее разбавление чистой водой. И тем не менее доведение спускаемых сточных вод до такой концентрации, при которой обеспечена предельно допустимая концен­трация (ПДК) того или иного элемента в водостоке, еще не исключает возможности попадания в водоемы биогенных веществ, которые могут вызвать нежелательные экологические последствия.

Водоемы имеют разную способность воспринимать и «переваривать» загрязняющие вещества. Хорошей самоочищающей способностью (в смысле превращения органических соединений в более простые минеральные) отличаются неглубокие реки с бурным течением. В них очень быстро происходит самоочищение сточ­ных вод с остаточными загрязнениями в процессе движения.

Среди многих факторов, влияющих на состояние водоемов, особое значение име­ет сообщество растений. Успешно приме­няется в борьбе с загрязнением водоемов тростник, который имеет развитую корне­вую систему, способную задерживать не только механические примеси, но и погло­щать разнообразные химические соедине­ния, используя их в процессе роста расте­ний. Деревья, кустарники и трава способ­ны выполнять разнообразные водоохран­ные функции. В местах забора питьевой воды на нужды города вокруг водозабор­ных станций создают зеленые охранные зоны строгого режима, способные защи­тить водоем от проникновения инфекции. Предохраняет воду наземных источ­ников от загрязнения вредными вещества­ми лес. Мутность воды после прохожде­ния лесной полосы шириной 30 м умень­шается в 100 раз. Насаждения по берегам водоемов поглощают из поверхностных стоков пестициды, смываемые с полей. После пропуска воды, обогащенной азотсодержащими соединениям, через 5-метровую полосу берез количество нит­ратного азота уменьшилось на 0,4 мг/л. Пятиметровая сосновая полоса сократила количество нитратного азота на 3 мг/л. Лесная растительность уменьшает в воде содержание фосфатов.

Сохранение в чистоте вод на террито­рии города – сложная задача, решить кото­рую можно, только проведя сложный комп­лекс мероприятий градостроительного, тех­нологического и инженерного характера, в том числе с использованием методов зеленого строительства [10].

12. Уменьшение видеозагрязнения.К зрительным загрязнениям относятся электромагнитные, шумовые, зрительные, геомагнитные, биоэнергетические и др. Зрительные загрязнения охватывают, прежде всего, визуально воспринимаемую среду – архитектуру, цветовую гамму зданий, ландшафты, озеленение, рекламу, витрины, чистоту и освещенность улиц. Наличие в городе однотипных построек и других малопривлекательных сооружений, особенно на фоне «истребляемой» зелени, не только раздражает глаз, вызывает желание покинуть это место, но и способствует развитию психических заболеваний. Во многих странах начинают сознавать, какой вред здоровью населения может нанести безудержная урбанизация, и принимают достаточно жесткие меры для оздоровления городских ландшафтов. Весьма важно при строительстве учитывать принципы видеоэкологии: «Не ломать образ города однообразными новостройками, фасадами, витринами, а улучшать или хотя бы сохранять – вот задача настоящего градостроителя, если, конечно, он ценит красоту своего города» [42].

Таким образом, зеленые насаждения, совокупность которых составляет природный комплекс города, выполняют ряд важнейших функций по оздоровлению городской среды, поддержанию комфортных санитарно-гигиенических параметров городских ландшафтов (табл. 2) и оказывают прямое влияние на достижение экологического равновесия, как условия устойчивости, на территории города.

* Проблема шумового загрязнения среды существовала в крупных городах всегда. Так, еще в Риме перегрузка улиц транспортом была столь велика, что Юлий Цезарь провел в сенате специальный закон, разрешающий повозкам различных типов передвигаться лишь в отведенное для них дневное время суток. Деним Юлий Ювенал в начале II в. н. э. жаловался, что в Риме невозможно уснуть ни днем, ни ночью. Николя Буало в конце XVII в. писал о Париже: «Выспаться в этом городе можно не иначе, как за большие деньги». Во Франции при Людовике XIV запрещалось шуметь в Париже после того, как король ложился спать. А.С. Пушкин писал о Петербурге: «А в городе и шум, и пыль, и стук карет» [42, с. 63].

Jules Dupuit

Существенный вклад в развитие теории напорного и безнапорного движения грунтовых вод внес (Boussinesq) Жозеф Валантен Буссинеск (1842-1929 гг.) и Филипп Форхгеймер (1852-1933 гг.).

Ч. Слихтер (1864—1946 гг.), работавший в США, внес значительный вклад в развитие теории фильтрации. Им впервые предложены модели идеального и фиктивного грунта и показано, что пористость и просветность фиктивного грунта зависят не от диаметра частиц, а лишь от плотно­сти их укладки.

Основоположниками отечественной школы теории фильтрации яв­ляются профессор Н.Е. Жуковский, академики Н.Н. Павловский, JI.C. Лей- бензон. Исследования этих выдающихся ученых, их многочисленных учеников и последователей стали фундаментальной основой развития тео­рии фильтрации в нашей стране.

Н.Е. Жуковский (1847-1921 гг.) в 1889 г. опубликовал первую работу по теории фильтрации «Теоретическое исследование о движении подпоч­венных вод». Им впервые выведены общие дифференциальные уравнения теории фильтрации, показано, что напор как функция координат удовлетво­ряет уравнению Лапласа, указано на математическую аналогию теплопро­водности и фильтрации. Им исследованы также вопросы капиллярного под­нятия воды в пористой среде, решен ряд задач о притоке воды к скважинам.

Н.Н. Павловскому (1884-1937 гг.) принадлежит определяющая роль в развитии теории фильтрации в гидротехническом направлении. В опуб­ликованной монографии «Теория движения грунтовых вод под гидротех­ническими сооружениями и ее основные приложения» изложена разрабо­танная им строгая математическая теория движения фунтовых вод под гидротехническими сооружениями. Им впервые многие задачи фильтра­ции воды были сформулированы как краевые задачи математической фи­зики. Н.Н. Павловский впервые обосновал и предложил применение мето­да электрогидродинамической аналогии (ЭГДА) для решения фильтраци­онных задач, что в последующем нашло широкое применение для решения задач фильтрации воды, нефти и газа в неоднородных коллекторах.

Н.Н. Павловский впервые предложил использовать параметр Рей- нольдса в качестве критерия существования закона Дарси, что имеет важ­ное значение для исследования законов сопротивления при фильтрации. Фундаментальные результаты в развитии теории движения грунтовых вод получены академиком П.Я. Полубариновой-Кочиной.

Пелаге́я Я́ковлевна Ко́чина (урожд. Полуба́ринова; 1899 — 1999) — советский физик-гидродинамик, академик АН СССР.

Леонид Самуилович Лейбензо́н (1879—1951) — русский и советский учёный-механик основатель советской школы уче­ных и специалистов, специалист в области гидродинамики, теории упругости, теории фильтрации газа и нефти.

Теоретические и экспериментальные исследования Л.С. Лейбензона начались в 1921 г. в Баку. Ему принадлежит приоритет в постановке и ре­шении ряда задач нефтегазовой и подземной гидромеханики. Им проведе­ны первые исследования по фильтрации газированных жидкостей, сфор­мулированы задачи нестационарной фильтрации при расчетах стягивания контуров нефтеносности при вытеснении нефти водой, получены фунда­ментальные результаты в развитии теории фильтрации природного газа.

Трудами учеников и последователей академика Л.С. Лейбензона сложилась школа, которая по праву называется школой Л.С. Лейбензона.

Выдающийся вклад в развитие теории фильтрации в нефтегазоводоносных пластах внесли академик С.А. Христианович, профессоры Б.Б. Лапук, Исаак

Абрамович Чарный, В.Н. Щелкачев и К.С Басниев. Написанные ими монографии и учебники стали классическими и основополагающими.

§ 2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕОРИИ ФИЛЬТРАЦИИ

На различных этапах строительства скважины возникает необходимость в решении задач, связанных с оттоком жидкости из скважины и притоком ее в скважину из пласта. Здесь основное значение имеют закономерности движения жидкости в пласте, основанные на решении соответствующих граничных задач теории фильтрации.

Фильтрация - это движение жидкостей, газов и их смесей под действием перепада давления в твердом проницаемом теле, пронизанном системой сообщающихся между собой пустот (поры, трещины).

Нефть и природные газы заключены в недрах Земли. Их скопления связаны с вмещающими горными породами (пластами) - пористыми и проницаемыми образованиями, имеющими непроницаемые кровлю и по­дошву. Горные породы, которые могут служить вместилищами нефти и га­за и отдавать их при разработке, называются коллекторами. В свою оче­редь, коллекторы называют пористыми или трещиноватыми в зависимости от геометрии пустот.

Природные жидкости (нефть, газ, подземные воды и их смеси) нахо­дятся в пустотах (порах и трещинах) коллекторов. Часто находящиеся в пустотном пространстве пласта природные жидкости обозначают общим термином флюид,подразумевая под ним любую из них. Флюид, находя­щийся в коллекторе, может находиться в состоянии покоя или двигаться. Движение флюидов через твердые (вообще говоря, деформируемые) трещиноватые или пористые среды называется фильтрацией. Фильт­рация может быть обусловлена воздействием различных сил: градиентом давления, концентрации, температуры, капиллярными, электромолекуляр­ными и другими силами. Например, движение (фильтрация) расплавленно­го жира в фитиле свечи или керосина в фитиле керосиновой лампы обу­словлено капиллярными силами. Однако в дальнейшем будем рассмотривать течения, вызываемые действием градиента давления или силы тяжести.

Поровое пространство осадочных горных пород - сложная система сообщающихся меж­зернистых пустот, в которой трудно выделить отдельные поровые каналы (рис. 1.1). Размеры пор, например, в песчаных породах составляют обычно единицы или десятки микрометров (мкм). Движение флюидов в пласте происходит с очень малыми скоростями, порядка мик­рометров в секунду (в гидромеханике дви­жения со столь малыми скоростями часто называются ползущими).

Поэтому процесс фильтрации с высокой степенью точности можно очень часто считать изотермическим. И в то же время при фильтрации в горных породах возникает значительная сила трения. При движении флюидов в пустотном пространстве коллекто­ра соприкосновение между твердым скелетом и жидкостью происходит по огромной поверхности. Например, в 1м³ пористой среды (песчаника) площадь поверхности пустотного пространства может достигать порядка 10⁴ м². Поэтому основным свойством флюида, которое влияет на фильтра­цию, является вязкость. В связи с этим обстоятельством вязкость учитыва­ется даже при фильтрации газа, а так как сила трения распределена по все­му объему коллектора, то Н.Е. Жуковский предложил при описании фильтрации силу трения считать массовой силой.

Строение нефтяных и газовых залежей осложняется значительной неоднородностью и анизотропией свойств пород, их слоистостью, наличи­ем тектонических и стратиграфических нарушений (разрывов сплошности породы). Разведка месторождений, исследование пластов, извлечение неф­ти и газа осуществляется через отдельные скважины диаметром 10-20 см, отстоящие друг от друга до сотни метров.

Объектом изучения в теории фильтрации является движущаяся жидкость (газ, смесь), а скелет тела – средой, в которой это движение происходит.

Основная характеристика фильтрационного движения – вектор скорости фильтрации

,

(2.28)

где – компоненты скорости фильтрации; – расход жидкости через элементарные площадки , проходящие через некоторую точку среды перпендикулярно к соответствующим координатным осям. Если через точку проведена произвольно ориентированная площадка , то проекция вектора на нормаль к площадке равна

,

(2.29)

где – направляющие косинусы нормали ; – расход жидкости через площадку .

Подчеркнем, что расходы в формулах (2.28) и (2.29) делятся на полную площадь , а не на ее часть, занятую жидкостью. Поэтому величина скорости фильтрации не равна истинной скорости движения жидкости , они связаны соотношением

,

где – активная, или динамическая, пористость; и – соответственно элементарный объем среды и ее части, занятых подвижной жидкостью.

Горные породы, слагающие проницаемые пласты, характеризуются, как правило, сложной структурой флюидосодержащего пространства. Помимо пор они могут обладать развитой системой микро- и макротрещин. В зависимости от степени влияния трещин на фильтрацию жидкости принято различать пористые, трещиноватые и трещиновато-пористые породы.