Что изучает инженерная экология
Инженерная экология
Инженерную экологию также можно охарактеризовать как отрасль прикладной науки и техники, занимающуюся решением вопросов о сохранении энергии, производственного актива и контроля отходов от деятельности человека и животных. Кроме того, она связана с поиском приемлемых решений проблем в области общественного здравоохранения, таких как передающиеся через воду заболевания, внедрение закона, который способствует адекватной санитарии в городских, сельских и рекреационных зонах. В неё входит организация очистки сточных вод, контроль за загрязнением воздуха, переработка и захоронение отходов, радиационная защита, промышленная санитария, экологическая стабильность, проблемы общественного здравоохранения, а также знание закона об инженерной защите окружающей среды. Помимо этого она включает в себя исследования воздействий строительных проектов на окружающую среду.
Содержание
История создания
С тех пор, как люди поняли, что их здоровье и благосостояние зависят от окружающей их среды, они стали применять обдуманные меры по улучшению качества своей среды обитания. Древняя Хараппская цивилизация использовала коллекторы в некоторых городах. Римляне построили акведуки, чтобы предотвратить засуху и создать чистое, здоровое водоснабжение для столицы Рима. В XV веке Бавария приняла законы, ограничивающие развитие и деградацию альпийской страны, которая составила водоснабжение области.
Практическое применение
Оценка воздействия на окружающую среду и смягчение этого воздействия
Оценка воздействия на окружающую среду планируемой или уже осуществляемой деятельности человека проводится с целью определения экологического ущерба и рисков, что необходимо для принятия экологически грамотных управленческих решений и минимизации наносимого ущерба окружающей среде.
В процессе оценки воздействия используются математические модели распространения различных загрязнителей в атмосферном воздухе, поверхностных и подземных водах, почве. Возможно, например, с достаточной точностью вычислить концентрации загрязнителей атмосферы на различных расстояниях от стационарных или передвижных источников выбросов, оценить их будущее воздействие как в конкретном месте, так и на качество атмосферного воздуха в целом. Далее с помощью моделирования можно предсказать и последствия воздействия этих загрязнителей воздуха на человека, животных, растения, здания и строения. Подобные модели воздействий разрабатываются не только для химического, но также для радиоактивного, электромагнитного, светового, шумового и других видов загрязнения окружающей среды. Кроме загрязнения, негативное воздействие на окружающую среду, природные экосистемы и человека оказывает нарушение и уничтожение местообитаний в процессе освоения земли (сельского хозяйства, строительства, лесоразработок, добычи природных ресурсов и другой хозяйственной деятельности). Для оценки возможных последствий этих действий также разрабатываются математические модели.
Эти оценки позволяют выбрать наиболее приемлемый вариант, принять действенные меры по недопущению или ограничению вредного воздействия на окружающую среду, предотвратить её деградацию. В случае, если нанесение существенного ущерба природе предотвратить невозможно, могут быть приняты меры по компенсации этого ущерба: например, лесовосстановление или создание искусственных болот взамен осушенных в другом месте.
Очистка сточных вод
Для очистки сточных вод применяется множество различных технологий, применяемых в зависимости от состава сточных вод, требуемой производительности и степени очистки. Очистку смешанных сточных вод (например, канализационных стоков) часто делают трёх- или даже четырёхступенчатой:
Сельское хозяйство
Обучение
Поскольку проводить мероприятия по охране окружающей среды необходимо при осуществлении многих видов деятельности и на предприятиях различного профиля, знания по инженерной защите окружающей среды преподаются не только в виде отдельного учебного предмета, но и включаются в курсы различных технических дисциплин, в частности:
1. Предмет и задачи техноэкологии (инженерной экологии)
1.1. Основные термины и определения
Предмет инженерной экологии (техноэкологии, технической экологии) – инженерное творчество, оно может быть признано полезным, если проекты и конструкции технических устройств предусматривают сохранение экологического равновесия и обеспечивают безопасность жизнедеятельности экологических систем. Однако многие годы технические средства разрабатывались сами по себе, без научного анализа и учета экологических стрессов и деформаций в экосистемах биосферы. И сегодня мы часто можем видеть технику, совершенно неоправданно загрязняющую, если не говорить отравляющую, окружающую природу из-за того, что при разработке этих технических средств не учитывались современные научные знания о взаимосвязи инженерных разработок с лимитирующими факторами природной среды и естественными возможностями саморегуляции экосистем биосферы.
На глазах ныне живущего поколения людей было создано великое множество машин и сложных технических устройств, прекрасных с позиции решения чисто инженерных задач. Между тем, отсутствие экологических подходов к решению технических задач привело к тому, что годами эксплуатирующаяся техника и крупные промышленные комплексы способствовали накоплению в природной среде факторов, угнетающих своими отравлениями жизнедеятельность биосферы. Все чаще стали возникать ситуации, ведущие к аномальным явлениям в природе, а также и к экологическим катастрофам. Особого внимания заслуживают такие на первый взгляд «парадоксы», когда деятельность талантливых инженеров и изобретателей приводила впоследствии к экологическим бедствиям. Причина таких бедствий – отсутствие у разработчиков необходимых экологических знаний и опыта защиты природы.
Один из реальных путей разрешения противоречий между развитием техники и экологией природной среды заключается, очевидно, в том, что сегодня разработчик технических средств должен обладать современным уровнем экологических знаний. В проектировании и конструировании эргономических систем возникла неотложная потребность в специалистах – инженерах-экологах, синтезирующих высокий профессионализм инженера-разработчика технических средств с опытом и знаниями эколога.
Экология как наука опирается на такие отрасли биологии, как биофизика, биохимия, генетика, физиология, а также на другие науки: физику, математику, химию, геологию, метрологию, географию и другие. На методах и понятийном аппарате этих наук основываются экологические исследования.
Взаимоотношения человека и машины в условиях промышленных предприятий, где имеют место ионизирующие, электромагнитные и шумовые излучения, перепады температурных режимов, давления, влажности, скорости движения воздуха и других характеристик среды на рабочем месте весьма многообразны. Наука о взаимодействии человека и машины получила название эргономики и входит в комплексную науку – безопасность жизнедеятельности. Эргономика тесно связана с техническими и математическими науками (кибернетикой, общей теорией системы, исследованием операций и др.) путем применения их методов для математического моделирования, анализа и оптимизации систем «человек — машина». Умение пользоваться экологическими знаниями при создании технических средств любых уровней и отраслей, обязательно для каждого специалиста. Многообразные задачи экологии как науки рассмотрены в главе книги «Краткие сведения об экологии». Но задачи экологии как учебной дисциплины в техническом вузе должны быть непосредственно связаны с тем, чтобы на основе понимания законов природы специалист мог свести к минимуму негативное влияние на природу разрабатываемого им объекта.
В результате тесной взаимосвязи производственных и природных процессов происходит слияние объектов хозяйственной деятельности и окружающей среды обитания человека в единые системы. Развитие этих систем происходит по сложным, во многом еще не изученным законам. Для изучения состояния окружающей среды, причин ее ухудшения и прогнозирования изменений, а также управления процессами оптимального развития таких систем сформировалась новая научная дисциплина – промышленная экология. Эта наука изучает единство материального промышленного производства, человека, живых организмов и среды их обитания. Есть и другие определения, которые мы рассмотрим ниже.
Задачи экологии в деятельности инженера-эколога промышленного производства или проектно-конструкторской организации можно сформулировать следующим образом:
1. Мониторинг, прогнозирование и оценка возможных негативных последствий действующих, вновь строящихся и реконструируемых предприятий для здоровья человека, среды обитания, всех живых организмов и растений.
2. Оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских разработок, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека.
3. Выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб человеку и природе.
В последнее время получили распространение такие понятия, как «техноэкология», «инженерная экология», «инженерная защита окружающей среды», «промышленная экология», «техническая экология», которые объединяет общая цель – решение проблем сохранения качества окружающей среды.
Инженерная экология (техноэкология) – есть научная дисциплина, изучающая объективные закономерности процессов и средств системного взаимодействия человека, технических средств и природной среды с целью создания безопасных для человека и природы систем «человек – техника – среда». Существуют и другие определения, как например, под инженерной экологией понимается система инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства.
Таким образом, экологические задачи решаются с помощью инженерных задач, поэтому речь идет не о дифференциации экологии на новые отрасли, а об инженерной защите окружающей среды. Решение экологических проблем с помощью инженерных методов возможно только тогда, когда специалист владеет методологией и достаточными знаниями в экологии, иначе говоря, обладает экологическим мышлением.
Предметом инженерной экологии является система «человек – техника – среда» (ЧТС), ее исследование и оптимизация в стадии проектно-конструкторских разработок сложных эргатических комплексов. Методологическую основу инженерной экологии представляет системный подход, включающий в спектр своих исследований человеческий фактор оператора, управляющего системой (повышение эффективности, качества труда, сохранение здоровья и трудоспособности, развитие личности и удовлетворение творческих потребностей человека), и проектирование технических средств и охрану окружающей природной среды.
Проблемы инженерной экологии составляют весьма широкий круг вопросов, связанных с развитием гуманизированных, экологичных, эргатических систем. К основным проблемам относятся: анализ процессов совместимости человека, технических средств и экологических систем биосферы и других планетарных систем; анализ проектных и конструкторских задач взаимодействия человека-оператора, технического средства и окружающей природной среды, а также оптимизация распределения функций между элементами системы ЧТС; исследование деятельности человека-оператора и систем управления техническим средством; анализ конструкторских характеристик технических средств, включая комплексы управления и оборудования рабочего места оператора; исследование сложных процессов адаптации человека, управляемой техники и природной среды, а также разработка принципов и методов приспособления конструкции к возможностям человека и к функциям, обеспечивающим экологическую чистоту данного устройства на уровне современных достижений науки и техники. Научные данные инженерной экологии внедряются в практику разработки технических средств в стадии начального проектирования, в процессе которого важное место отводится решению задач взаимной адаптации человека, техники и среды. В данном случае нас интересует экологическая сторона адаптации всех элементов системы ЧТС.
Система управления адаптивная – это система, в процессе функционирования которой происходит адаптация, направленная на улучшение качества управления.
Адаптация – процесс, имеющий большое значение в функционировании эргатической системы, определяющий эффективность работы всей системы и, что не менее важно, безопасность жизнедеятельности человека.
Адаптация (от лат. – приспособляю) – одно из уникальнейших свойств живого: приспособление организмов к условиям среды. Способность к адаптации, к саморазвитию, усовершенствованию в широко изменяющихся условиях окружающей среды при постоянном воздействии многообразных возмущающих факторов является существенным отличием всего живого от самых гениальных творений человека. В кибернетике под адаптацией понимают процесс накопления и использования информации в системе, направленный на достижение определенного состояния или поведения системы при начальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях. При адаптации могут претерпевать изменения параметры и структура системы, алгоритм функционирования, управляющие воздействия и т.п.
Перед наукой и практикой создания новой техники стоит сложная задача – проникнуть в тайны биологических процессов и использовать выработанные природой в ходе тысячелетий свойства для поиска и разработки принципиально новых технических решений. При разработке технических средств интересы социально-экономического прогресса требуют, чтобы новая техника обладала качеством «вариации структур», т.е. свойством гибкого регулирования конструкции для обеспечения высокой приспособляемости к условиям среды и возможностям организма человека. Не менее важна также приспособляемость конструкции к выполнению регламента предельно допустимых концентраций загрязняющих выбросов в окружающую среду.
В технике все чаще появляются попытки использования принципа эффективного построения системы с определенными ограничениями на надежность. Надежное функционирование системы «человек – техника – среда» немыслимо на основе жестких, неизменных или слабо регулируемых связей между ее элементами. В примерах организмов природа демонстрирует нам эффективные принципы построения систем с высокой приспособляемостью. Некоторые решения, найденные природой, могут быть применены в инженерной экологии путем использования их технических аналогов. Между тем, создание эргатических систем с высокой взаимоприспособляемостью их составных частей требует глубокого изучения механизмов адаптации и разработки теоретических принципов сложных систем с применением новейших математических методов, с использованием имитации живого организма, а при необходимости и экологической ситуации. Таковы некоторые творческие перспективы инженерной экологии.
Развитие инженерной экологии направлено на комплексное решение проблем повышения производительности труда, всестороннего и гармоничного развития личности человека и окружающей природной среды, улучшения условий и гуманизации труда человека, управляющего современной сложной техникой.
Современная самая сложная техника создается для человека, для социально-экономического развития общества. Создание наиболее благоприятных условий жизнедеятельности человека и всего живого на нашей планете сегодня является важнейшей задачей человечества.
Решать эту задачу, вместе с другими науками, помогает и инженерная экология. Изучение этой науки необходимо каждому современному инженеру и организатору производства.
Глава 7. Предмет и задачи инженерной экологии
А.Е. Аствацатуров
Инженерная экология
Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2006
Глава 7. Предмет и задачи инженерной экологии
7.1. Основные термины и определения
Предмет инженерной экологии – инженерное творчество, оно может быть признано полезным, если проекты и конструкции технических устройств предусматривают сохранение экологического равновесия и обеспечивают безопасность жизнедеятельности экологических систем. Однако многие годы технические средства разрабатывались сами по себе, без научного анализа и учета экологических стрессов и деформаций в экосистемах биосферы. И сегодня мы часто можем видеть технику, совершенно неоправданно загрязняющую, если не говорить отравляющую, окружающую природу из-за того, что при разработке этих технических средств не учитывались современные научные знания о взаимосвязи инженерных разработок с лимитирующими факторами природной среды и естественными возможностями саморегуляции экосистем биосферы.
На глазах ныне живущего поколения людей было создано великое множество машин и сложных технических устройств, прекрасных с позиции решения чисто инженерных задач. Между тем, отсутствие экологических подходов к решению технических задач привело к тому, что годами эксплуатирующаяся техника и крупные промышленные комплексы способствовали накоплению в природной среде факторов, угнетающих своими отравлениями жизнедеятельность биосферы. Все чаще стали возникать ситуации, ведущие к аномальным явлениям в природе, а также и к экологическим катастрофам. Особого внимания заслуживают такие на первый взгляд «парадоксы», когда деятельность талантливых инженеров и изобретателей приводила впоследствии к экологическим бедствиям. Причина таких бедствий – отсутствие у разработчиков необходимых экологических знаний и опыта защиты природы.
Один из реальных путей разрешения противоречий между развитием техники и экологией природной среды заключается, очевидно, в том, что сегодня разработчик технических средств должен обладать современным уровнем экологических знаний. В проектировании и конструировании эргономических систем возникла неотложная потребность в специалистах – инженерах-экологах, синтезирующих высокий профессионализм инженера-разработчика технических средств с опытом и знаниями эколога.
Экология как наука опирается на такие отрасли биологии, как биофизика, биохимия, генетика, физиология, а также на другие науки: физику, математику, химию, геологию, метрологию, географию и другие. На методах и понятийном аппарате этих наук основываются экологические исследования.
Взаимоотношения человека и машины в условиях промышленных предприятий, где имеют место ионизирующие, электромагнитные и шумовые излучения, перепады температурных режимов, давления, влажности, скорости движения воздуха и других характеристик среды на рабочем месте весьма многообразны. Наука о взаимодействии человека и машины получила название эргономики и входит в комплексную науку – безопасность жизнедеятельности. Эргономика тесно связана с техническими и математическими науками (кибернетикой, общей теорией системы, исследованием операций и др.) путем применения их методов для математического моделирования, анализа и оптимизации систем «человек — машина». Умение пользоваться экологическими знаниями при создании технических средств любых уровней и отраслей, обязательно для каждого специалиста. Многообразные задачи экологии как науки рассмотрены в главе книги «Краткие сведения об экологии». Но задачи экологии как учебной дисциплины в техническом вузе должны быть непосредственно связаны с тем, чтобы на основе понимания законов природы специалист мог свести к минимуму негативное влияние на природу разрабатываемого им объекта.
В результате тесной взаимосвязи производственных и природных процессов происходит слияние объектов хозяйственной деятельности и окружающей среды обитания человека в единые системы. Развитие этих систем происходит по сложным, во многом еще не изученным законам. Для изучения состояния окружающей среды, причин ее ухудшения и прогнозирования изменений, а также управления процессами оптимального развития таких систем сформировалась новая научная дисциплина – промышленная экология. Эта наука изучает единство материального промышленного производства, человека, живых организмов и среды их обитания. Есть и другие определения, которые мы рассмотрим ниже.
Задачи экологии в деятельности инженера-эколога промышленного производства или проектно-конструкторской организации можно сформулировать следующим образом:
1. Мониторинг, прогнозирование и оценка возможных негативных последствий действующих, вновь строящихся и реконструируемых предприятий для здоровья человека, среды обитания, всех живых организмов и растений.
2. Оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских разработок, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека.
3. Выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб человеку и природе.
В последнее время получили распространение такие понятия, как «инженерная экология», «инженерная защита окружающей среды», «промышленная экология», «техническая экология», которые объединяет общая цель – решение проблем сохранения качества окружающей среды.
Инженерная экология – есть научная дисциплина, изучающая объективные закономерности процессов и средств системного взаимодействия человека, технических средств и природной среды с целью создания безопасных для человека и природы систем «человек – техника – среда». Существуют и другие определения, как например, под инженерной экологией понимается система инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства.
Таким образом, экологические задачи решаются с помощью инженерных задач, поэтому речь идет не о дифференциации экологии на новые отрасли, а об инженерной защите окружающей среды. Решение экологических проблем с помощью инженерных методов возможно только тогда, когда специалист владеет методологией и достаточными знаниями в экологии, иначе говоря, обладает экологическим мышлением.
Предметом инженерной экологии является система «человек – техника – среда» (ЧТС), ее исследование и оптимизация в стадии проектно-конструкторских разработок сложных эргатических комплексов. Методологическую основу инженерной экологии представляет системный подход, включающий в спектр своих исследований человеческий фактор оператора, управляющего системой (повышение эффективности, качества труда, сохранение здоровья и трудоспособности, развитие личности и удовлетворение творческих потребностей человека), и проектирование технических средств и охрану окружающей природной среды.
Проблемы инженерной экологии составляют весьма широкий круг вопросов, связанных с развитием гуманизированных, экологичных, эргатических систем. К основным проблемам относятся: анализ процессов совместимости человека, технических средств и экологических систем биосферы и других планетарных систем; анализ проектных и конструкторских задач взаимодействия человека-оператора, технического средства и окружающей природной среды, а также оптимизация распределения функций между элементами системы ЧТС; исследование деятельности человека-оператора и систем управления техническим средством; анализ конструкторских характеристик технических средств, включая комплексы управления и оборудования рабочего места оператора; исследование сложных процессов адаптации человека, управляемой техники и природной среды, а также разработка принципов и методов приспособления конструкции к возможностям человека и к функциям, обеспечивающим экологическую чистоту данного устройства на уровне современных достижений науки и техники. Научные данные инженерной экологии внедряются в практику разработки технических средств в стадии начального проектирования, в процессе которого важное место отводится решению задач взаимной адаптации человека, техники и среды. В данном случае нас интересует экологическая сторона адаптации всех элементов системы ЧТС.
Система управления адаптивная – это система, в процессе функционирования которой происходит адаптация, направленная на улучшение качества управления.
Адаптация – процесс, имеющий большое значение в функционировании эргатической системы, определяющий эффективность работы всей системы и, что не менее важно, безопасность жизнедеятельности человека.
Адаптация (от лат. – приспособляю) – одно из уникальнейших свойств живого: приспособление организмов к условиям среды. Способность к адаптации, к саморазвитию, усовершенствованию в широко изменяющихся условиях окружающей среды при постоянном воздействии многообразных возмущающих факторов является существенным отличием всего живого от самых гениальных творений человека. В кибернетике под адаптацией понимают процесс накопления и использования информации в системе, направленный на достижение определенного состояния или поведения системы при начальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях. При адаптации могут претерпевать изменения параметры и структура системы, алгоритм функционирования, управляющие воздействия и т.п.
Перед наукой и практикой создания новой техники стоит сложная задача – проникнуть в тайны биологических процессов и использовать выработанные природой в ходе тысячелетий свойства для поиска и разработки принципиально новых технических решений. При разработке технических средств интересы социально-экономического прогресса требуют, чтобы новая техника обладала качеством «вариации структур», т.е. свойством гибкого регулирования конструкции для обеспечения высокой приспособляемости к условиям среды и возможностям организма человека. Не менее важна также приспособляемость конструкции к выполнению регламента предельно допустимых концентраций загрязняющих выбросов в окружающую среду.
В технике все чаще появляются попытки использования принципа эффективного построения системы с определенными ограничениями на надежность. Надежное функционирование системы «человек – техника – среда» немыслимо на основе жестких, неизменных или слабо регулируемых связей между ее элементами. В примерах организмов природа демонстрирует нам эффективные принципы построения систем с высокой приспособляемостью. Некоторые решения, найденные природой, могут быть применены в инженерной экологии путем использования их технических аналогов. Между тем, создание эргатических систем с высокой взаимоприспособляемостью их составных частей требует глубокого изучения механизмов адаптации и разработки теоретических принципов сложных систем с применением новейших математических методов, с использованием имитации живого организма, а при необходимости и экологической ситуации. Таковы некоторые творческие перспективы инженерной экологии.
Развитие инженерной экологии направлено на комплексное решение проблем повышения производительности труда, всестороннего и гармоничного развития личности человека и окружающей природной среды, улучшения условий и гуманизации труда человека, управляющего современной сложной техникой.
Современная самая сложная техника создается для человека, для социально-экономического развития общества. Создание наиболее благоприятных условий жизнедеятельности человека и всего живого на нашей планете сегодня является важнейшей задачей человечества.
Решать эту задачу, вместе с другими науками, помогает и инженерная экология. Изучение этой науки необходимо каждому современному инженеру и организатору производства.