Введение 4
1 Обзор основной литературы по теме исследования 7
1.1 Обзор основных зарубежных исследований по заданной тематике 7
1.2 Обзор основных отечественных исследований по заданной тематике 15
2 Понятие «острова тепла» 20
2.1 История возникновения феномена 20
2.2 Наиболее значимые исследования в области изучения «острова тепла» 24
3 Факторы, влияющие на изменение температурного режима урбанизированных
территорий 32
4 Методики изучения влияния антропогенных источников тепла на подземное и надземное пространство 38
Заключение 52
Выводы 55
Список использованных источников
Изучение изменения температуры приземной поверхности под влиянием антропогенных факторов является актуальным вопросом. На эту тему существует множество научных публикаций, и изменение температуры приземного слоя атмосферы является, в целом, достаточно изученной тематикой в научном сообществе.
Одной из значимых направленностей в изучении особенностей изменения теплового режима стал феномен «островов тепла», которые образовались на урбанизированных территориях, в частности в городах, вследствие активной антропогенной деятельности. Урбанизация является одной из причин повышения температур, она провоцирует антропогенное преобразование земной поверхности, из -за чего изменяется микроклимат городов и мегаполисов в сторону повышения температур.
На сегодняшний день в городах проживает более половины населения планеты. В России, которая является высоко урбанизированной страной, доля городских жителей составляет более 74 % населения (Гарицкая, М.Ю. 2012). Города являются местами сосредоточения основной массы жителей Земли и должны обеспечивать достаточно высокие, экологически обоснованные параметры качества городской среды для жизни. Состояние городской среды является несомненно важным атрибутом влияния на здоровье населения, его продолжительность жизни и трудовой деятельности. При этом города являются также источником множества экологических проблем, их источником. В силу этого целесообразно изучение состояния городской среды по множествам факторов, в том числе по фактору изменения температурного режима.
Имеется целый ряд источников выделения антропогенного тепла на урбанизированных территориях: автомобильный транспорт, потребляемая электроэнергия, котельные и другие энергоустановки. Таким образом, основным фактором, влияющим на появление феномена острова тепла, является антропогенное тепло. Все эти факторы привели к тому, что городской остров тепла (ГОТ) является характерным атрибутом современных мегаполисов.
Особенностью данной тематики является то, что большое внимание уделяется изучению надземной поверхности, в то время как изучение изменения температуры подземных пространств является не менее важным, но менее изученным аспектом.
На урбанизированных территориях подземное пространство используется для различных целей: таких как метрополитен, подвалы жилых зданий, промышленные помещения, склады, линии коммуникаций и обслуживания и прочее. Все эти факторы влияют на температурный режим подземного пространства, изменение которого, в частности, влияет на усиление феномена острова тепла в городах и функционирование в их пределах природно-антропогенных систем. Они оказывают влияние на жизненные циклы городской флоры и фауны, как на рекреационных территориях в парках, так и индустриальных промышленных зон. Чаще всего подземное пространство рассматривается в качестве перспективного направления развития мегаполисов, так как размещение жилых и нежилых помещений под землей может иметь определенные достоинства, такие как отсутствие больших колебаний температуры, снижение затрат на кондиционирование и отопление и пр.
Актуальность работы заключается в том, что в ближайшие годы процессы урбанизации примут еще более масштабный характер, соответственно феномен острова тепла и изменение температурного режима будут усиливаться, как в надземном пространстве, так и в подземном. Использование поземного пространства для антропогенных сооружений будет все более масштабным и плотным, что также усилит изменения температурного режима. В силу этого тематика требует подробного исследования, рассмотрения проблематики с различных сторон и изучения существующей научной базы.
Целью данной научной работы является изучение изменения температурного режима подземного пространства урбанизированных территорий под влиянием антропогенных факторов.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1) Провести литературный обзор научных публикаций по заданной тематике;
2) Рассмотреть понятия «температурный режим» и «остров тепла», дать научную характеристику последнего как антропогенного явления;
3) Определить факторы, влияющие на изменение температурного режима подземного пространства урбанизированных территорий;
4) Выявить методики изучения влияния антропогенных источников тепла на подземное и надземное пространство, провести их сравнительный анализ;
5) Определить наиболее полную/разработанную для изучения влияния антропогенных источников тепла на подземное пространство методику.
Теоретико-методологической основой исследования для выпускной квалификационной работы послужили научные статьи российских и зарубежных авторов, в частности публикации проектов по моделированию и мониторингу подземных городских климатических изменений университетов Кембриджа и Калифорнии, Беркли. Также в качестве исходных данных были использованы труды ученых и исследователей, занимавшихся изучением теплового загрязнения - А.С. Горшкова, Н.И. Ватина, П.П. Рымкевича, Z. Tan, R. Zargarian, M. J. Kreitmair, N.Makasis и др.
Предметом исследования является динамика показателей изменения температурного режима подземных пространств на урбанизированных территориях, влияние на которые оказывает антропогенная деятельность.
Методами исследования являются контент-анализ базы научной литературы, интернет-ресурсов и данных, а также синтез и обобщение полученной информации.
Практическая значимость научной работы: полученные данные в ходе обобщения научной информации помогут продвинуться в изучении проблематики, которая в современном мире с тенденцией к урбанизации становится все более актуальной, внести свой вклад в изучение тематики, дать оценку имеющимся научным данным.
Данная научная работа призвана рассмотреть и выявить наиболее острые проблемы, связанные с тепловым режимом подземного пространства, осмыслить основные направления обеспечения экологически безопасного использования подземного пространства с точки зрения влияния на его температуру и обосновать необходимость мониторинга данного показателя не только для надземных пространств, но и подземных.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю, доценту кафедры экологической безопасности и устойчивого развития регионов Бобылеву Н.Г. за содействие в написании работы.
Влияние ГОТ на урбосистемы и экосистемы вокруг городов растет с каждым годом. Оно выражается в изменении годовых циклов растений, негативном влиянии на городскую инфраструктуру (износ), в том числе подземную. Влияние на животных, обитающих в городе, также выражается в изменении поведенческих приспособлений, в том числе влиянии на время миграции у птиц, периоде выведения потомства и.т.д. Влияние ГОТ на здоровье человека мало изучено и требует отдельного рассмотрения.
В целом положительное и отрицательное влияние ГОТ требует четкого разграничения и дополнительной проработки последствий влияния феномена. В силу того, что влияние ГОТ растет с каждым годом, его последствия, как сиюминутные, так и отдаленные, должны подвергаться более развернутому анализу как отдельная тематика исследований.
В магистерской диссертации был проведен литературный обзор научных публикаций по заданной тематике, который показал достаточно высокую научную проработанность вопроса. Однако большая часть научных публикаций посвящены температурному режиму надземных пространств, тогда как работ для подземных пространств меньше. В силу этого можно заключить, что вопрос о влиянии антропогенных факторов на урбанизированных территориях на подземное пространство является менее изученным в вопросе влияния человека на температурный режим.
В работе рассмотрены понятия «температурный режим» и «остров тепла» в трактовках различных авторов, дана научная характеристика феномена острова тепла как антропогенного явления, а также рассмотрена история изучения этого явления.
Посредством анализа базы научной литературы определены факторы, влияющие на изменение температурного режима подземного пространства урбанизированных территорий, а также сложности отделения АТП от природных.
Методики изучения влияния антропогенных источников тепла на подземное пространство значительно разнятся у различных авторов, и имеют свои плюсы и минусы. Среди недостатков методик в целом выделяются недостаточный учет антропогенных факторов влияния, а также сложность отделения их от природных факторов. В качестве преимуществ приводится высокий потенциал и точность математического моделирования динамики изменений, возможность моделирования с учетом АТП и без них, а также возможность четкого картирования ГОТ с однозначным определением его границ.
Таким образом, в магистерской диссертации были рассмотрены такие вопросы как проработанность изучения изменения температурного режима подземного пространства 52
урбанизированных территорий, описаны основные научные работы по заданной тематике, среди которых выделены наиболее полные. Такими являются работы проекта «Энергоэффективные города» [EECi], авторов из университета Кембриджа и Калифорнии, Беркли, а также работа российских авторов по изучению городских островов тепла Москвы и Санкт-Петербурга.
Данные работы содержат не только методику изучения, содержащую модели динамики изменения температурного режима грунтов подземных пространств, но также и картографический материал, который способен наглядно продемонстрировать влияние ГОТ на территорию.
В работе авторов из университета Кембриджа и Калифорнии, Беркли в процессе выполнения работ была построена численная модель, которая показала распределение температуры на глубине 7 м ниже уровня земли в Кардиффе. Недостатком метода измерения является то, что в процессе измерений учитывались исключительно антропогенные тепловые потоки подвальных помещений, тогда как в действительности существуют и другие источники тепла, такие как тепловые насосы с наземными источниками тепла и канализационные сети.
В работе российских авторов по изучению городских островов тепла Москвы и Санкт-Петербурга изменения учитывались с помощью учета и суммирования всех источников тепла на территории: потребителей тепловой и электрической энергии в городе с учетом численности населения, влияние транспорта, протяженности дорог и инженерных коммуникаций. Также в процессе моделирования результаты сравнивались в двух режимах: с АТП и без АТП, что позволило определить интенсивность влияния АТП на формирование ГОТ как в надземных пространствах, так ив подземных.
Представлены микроклиматические факторы, влияющие на различие формирования городских островов тепла в двух крупнейших российских городах. Среди них наиболее значимыми являются:
1) Различие АТП в Санкт-Петербурге и Москве. В Санкт-Петербурге - в меньшую сторону.
2) Распределение АТП в Москве радиально симметрично, в силу чего более выражено.
3) Прибрежное географическое положение Санкт -Петербурга. Так как температура над Балтийским морем значительно выше, чем над городом, это затрудняет обнаружение городского острова тепла и последующее нанесение его на карту.
4) Повышение температуры под влиянием АТП обратно пропорционально скорости ветра, и из-за высокой скорости ветра над Балтийским морем в Санкт- Петербурге ГОТ менее выражен. Также влияет тот фактор, что средняя скорость ветра в Москве значительно ниже.
В силу всех выше перечисленных факторов структура ГОТ в Москве значительно точнее определяется, а сам ГОТ имеет более выраженный характер.
Помимо этого, в работе учитывается как глубинное, так и пространственное распространение изменения температурного режима подземных пространств с помощью измерения температуры грунтовых вод и бурения скважин в глубину. Все выше представленные факты говорят о наиболее высокой проработанности работы российских авторов.
Одним из главных недостатков всех методик является то, что не существует единого четкого разграничения по времени измерения, учета влияния климатических и погодных условий, а также сложность, дороговизна и трудоемкость всех исследований. Все эти факторы не позволяют вводить ни одну из существующих методик в качестве мониторинговой для создания массива данных изменения температурного режима подземного пространства урбанизированных территорий под влиянием антропогенных факторов. Данные методики могут использоваться для мониторинга, но с некоторыми доработками по указанным недочетам.
Результаты работы могут быть применены и для комплексной оценки изменения температурного режима на урбанизированных территориях с целью повышения качества жизни населения крупных городов России, а также в качестве обобщенной информации по данной тематике.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
