Потребление ресурсов городскими поселениями

19.07.2021 JeeesAdmin 2021-02 0

1Залиханов Алим Михайлович[0000-0002-2540-6045]

2Березкин Михаил Юрьевич[0000-0002-6945-2131]

1,2 Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

1E-mail: bulungu@yandex.ru, 2E-mail: mberezkin@inbox.ru

Аннотация. Прослеживается история городских поселений мира как центров притяжения, переработки и потребления материальных потоков в контексте изменения функций городов с неолита до настоящего времени. Проводится оценка потребления ресурсов городами в начале XXI века, текущих тенденций и нагрузки на мировую экосистему.

Ключевые слова: города, урбанизация, потребление ресурсов, потребление энергии, окружающая среда

1. Введение. История развития городских поселений

Укрупнение и объединение мелких населенных пунктов начало происходить еще в далеком прошлом. Известно, что первые протогорода возникли порядка 7-8 тысяч лет назад еще в неолите. С момента своего возникновения городские поселения являлись  центрами потребления ресурсов и энергии для переработки сырья и обеспечения жизни населения, т.е. это были центры сосредоточения и потребления материальных потоков. В то же время, городские поселения также были источником потока продукции, но этот, выходящий из города материальный поток, был во много раз меньше входного потока ресурсов. Особенно резко все материальные потоки в городах возросли после промышленной революции и особенно в ХХ веке. Это связано с особенности городской культуры, которые начали формироваться с момента возникновения городских поселений, несмотря на то, что города возникли как центры обслуживания сельского хозяйства [1].

В городах возник процесс формирования различных видов деятельности — культурная специализация была гораздо разнообразнее, чем в сельской местности, что привлекало в них все больше людей. Сельскохозяйственные технологии консервативны, они жестко привязаны к земле, к почвенному покрову, а в случае скотоводства — растительному покрову. Новые специализации в сельскохозяйственном производстве появлялись намного медленнее, чем в городах, и не очень часто. И в древности, и позднее в развитое средневековье культурная специализация и инновационный процесс в городах шли намного быстрее. Если в энеолите в практике сельскохозяйственной деятельности человек придумал мотыгу, плуг и ручную мельницу, то после  начала бронзового века примерно 7 тыс. лет назад делаются такие важные открытия, которые прямо не связаны с сельским хозяйством, как колесо, парусные лодки, строительство дорог, металлические орудия заменили каменные, использовались клепка и паяние, появилось металлические оружие и сосуды, а также мебель и глазурованные гончарные изделия. Железный век (начало около 3,5 тыс. лет назад) принес такие открытия, как алфавит, чеканку денег и создание основ рациональной науки [2].

Античная культура Эллады достигла очень высокого уровня потому, что развивалась она в городской среде, в условиях, которые можно назвать демократическими, где, в отличие от типичных «восточных» деспотий с подчинением определенному порядку, традициям, кастовым и другим ограничениям, люди могли высказывать свое мнение и опровергать авторитеты и реализовывать присущее людям стремление к творчеству. В городах существовали системы обучения, принцип которого был направлен на развитие способностей. Именно в греческой математике появилось изложение знаний в виде теорем: «дано — требуется доказать», в отличие от древнеегипетского или вавилонского способа обучения, где действовала схема: «делай так», «ты сделал правильно».

Городская культура средневековой Европы лишь через тысячу лет восприняла городскую культуру Эллады. До этого в Европе господствовала религиозное образование. Существовали соборные школы для подготовки духовенств. Некоторые из этих школ выросли настолько, что ввели курсы обучения другим свободным искусствами философии. Так появились университеты, которые постепенно развивали светское образование и отделились от церкви. В XI — XIV веках появляются университеты в Саламанке, Париже, Болонье, Оксфорде, Кембридже, Падуе, Неаполе, Праге, Кракове. В России первый университет появился 28 января 1724 г. в Петербурге. Это был Академический университет Петербургской академии наук. Чуть позже, в 1755 году, был учрежден Императорский Московский Университет.

2. Функции городов в XX веке

Таким образом, города стали центрами развития образования, а также науки, так как университеты были и остаются исследовательскими центрами. А это в свою очередь углубляет культурную специализацию и ускоряет инновационный процесс. Особенно быстрыми темпами образование, наука и инновационный процесс развивались в ХХ веке, что  обусловило рост городского населения и валового внутреннего продукта, создаваемого в городах, а также рост количества и качества человеческого капитала. В ХХ веке практически весь инновационный процесс сосредоточен в городах, в том числе и инновационный процесс для сельского хозяйства,  но реализуется он на сельскохозяйственных угодьях.

Образование и инновационный процесс, в свою очередь обеспечивали более высокий уровень услуг в городах и более высокий комфорт. Это также было стимулом для перемещения в города сельского населения, помимо других причин — социальных и экономических.

Таким образом, города стали концентраторами населения, инновационного процесса, образовательных и научных центров, разнообразных услуг. Особенно быстро процесс концентрации шел в ХХ веке. Но одним из важнейших процессов был процесс стягивания и концентрации материальных потоков в города и превращение их на основе всех форм концентрации в ведущего генератора создания валового продукта. К концу ХХ века не осталось ни одной страны, в которой бы внутренний валовой продукт, создаваемый в городах, не превышал ту часть этого продукта, которая создается в сельском хозяйстве. Город давно перестал быть инструментом, для которого главным было обслуживание сельского хозяйства. Экономика большинства городов в основном работает сама на себя и другие городские поселения. Теперь уже сельское хозяйство стало системой, обслуживающей город. Но без этого обслуживания, обеспечивающего физиологические потребности и жизнедеятельность городских жителей, город существовать не может. Физически обслуживание представляет собой поток сельскохозяйственной продукции и возобновляемых ресурсов в города.

3. Объём и структура потребления ресурсов городами

Для удовлетворения физиологических потребностей каждому человеку требуется воздух, вода и пища, суточная масса которых составляет, соответственно, 15 кг (12 м3), 2,5 кг (2,5 л) и 1,5 кг, т.е. поток вещества, равный 19 кг. Но для обеспечения жизнедеятельности необходимы также одежда (волокна), жилье (минеральный материал или древесина), мебель (древесина, пластик), бумага (древесина, волокна) и энергия (для обеспечения приготовления пищи, обогрева или охлаждения) и вода (для санитарно-гигиенических целей). Энергия может быть получена за счет биотоплива, ископаемого топлива или электротока. Большое значение имеет также поток строительного материала, так как жилища необходимы для защиты от внешних природных воздействий. Из этого минимального перечня видно, что значительную долю в обеспечении жизнедеятельности составляют возобновляемые ресурсы, которые можно получить только за счет использования окружающих город или удаленных от него экосистем.

Если рассматривать город с миллионным населением, то только для удовлетворения физиологических потребностей населения в течение суток понадобится почти 15 тыс. т, или 12 тыс. м3 воздуха, 2,5 тыс. т воды и почти 1,5 тыс. т пищевых продуктов. Таким образом, только для дыхания горожан требуется значительная масса воздуха, но главным его потребителем служит сжигание ископаемого топлива для обеспечения горожан теплом, электроэнергией и транспортом, без чего невозможна нормальная жизнедеятельность. Сжигание 1 кг угля требует 2,67 кг кислорода. Но обычно использовался бурый уголь, содержащий около 70% углерода, а само сжигание происходит при избытке воздуха. В результате сжигание 1 кг бурого угля требует 12,2 кг воздуха. Следовательно, при потреблении в миллионном городе в среднем 4000 тыс. т угля в сутки для его сжигания затрачивается 24,4 тыс. т воздуха, а за год будет затрачено 8,9 млн. т воздуха. Не меньшего количества требует сжигание нефти и газа для усредненного города. Естественно, что такое потребление воздуха при котором из него изымается и связывается с углеродом кислород, снижает в пределах города его содержание в атмосфере по сравнению со стандартным — 21%. Потребление большой массы воздуха для производства тепла и энергии не требует его транспортировки. Воздушные потоки перемещаются в процессе региональной, полушарной и глобальной циркуляции в тропосфере.

Для жизнеобеспечения жителей миллионного города с учетом санитарно-гигиенических потребностей воды требуется значительно больше, чем для обеспечения физиологических потребностей. Исходя из нормы 250 л на душу населения  в сутки, это составит в год более 90 млн. т. Это идеальные оценки. Данные, полученные на основе определения реального потребления, показывают, что город с миллионным населением потребляет в год около 230 млн. т воды [3]. Это расхождение естественно объясняется тем, что,  кроме непосредственного использования воды в домашних условиях, она используется для поливки улиц, мытья машин, полива растительности, используется также на предприятиях,  в секторе общественного питания и т.д., наконец в водопроводных системах утечки воды достигают 20 — 40%. Так, в Бомбее они составляют 33%, в Сеуле 39%, в Каире 50%. В Москве утечки в водопроводной системе приближается к 30% [4; 5]. Многие города расположены на берегах рек и поэтому обычно не требуют удаленной доставки воды, хотя крупные города обычно нуждаются в дополнительной переброски воды. Например, канал Москва-Волга обеспечивает поступление 2,3 км3 воды в год, а система водоснабжения Нью-Йорка из реки Делавэр — 1,3 км3 в год [6]. Города в аридных районах или районах с выраженным сухим сезоном получают воду за счет опреснения морской воды и за счет создания ее запаса в период дождей на территории города, в том числе в бассейнах на крышах домов.

Необходимым элементом обеспечения жизнедеятельности горожан является  энергия. Хотя потоки энергии определяется достаточно хорошо, на международном уровне нет организации, определяющей энергопотребление городов [7]. Сами города различаются по основным видам потребляемого ископаемого топлива. Так в Маниле и Джакарте преобладает использование нефти,  в Пекине, Калькутте и Сеуле — угля, в Москве, Лондоне, Мехико — газа, а Сан-Паулу и Лос-Анджелес потребляют электроэнергию, вырабатываемую гидроэлектростанциями. Усредненный миллионный город потребляет в сутки 4000 т угля, 2800 т газа, 2700 т топлива для автомобилей, а всего 9500 т ископаемого топлива. Реальная ситуация сильно отличается от осредненной. Например, Пекин 20 лет назад более 70% своих энергетических потребностей обеспечивал за счет угля, а остальная часть, обеспечивающая в основном автотранспорт была получена за счет потребления нефти. В настоящее время использование угля и нефти для энергетических целей снижается, но еще весьма значительно. Во многих китайских городах проблема с сильнейшим загрязнением воздуха существует многие десятилетия. В Сан-Паулу электроэнергия гидроэлектростанций обеспечивала почти 70% энергетических потребностей, а остальную часть, в основном потребности транспорта обеспечивает спирт, производимый из сахарного тростника [4; 8].

  Для обеспечение нормальной жизнедеятельности городского населения оно должно быть обеспечено жильем. Это вызывает поток строительных материалов в город, который включает, который включает цемент, кирпич, гипс, металл, дерево, пластик, стекло и другие материалы. По некоторым оценкам затраты материала на создание 1 кв. м помещения требуется порядка 0,45 т [4]. Это означает, что при норме на 1 человека 10 м2 жилой площади необходимо затратить на их создание 4,5 т строительного материала. При строительстве в Москве 2 м2 в год необходим, следовательно, поток строительных материалов массой 900 тыс. т. Однако это не весь поток, так как он не учитывает обустройство территории, дворов, дорог и тротуаров. Для производства строительного материала, его перевозки и строительства затрачивается энергия, равная 5,8 ГДж на 1 м2 жилья [4], т.е. строительство в Москве 2 млн. м2 жилья требует с учетом косвенных и прямых затрат около 12 ПДж (1,2х1016 Дж, или 3,3 млрд. кВтч) энергии.

Масса потребляемых пищевых продуктов существенно выше указанной ранее идеальной, так как включает значительную долю физиологически потребляемой воды, кроме того при приготовлении пищи всегда есть отходы при начале процесса (например, очистки овощей, кости и т.д.) и после потребления пищи (пищевые отходы). Определение потока продовольствия в город является сложной задачей, поскольку система снабжения диффузная (рассеянная) и все источники учесть невозможно. Опыт оценки имеется для Нью-Йорка, той его части, которую называют Нью-Йорк Сити (8,3 млн человек, площадь 787 км2), где в сутки потребляется более 20 тыс. т продовольствия, но только половина этой массы съедается. Такая же масса продовольствия потребляется в Москве в сутки. Осредненный миллионный город, по оценкам [3], ежедневно потребляет 2000 т пищи, или 730 тыс. т продовольствия в год. Из приведенных данных для осредненного города видно, что они достаточно хорошо согласуются с величиной потребления продовольствия в Нью-Йорке и Москве.

Города уже давно «срослись» с обеспечивающими их сельскохозяйственными территориями, в  первую очередь непосредственно окружающими города. Такие симбиозы крупных городов-мегаполисов и агломераций с сельскохозяйственными территориями в англоязычной литературе получили название метроагроплексов (мегоагропереплетений) или индустриально-аграрных систем. Города зависимы от окружающих их аграрных и естественных систем, обеспечивающих их жизненно необходимыми ресурсами [6]. Это фундамент жизни городских поселений. Безусловно, кроме поступления продовольствия из окружающих непосредственно города агросистем, оно поступает и из отдаленных районов и даже других континентов, а также с пресноводных и морских акваторий. Эти территории, обеспечивающие физиологические и первоочередные нужды горожан, представляют собой второй экологический «след» городов, их давление на естественные экосистемы, которое выходит далеко за пределы территории собственно города [9].  Первым же экологическим следом служит сам город, который практически полностью вытесняет с занимаемой им территории естественные экосистемы.

В среднем, для обеспечения 1 км2 городской территории при плотности населения 10 000 чел./км2 требуется около 50 км2 сельскохозяйственных угодий, 20 км лесов и 150 км2 акваторий; в сумме, как показывают исследования, проведённые для разных регионов, это площади, превышающие непосредственно площадь города в 150-300 раз [1]. Это площадь т.наз. потребительского экологического следа города.

Площадь потребительского экологического следа на душу городского населения составляет, таким образом, 1,5-3 га/чел.

По данным ООН [10; 11], в 2018 году городское население мира превысило 55% мирового населения, или 4,2 млрд. человек, а общая площадь городов оценивается в 3,5 млн. км2, или около 2,7% площади земной суши (исключая Антарктиду). К 2050 году оно достигнет 68% населения, или величины, превышающей 6,5 млрд. при сохранении существующей тенденции к росту населения.

Простое суммирование площадей потребительских экологических следов городов показывает, что общая площадь составляет 63 – 127 млн. км2, а к 2050 году вырастет до 98 – 196 млн. км2, т.е. при максимальных оценках вся площадь суши будет превышена в 1,5 раза. Таким образом, человечество подходит к исчерпанию ресурсов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности городов.

 Выводы

На протяжении истории развития городов от неолита до нашего времени происходило изменение как их функций, так и объёмов, и структуры обмена веществом и энергией с сельскими поселениями и окружающей средой в целом.

К настоящему времени города выделяются, прежде всего, потреблением большого объёма ресурсов и энергии извне с одновременным большим объёмом выбросов в окружающую среду.

Площадь потребительского экологического следа городов – территория, требуемая для их жизнеобеспечения и стока отходов, в настоящее время эквивалентна 50% — 100% площади земной суши, а к середине XXI века при сохранении существующих тенденций вырастет до 75%-150%.  Таким образом, человечество встаёт перед угрозой дефицита ресурсов, необходимых для обеспечения жизнедеятельности городов.

Литература

  1. Залиханов А.М., Дегтярев К.С., Соловьев А.А. Процесс урбанизации и экологические следы городов. // Доклады VII Международной научной конференции «Геоэкологические проблемы современности». Владимир, 9-10 октября 2015 г, место издания Владимир, 2015, с. 51-53.
  2. Бернал Дж. Наука в истории общества. // М., Иностранная литература, 1956, 736 с.
  3. The world environment 1972-1992. // Capman and Hall, London, 1992, 884 p.
  4. Decker E.H., Elliot S., Smith F.A., Blake D.R., Rowland F.R. Energy and material flow through the urban ecosystem.// Annual Rev. of Energy Environ. 2000, 25 p/ 685-740.
  5. Лосев К.С.  Вода. Л., Гидрометеоиздат, 1989, 222 с.
  6. Залиханов А.М.  Материальный поток для поддержания жизнедеятельности городских жителей и его экологический след за пределами города. // Научная мысль Кавказа. Приложение, 2004,  № 2, с. 85-90.
  7. Залиханов А.М. Экологический след городов.// Известия  Российской академии наук. Серия географическая, издательство Наука (М.), 2005,  № 5, с. 81-83.
  8. Голубев Г.Н. Геоэкология. М., ГЕОС, 1999, 338 с.
  9. Залиханов А.М. Материальные потоки в странах и городах. //  Проблемы региональной экологии, 2004, № 5, с. 25-30.
  10. World Population Prospects. URL: https://population.un.org/wpp/ , дата обращения – 28.06.2021.
  11.  68% of the world population projected to live in urban areas by 2050, says UN. URL: https://clck.ru/Vrdvj, дата обращения – 28.06.2021.

References

  1. Zalihanov A.M., Degtyarev K.S., Solov’ev A.A. Process urbanizacii i eko-logicheskie sledy gorodov. // Doklady VII Mezhdunarodnoj nauchnoj konfe-rencii «Geoekologicheskie problemy sovremennosti». Vladimir, 9-10 ok-tyabrya 2015 g, mesto izdaniya Vladimir, 2015, s. 51-53.
  2. Bernal Dzh. Nauka v istorii obshchestva. // M., Inostrannaya literatura, 1956, 736 s.
  3. The world environment 1972-1992. // Capman and Hall, London, 1992, 884 p.
  4. Decker E.H., Elliot S., Smith F.A., Blake D.R., Rowland F.R. Energy and material flow through the urban ecosystem.// Annual Rev. of Energy Environ. 2000, 25 p/ 685-740.
  5. Losev K.S.  Voda. L., Gidrometeoizdat, 1989, 222 s.
  6. Zalihanov A.M.  Material’nyj potok dlya podderzhaniya zhiznedeyatel’nosti gorodskih zhitelej i ego ekologicheskij sled za predelami goroda. // Nauchnaya mysl’ Kavkaza. Prilozhenie, 2004,  № 2, s. 85-90.
  7. Zalihanov A.M. Ekologicheskij sled gorodov.// Izvestiya  Rossijskoj aka-demii nauk. Seriya geograficheskaya, izdatel’stvo Nauka (M.), 2005,  № 5, s. 81-83.
  8. Golubev G.N. Geoekologiya. M., GEOS, 1999, 338 s.
  9. Zalihanov A.M. Material’nye potoki v stranah i gorodah. //  Problemy regional’noj ekologii, 2004, № 5, s. 25-30.
  10. World Population Prospects. URL: https://population.un.org/wpp/ , data obrashcheniya – 28.06.2021.
  11. 68% of the world population projected to live in urban areas by 2050, says UN. URL: https://clck.ru/Vrdvj, data obrashcheniya – 28.06.2021.