профессор, д.г.-м.н. Язиков Егор Григорьевич; ст. препод., к.г-м.н. Азарова Светлана Валерьевна Лекция 8-9. Мониторинг урбанизированных территорий. Геоэкологический мониторинг. Часть 2

Организация мониторинга урбанизированных территорий

Урбанизация – рост и развитие городов, сопровождающиеся увеличением удельного веса городского населения в стране, конкретном регионе или в мире в целом. Хотя площадь урбанизированных территорий составляет немногим более 1 % площади суши, они концентрируют более 45% населения мира, на них производится около 80% ВВП, одновременно они дают более 80% всех выбросов в атмосферу.

Ашхабад

Ганджи

Голд-Кост

Дюссерльдорф

Кампус-ду-Жордан

Куритиба

Ламу

Мехико

Моншау

Портофино

Скопье

Табарка

Город – типичная полиструктурная система (в которых одновременно существует несколько структур), отдельные аспекты строения которой описываются демографической, социально-экономической, функциональной, планировочной и другими видами структур. Отмеченные виды структур (см. рис. ниже) характеризуют город в целом.

ГОРОД Природная субсистема Антропогенная субсистема Геосистема Гидросистема Аэросистема Биосистема Производственная Градостроительная Инфраструктурная

Для урбанизированных территорий характерны преимущественно те же группы загрязнителей, что и в агроландшафтах или горнопромышленных районах – различные твердые отходы, газообразные выбросы в атмосферу и индустриальные пыли, а также хозяйственно-бытовые и промышленные стоки. Тем не менее, имеется и существенное отличие – здесь все они проявляются необычайно концентрированно на ограниченной по площади территории. Основные источники загрязнения, способы распространения загрязняющих веществ и последствия их воздействия на различные компоненты природной среды в городах отражены на рисунке ниже.

ГРУППЫ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ Стоки в водные системы, утечки из инженерных сетей Выбросы в атмосферу (организованные и неорганизованные) Твёрдые отходы (промышленные, коммунальные, бытовые) Фильтрация и проникновение в водоносные горизонты Миграция с водными потоками Смыв в водные системы города Миграция в воздухе, выпадение на земную поверхность Захоронение на свалках, неконтро- лируемое разме- щение на террито- рии предприятий, в оврагах, долинах рек, карьерах Утилизация – использование в качестве удобрений Загрязнение подземных вод, ограничение водопользования Загрязнение и ухудшение качества рекреационных водных ресурсов, ограничение водопользования Загрязнение почв и сельскохозяйственной продукции при поливе, ограничение землепользования Загрязнение почв, увеличение их санитарной опасности; ухудшение состояния лесопарковых комплексов Загрязнение воздушного бас- сейна, образование зон опасно- го воздействия на население и ограничение возможностей размещения жилых комплексов Загрязнение подземных вод, ограничение водопользования Загрязнение почв и водоёмов вокруг мест захоронений Загрязнение почв и сельскохозяйственной продукции, ограничение землепользования

Для правильной и рациональной организации мониторинга урбанизированных территорий, необходимо учитывать основные особенности изменений геологической среды в пределах городов, связанные с современными тенденциями развития городского строительства. К ним относятся: рост крупных городов-мегаполисов, окруженных более мелкими городами-спутниками; освоение под городское строительство «неудобий» (заболоченных участков, свалок, засыпанных оврагов и др.) из-за дефицита полезной площади;

все увеличивающиеся тенденции освоения подземного пространства; усиление динамического воздействия на грунты, которое не характерно для малых городов; Возрастание этажности зданий и как следствие этого – повышение требований к устойчивости сооружений. (Королев В.А., 1995)

Загрязне- ния, характер- ные для территорий городов Вибрационное Автомобильный транспорт, линии метро, трамваи и ЖД Тепловое Сплошная застройка городской территории, покрытие асфальтом или бетоном открытой поверхности Геохимическое Химическое загрязнение компонентов геологической среды Химическое Загрязнение поверхности грунтов, почв и поверхностных вод Поверхностное загрязнение Различные источники антропогенного загрязнения Электромагнитное Промышленные и энергетические установки, электрофицированные ЖД, трамвайные и троллейбусные линии, электросети Радиационное Халатное обращение с радиоактивными компонентами

Урбанизированные территории неизбежно оказывают сельскохозяйственное загрязнение. Это вид антропогенного загрязнения, связанного с нарушениями технологии сельскохозяйственного производства: неправильное или неумеренное использование пестицидов, органических и минеральных удобрений, сброс отходов животноводства, неправильное использование мелиорантов и др. (Летувнинкас А.И., 2002)

Сельскохозяйственные загрязнения делятся на собственно агрогенные и агротехногенные воздействия. Агрогенные – планируемые, повсеместные и неизбежные в условиях существующей сельскохозяйственной технологии. Агротехногенные – воздействия, которые не являются неизбежным следствием современной сельскохозяйственной технологии. Их воздействие на агроландшафты более локально и обычно связано с внесением в почву нестандартных удобрений или загрязненных мелиорантов, применение которых может иметь различные мотивы: экономические, утилизация бытовых, с/х или промышленных отходов, дефицит стандартных и качественных материалов и ресурсов для проведения соответствующих агротехнических процедур, неверная с точки зрения качества почвы ориентация руководителей селmскохозяйственного производства на применение нестандартных средств мелиорации.

Основными путями агротехногенных воздействия являются: 1.Внесение в качестве удобрений городских бытовых и промышленных отходов. 2.Использование в качестве удобрений отходов животноводческих комплексов. 3.Использование в качестве почвенных мелиорантов промышленных (золы ТЭЦ, металлургичесие шлаки, фосфогипс) и горнорудных (породы вскрыши месторождений) отходов. 4.Использование для орошения загрязненной воды рек и водоемов (озер, прудов, затопленных карьеров).

Прямым следствием проявления агрогенных и агротехногенных воздействий на почвы является формирование в них обширных агрогенных геохимических аномалий, охватывающих значительную часть сельскохозяйственных угодий и, естественно, сказывающихся на качестве получаемой с них товарной продукции кормов, овощей и зерновых культур. (Летувнинкас А.И., 2002)

Объективная информация о геоэкологическом состоянии территории необходима для планирования освоения и практического управления регионами различного уровня. Основой геоэкологической оценки региона является изучение изменений состояния геосистем среднего и крупного ранга с целью установления характера их взаимовлияния и стабильности. Особенностью таких территорий является смена малоосвоенных площадей урбанизированными, обилие геоэкологических факторов, укрупненные источники воздействия.

Источником информации для проведения оценки современного состояния геосистем и природно-техногенных систем являются специальные природные и экономические региональные карты, статистические материалы, отражающие количественную характеристику природно-ресурсного материала и антропогенных нагрузок.

Например:

Геоэкологическая оценка урбанизированных регионов заключается в комплексе мероприятий, осуществление которых зависят от: разнообразия типов природных систем; величин антропогенных нагрузок (как собственных, так и обусловленных близостью крупных агломераций); пестроты геоэкологических обстановок.

Геоэкологическая оценка урбанизированных регионов состоит из: оценки природно-ресурсного потенциала геосистем (осуществляется на основе физико- географической дифференциации территории через структуру площадей, разновидности состава, запасов и состояния ресурсов); оценки антропогенных нагрузок на различные геосистемы урбанизированных областей (осуществляется на основе выявления источников антропогенного воздействия);

оценки геоэкологической стабильности геосистем на территории урбанизированных областей (заключается в систематизации районов по степени их воздействия на стабильность геосистем); адаптационной способности геосистем к воздействию городов на исследуемых областей (осуществляется с учетом исходной стабильности и антропогенного воздействия);

оценки однородности геосистем на территории урбанизированных областей (с целью доказательства положения, что при одинаковой плотности антропогенной нагрузки и высокой степени однородности территории значение показателя стабильности одинаковое в пределах данной геосистемы); оценки влияния соседней геосистемы на величину стабильности данной системы (шаг перехода от анализа закрытых систем к открытым.

За последние 30 лет площадь, занимаемая городами и поселками городского типа, возросла в 1,5 раза. Это связано с притоком в города сельского населения, беженцев из стран бывшего СССР, размещением военных контингентов, а также передачей земель некоторых сельских населенных пунктов в ведение городских (поселковых) администраций. Показатели удельного веса городских земель и плотности городского населения в пределах России существенно изменяются: минимальные значения характерны для всего Севера России и центра Сибири, максимальные – для центра и юга Европейской части Росии и юга Западной Сибири.

Города оказывают многообразные и непрерывные воздействия на геологическую среду. Это утечки воды, нефтепродуктов, газов, тепла и т.п. На площади крупных городов резко изменяются природные гидрогеологические условия. В городах нарушен не только уровенный, но и тепловой и химический режим грунтовых вод. Так, над теплотрассами температура грунтовых вод повышается до С. Дальность переноса тяжелых металлов от локальных источников загрязнения в воздушно-миграционных потоках, как правило, не превышает км.

Техногенное воздействие города, сравнимое по интенсивности и масштабам влияния с природными факторами, существенно сказывается на состоянии природных компонентов. Возможная реакция на изменения в природной составляющей – деформация зданий и сооружений, аварии на технических системах, гибель биоценозов. Это факторы косвенного подтверждения ухудшения геоэкологического состояния территории. В цепи причинно-следственных связей негативного воздействия антропогенных факторов главное внимание традиционно уделяется следствиям, а не причинам.

Усиление урбанизации, как правило, сопровождается активизацией негативных процессов и явлений, влияющих ни изменение состояния городских и прилегающих к ним территорий. В городе формируется специфический комплекс антропогенных изменений природной обстановки. Степень развития негативных процессов в городе определяется природными особенностями территории и социально-историческими условиями его возникновения и развития.

В зависимости от исторических предпосылок формировались монофункциональные (железнодорожные узлы, портовые и рекреационные города, научные центры; поселки, обслуживающие предприятия рыбного хозяйства, горнодобывающие комплексы и др.) и полифункциональные (столицы, областные центры и др.) города, оказывающие различное воздействие на компоненты природной среды.

История развития городов неизбежно связана с антропогенным изменением структуры и компонентов природных систем и в первую очередь с изменением рельефа. Это нивелирование геоморфологических форм и стирание естественных границ, постепенное исчезновение природного и появление антропогенного микрорельефа, формирование нового вида грунтов – техногенных или культурных. Так максимальные мощности культурного слоя составляют в Москве – 22 м, в Санкт- Петербурге – 10 м.

Города оказывают многообразные и непрерывные воздействия на геологическую среду. К сожалению, в цепи причинно- следственных связей негативного воздействия антропогенных факторов главное внимание традиционно уделяется следствиям, а не причинам. Хотя именно проведение мониторинга может помочь в «профилактике» загрязнения городами ОС.

Городская агломерация Среда обитания и жизнеде- ятельности живых организмов и человека Субстрат и вмещающая среда инженерных объектов (геологическая среда) Инженерные объекты и элементы инфраструктуры

Роль геологической среды как компонента природно-техногенных систем (городские территории), постоянно возрастает в связи с: усложнением городской структуры; необходимостью использования новых территорий; широким вовлечением в эксплуатацию подземного пространства; возрастанием интенсивности взаимодействия природных и антропогенных факторов соседствующих систем.

В первую очередь необходимо изучить факторы, которые оказывают максимальное негативное воздействие на городскую среду и могут привести к необратимым изменениям (опасные природные и техногенные геологические процессы, чрезвычайные экологические ситуации и т.п.). Эти же факторы играют ведущую роль в формировании геоэкологической опасности городской территории. За последние лет площадь развития опасных процессов в пределах урбанизированных территорий увеличилась в 1,5 раза. При этом на их геоэкологическую ситуацию оказывают воздействие более 50 видов опасных природных и природно- техногенных процессов: землетрясения, термокарст, подтопление и др.) (Заиканов В.Г., 2005)

Землетрясения

Оползневая зона

Суффозия

Карст

Основным показателем геологического состояния урбанизированных территорий является устойчивость геологической среды, которая определяется изменением структуры, состава, свойств горных пород и подземных вод в результате техногенеза и активизации экзогенных геологических процессов. Проведенные исследования (Заиканов В.Г.и др., 2005) показали, что минимальные размеры городов и ущербов в них от геологических факторов характерны для северной и центральной частей Восточной Сибири, а максимальные – для Урала.

По данным тех же авторов, суммарное загрязнение воздуха в виде твердых частиц (пыли, сажи, металлов) и газообразных веществ(оксид углерода, двуоксид серы и др.) достигает 25 млн. т в год. На 1 городского жителя в год приходится по кг твердых частиц в зависимости от размеров города, характера и концентрации производства. Наиболее загрязнены тяжелыми металлами почвы Свирска, Ревды, Первоуральска; повышенное содержание в почвах марганца отмечается в Кемерове и Новокузнецке, меди – в Алапаевске, свинца – в Ижевске, Чебоксарах; цинка – в Кемерове, Новокузнецке, Томске.

История развития городов неизбежно связана с антропогенным изменением структуры и компонентов вмещающих природных систем. В результате техногенного воздействия загрязняются городская и прилегающие к ней территории, изменяется уровень и качество грунтовых и подземных вод, нарушается структура вмещающих геосистем. Размещение производств в городах делает их основными источниками негативного воздействия на природные компоненты и здоровье населения как в черте городской застройки, так и далеко за ее пределами.

На одного городского жителя в год приходится по кг твердых частиц в зависимости от размеров города, характера и концентрации производства. В городах России сбрасывается от 100 до 450 м 3 загрязненных вод на 1 жителя в год.

Оценка геологической опасности территории Оценка геофизической опасности городских территорий Геохимическая опасность Геоэкологическая опасность Оценка ущерба Особенности геоэкологичес- кой оценки средних городов

Структура научно обоснованной программы оптимизации природных систем и постоянного контроля за состоянием территорий Оценка современного состояния Геоэкологи- ческий мониторинг Мониторинг качества воздуха, поверхностных вод, городской среды, геофизический, природных процессов, литомониторинг, состояния подземных вод, комплексный Прогноз потенциальной стабильности территории

Мониторинг урбанизированных территорий Организация мониторинга в основном соответствует мониторингу ГДП, промышленных предприятий, линейных систем. Основные различия связаны с видами источников загрязнения, а соответственно и веществами – поллютантами. Для каждого объекта они индивидуальны. Сложность организации мониторинга состоит в том, что городские системы представлены множеством объектов загрязнения, соответственно широким спектром загрязняющих веществ. Причем, часть веществ могут соответствовать разным объектам, поэтому при прогнозе могут возникнуть сложности с выделением конкретного источника загрязнения.

Оценка экологического состояния территории города проводится по следующим параметрам (Крупенио Н.Н., 2005). 1. Состояние природных экосистем мониторинг загрязнения почв мониторинг загрязнения атмосферного воздуха мониторинг загрязнения снежного покрова мониторинг загрязнения грунтовых и поверхностных вод загрязнение биоты по биоиндикаторам 2. Медико- демографическая оценка территории А. Ретроспективная оценка заболеваемости : динамика показателей здоровья населения за последние 15 лет определение связей показателей здоровья с данными экологического мониторинга проведение медико-экологического зонирования разработка мероприятий по защите населения Б. Выявление динамики содержания токсичных веществ в организмах жителей: иммунологическое обследование эндокринологическое обследование токсикологическое обследование определение влияния характера загрязнения компонентов среды эколого-токсикологическая оценка ситуации в городе разработка рекомендаций и уточнение медико-экологического зонирования 3. Социально- экологическая оценка А. Создание баз данных: об особенностях структуры населения о характере жилого фонда об обеспеченности населения социальной инфраструктурой об уровне преступности о политических симпатиях Б. Анализ данных об источниках загрязнения среды и их расположении на территории города В. Комплексная оценка социально экологических факторов

4. Результаты мониторинга 1) создание компьютерной геоинформационной системы, проведение анализа полученных данных, принятие директивных решений 2) экспертная оценка и комплексный анализ экологической информации 3) разработка плана мероприятий по экологическому контролю, оздоровлению экологической ситуации с использование комплексного экологического мониторинга 5. Ключевые задачи мониторинга социально- демографические обследования определение мест наиболее эффективного размещения рекламы оценка жилья в проектируемых зданиях организация маршрутов коммунального транспорта 6. Основные показатели и оценки по результатам мониторинга плотность населения баланс трудовых ресурсов характер жилого фонда уровень преступности транспорт уровень дохода политические симпатии распределение населения по уровню дохода участки концентрации объектов торговли пути интенсивного движения пешеходов удаленность от стационарных источников загрязнения основные направления движения населения

Геохимическая оценка нагрузки на окружающую среду, формируемой источниками загрязнения урбанизированных зон (выбросами, стоками, твердыми отходами). Фактическая нагрузка на среду определяется объемами отходов, а также количественными и пространственными соотношениями различных видов деятельности, концентрирующихся на определенной территории. Прямой учет такой нагрузки пока не удается. Оценить ее возможно с помощью косвенных методов, используя материалы геохимических исследований ряда урбанизированных территорий. (Сает Ю.Е., 1990)

Для обобщения оценки выброса используются материалы по концентрации, распределению и химическому составу атмосферной пыли, осажденной на снеговой покров. Оценка стоков произведена раздельно для основных групп источников загрязнения вод: 1) поступление в водотоки и водоемы условно чистых стоков промышленных предприятий; 2) поступление ливневых вод, загрязненных при контакте со зданиями и сооружениями, стихийными свалками отходов и сырья, почвами, концентрирующими промышленные выбросы; 3) поступление канализационных стоков после городских очистных сооружений. (Сает Ю.Е., 1990)

Среди твердых отходов наиболее объемные виды, концентрирующие химические элементы: бытовые отходы, золы и шлаки, шламы очистных сооружений, пыли. Все категории источников химических элементов синхронно должны быть изучены для одних и тех же урбанизированных территорий и хорошо сопоставимы. Таким образом, полученные оценки определяют общий порядок геохимической нагрузки на ОС, формируемой в урбанизированных зонах, и соотношения отдельных химических элементов в этой нагрузке.

Результаты геохимических исследований показывают возможность экспрессно и точно выявить распространение химических элементов по цепи «источник загрязнения - геохимическая аномалия в окружающей среде - живые организмы». Геохимические данные позволяют установить пространственную структуру экологически опасных зон загрязнения, созадвая тем самым опорный фактический материал для всестороннего анализа проблем окружающей среды городов. (Сает Ю.Е., 1990)

Примеры мониторинга урбанизированных территорий

Схематический план проведения эколого-геохимических исследований на территории г. Стрежевого (нефтегазодобывающий район): I – 1 – точки снегового опробования; 2 ­– точки литогеохимического опробования, гамма-радиометрических и гамма-спектрометрических измерений; II – 1 – жилой район; 2 –промышленный район; 3 – частный сектор

Схематический план проведения эколого-геохимических исследований на территории г. Междуреченска (угледобывающий район): 1 – точки снегового опробования; 2 ­– точки литогеохимического опробования, гамма- радиометрических и гамма-спектрометрических измерений; I – Восточный район; II – Западный район; III – п. Притомский; IV – промышленная зона; I-1 – Центр; I-2 – Старое Междуречье; I-3 – Сыркаши; II-1 – Новостройка; II-2 – Нахаловка

Схема-фактов точек литогеохимического опробования почв и почвогрунтов на территории г. Томска (район многопрофильного производства):микрорайоны (1-27): 1 – Басандайка; 2 – ул. Мокрушина; 3 – Московский тр.; 4 – ул. Учебная; 5 – пл. Южная; 6 – Степановка-1; 7 – Степановка-2; 8 – ул. Красно-армейская; 9 – Академгородок; 10 – Заисток; 11 – ул. Крылова; 12 – мкр. Центральный-1; 13 – пр. Фрунзе; 14 – Золоотвал; 15 – Пески; 16 – Белое озеро; 17 – мкр. Центральный-2; 18 – мкр. «Б»; 19 – Баранчуковски пер.; 20 – ст. Томск-2; 21 – мкр. Солнечный; 22 – Чере-мошники северные; 23 – Черемошники восточные; 24 – Каштак; 25 – Иркутский тр.; 26 – Спичечная фабрика; 27 – Восточная Хромовка

Схематический план проведения эколого-геохимических исследований на территории ОАО «Сибэлектромотор» (г. Томск): 1 – точки гамма- радиометрических измерений; 2 – точки гамма- спектрометрических измерений; 3 – точки литогеохимического опробования; 4 – точки снегового опробования; - линия границы санитарно-защитной зоны

Схема объектов исследования и точки отбора проб почвогрунто г.Томска