21.1. Экологическая проблема. Пути решения
Проблема отношений человеческого общества со средой его обитания является столь же древней, как и само общество. Однако в течение длительного времени человеческая деятельность укладывалась в рамки возможностей природных систем к регенерации, не превышала их самовосстановительного потенциала. Иначе говоря, полная совокупность техногенных взаимодействий с природной системой, составляющей среду обитания человека, не превышала некоторых критических значений. Состояние природной среды было стабильным. Современная цивилизация с ее экстенсивным использованием природных ресурсов во второй половине ХХ в. поставила перед человечеством несколько критических проблем, одной из которых является экологическая. Она заключается в неблагоприятном для всего живого, в том числе и для человека, изменении свойств окружающей среды, вызванном хозяйственной деятельностью человеческого общества
Довольно длительное время разработка вопросов экологии выполнялась в рамках наук биологического цикла, наук о биосфере (биогеографии, биогеохимии, биогеоценологии и др.). В этих научных исследованиях техногенные взаимодействия практически не обсуждались. В 30-х гг. ХХ в. в экологии начало формироваться новое научное направление — социальная экология. Появление этого научного направления было обусловлено мощным развитием производительных сил и, соответственно, интенсивным влиянием техногенных взаимодействий на свойства, структуру и процессы функционирования биосферы. Социальная экология рассматривает отношения человеческого общества с живыми и неживыми компонентами биосферы, а также процессы взаимодействия с внешними оболочками, не входящими в биосферу, и с ближним космосом. Возникновение социальной экологии вызвано многообразием, масштабом и интенсивностью процессов искусственного происхождения. Эти процессы (техногенные) обусловлены взаимодействиями между искусственными компонентами биосферы (орудия, предметы, средства труда, искусственные биоценозы) и естественными компонентами (биота, области внешних оболочек Земли, верхняя часть литосферы, в последнее время — ближний космос).
Объект социальной экологии составляют прямые (техногенные) и наведенные (техноплагенные) процессы и их продукты.
Всемирный форум по окружающей среде (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) сформулировал концепцию устойчивого развития, нашедшую отражение в законодательной базе многих стран мира, в том числе в России. Экологическая проблема обусловила социальный заказ общества к экологии. Заказ предполагает разработку стратегии и тактических приемов решения проблемы на основе учета общечеловеческих и национальных целей. Стратегия опирается на устойчивое развитие — «создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребностей сегодняшнего дня, не подвергая риску способность окружающей среды поддерживать жизнь в будущем, т. е. не ставя под угрозу возможности будущих поколений в удовлетворении их потребностей».
В настоящее время, по-видимому, можно говорить об эмпирическом этапе развития социальной экологии. Его характеризуют: накопление экспериментального материала; попытки эмпирических обобщений и обоснования структуры социальной экологии, определяемой отношениями подмножеств взаимодействий (и, естественно, процессов) между компонентами техносферы и геооболочками.
С разработкой и обоснованием структур социальной экологии связаны предложения о создании ее новых научных направлений. В ряде наук наблюдается становление прикладных направлений, нацеленных на решение экологической проблемы. Так, прикладная задача современной инженерной геологии существенно расширена. Она включает информационное инженерно-геологическое обеспечение не только процессов планирования, проектирования и строительства природно-технических систем различных уровней, в том числе регионального и национального, но и процессов управления их функционированием.
Социальная экология находится в отношениях пересечения с разделами других наук, прикладные задачи которых в той или иной степени связаны с решением экологической проблемы. Экологии, таким образом, принадлежат специальные разделы других наук, изучающих оболочки Земли: атмосферу, гидросферу, литосферу, биосферу. Главнейший принцип, на котором должна базироваться стратегия решения экологической проблемы, заключается в следующем: оптимизация техногенных и техноплагенных взаимодействий за счет оптимизации функционирования природно-технических систем различных уровней, вплоть до глобального.
Оптимизация функционирования предполагает: обобщенную и эмерджентную оценку (диагноз) текущих состояний некоторой фиксированной области среды обитания человека, рассматриваемой в качестве природно-технической системы; прогнозирование ее будущих состояний и разработку на базе диагноза и прогноза стратегии и тактики управления системой. Диагностирование и прогнозирование состояний природных и природно-технических систем предполагает достаточно высокий уровень разработки теоретического базиса экологии, который должен представлять собой логическую систему научных знаний о структуре и свойствах среды обитания живых организмов, о процессах ее движения. Ядром теоретического базиса экологии является теория природно-технических систем.
Инженерная геология традиционно, с момента своего становления, рассматривает вопросы взаимодействия искусственных компонентов (сооружений, зданий и др.) с приповерхностной областью литосферы, с геологической средой. Эти взаимодействия элементов ПТС различного уровня, реализующиеся в форме инженерно-геологических процессов, полностью вписываются в число объектов социальной экологии. Вследствие этого можно с полной ответственностью утверждать, что инженерная геология входит в комплекс наук, называемый социальной экологией.
В связи с резким увеличением многообразия и существенной интенсификацией техногенных процессов, в том числе и процессов взаимодействия с литосферой, значительно расширился круг задач, решаемых инженерной геологией. Это относится и к охвату ПТС различных уровней, к диагностике и прогнозированию их состояний, к необходимости изучения техноплагенных процессов.
Естественно, все это нашло отражение в методике инженерно-геологических исследований. Она должна быть скоординирована с инженерно-экологическими исследованиями, изучающими все компоненты окружающей среды (атмосферу, поверхностную гидросферу, почвы, биоту, приповерхностную область литосферы, техносферу). Современные инженерно-геологические исследования, обслуживающие процессы планирования, проектирования и функционирования ПТС, нередко должны быть дополнены методами и приемами решения задач, относящихся к прерогативам социальной экологии. Так, например, инженерно-геологическое опробование, выполняемое в рамках инженерно-геологических изысканий, должно предусматривать отбор проб грунтов и подземных вод для определения содержания в них вредных компонентов.
21.2. Инженерно-экологические изыскания
С каждым годом в нашей стране увеличиваются объемы строительства гражданских, дорожных, промышленных, горных, энергетических объектов. Своей хозяйственной деятельностью человек создает огромную техногенную нагрузку на окружающую среду, вызывая необратимые экологические последствия. Поэтому инженер-геолог должен не только уметь выбрать методику инженерно-геологических исследований и наметить оптимальный объем работ, обеспечивающий получение инженерно-геологической информации с заданной точностью, вероятностью и полнотой, но и дать прогноз изменения экологической ситуации в ходе строительства и эксплуатации проектируемых объектов. Для такого прогноза наряду с инженерно-геологической информацией необходимо располагать сведениями, которые получают в процессе инженерно-экологических изысканий.
Инженерно-экологические изыскания1 должны обеспечивать:
· комплексное изучение природных и техногенных условий территории, ее хозяйственного использования и социальной сферы;
· оценку современного экологического состояния природной среды и экосистемы в целом, их устойчивость к техногенным воздействиям и способности к восстановлению;
· разработку прогноза изменений природной среды (природно-технических систем) при строительстве, эксплуатации и ликвидации объекта;
· оценку экологической опасности и риска;
· разработку рекомендаций по предотвращению вредных экологических последствий хозяйственной деятельности и обоснование природоохранных и компенсационных мероприятий по сохранению, восстановлению экологической обстановки;
· разработку рекомендаций (программ) организации и проведения мониторинга, отвечающего этапам проектных работ.
В состав инженерно-экологических исследований входят:
· сбор, обработка и анализ опубликованных и фондовых материалов о состоянии природной среды, поиск объектов-аналогов;
· экологическое дешифрирование аэрокосмических материалов;
· маршрутные наблюдения с покомпонентным описанием природной среды, состояния наземных и водных экосистем, источников и признаков загрязнения;
· проходка горных и буровых выработок для получения экологической информации;
· эколого-гидрогеологические исследования;
· почвенные исследования;
· газогеохимические исследования;
· исследование и оценка радиационной обстановки;
· исследование и оценка физических воздействий;
· экологический мониторинг;
· геоэкологическое опробование почв, грунтов, поверхностных и подземных вод;
· лабораторные химико-аналитические исследования;
· социально-экономические исследования;
· камеральная обработка материалов и составление отчета.
Необходимость отдельных видов работ устанавливается с учетом природных условий, техногенной нагрузки, степени экологической изученности территории.
Сбору и анализу подлежат: информация об инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических исследованиях, режимных наблюдениях на объектах в изучаемом районе; отчеты о научно-исследовательских работах по изучению природных условий и состояния компонентов природной среды; сведения о пространственном распространении, наборах и интенсивности, режимах техногенных процессов на изучаемой территории.
Дешифрирование аэрокосмоснимков выполняется для: выявления участков развития опасных геологических и техногенных процессов и явлений; установления источников негативного техногенного и техноплагенного воздействия на состояние природной среды (энергетические объекты, промобъекты, транспортные магистрали, трубопроводы, ГОКи и др.); предварительной оценки масштабов негативных последствий техногенного воздействия (ареалов загрязнения, изъятия земель, вырубок и т. п.); слежения за динамикой изменения экологической обстановки путем сравнительного дешифрирования разновременных изображений территории, полученных с различными временными интервалами и в разные сезоны года; планирования числа, расположения и размеров ключевых участков и маршрутов для наземного обследования.
На основании собранной информации о состоянии природной среды и дешифрирования составляются схематические экологические карты и схемы хозяйственного использования территории, планируются наземные маршруты.
Маршрутные наблюдения предшествуют другим видам полевых работ. Их цель — получение качественной и количественной информации о состоянии компонентов природной среды (литосферы, гидросферы, биосферы, техносферы). Маршрутное геоэкологическое обследование должно включать: обход территории и составление схем потенциальных источников негативного техногенного воздействия (полигонов твердых бытовых отходов, шлако- и хвостохранилищ, отстойников, нефтехранилищ, нефтеловушек, золоотвалов и др.) с указанием его характера; выявления и нанесения на схему визуальных признаков негативного влияния и загрязнения (пятен нефтепродуктов, химикатов, удобрений, несанкционированных свалок пищевых и бытовых отходов и т. п.); опрос местных жителей о специфике использования территории (с ретроспективой до 50 лет) с целью выявления участков ныне ликвидированных промышленных предприятий, захоронения промышленных отходов, прорывов трубопроводов и коллекторов промышленных и сточных вод, аварийных выбросов и т. д.
Буровые и горные работы проводят для: оценки эколого-инженерно-геологических условий территории (состава, водопроницаемости и водопроводимости почв, грунтов и горных пород, наличия водоупоров и гидравлических связей между водоносными горизонтами и поверхностными водами, направления и скорости движения поверхностных вод) с точки зрения миграции, возможной мобилизации и условий аккумуляции загрязнений; отбора проб почв, грунтов, подземных вод для лабораторных исследований химического состава и концентрации вредных компонентов; определения опасных эмиссий газообразных загрязнителей в почвенном воздухе и подземных водах; организации системы мониторинга состояния литосферы.
Горные выработки располагают перпендикулярно границам геоморфологических элементов с учетом уклонов поверхностного и подземного стока, направления воздушных потоков, расположения источников загрязнения, по главным направлениям изменчивости состава поверхностных отложений. Глубина выработок определяется положением первого от поверхности водоносного горизонта, глубиной кровли первого от поверхности водоупора, мощностью загрязненной зоны. Пространственное размещение и расстояние между выработками определяется расположением зон с неустойчивой структурой, масштабом негативных проявлений процессов и масштабом выполняемых исследований. При проведении комплексных инженерно-геологических исследований выработки должны использоваться одновременно для инженерно-геологических, экологических, гидрогеологических наблюдений и опробования. При этом при необходимости рассчитывают параметры сппинфов.
Эколого-гидрогеологические исследования проводят с целью установить: естественную защищенность подземных вод от загрязнения; наличие водоносных горизонтов, которые могут испытывать негативное влияние и подлежат защите от истощения и загрязнения; состав, фильтрационные и сорбционные свойства пород зоны аэрации и водовмещающих пород; закономерности движения подземных вод, условия их питания и разгрузки, наличие гидравлических связей между горизонтами; изменения гидродинамических и гидрохимических условий под влиянием техногенных процессов.
Гидрохимические исследования выполняются для оценки загрязненности поверхностных вод, выявления ареала загрязнения подземных вод, состава и концентрации загрязнителей, источников загрязнения и оценки влияния этого загрязнителя на состояние экосистемы, в том числе на здоровье человека.
Почвенные исследования. Почвенный покров является важнейшим компонентом окружающей среды. В районах хозяйственного освоения почвы подвергаются комплексному тепловому, химическому и радиационному загрязнению. Диагностика состояния почв, наблюдение за их изменениями, прогноз трансформации почв и разработка мероприятий по предотвращению их деградации выдвигаются в число первоочередных проблем социальной экологии. Основными видами деградации почв являются: дегумификация, потеря структуры, переуплотнение почв, их эрозия, возникновение вторичной кислотности, загрязнение почв агрохимикатами, углеводородами, тяжелыми металлами и другими токсичными веществами.
Почвенные исследования выполняются для: оценки возможного изъятия земель исходя из их ценности; определения влияния существующих и проектируемых сооружений на прилегающие рекреационные, сельскохозяйственные и лесные угодья; оценки загрязнения почв на территориях сельскохозяйственных угодий и на площадках строительства; разработки мероприятий по защите от вредного воздействия промышленных выбросов и сбросов токсичных ингредиентов. Решение подобных задач требует информации о типах почв, их мощности, почвообразующих и подстилающих породах, геохимическом составе, почвенных процессах (засолении, подтоплении, дефляции, эрозии), степени деградации (истощении, физическом разрушении, химическом загрязнении). Почвенные исследования включают почвенную съемку или почвенное профилирование, сопровождающееся опробованием почв. В ходе их проведения должны быть установлены: распространение преобладающих типов и подтипов почв, характеристики почвенного профиля, геохимический состав почв, содержание гумуса, физические и химические свойства и водный режим, рН, емкость катионного обмена, насыщенность основаниями, содержание общего азота, подвижного фосфора и калия, состав и общее содержание солей в водной вытяжке; эродированность и оторфованность, оценка биологической активности, степени загрязнения и санитарного состояния.
Газогеохимические исследования в составе инженерно-экологических изысканий целесообразно выполнять на участках распространения насыпных грунтов, на территориях, загрязненных нефтепродуктами или пораженных карстовым процессом. Основная опасность использования насыпных грунтов в качестве оснований связана с их способностью генерировать биогаз, состоящий из горючих и токсичных компонентов, главными из которых являются метан и двуокись углерода. Потенциально опасными считаются грунты с содержанием метана > 0,1 % и CO2 > 0,5 %. Для оценки степени газогеохимической опасности, выявления участков, загрязненных нефтепродуктами, территорий с интенсивным развитием карстового процесса используются различные виды поверхностных газовых съемок (шпуровая, эмиссионная), сопровождающиеся отбором проб почвенного воздуха и приземной атмосферы; скважинные газогеохимические исследования (с послойным отбором проб почвенного воздуха, грунтов и подземных вод).
Одной из главных задач газогеохимических исследований является поиск и оконтуривание в плане на территории геологических тел, сложенных газогенерирующими грунтами. Это выполняется путем: ретроспективного анализа топографических карт разных лет (для анализа изменений форм рельефа); изучения архивной инженерно-геологической документации, подтверждающей или опровергающей существование насыпных грунтов на данной территории. При наличии насыпной толщи мощностью не менее 2,0–2,5 м проводятся полевые газогеохимические исследования, включающие: шпуровую съемку грунтового воздуха по профилям и сети (при глубине шпуров 0,8–1,0 м); газовую съемку приземной атмосферы с эмиссионной съемкой (измерением интенсивности потоков биогаза к дневной поверхности из грунтовой толщи, в л/с·см2). Масштабы съемок на предпроектных стадиях 1 : 10 000 — 1 : 5000.
На основе изучения структуры газовых полей проводят газогеохимическое районирование территории с выделением зон различной степени опасности.
Радиационно-экологические исследования включают: оценку гамма-фона на территории; определение радиационных характеристик источников водоснабжения; оценку радоноопасности территории. Основными источниками радиационного загрязнения окружающей среды являются ядерно-технические установки, предприятия, работающие с радионуклидами, хранилища радиоактивных отходов, следы ядерных взрывов и др. Глубина проникновения радионуклидов зависит от состава и сорбционных свойств грунтов, источника загрязнения и способов поступления в грунты. Как правило, она не превышает 10 см; основное количество радионуклидов сосредоточено в верхнем десятисантиметровом слое почвы. Нормальный естественный уровень внешнего гамма-излучения на открытых территориях России составляет 0,1–0,2 мкЗв/час; территории, в пределах которых среднегодовые значения эффективной дозы облучения находятся в диапазоне 5–10 мкЗв/год, относятся к территориям чрезвычайной экологической ситуации, а при более 10 мкЗв/год — к зонам экологического бедствия.
Для выявления и оценки опасности источников гамма-излучения проводят: радиационную съемку (определение мощности эквивалентной дозы внешнего гамма-излучения); радиометрическое опробование с последующим гамма-спектрометрическим или радиометрическим анализом проб в лаборатории (определение радионуклидного состава загрязнений и их активность). Измерения мощности эквивалентной дозы (МЭД) выполняются дозиметрами в контрольных точках, расположенных по сетке с шагом, который устанавливается в зависимости от масштаба съемки и местных условий2. Замеры проводятся на высоте 0,1 м от поверхности почвы.
Объектами радиометрического опробования являются почвы и грунты, поверхностные и подземные воды, донные осадки водоемов и техногенные отложения (карьеры, терриконы, полигоны промышленных и бытовых отходов, склады строительных материалов, консервируемые объекты с повышенной радиоактивностью). На предварительных стадиях должна быть выполнена предварительная оценка потенциальной радоноопасности территории.
Все результаты обработки измерений физических характеристик среды, определяющих радиационно-экологическую обстановку, должны заноситься в банк данных территориальных изыскательских организаций.
Исследование вредных физических воздействий (электромагнитного излучения, шума, вибрации, тепловых полей и др.) должно осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях. При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия.
Оценка воздействия электромагнитного излучения на организм человека включает воздействие электрического и магнитного полей, создаваемых высоковольтными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты (ЛЭП), а также высоковольтными установками постоянного тока (электростатическое поле) для электромагнитных полей радиочастот, включая метровый и дециметровый диапазон волн телевизионных станций. Предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности электрического поля (кВ/м) таковы: внутри жилых зданий — 0,5, на территории жилой застройки — 1, в населенной местности вне зоны застройки — 5, на участке пересечения высоковольтных линий с автодорогами I–IV категории — 10, в ненаселенной местности, доступной для транспорта, — 15 кВ/м.
Допустимые значения характеристик обычного шума, инфра- и ультразвука на территории жилой застройки и в помещениях установлены ГОСТ и Санитарными нормами. Расположение источников и зон дискомфорта от существующих на территории физических факторов воздействия (радиационного загрязнения, электромагнитного излучения, шумовых нагрузок, тепловых полей и др.) должны быть показаны на картах и схемах с детальностью, соответствующей стадии проекта.
Геоэкологическое опробование атмосферного воздуха, почв, грунтов, поверхностных и подземных вод проводится для оценки их загрязнения в зонах развития техногенных и техноплагенных процессов. Размещение точек опробования устанавливается в зависимости от ожидаемой структуры поля загрязнения, преобладающих направлений движения воздушных масс, особенностей поверхностного, руслового и подземного стока, геологического строения. Принятая система опробования должна обеспечить: изучение зоны загрязнения (неблагоприятного процесса) в плане и в вертикальном разрезе по основным компонентам; выявление источников загрязнения, путей миграции и ареалов аккумуляции веществ-загрязнителей.
Отбор проб почвы рекомендуется производить из поверхностного слоя методом «конверта» (смешанная проба на площади 20–25 м2) на глубину до 0,3 м; отбор проб грунта из скважин на глубину зоны загрязнения не реже чем через 1 м. Количество и расположение проб устанавливается в зависимости от природно-техногенных условий района исследований вида и масштаба загрязнений, стадии инженерно-геологических работ.
Количественную оценку загрязнения почв и грунтов на исследуемой территории можно выполнить, используя суммарный показатель загрязнения:
где n — число химических элементов, входящих в изучаемую ассоциацию; Ci — аномальное содержание; Cф — фоновое содержание, Кс — коэффициент концентрации, равный отношению содержания химического элемента в оцениваемом объекте к его фоновому содержанию.
Прогноз изменений почвенного покрова при реализации намечаемой деятельности должен включать: оценку устойчивости почв к физическому воздействию и химическому загрязнению, оценку возможности деградации почв в зоне техногенных воздействий, развития негативных процессов (эрозии, дефляции, подтопления и проч.) и химических изменений (оглеения, сульфатредукции и др).
Интенсивность загрязнения атмосферного воздуха отражается в геохимических аномалиях почв и снежного покрова. По опасности загрязнения почв и снежного покрова с учетом состояния воздуха выделяют три уровня загрязнения (табл. 21.1).
Таблица 21.1. Ориентировочная шкала оценки очагов
загрязнения территории (по: Ю. Сает, 1990)
Примечание. Zc — суммарный показаель загрязнения; Кс — коээфициент концентрации химического элемента относительно фонового содержания.
Опробование и оценка загрязненности поверхностных и подземных вод в ходе инженерно-экологических исследований проводятся для оценки качества воды: как источника водоснабжения; как компонента природной среды, являющегося агентом переноса и распространения загрязнений; как компонента, влияющего на изменение физико-механических свойств пород и провоцирующего развитие геологических процессов природного и техногенного происхождения.
Отбор проб воды из поверхностных водотоков (реки, ручьи), водоемов (пруды, озера, водохранилища), накопителей сточных вод, коллекторов и их анализ производятся в соответствии с государственными стандартами, нормативно-методическими и инструктивными документами Росгидромета, Госкомприроды и Минздрава России.
Лабораторные химико-аналитические исследования при инженерно-экологических изысканиях выполняют для оценки загрязнения почв, грунтов, поверхностных и подземных вод вредными химическими веществами или их соединениями различных классов токсичности как органического, так и неорганического происхождения, а также для оценки сорбционной способности грунтов и почв.
К таким показателям в первую очередь относятся: содержание мышьяка, тяжелых металлов, нефти и нефтепродуктов, пестицидов, аммонийного азота, серы, нитратов, нитритов, цианидов, ароматических углеводородов, бенз(а)пирена, полихлорбифенилов, легколетучих хлорированных углеводородов в целом.
Мониторинг природно-технических систем выполняют с целью установления тенденций изменения состояния окружающей среды в пространстве и во времени под влиянием техногенных и техноплагенных процессов.
Оптимальная организация экологического мониторинга должна предусматривать четыре последовательных этапа:
· проведение предварительного обследования территории с целью установления основных компонентов природной среды, нуждающихся в мониторинге; измерение фоновых значений параметров, контролируемых мониторингом;
· определение системы наблюдаемых показателей в соответствии с механизмом техногенных воздействий (физическое, химическое, биологическое) и компонентами природной среды, на которые распространяются воздействия;
· проектирование постоянно действующей системы сппинфов мониторинга с обоснованием пространственного размещения системы пунктов получения информации (с учетом мест размещения потенциальных источников загрязнения и районов его возможного распространения), периодичности наблюдений и их продолжительности, оборудования и функционального обеспечения; организации взаимодействия системы мониторинга с аналогичными системами других ведомств;
· проведение режимных наблюдений и составление банка данных (БД) или геоинформационной системы (ГИС) с целью выявления тенденций изменения показателей состояния среды, координат среды.
Расположение сппинфа определяется содержанием решаемых задач, особенностями природной обстановки, контролирующими пути миграции, аккумуляции и выноса загрязнений, местоположением источников негативного влияния, масштабом негативного изменения природной среды. Методика проведения наблюдений должна отвечать требованиям соответствующих государственных стандартов, нормативно-правовых и инструктивно-методических документов.
Частота, временной режим и длительность наблюдений устанавливаются в соответствии с характером, интенсивностью и длительностью воздействий, условиями функционирования и сроком эксплуатации производственных объектов, особенностями природной обстановки, определяющими механизм развития техногенных процессов.
Полученная в ходе мониторинга информация позволяет оценить текущее состояние компонентов окружающей среды, отслеживать и моделировать экологическую ситуацию, составлять краткосрочные и долгосрочные прогнозы, разрабатывать рекомендации и предложения по снижению негативного влияния объектов на окружающую среду, контролировать эффективность управляющих решений (принятых защитных мер) по нормализации экологической обстановки.
Режимная сеть, создаваемая в ходе инженерно-экологических изысканий, в дальнейшем корректируется на основе получаемых данных.
Результаты наблюдений должны быть включены в единую информационную систему.
По результатам инженерно-экологических изысканий составляют отчет (заключение) или раздел в сводном отчете о комплексных инженерных изысканиях, с текстовыми и графическими приложениями.
Ниже подробно раскроем задачи инженерно-экологических изысканий на разных этапах хозяйственной деятельности.
Инженерно-экологические изыскания для разработки
предпроектной документации
Инженерно-экологические изыскания на предпроектных стадиях должны обеспечить оптимизацию хозяйственной деятельности, гарантирующую минимизацию экологической опасности и риска. Инженерно-экологические изыскания на предпроектных стадиях проводят для разработки предынвестиционной и градостроительной документации, а также для обоснований инвестиций в строительство.
Задачами инженерно-экологических изысканий для обоснования предынвестиционной документации являются: оценка экологического состояния территории и ее прогнозирования с позиций возможности размещения новых производств (допустимости дополнительной техногенной нагрузки) для разработки региональных схем расселения, природопользования, территориальных и отраслевых схем и программ развития, районных планировок и т. п.
На рассматриваемой стадии исходными данными для экологического состояния и качественного прогноза является накопленная информация (опубликованные и фондовые материалы). При отсутствии или недостаточности имеющихся материалов возможно проведение рекогносцировочного обследования территории.
Инженерно-экологические изыскания для обоснования градостроительной документации выполняют с целью оптимизации градостроительных и иных проектных решений, обеспечения экологической безопасности населения и сохранения памятников истории и культуры, охраны природы.
Материалы инженерно-экологических изысканий для экологического обоснования градостроительной документации должны включать: оценку современного состояния и прогноз ее изменений при реализации намечаемой деятельности; рекомендации по организации природоохранных мероприятий.
Инженерно-экологические изыскания для обоснования инвестиций в строительство должны обеспечить получение информации для выбора оптимальных вариантов размещения площадок с учетом природно-техногенных условий территории, состояния экосистем и условий проживания населения.
Материалы инженерно-экологических изысканий для обоснования инвестиций в строительство должны содержать сведения: о физико-географических, ландшафтных, гидрологических и инженерно-геологических условиях; о состояниях экосистем и социальной обстановки; данные о современном и перспективном хозяйственном использовании территории и ограничениях по природопользованию; о памятниках истории и культуры; о видах, интенсивности и режиме реальных и планируемых техногенных воздействий, их пространственной структуре; о размещении источников взаимодействий с учетом преобладающих направлений перемещения воздушных масс, водных потоков, фильтрации подземных вод. Материалы изысканий должны содержать: предварительную оценку и прогноз взаимодействий планируемой ПТС с компонентами окружающей среды, в том числе с особо охраняемыми объектами, памятниками природы, заповедниками, заказниками; рекомендации по организации природоохранных мероприятий, разработанные на основании оценки устойчивости экосистем; предложения по организации мониторинга ПТС.
Инженерно-экологические изыскания на предпроектных стадиях должны выполняться на территориях, подверженных не только техногенным, но и техноплагенным взаимодействиям.
Оценка экологической ситуации в зависимости от характера хозяйственной деятельности (вид сооружения, класс капитальности, технология эксплуатации) должна включать: оценку величины предельно допустимых техногенных взаимодействий; обоснование структуры и границ сферы взаимодействия; обоснование областей возможного проявления техноплагенных взаимодействий; выявление зон повышенной экологической опасности (сейсмических зон, участков, потенциально подверженных стихийным бедствиям и развитию опасных процессов, и т. п.); определение основных направлений и путей миграции и аккумуляции загрязнений (движение воздушных масс, особенности инфильтрации и стока вод, состав, фильтрационные и сорбционные свойства грунтов, геохимические барьеры, наличие и условия залегания региональных водоупоров и т. п.); экологическое районирование территории по степени благоприятности для застройки и проживания; предварительную оценку экологического риска, выполненную с учетом стоимости природоохранных мероприятий.
Инженерно-экологические изыскания
для разработки проектной документации
Инженерно-экологические изыскания при проектировании сооружений выполняются для разработки: проекта строительства (рабочего проекта); рабочей документации; для реконструкции, расширения и ликвидации объекта.
В процессе инженерно-экологических изысканий для разработки проектной документации производят минимально необходимую и достаточную информацию для экологического обоснования проекта объекта с учетом нормального режима его эксплуатации, а также возникновения аварийных ситуаций; для уточнения данных о состоянии окружающей среды и границ ПТС; для оценки экологического риска и разработки раздела «Охрана окружающей среды» в проектной документации.
Инженерно-экологические изыскания на стадии рабочей документации предусматривают контроль состояния компонентов природной среды, корректировку программы экологического мониторинга, организацию и проведение режимных наблюдений с целью своевременного уточнения проектных решений.
Информация, производимая в процессе инженерно-экологических изысканий на рассматриваемой стадии, должна быть достаточной для диагностики состояний компонентов природной среды до начала проектируемой деятельности; для оценки устойчивости компонентов к проектируемым взаимодействиям и способности компонентов к регенерации; для уточнения структуры сферы взаимодействия и границ ее зон проявления различных техногенных процессов; для прогноза возможных изменений компонентов окружающей среды в пределах сферы взаимодействия сооружения при его строительстве и эксплуатации; для разработки рекомендаций по организации природоохранных мероприятий, а также по восстановлению и оздоровлению природной среды; для корректировки программы экологического мониторинга. Корректировка программы мониторинга ведется непрерывно: она осуществляется во время строительства, эксплуатации и ликвидации объекта.
В процессе инженерно-экологических изысканий, выполняемых для реконструкции и расширения предприятия, должны быть получены данные об изменениях компонентов ПТС за период ее эксплуатации.
Контроль состояния окружающей среды осуществляется структурным подразделением предприятия по охране окружающей среды, функционирующим в рамках экологического мониторинга, которому передается режимная наблюдательная сеть. Оно осуществляет получение, накопление информации и составление банка данных, оценивает текущее состояние компонентов окружающей среды, разрабатывает прогноз изменения их состояния. На основании получаемой информации оценивается эффективность управляющих решений по нормализации экологической ситуации и осуществляется их корректировка.
21.3. Диагностика и прогнозирование состояний
природно-технических систем, обеспечивающие
решение экологической проблемы
Специальное картографирование территории
для решения экологической проблемы
Оценка текущего состояния компонентов окружающей среды (экологической ситуации) внутри границ ПТС дается на основании собранных материалов, описывающих источники, виды, масштабы негативных техногенных воздействий на природную среду (атмосферу, почвы, биоту, поверхностные воды, приповерхностную область литосферы). Методика составления картографических моделей для диагностики экологического состояния геологической среды и прогноза ее изменения под влиянием хозяйственной деятельности человека в настоящее время разрабатывается многими исследователями.
В. Т. Трофимов [31] подразделяет карты, предназначенные для решения различных вопросов экологической проблемы, по их содержанию на карты: эколого-геологических условий (отражающие комплекс параметров или отдельные характеристики литосферы, негативно воздействующие на биоту); эколого-геологического районирования (оценивающие современное состояние эколого-геологических условий, с выделением классов состояний); эколого-геологические прогнозные (отображающие пространственно-временной прогноз изменения эколого-геологических условий в процессе функционирования природно-технической системы) и эколого-геологические рекомендательные (базирующиеся на эколого-геологической и социально-экономической информации.
В настоящее время предлагаются различные методы составления инженерно-геологических карт экологической направленности. Так, например, при составлении «Карты оценки экологического состояния геологической среды России масштаба 1 : 5 000 000» (И. М. Ципина, В. Н. Островский, Б. Е. Антыпко и др., 1996 г.) учитывались естественные и техногенные факторы. Среди первых во внимание принимались: потенциал самоочищения от загрязнения минеральными веществами, гидрогеохимическая зональность, наличие региональных депонирующих барьеров, пораженность территории экзогенными геологическими процессами, неотектоническая активность и предрасположенность геосреды к интенсификации ЭГП. При рассмотрении техногенных факторов учитывались виды ПТС (энергетические, коммунально-бытовые, промышленные, транспортные, горнодобывающие, сельскохозяйственные), парагенезисы техногенных процессов, их функционирования, дифференцированные по интенсивности и режиму их проявления, по характеру экологической опасности.
Большую пользу при решении экологических проблем могут принести: карты устойчивости геологической среды к различным техногенным воздействиям; карты естественной защищенности территории от проникновения загрязняющих веществ; карты оценки риска неблагоприятных инженерно-геологических процессов.
Оценка устойчивости геологической
среды к техногенным воздействиям
Одна и та же область литосферы проявляет различную устойчивость (неизменность ее состояния) к разным техногенным взаимодействиям. Она может быть устойчива по отношению к одним видам взаимодействий и неустойчива — к другим. Для каждого вида взаимодействий существуют свои структура и границы области его проявления. Эти обстоятельства предопределяют необходимость дифференцированного подхода к разным взаимодействиям и требуют разработки комплекта карт устойчивости геологической среды (ГС). Г. К. Бондариком, Е. Н. Иерусалимской, Л. А. Ярг разработана корректная методика картографирования устойчивости геологической среды к разным взаимодействиям. В соответствии с этой методикой составлен комплект карт устойчивости приповерхностной области литосферы европейской части Российской Федерации масштаба 1 : 500 000. Комплект включает устойчивость ГС: к дополнительной механической нагрузке; к взаимодействию с водными растворами; к взаимодействию с кислыми промышленными водами; к взаимодействию с жидкими нефтепродуктами.
Координаты системы ГС и их предельные значения, использованные при оценке устойчивости территории РФ к различным видам взаимодействий, помещены в табл. 21.2.
Таблица 21.2. Параметры — координаты и их предельные значения
Примечание. Грунты с величиной модуля общей деформации 13 МПа классифицированы как слабо сжимаемые и несжимаемые, а грунты, находящиеся в состоянии полного водонасыщения с модулем общей деформации менее 5 МПа относятся к слабым, сильно сжимаемым.
Устойчивость геологической среды по отношению к жидким нефтепродуктам (НП) определялась с учетом способности грунтов сорбировать и пропускать НП. Рассмотрены области взаимодействия геологической среды, в пределах которых распространены грунты зоны аэрации и первый от поверхности горизонт гидрокарбонатно-кальциевых вод (до первого водоупора). Признаки, по которым оценивалась устойчивость, таковы: проницаемость песчаных грунтов в отношении растворов НП; сорбционная способность глинистых грунтов; пороговые значения коэффициентов фильтрации для других грунтов; гидрогеологические и геоморфологические условия.
На карте показаны территории с весьма неустойчивой геологической средой, с максимально благоприятными условиями миграции НП (речные долины) и районы распространения с весьма устойчивой по отношению к НП геологической средой (водоразделы равнин с локально развитыми грунтовыми водами, сложенные грунтами с высокой сорбционной способностью). Фрагмент карты устойчивости геологической среды к нефтепродуктам представлен на рис. 21.1.
Рис. 21.1. Карта устойчивости геологической среды европейской части
РФ к взаимодействию с нефтепродуктами (фрагмент)
1–5 — грунты: 1 — устойчивые, обладающие способностью сорбировать нефтепродукты, слабопроницаемые — глинистые озерные, морские, озерно-ледниковые, ледниковые и субаэральные, слагающие районы водораздельных равнин с локальным распространением грунтовых вод; 2 — относительно устойчивые, обладающие сорбционной способностью, относительно малопроницаемые — скальные, полускальные, песчаные и песчано-глинистые водонасыщенные, перекрытые глинистыми грунтами, слагающие районы водораздельных равнин, сплошного распространения грунтовых вод на глубинах свыше 10 м; возможно загрязнение грунтовых вод в местах, где грунты зоны аэрации имеют трещины, полости и макропоры; 3 — неустойчивые, обладающие слабой сорбционной способностью и невысокой проницаемостью — супесчаные и песчано-глинистые озерные, водно-ледниковые, морские, слагающие районы водораздельных равнин, сплошного распространения грунтовых вод на глубинах менее 10 м; возможно накопление нефтепродуктов в грунтах зоны аэрации с последующим поступлением в грунтовые воды с атмосферными осадками; 4 — неустойчивые, не обладающие способностью сорбировать нефтепродукты, проницаемые — песчаные и песчано-гравийные разного генезиса, слагающие районы водораздельных равнин, сплошного распространения грунтовых вод на глубинах менее 10 м; возможно поступление нефтепродуктов в грунтовые воды через зону аэрации; 5 — неустойчивые, не обладающие сорбционной способностью, проницаемые — песчаные и супесчано-песчаные аллювиальные, слагающие районы речных долин, сплошного распространения грунтовых вод на глубинах менее 10 м; возможно поступление нефтепродуктов в грунтовые воды с последующим их переносом в другие районы с речными и паводковыми водами; 6 — граница, разделяющая районы с различной устойчивостью геологической среды к взаимодействию с нефтепродуктами
Устойчивость ГС к взаимодействию с водными растворами оценена для грунтов зоны аэрации. При оценке устойчивости учитывалась способность грунтов терять механическую прочность при дополнительной нагрузке при дополнительном увлажнении. Водопрочность структурных связей грунтов устанавливалась через показатель их размокаемости (размягчаемости — для скальных грунтов). Результаты анализа представлены в виде специальной карты, на которой выделены области ГС с различной чувствительностью к увлажнению, представленные размокающими, набухающими, просадочными, размягчаемыми грунтами, а также области ГС, в пределах которых грунты не реагируют на дополнительное увлажнение. При районировании учтены условия залегания, мощность неводопрочных грунтов и мощность зоны аэрации.
Устойчивость ГС к взаимодействию с кислыми промышленными водами, агрессивными по отношению к скелету грунта, оценена для толщ грунтов, залегающих выше местного базиса эрозии, где существуют наиболее благоприятные условия интенсивного водообмена. По способности грунтов терять прочность структурных связей при взаимодействии с кислыми водами выделены области ГС с различной устойчивостью в отношении кислых растворов, в том числе устойчивые, в пределах которых грунты не взаимодействуют с кислотами. На карте показаны области с различной устойчивостью в отношении к рассматриваемым взаимодействиям. При их выделении учтены условия залегания, форма залегания грунтовых тел (пласты, линзы), их мощность.
Устойчивость грунтов к механическим взаимодействиям (к дополнительной нагрузке) оценена с учетом их расчетного сопротивления и модуля общей деформации. Обоснованы граничные условия устойчивых и неустойчивых частей территории РФ к механическим взаимодействиям и выполнено районирование, нашедшее отражение в соответствующей карте.
Карта устойчивости геологической среды европейской части РФ к основным видам техногенных взаимодействий составлена с учетом набора рассмотренных техногенных взаимодействий внутри границ субъектов РФ. Оценка представлена в виде отношения суммарной площади неустойчивой ГС к общей площади: если оно равно 75 % — территория субъекта неустойчива, > 50 % — относительно неустойчива; < 50 % — относительно устойчива; < 25 % — устойчива. На карте показаны также виды взаимодействий, по отношению к которым ГС устойчива и неустойчива (рис. 21.2).
Рис. 21.2. Карта устойчивости геологической среды европейской части РФ
к основным видам техногенных взаимодействий (фрагмент).
1 — оценка устойчивости геологической среды региона к комплексу взаимодействий:
М — механическое; В — с водой; К — с кислыми промышленными водами;
Н — нефтепродуктами; 2 — границы регионов
Оценка естественной защищенности территории
от техногенных воздействий
При составлении карты естественной защищенности территории от загрязнений:
· оценивается естественная защищенность территории от проникновения загрязняющих веществ и наличие зон особой чувствительности;
· анализируются глубина воздействия, состав и содержание загрязняющих веществ, поля содержания вредных компонентов;
· обосновываются предполагаемые границы зоны воздействия и соответственно границ территории инженерно-экологических исследований;
· обосновывается необходимость организации системы мониторинга.
Оценка степени защищенности литосферы и подземной гидросферы от проникновения вредных компонентов (по В. М. Гольбергу) дается с учетом четырех показателей: глубины залегания водоносного горизонта (мощность зоны аэрации); литологии пород зоны аэрации; мощность слабопроницаемого слоя в разрезе зоны аэрации (m0); фильтрационные свойства пород зоны аэрации (через литологический состав).
Выделяют пять границ глубин (Н) залегания водоносного горизонта (табл. 21.3).
Таблица 21.3. Ранжирование компонентов природных условий по глубине
По литологии и соответственно по фильтрационным свойствам слабопроницаемого слоя отложения делятся на три группы (табл. 21.4):
Таблица 21.4. Ранжирование компонентов природных условий
по мощности и литологии слабопроницаемого слоя
· группа «а» — супеси, легкие суглинки (кф 0,1–0,01 м/cут);
· группа «б» — суглинки, песчанистые глины (кф 0,01–0,001 м/cут);
· группа «в» — глины тяжелые (кф < 0,01 м/cут).
Сумма баллов, обусловленная градациями глубин залегания уровня грунтовых вод, мощностью и проницаемостью слабопроницаемого слоя, определяет степень защищенности грунтовых вод и горных пород (табл. 21.5).
Таблица 21.5. Категории защищенности территории по сумме баллов
I категория — наименее благоприятная; VI категория — наиболее благоприятная.
По результатам подсчета баллов в конкретных точках строится карта защищенности территории от неблагоприятных техногенных воздействий; участки I и II категории защищенности закрашивают в желтый цвет; III–IV категории защищенности — в оранжевый; V–VI — в коричневый. На карту наносятся источники загрязнения (предприятия, отстойники, хвостохранилища, поля фильтрации, поля орошения и др.).
Оценка защищенности напорных вод для первого водоносного горизонта может быть выполнена на основании: мощности водоупора и состава слагающих его горных пород; соотношения уровней исследуемого и вышележащего водоносного горизонта, которые могут иметь три варианта: Н2 > H1; H2 = H1; H2 > H1.
По соотношению этих двух показателей могут быть выделены следующие группы защищенности: I — защищенные водоносные горизонты: m0 > 10; Н2 > H1; II — условно защищенные водоносные горизонты: а) m0 = = 5–10; Н2 > H1; б) m0 > 10; Н2 > H1; III — незащищенные водоносные горизонты: m0 <5; H2 < H1.
Методика оценки риска ЭГП на региональном уровне
Еще до недавнего времени одной из главных прикладных задач инженерной геологии было обеспечение оптимального функционирования сооружений (гражданских, энергетических, промышленных, горных и др.). В настоящее время жесткий прессинг на природную среду, оказываемый деятельностью человека, создал новую проблему — экологическую, и в том числе проблему неблагоприятного изменения геологической среды.
В настоящее время назрела острая необходимость оценки риска опасных ЭГП как на региональном, так и на локальном уровнях.
Стремление оценить риск катастрофы, которая может нанести ущерб человеку (и его имуществу), впервые возникло в странах, территории которых находятся в сейсмических зонах, зонах вулканической деятельности и распространения цунами (Индия, Малайзия, Индонезия, Япония, Португалия и др.), в которых существуют законодательные акты, предусматривающие страхование недвижимости и имущества с учетом риска возникновения «природных процессов».
Приемы оценки риска опасных ЭГП освещены в работах А. И. Шеко, А. Л. Рагозин, И. А. Саваренский, А. Л. Ревзон и др. При оценке риска учитываются:
1) показатель пораженности территории ЭГП: отношение площади, пораженной процессом, к общей площади, для которой осуществляют расчет;
2) показатель активности проявления ЭГП: отношение площади, активного проявления процесса к площади всех форм его проявления, развитых в пределах морфологического элемента, для которого осуществляют расчет;
3) показатель вероятности развития ЭГП: отношение числа современных форм проявлений некоторого ЭГП к общему числу его форм в пределах оцениваемой территории;
4) риск потерь от развития геологической опасности (А. Л. Рагозин).
Вероятность проявления опасного ЭГП можно оценить, опираясь на системный подход и положения общей теории геосистем (Г. К. Бондарик).
Основные положения теории, которыми следует руководствоваться при оценки риска ЭГП, таковы.
1. Состояние геосистемы в некоторый момент времени определяет набор геологических параметров — координат системы.
2. Функционирование (движение) геосистемы есть процесс изменения координат системы в физическом времени.
3. В зависимости от значений координат система может находиться внутри области допустимых состояний (равновесный или квазипериодический режим) или выходить за ее пределы (переходный режим, означающий разрушение системы);
4. Выход геосистемы за границы области допустимых состояний отвечает риску ЭГП, равному единице, т. е. наступлению опасного процесса.
Алгоритм оценки риска ЭГП на региональном уровне может быть представлен в виде логической последовательности операций, помещенной на рис. 21.3.
Рис. 21.3. Алгоритм оценки риска ЭГП
Реализация подобного подхода осуществлена при оценке риска селевого процесса для территории Грузии.
Главными характеристиками условий формирования селевых потоков являются критические значения селеформирующих осадков и стока; масса склоновых отложений, являющихся источником твердой составляющей селей.
Опираясь на вышесказанное, в качестве координат литосистемы «горный склон» при оценке риска селевого процесса могут быть приняты:
· масса продуктов разрушения пород, образующаяся в процессе выветривания горных пород (интенсивность процесса выветривания Vт = f (состава пород)), кг/м2 · год;
· масса селеформирующего потока (Vв = f (H · α · F) — (количество атмосферных осадков, умноженное на уклон поверхности);.
Для оценки риска процесса используем значения координат селеформирующего стока (VW) и селеформирующей массы твердой фазы (VТФ), полученной в ходе режимных наблюдений за интенсивностью выветривания пород разного состава и периодичностью проявления селевых потоков на территории Грузии.
По скорости процесса выветривания рассматриваемые породы могут быть ранжированы в ряд: аргиллиты (8–10 кг/м2) < мергели < аспидные сланцы < лавобрекчии < туфы и туфобрекчии < кристаллические сланцы и гранитоиды < порфириты (0,43 кг/м2).
Критические значения координат, определяющие границы ОДС, имеют следующие величины: массе селеформирующего рыхлого материала, равная 10 кг/м2; значение селеформирующих стоков, равно 48 м3/м2.
Результаты расчета риска помещены в табл. 21.6.
Таблица 21.6. Нормированные значения координат
и оценки риска возникновения селей
Примечание. Оценка риска селевого процесса выполнена: с учетом различия в скорости выветривания горных пород (вариант А); на основе принятия максимальной интенсивности выветривания (вариант Б).
Схема районирования территории Грузии по пораженности селями (Э. Д. Церители) с численной оценкой риска селевого процесса на данной территории помещена на рис. 21.4.
Рис. 21.4. Схема районирования территории Грузии
по пораженности (знаменатель) и оценке риска (числитель) селевого процесса.
Условные обозначения: см. табл. 21.5