Геоэкологическая оценка малых водотоков Петербурга в условиях современной антропогенной нагрузки на основе геохимических баз данных и ГИС

Актуальность исследования. 300-летний период существования городских рек и каналов в черте Санкт-Петербурга характеризовался постепенным переходом от природных условий к этапу техногенеза, что было вызвано ростом численности населения и развитием промышленности.

Среди комплекса проблем, связанных с загрязнением водотоков, одной из важнейших является проблема загрязнения донных отложений тяжелыми металлами, которые по оценке многих специалистов являются самыми опасными загрязнителями (Янин Е.П., 2003 и др.). Тяжелые металлы сравнительно экспрессно и количественно определяются в объектах окружающей среды современными аналитическими методами. Изменения в особенностях их распределения сопровождают практически все виды воздействий, что позволяет использовать их как чуткие индикаторы потоков загрязняющих веществ.

Особенностью геоэкологических задач является необходимость комплексной обработки разнообразных форм представления данных о процессах и явлениях, происходящих на поверхности Земли. Оптимизировать проведение исследований, сократить время и усилия, затрачиваемые на привязку информации и выполнение картографических работ, и систематизировать исходный объем информации позволяет применение современных компьютерных технологий.

Наиболее ценной информацией для анализа экологической ситуации в регионе являются данные натурных наблюдений. Базы данных с результатами замеров конкретных показателей позволяют провести детальный анализ воздействия на природную среду на уровне отдельных производственных объектов: оценить фактическое загрязнение, выделить его источники и пути распространения. Пространственная привязка данных и, соответственно, необходимость их пространственного анализа, определяют необходимость применения технологии географических информационных систем (ГИС).

Результаты геоинформационного картографирования позволяют наглядно выявить зоны экологической напряженности и определять первоочередные мероприятия по рациональному природопользованию и обеспечению экологической безопасности водных экосистем.

Исходя из этого, диссертационное исследование посвящено актуальной проблеме — оценке геоэкологического состояния природной среды акваторий по данным геохимического исследования содержания тяжелых металлов в донных отложениях через создание базы данных и геоинформационного моделирования и на этом основании районированию акваторий по степени проявления загрязнений.

Объект исследования: малые водотоки (р. Мойка, р. Пряжка, кан. Грибодова, р. Охта, р. Оккервиль, р. Монастырка, Обводный кан.) Санкт-Петербурга.

Предмет исследования: особенности распределения содержания тяжелых металлов в донных отложениях малых водотоков Санкт-Петербурга.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование состояния и динамики поведения тяжелых металлов в донных отложениях малых водотоков Санкт-Петербурга через создание базы данных и геоинформационного картографирования экологической ситуации.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

— анализ изученности геоэкологического состояния малых водотоков Санкт-Петербурга в контексте истории развития мегаполиса;

— разработка алгоритма построения базы данных геохимического состояния донных отложений малых водотоков и выполнение ее программной реализации;

— создание геоинформационной системы, основой которой служит автоматизированная база данных, а также программно-аналитический инструментарий для геоэкологического картографирования;

— определения уровней загрязнения донных отложений малых водотоков тяжелыми металлами и анализ пространственного распределения на основе созданной ГИС;

— оценка влияния геохимических аномалий в донных отложениях на окружающую среду и выявление наиболее загрязненных участков, используя разработанную ГИС;

— разработка рекомендаций по совершенствованию анализа геоэкологического состояния малых водотоков Санкт-Петербурга.

Защищаемые положения:

— концептуальная модель хранения географических данных позволяет создать универсальную структуру для обработки, анализа и отображения геоэкологической информации;

— программная реализация базы данных геохимического состояния донных отложений малых водотоков Санкт-Петербурга на основе применения метода реляционной организации данных позволяет создать геоинформационную систему «Малые водотоки Санкт-Петербургского региона»;

— состав и закономерности распределения ассоциаций химических элементов в донных отложениях свидетельствуют о сопоставимом влиянии природных и антропогенных процессов на малые водотоки Санкт-Петербурга;

— пространственный геоэкологический анализ позволяет производить типизацию малых водотоков Санкт-Петербурга и проектировать меры их экологической защиты.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации легли результаты изучения малых водотоков Санкт-Петербурга и его окрестностей, полученных автором в течение полевых сезонов 2005;2007 гг. Основой фактического материала исследования явилось большое количество кернов и поверхностных проб донных отложений, собственноручно отобранных и изученных автором. Соискателем было выполнено общей сложностью более десяти тысяч элементо-определений в лабораториях Геохимии окружающей среды имени А. Е. Ферсмана РГПУ имени А. И. Герцена и радиационной гигиены СЭС Санкт-Петербурга.

Научная новизна работы заключается в выявлении пространственных закономерностей распределения тяжелых металлов в донных отложениях малых водотоков Санкт-Петербурга, выделении геохимических аномалий и определении их возможных источников.

Разработанная и реализованная база данных представлена в электронном виде и доступна для эффективного поиска и использования в научных и практических целях имеющейся информации о местоположении пунктов опробования, результатов аналитических исследований, а также данных статистической обработки донных отложений. На основе специализированной базы данных создана ГИС для малых водотоков Санкт-Петербурга.

Геохимические карты, построенные на основе разработанной ГИС позволяют получать новые данные по распределению химических элементов в донных отложениях малых водотоков Санкт-Петербурга.

Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на большом количестве качественных исходных материалов, применении современных методов исследования вещества с использованием новейших компьютерных технологий обработки аналитических материалов, ГИС технологии анализа и представления результатов, а также анализе отечественных и зарубежных литературных источников и публикаций по исследуемой проблеме.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке новейших подходов к геоэкологической диагностике окружающей среды через создание многокомпонентной управляемой базы данных в комплексе со специализированной геоинформационной системой.

Практическая значимость работы. Полученные данные рекомендуется использовать для дальнейшего изучения процессов и явлений в геоэкологической среде с целью предотвращения или минимизации ее негативных изменений, вызванных природными процессами и под воздействием антропогенной нагрузки, а также для планирования мероприятий, направленных на обеспечение экологической безопасности малых водотоков.

Созданная база данных и реализованная на ее основе информационно-аналитическая система могут быть использованы, как образец при решении аналогичных задач в других регионах.

Результаты используются экологическими организациями города, в учебном и научном процессе РГПУ им. А. И. Герцена.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 печатных работах. Результаты исследования доложены на IV и V Международных семинарах «Геология и эволюционная география» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2004, 2005 гг.) — IV Международной конференции «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2005 г.) — VI и VII Межвузовской молодежной научной конференциях «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ, 2005, 2006 гг.) — LIX Межвузовской конференции «География и смежные науки» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2006) — XIII Международной научной конференции «Ломоносов-2006» (МГУ им. М. В. Ломоносова, 2006) — IV Международной научной конференции «География, геология, геоэкология: опыт научных исследований» (ДНУ, Днепропетровск (Украина), 2007).

2.6. Основные результаты.

Концептуальная модель, на основе которой разработана база данных «Геохимия окружающей среды», ориентирована на хранение большого количества информации о проведенных наблюдениях. Модель позволяет организовать процессы обработки, анализа и отображения геоинформации.

В рамках интерактивного прикладного программного обеспечения реализован набор функций и методов манипулирования геохимической информацией — ввод и редактирование данных по пробе донных отложений, контроль качества исходной геоинформации и вывод заранее определенных отчетных форм.

Разработанная база данных вместе с информационной системой полностью решает задачи сбора и хранения информации о геохимических свойствах донных отложений малых водотоков Санкт-Петербургского региона, а также поддержки заранее определенных отчетных форм.

Интеграция базы данных и методов их обработки с географической информационной системой создает качественно новый инструмент исследования экологической ситуации малых водотоков и обеспечивает комплексный анализ геоинформации.

Разработанная ГИС «Малые водотоки Санкт-Петербургского региона» позволяет создавать новые тематические слои, изменять имеющиеся слои, производить анализ и обработку данных и др. Таким образом, разработанная ГИС позволяет создать корректную информационную базу для решения задач геоинформационного моделирования геоэкологической ситуации происходящих на территориях малых водотоков.

В настоящее время разработанная база данных находится в компьютерной сети Лаборатории Геохимии окружающей среды имени А. Е. Ферсмана, и постоянно пополняется новой и дополнительной информацией. Также она распространена на компакт дисках для внешнего пользования. База данных в комплексе с ГИС «Малые водотоки Санкт-Петербургского региона» активно используется в научно-исследовательских работах студентов и аспирантов факультета географии РГПУ имени А. И. Герцена.

Глава 3. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОРСКОЙ БАЗЫ ДАННЫХ.

3.1 Проблемы малых водотоков.

Проблемы малых водотоков чрезвычайно многообразны. Как уже отмечалось в главе 1, их тип, характер и масштабы зависят от вида и направленности хозяйственной деятельности. Во всех случаях в итоге они являются экологическими, так как, в конечном счете, все, что происходит с малыми водотоками, в той или иной степени отражается на экосистеме. При этом чем меньше река, тем сильнее она подвержена антропогенному воздействию, тем меньше ее способность к самоочищению, саморегуляции и самовосстановлению. То есть из-за небольших размеров, невысокого энергетического потенциала и меньшего противодействия окружающим условиям, малые реки подвержены влиянию большого количества таких внешних факторов, действие которых на крупные реки не всегда заметно.

Донные отложения в малых водотоках представляют собой сложную многокомпонентную систему и играют чрезвычайно важную роль в формировании гидрохимического режима водных масс и функционировании водной экосистемы. При накоплении донных отложений (заилении) изменяются морфометрические показатели водотоков, происходящие в грунтах дна и придонном слое воды, химические и биологические процессы приводят к изменениям состава воды.

Донные отложения, с одной стороны, обладая свойствами сорбента, могут благоприятствовать удалению веществ из водной толщи и таким образом способствовать улучшению качества воды. С другой стороны, аккумулирая различные химические соединения, являться источниками вторичного загрязнения, что особенно актуально для малых водотоков.

Интенсивное использование малых рек в хозяйственной деятельности в г. Санкт-Петербурге вызывает необходимость проведения различного рода природоохранных мероприятий. Ухудшение качества воды и донных отложений поверхностных водотоков не может не сказаться на условиях жизнедеятельности населения пятимиллионного города. Кроме того, реки и каналы оказывают существенное влияние на качество воды р. Невы.

Донные отложения исследуемых водотоков являются сложными, как по происхождению, так и по составу и времени накопления, что предопределило пеструю, порой «мозаичную» картину их распределения на дне водотоков. При этом большая часть из этих образований относится «к собственно» современным донным осадкам, находящимся в равновесии с существующим режимом осадконакопления и гидродинамики. Остальные отложения сформировались в иные палеогеографические этапы при более высоком уровне моря (Рыбалко А.Е. и др., 2002). В настоящее время они не участвуют в литодинамических процессах, являясь субстратом для формирующемся на них своеобразном типе аллювиальных отложений — техногенных илах. Подобные осадки формируются на всем протяжении русла рек, испытывающих мощнейшую техногенную нагрузку, и по своим литолого-геохимическим характеристикам существенно отличаются от типичного руслового аллювия. Это позволяет провести границу между техногенными отложениями — продуктами техноседиментогенеза — и загрязненными донными осадками (Опекунов А.Ю., 2005), являющимися в основе своей результатом естественных процессов осадкообразования, на которые накладывается внешний фактор, приводящий к их химическому загрязнению.

Общей особенностью исследуемых водотоков является высокая насыщенность прилегающей территории промышленными предприятиями и транспортной инфраструктурой, что обусловливает большой объем промышленных сбросов. Наравне с промышленными предприятиями большую роль в загрязнении водотоков города играют автомобильные и железнодорожные мосты, судоходное движение в летнее время года, сток ливневых вод, который становится причиной роста концентраций в воде и осадках нефтяных углеводородов, тяжелые матыллы и взвешенных веществ.

Совместное рассмотрение донных осадков разных водотоков города имеющих различное происхождение (реки и каналы) обусловлено:

— во-первых, единой позднечетвертичной историей формирования осадочных пород всего района, который дренируется исследуемыми водотоками;

— во-вторых, идентичностью современных условий формирования донных отложений, определившей близость фациально-генетических типов отложений, участвующих в строении вертикального профиля донных отложений.

Анализ вещественного состава и особенностей распространения осадков по литературным источникам (Рыбалко А.Е. и др., 2002; Опекунов А. Ю., 2005) и результатам собственных исследований (Тимиргалеев А.И., 2006; Тимиргалеев s.

А.И. и др., 2005; Гильдин С. М. и др., 2006; Марков В. Е. и др., 2005), показал, что для изученных водотоков характерен довольно пестрый состав поверхностных донных отложений. Большая их часть представлена песчаными разностями, которые находятся в сложном чередовании с илистыми осадками (в основном техногенными илами). Последние обычно занимают осевые части рек и каналов, а также образуют скопления под мостами либо напротив впадения других рек или каналов, а так же фиксируют места сброса сточных вод (Янин Е.П. и др., 1992).

По разрезу осадки изученных водотоков, представленные техногенными илами (Опекунов А.Ю., 2004), сохраняют относительно неизменный гранулометрический и валовой микроэлементный состав, указывающий на относительную стабильность гидродинамических и физико-химических условий водотоков. Эта стабильность обусловлена, по-видимому, кратковременностью стадии формирования илов, что обеспечивает относительное постоянство состава поступающего техногенного материала, высокую скорость осадконакопления (местами до 10 см в год (Рыбалко А.Е. и др., 2002)) и устойчивость геохимических условий.

Статистическая обработка геохимических данных осуществлялось для донных отложений каждого малого водотока Санкт-Петербургского региона раздельно. Основное внимание уделено установлению общих закономерностей пространственного распределения химических элементов Pb, Zn, Си, Ni, Со, Fe,.

Mn, Cr, V, Ti, As и Sr и связей между ними, а также обнаружению возможных источников их возникновения. На начальном этапе рассчитывались основные параметры: среднее гармоническое (Сгар&bdquo-), среднее геометрическое (Сге0&bdquo-) и стандартный множитель).

Для выяснения уровня содержания изученных элементов в малых водотоках Санкт-Петербургского региона осуществлялось их сопоставление с кларками химических элементов в земной коре по А. П. Виноградову (табл. 4) (Виноградов А.П., 1962). Для этого были рассчитаны кларки концентраций (Кк) элементов — отношение среднего содержания микроэлементов в донных отложениях к условному их кларковому содержанию в земной коре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

— в настоящее время для большинства водотоков Санкт-Петербурга типичен переход к техногенному режиму функционирования, который выделяется в первую очередь утратой ассимиляционной способности водотоков, развитием процессов техногенного осадконакопления аквальных геосистем;

— концептуальная модель, на основе которой разработана база данных «Геохимия окружающей среды» ориентирована на хранение большого количества информации о проведенных наблюдениях, позволяет организовать процессы обработки, анализа и отображения геоинформации. В рамках интерактивного прикладного программного обеспечения реализован набор функций и методов манипулирования геохимической информацией — ввод и редактирование данных по пробе донных отложений, контроль качества исходной геоинформации и вывод заранее определенных отчетных форм;

— разработанная ГИС «Малые водотоки Санкт-Петербургского региона», основой которой служит база данных «Геохимия окружающей среды», позволяет создать корректную информационную базу для решения задач геоинформационного моделирования геоэкологической ситуации, происходящих на территориях малых водотоков. Структура геоинформационной системы представляют возможность интегрировать разнородную геохимическую информацию из реляционных баз данных и обеспечивать оперативность управления массивами данных. Использование функций пространственного анализа геоинформационных систем позволяет моделировать сложные геохимические процессы по результатам исследований;

— с применением геоинформационных технологий произведена оценка загрязнения донных отложений тяжелыми металлами, которая позволила определить уровень загрязненности водотоков, типизировать малые водотоки по степени загрязненности, выделить ассоциации элементов-загрязнителей и закономерности распределения;

— оценка по экологическим параметрам показала, что большинство рассматриваемых малых водотоков Санкт-Петербурга имеют средний уровень техногенного загрязнения и среднюю степень санитарно-токсикологической опасности. Наиболее загрязненными являются р. Пряжка (высокий уровень загрязнения и очень высокая степень санитарно-токсикологической опасности) и участок р. Охта (высокий уровень загрязнения и очень опасная степень санитарно-токсикологической опасности);

— изучение геоэкологического состояния малых водотоков Санкт-Петербурга позволило выявить ряд проблем, как и возможностей оценки геоэкологического состояния, так и восстановление водотоков. Предложены меры по совершенствованию существующей системы геоэкологического анализа и более эффективному использованию полученных данных в системе поддержки принятия решений по минимизации вредного воздействия поллютантов на экологию аквальных геосистем.