Региональная оценка опасности загрязнения подземных вод как компонента окружающей среды

Актуальность.

Проблема безопасности развития цивилизации в целом, а также национальной безопасности отдельных стран включает в себя ряд взаимосвязанных аспектов политической, экономической, социальной и экологической направленности.

Одним из важных элементов национальной безопасности является экологическая безопасность, которая понимается как состояние защищенности личности, общества, государства, окружающей природной среды от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на нее.

Комплексная оценка влияния антропогенных факторов на окружающую среду (ОС) и ее компоненты включает в себя ряд подходов в исследовании этой проблемы. Среди разных подходов наиболее приемлем, по нашему мнению, компонентный подход, когда объектами исследования являются атмосфера, педосфера, литосфера, гидросфера (поверхностная и подземная) и биосфера [1]. На рисунке В.1 приведена схема соотношения ОС и подземной гидросферы как ее компонента.

Рис. В.1. Схема взаимодействия природных компонентов ОС.

Одним из важных факторов, обеспечивающих жизнедеятельность биосферы, в планетарном масштабе — экосферы, является круговорот воды [2]. А. И. Перельман называет воду «кровью ландшафтов», которая находится в сложных взаимодействиях с организмами, горными породами и атмосферой. Ландшафты характеризуются круговоротом воды, сравнимым с единым биологическим круговоротом атомов. Вода выполняет химическую работу (растворение, выщелачивание и др.), но эта работа осуществляется преимущественно за счет биогенной энергии, за счет организмов, находящихся в данной воде, или за счет продуктов их жизнедеятельности. .

Одним из важных моментов влияния подземных вод (ПВ) на ОС является водоотбор ПВ для хозяйственно-питьевых целей. Воздействие водоотбора проявляется в изменении водного режима ландшафтов и экосистем и главным образом касается растительности и поверхностного стока. Отмечается зависимость состава растительных сообществ от уровня грунтовых вод (ГВ) [3].

Влияние водоотбора приводит к уменьшению поверхностного и подземного стоков, особенно это опасно для водосборных бассейнов малых рек.

Загрязненные ПВ могут вызывать загрязнение ОС. ПВ выносят содержащиеся в них загрязняющие вещества (ЗВ) в поверхностные водотоки и водоемы.

Подъем уровня загрязненных ПВ может вызвать загрязнение почв и пород зоны аэрации, изменить режим влажности, способствовать деградации растительного и животного мира, приуроченного к почвенному покрову в зоне повышения уровня ГВ.

Природные и техногенные компоненты ОС находятся в тесном взаимодействии между собой (рис. В.1). Загрязнения из техносферы попадают в виде пыли и аэрозолей в атмосферу, в виде жидких стоков в поверхностные воды, в почву поступают и жидкие и твердые ЗВ, биосфера получает негативный эффект от воздействия всех типов ЗВ. Подземная гидросфера имеет отличительные черты в развитии процессов её загрязнения: с одной стороны, она относительно защищена от источников загрязнения, находящихся, как правило, на поверхности земли, почвами и породами зоны аэрации, а с другой, она достаточно сильно загрязнена в зонах интенсивной производственной и сельскохозяйственной деятельности (особенно сильно это проявляется в первом от поверхности водоносном горизонте — ГВ).

Несмотря на огромные запасы питьевых вод, в стране все чаще возникают трудности с водоснабжением больших городов на Европейской территории России. Поверхностные и подземные воды на территориях, прилегающих к объектам промышленности, сельского хозяйства, добычи и переработки полезных ископаемых, в различной степени загрязнены отходами деятельности этих предприятий. Продолжается загрязнение земель тяжелыми металлами, нефтепродуктами и другими ЗВ на территориях вблизи крупных объектов цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения. Последствия аварии на ЧАЭС до сих пор сказываются на радиоактивном загрязнении почв и пород на территории Брянской, Калужской, Тульской, Орловской областей. Города и промышленные центры- — основные производители производственных и бытовых отходов. Значительную экологическую угрозу для страны представляют стойкие органические загрязнители (диоксины, диоксиновые соединения, полихлорированные бифенилы, пестициды, тяжелые металлы: ртуть, свинец, кадмий), которые обусловливают не только загрязнение ОС, ухудшение состояния природных экосистем, но и усиливают заболеваемость населения.

В данной работе опасность загрязнения ОС и ПВ рассматривается с одной стороны как угроза жизнедеятельности биосферы и человека, а с другой стороны компоненты ОС выступают в роли накопителей этой опасности в связи с поступлением ЗВ в результате техногенной нагрузки. Особое внимание уделяется подземной гидросфере как одной из главных составляющих круговорота воды в ОС.

В связи с вышесказанным, возникает необходимость геоэкологической характеристики территории с точки зрения опасности загрязнения ПВ как компонента ОС. Подземная гидросфера рассматривается как конечный приёмник ЗВ, поступивших из других компонентов ОС, в пределах конкретного региона, а в свою очередь загрязненные подземные воды являются источником загрязнения для поверхностных вод, почв и растительности, на рисунке В1 показана прямая и обратная связь между различными компонентами ОС, включая ПВ. В такой постановке степень загрязнения ПВ можно рассматривать как показатель загрязнения ОС в целом, то есть если загрязнены ПВ, то об экологическом состоянии ОС в данном регионе можно говорить как о неблагоприятном. В связи с этим, при оценке опасности загрязнения ОС в данных исследованиях сделан акцент на оценке опасности загрязнения ПВ.

В работе исследования осуществлялись в следующей последовательности:

— Проведено региональное районирование территории Брянской области по суммарной техногенной нагрузке на ОС и ее компоненты в масштабе 1: 500 ООО. Брянская область была выбрана в качестве объекта исследований, т. к. на ее территории наблюдаются последствия от рассмотренных выше процессов, и была проведена геолого-экологическая съемка, а также ведется государственный мониторинг за состоянием ОС. В результате районирования территория Брянской области была разделена на три района со специфической техногенной нагрузкой: Северный, Западный и Юго-восточный.

— На территории Брянской области оценена опасность загрязнения ОС и ПВ различными ЗВ, характерными для каждого района, с использованием индексов опасности загрязнения компонентов ОС и ПВ: Северный район использовался для изучения влияния точечных источников загрязнения, а Западный — для влияния диффузных источников.

— Для Западного района оценена защищенность и уязвимость ПВ к загрязнению радионуклидами, для Северного — защищенность от загрязнения несорбируемыми ЗВ (нефтепродуктами и др.) и тяжелыми металлами.

Комплексная оценка влияния антропогенных факторов на состояние ОС и ПВ, выполненная для Брянской области, может быть проведена и для других регионов Российской Федерации с неблагоприятной экологической обстановкой.

Цели и задачи работы.

Целью работы является комплексная оценка опасности загрязнения ПВ как компонента ОС на примере Брянской области. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— анализ, обобщение и обработка исходного материала по природно-техногенным особенностям Брянской области (материалы геолого-экологической, геолого-гидрогеологической съемок, специальных исследований — гранты, проекты, данные мониторинга и др.);

— оценка суммарной техногенной нагрузки на ОС и ее компоненты путем ее районирования с построением специальной карты масштаба 1:500 000 на основе ГИС-технологий для Брянской области;

— оценка опасности загрязнения ПВ как компонента ОС с построением соответствующей карты с использованием ГИС-технологий для Брянской области;

— оценка защищенности ПВ от загрязнения радионуклидами, тяжелыми металлами, нефтепродуктами и другими ЗВ с построением соответствующих карт с использованием ГИС-технологий для нескольких районов Брянской области.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые подходы к районированию суммарной техногенной нагрузки на ОС и ее компоненты.

2. Разработана методика комплексной оценки опасности загрязнения ПВ как компонента ОС на основе расчета индексов их устойчивости к негативному воздействию.

3. Проведена оценка экологического состояния территории Брянской области с использованием современных методов картографирования и ГИС-технологий.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Результаты данной работы могут быть использованы для оценки экологического состояния территории (например, Брянской области) для дальнейших прогнозных оценок изменения этого состояния под влиянием антропогенной деятельности.

2. Разработанные методики могут быть использованы для оценки экологического состояния других регионов страны.

Защищаемые положения.

1. Усовершенствованная методика районирования техногенной нагрузки на окружающую среду позволила выделить на территории Брянской области районы, различающиеся по характеру источников и интенсивности их воздействия на компоненты среды.

2. Впервые выполнена оценка опасности загрязнения подземных вод с учетом их взаимодействия с компонентами окружающей среды на основе разработанных индексов. х.

3. На основе прогнозной оценки миграции загрязняющих веществ через защитную зону установлен различный уровень защищенности грунтовых вод от загрязнения токсичными ингредиентами (радионуклидами и тяжелыми металлами и др.).

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы доложены на 7-м международном конгрессе ЭКВАТЭК-2006 «Вода: экология и технология» (Москва, 2006), Научной конференции «Водные экосистемы, организмы, инновации — 8» (Москва, 2006), Научной конференции молодых ученых «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2007, 2008), Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии — Сергеевские чтения (Москва, 2008), Межвузовской научной конференции «Молодые — наукам о земле» (Москва, 2008). Основные положения диссертационной работы отражены в 13 научных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Объем работы 173 страницы машинописного текста, включая 24 рисунка, 16 таблиц. Дополнительные материалы приведены в 13 приложениях.

Список литературы

содержит 92 наименования.

Выводы.

Оценена защищенность и уязвимость ГВ к загрязнению радионуклидами на территории Западного района Брянской области. Построен комплект карт соответствующих карт с использованием ГИС-технологий;

— Оценена защищенность ГВ от загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами на территории Северного участка Брянской области с построением комплекта карт с использованием ГИС-технологий.

— Предложены три сценария реализации опасности загрязнения ПВ через различные компоненты ОС, характерные для Брянской области. Каждый сценарий соответствует развитию негативных воздействий на ПВ, которое имеет место на территории Брянской области в пределах выделенных районов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Комплексная оценка опасности загрязнения ПВ как компонента ОС в данной работе, которая может служить примером регионального исследования, состоит из трех основных направлений: районирования суммарной техногенной нагрузки на ОС, оценки опасности загрязнения ПВ как компонента ОС и оценки защищенности ПВ от загрязнения.

1. При районировании техногенной нагрузки учитываются: типы источников и продуктов загрязнения, характеристика масштаба воздействия или площадь загрязнения (поражения), рейтинг отраслей хозяйственной деятельности по степени загрязнения ОС, характеристика самих ЗВ, их классификация по степени опасности и токсичности, характеристика объемов выбросов ЗВ.

Предложено три подхода к оценке суммарной техногенной нагрузки для крупных регионов страны в зависимости от исходной информации о количественной характеристике этой нагрузки:

Первый подход — оценка суммарной техногенной нагрузки при наличии полной информации о сбросах, выбросах и твердых отходах предприятий различных отраслей промышленности изучаемого региона. В этом случае можно провести ранжирование производственных отраслей по всем известным показателям загрязнения ОС. Рассчитывается суммарный рейтинг техногенной нагрузки для данного пункта путем суммирования всех рейтингов отраслей хозяйства. Установление рейтингов отдельных отраслей проводится относительно самого крупного промышленного центра. Те отрасли промышленности, которые присутствуют в основном и данном населенных пунктах могут иметь одинаковые рейтинги, но в случае, когда выбросы от отдельных отраслей резко отличаются от основного пункта, рейтинги могут корректироваться как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Второй подход — при ограниченной информации о хозяйственной деятельности различных отраслей. При этом подходе можно использовать в качестве рейтинга, относительно которого будет рассчитываться техногенная нагрузка изучаемого региона, условные рейтинги отраслей производственной деятельности на территории Российской Федерации. Полная картина может быть отражена при наличии данных об экономической деятельности по отдельным отраслям исследуемого региона.

Третий подход — наличие только отрывочной, косвенной информации о выбросах в ОС в результате хозяйственной деятельности различных объектов. Этот подход использовался для оценки суммарной техногенной нагрузки на территории Брянской области.

На экспертном уровне определен перечень наиболее опасных для ОС отраслей хозяйства в Брянской области: черная металлургия, ЖКХ, машиностроение и металлообработка, электротехническая, электронная и радиотехническая промышленность, химическая, включая производства стекла и хрусталя, строительных материалов, пищевая промышленность, транспорт.

Для оценки влияния ЗВ, присутствующих в сбросах и выбросах, на ОС и ее компоненты использовались весовые коэффициенты, характеризующие степень опасности отдельных ЗВ по отношению к загрязнению ПВ питьевого назначения. Путем суммирования весовых коэффициентов ЗВ, характерных для каждой отрасли хозяйства, устанавливаем места отраслей по степени воздействия ЗВ на ОС.

Затем по двум показателям (по отраслям и ЗВ), рассчитываем обобщенное место каждой отрасли по среднеарифметической величине и устанавливаем ее рейтинг.

По характеру техногенной нагрузки на ОС территории Брянской области выделены три района: Северный, характеризующийся высокой суммарной техногенной нагрузкойЗападный — средней и Юго-Восточный — слабой, что отражено на карте районирования суммарной техногенной нагрузки, построенной с использованием ГИС-технологий. Каждый район характеризуется специфическим набором ЗВ, присутствующим практически в каждом анализируемом компоненте ОС данного района.

2. Оценка опасности загрязнения ПВ на территории Брянской области проводилась с точки зрения влияния как точечных, так и диффузных источников загрязнения.

Предложенный нами подход к оценке опасности загрязнения точечными источниками основан на применении индексов опасности, определяемых концентрацией ЗВ в загрязненной среде (отдельно в атмосфере, почве, воде).

Для оценки опасности загрязнения ОС и ПВ была проведена корректировка значений величины ПДК для различных групп ЗВ путем присвоения весового коэффициента каждой группе. При этом опасность как потенциальное загрязнение была несколько усилена по отношению к существующему загрязнению, особенно это касается тех ингредиентов, ПДК которых имеют наименьшие значения и которые могут нанести наибольший вред здоровью человека и ОС. Для этого введен весовой коэффициент опасности для усиления степени негативного влияния каждой группы ЗВ по следующему принципу: чем меньше значение ПДК в питьевой воде для группы ЗВ, тем опаснее ЗВ и соответственно больше значение весового коэффициента опасности. Кроме этого учитывались такие характеристики, как токсичность, консервативность, участие в физико-химических процессах, способность образовывать новые формы и др.

Северный район характеризуется очень высокой степенью опасности загрязнения ОС, Западный район — средней, Юго-Восточный — слабой.

Оценка опасности загрязнения ОС и ПВ диффузными источниками загрязнения проводилась для Западного района, как наиболее пострадавшего в результате аварии на ЧАЭС.

3. Оценена защищенность ПВ от загрязнения на территории Северного и Западного районов Брянской области по методике Белоусовой А. П., в основу которой положены прогнозные расчеты времени миграции ЗВ через защитную зону в ГВ. Построен комплект карт защищенности ПВ от загрязнения тяжелыми металлами, нефтепродуктами, радионуклидами и другими ЗВ для этих районов с использованием ГИС-технологий.

Получены предварительные прогнозные оценки развития процессов загрязнения вышеперечисленными ЗВ в защитной зоне и ГВ. Например, от загрязнения кадмием ГВ защищены слабо в долинах рек Десна, Болва, Ипуть, обширные участки со слабозащищенными ГВ расположены в северовосточной части исследуемого района, где размещены наиболее опасные промышленные предприятия г. Брянска и других населенных пунктов: Фокино, Дятьково, Сельцо, Белые Берега. Подобная картина наблюдается для других ЗВ.

Предложены три сценария реализации опасности загрязнения ПВ через различные компоненты ОС, характерные для Брянской области. Каждый сценарий соответствует развитию негативных воздействий на ПВ, которое имеет место на территории Брянской области в пределах выделенных районов.