Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российской академии наук

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Геохимическая опасность и риск на урбанизированных территориях: анализ, прогноз, управление

Специальность 25.00.36 - геоэкология

Галицкая И.В.

Москва - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

И.С.Зекцер

доктор геолого-минералогических наук, профессор

А.В.Лехов

доктор геолого-минералогических наук, профессор

А.П. Хаустов

Ведущая организация - Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обеспечение безопасности всегда являлось одной из важных проблем личности, общества и государства, однако наибольшей остроты она достигла во второй половине ХХ века. В настоящее время развитие цивилизации привело к активизации опасных природных и техноприродных процессов, нарушению экологического баланса, деградации природной среды. Значительное ухудшение экологической обстановки наблюдается не только на локальном и региональном, но даже на глобальном уровне. Особенно актуально обеспечение экологической безопасности населения городов (прежде всего мегаполисов) от угроз, связанных с воздействием загрязненной природной среды. Анализ, оценка и прогноз рисков, обусловленных формированием загрязненных и агрессивных компонентов природной среды и их воздействием на население и объекты городской инфраструктуры - важные элементы обеспечения устойчивого развития урбанизированных территорий, определяющие их оптимальное использование и безопасность жителей. Несмотря на то, что исследования данных рисков активно проводятся зарубежными, а в последние десятилетия и российскими специалистами, единая теоретическая и методическая база исследований разработана недостаточно, что определяет актуальность развития и совершенствования направления. Кроме того, основное внимание уделяется разработке различных аспектов оценки воздействия загрязненных сред на разных реципиентов, тогда как изучение такой важной составляющей риска как формирование загрязненной и агрессивной природной среды, особенно в вероятностной постановке, развивается значительно медленнее. Постановка данной темы обусловлена остротой проблемы обеспечения экологической безопасности на урбанизированных территориях и необходимостью развития теоретических, методологических и методических положений прогноза и управления техноприродными рисками, связанными с загрязнением и агрессивностью природной среды. Актуальность работы подтверждается включением данной темы в программу Президиума РАН (проект 8.1. «Теоретические и методические основы количественной оценки риска природных явлений и катастроф. Прогноз и управление геологическим и геохимическим риском». 2009 г.) и Программу 11 Отделения Наук о Земле РАН (тема «Оценка и прогноз изменения экологического состояния подземных вод на техногеннонагруженных территориях (мониторинг, прогнозы, риски). 2009-2010 гг.»)

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - разработка теоретических, методологических и методических основ анализа, оценки, прогноза и управления геохимической опасностью и риском на урбанизированных территориях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Критический анализ современного состояния исследований опасностей и рисков, обусловленных загрязненностью и агрессивными свойствами компонентов природной среды.

2. Разработка обобщенной концептуальной модели формирования техноприродной геохимической опасности и риска и определение основных составляющих геохимического риска на основе анализа и схематизации источников и факторов формирования опасных геохимических ситуаций на урбанизированных территориях.

3. Разработка методологических и методических основ анализа, оценки и прогноза геохимической опасности и риска на разных этапах освоения урбанизированных территорий.

4. Научное обоснование принципов управления геохимическим риском.

5. Разработка методологических и методических подходов к районированию урбанизированных территории по степени геохимической опасности.

6. Обоснование методических подходов к созданию системы мониторинга как элемента управления геохимическим риском.

7. Апробация основных положений методики оценки, прогноза и управления геохимической опасностью и риском на конкретных объектах.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является техноприродный геохимический риск, предметом исследования - закономерности его возникновения на урбанизированных территориях, прогноз и управление риском. В связи с тем, что достаточно сложно с равной степенью детальности рассмотреть риск, связанный с формированием и реализацией опасных геохимических ситуаций для всех компонентов природной среды, основное внимание уделено подземной гидросфере.

Методы и методика исследования, достоверность и обоснованность полученных результатов. Для решения поставленных задач был применен комплексный метод, заключающийся в теоретическом анализе и научном синтезе существующих методов оценки, прогноза и управления техноприродными рисками, системном подходе к исследованию геохимического риска, теоретическом анализе источников, процессов и факторов формирования геохимической опасности и возникновения риска на урбанизированных территориях, экспериментальном и математическом моделировании гидрогеохимических процессов, апробации основных положений на конкретных объектах.

Основные положения и выводы работы обосновываются теоретическими и натурными исследованиями, проведенными в связи с оценкой и прогнозом загрязнения различных компонентов природной среды на урбанизированных территориях и обоснованием геохимического мониторинга на различных объектах.

Основной объем исследований выполнен на объектах Москвы и Московской области; использовались также материалы исследований, проведенных автором в Ставропольском крае, Свердловской области, Курганской области, гг. Тольятти, Кисловодск, Березняки, Рубежное (Украина).

Личный вклад автора. В диссертационной работе приводятся результаты многолетних исследований, выполненных лично автором или под его руководством. Автору принадлежат: выбор направления исследования и постановка проблемы, аналитический обзор литературы, разработка обобщенной концепции формирования геохимической опасности и возникновения риска на урбанизированных территориях, теоретических, методологических и методических положений прогноза и управления геохимическим риском, теоретическое обобщение данных, постановка, руководство и участие в исследованиях по апробации теоретических и методологических положений, формулировка выводов. Результаты разработок, проведенных в соавторстве с другими исследователями и касающиеся в основном апробации ряда положений диссертации на конкретных участках, включены в диссертацию только при наличии совместных публикаций.

Научная новизна проведенных автором исследований

Впервые на единой концептуальной основе разработаны теоретические, методологические и методические положения и ряд практических предложений по оценке, прогнозу и управлению геохимическим риском, главными из которых являются следующие.

1. Создание обобщенной концептуальной модели формирования техноприродной геохимической опасности и риска на урбанизированных территориях на основе анализа и схематизации источников и факторов формирования опасных геохимических ситуаций.

2. Разработка методологических и методических положений прогноза техноприродного геохимического риска в вероятностной постановке, в основу которой положен принцип анализа вероятности формирования различных составляющих техноприродного риска как основание при принятии решений по предупреждению формирования опасных геохимических состояний различных компонентов природной среды и воздействия загрязненных и агрессивных сред на население и объекты инфраструктуры.

3. Развитие методологии управления геохимическим риском на урбанизированных территориях на основе принципов системности и ситуационности.

4. Разработка методического подхода к построению карт геохимической опасности, основанного на районировании территории по геохимическому состоянию природных сред, обусловливающих возникновение социального риска при проживании на данной территории и экономического риска при ее хозяйственном использовании.

5. Обоснование ряда методологических положений и практических предложений по формированию системы мониторинга как метода управления геохимическим риском.

Основные защищаемые положения.

На защиту автором выносятся следующие положения.

1. Закономерности формирования техноприродной геохимической опасности и возникновения риска на урбанизированных территориях, формализованные в обобщенной концептуальной модели. В основу модели положена концепция возникновения риска как результата последовательно обусловленных вероятностных событий в социоприроднотехнической системе - воздействия техногенного источника, нахождения природного объекта в зоне техногенных воздействий, формирования опасного результирующего воздействия, проявления неустойчивости природного объекта, контакта объекта опасности (реципиента) с природным объектом, проявления объектом опасности (реципиентом) уязвимости.

2. Основными принципами методологии прогноза техноприродного геохимического риска на разных этапах освоения урбанизированных территорий являются: представление урбанизированной территории как социоприроднотехнической системы, отраженной в модели «эргатическая система (лицо, принимающее решение и техногенные источники воздействий) - природная среда - объект опасности»; выполнение прогнозных оценок риска с точностью и достоверностью, соответствующих стадии проектирования, и зависящих от уровня ответственности объекта опасности, интенсивности потенциальных техногенных воздействий, уязвимости природной среды и объекта опасности, величины предполагаемого риска; использование вероятностных подходов (от субъективных оценок вероятности до сложных статистических процедур и стохастического моделирования).

3. В основу методологии управления техноприродным геохимическим риском положены: 1- принцип системности, предполагающий выделение в системе управления трех взаимодействующих подсистем управления: 1- техногенными источниками, 2 -природной средой и 3 - объектами опасности и 2 - принцип ситуационности, заключающийся в принятии или корректировке управленческих решений в соответствии со складывающейся ситуацией и вытекающий из случайного характера поведения всех подсистем. Обоснование и выбор управляющих решений осуществляется на основе анализа и прогноза геохимического риска и всех его составляющих при сценарном подходе к развитию событий в двух моделях: 1- техногенный источник - природная среда, 2- природная среда - объект опасности. Важность сценарного подхода обусловлена спецификой развития СПТС, как сложной системы, для которой характерны нелинейность, вероятностный характер формирования и реализации опасных геохимических ситуаций.

4. Методика построения карты геохимической опасности, основанная на районировании территории по геохимическому состоянию природных сред, которое может привести к возникновению социального риска при проживании на данной территории и экономического риска при ее хозяйственном использовании. Категории опасности определяются по сочетанию уровней загрязненности различных природных сред, защищенности подземных вод от загрязнения, агрессивности грунтовых вод, подтопления территории, с учетом ранжирования техногенно измененного химического состава природных сред по степени воздействия на население. При ранжировании учитывается как непосредственное влияние загрязненных и агрессивных сред на здоровье человека, так и их косвенное влияние на жизнедеятельность населения (повышение агрессивного воздействия подземных вод на фундаменты на подтопленных территориях, обусловливающее разрушение зданий и вывод из строя жизнеобеспечивающих коммуникаций).

5. Мониторинг для целей решения задач управления техноприродным геохимическим риском на объектном и муниципальном уровнях должен представлять собой информационно-диагностическую систему наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния основных элементов структуры опасности и риска (источников техногенного воздействия, природной среды и объектов опасности) на всех этапах жизненного цикла объектов. Программы мониторинга разрабатываются на основе анализа сценариев развития событий при наибольшей детальности проработки наиболее вероятного варианта. Мониторинг должен контролировать не только параметры, которые позволяют установить соответствие состояния среды действующим нормативам, но и показатели, которые дают возможность выяснять или уточнять условия формирования и изменения геохимического состояния среды, контролировать изменение сценариев развития ситуаций, совершенствовать или корректировать программы мониторинга и расчетные модели.

Практическая значимость работы.

Результаты методологических и методических исследований были использованы при выполнении работ по проекту 2.2.2. «Оценка геохимического риска на территории г. Москвы» в рамках программы «Безопасность Москвы», при составлении карты геохимического риска участков 3-го транспортного кольца г. Москвы, оценке геохимической опасности территорий бывших полей фильтрации в 14 микрорайоне Марьинского парка для целей строительства», при обосновании мероприятий по восстановлению водной системы Лефортовского парка, при разработке программ мониторинга техногенных изменений компонентов природной среды Бованенского и Заполярного нефтегазоконденсатных месторождений, Уренгойского газового месторождения.

Теоретические и методологические разработки могут быть использованы при проведении оценки и прогноза рисков, связанных с загрязнением и агрессивностью природных сред на различных стадиях проектирования; при строительстве и эксплуатации объектов; обосновании управляющих решений по минимизации риска.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований и положения диссертации были доложены и обсуждались на международных, всесоюзных и российских совещаниях, конференциях и семинарах, основными из которых являлись:

· II Международный Конгресс «ЭКВАТЕК» (Москва, 1996);

· Международный cимпозиум «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001);

· годичные сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения) (Москва, 1999, 2002, 2003, 2004, 2005, 2008);

· 32-й Международный геологический конгрессе (Флоренция, Италия, 2004);

· Симпозиум по мониторингу природных опасностей и управлению риском (Тайвань, 2007);

· 33-й Международный геологический конгресс (Осло, Норвегия, 2008 г.);

· Совместный Российско-Итальянский семинар « Предупреждение и снижение природных опасностей (Козенца, Италия, 2008) Russian-Italian Seminar on Natural Hazards Prevention and Mitigation. Cosenza, Italy, 2008

· Cовместный Российско- Индийский семинар «Снижение природных и техногенных опасностей». (Дели, Индия, 2009 г.);

· Международная конференция Международной ассоциации математических геонаук, в Стэнфордском университете (Стэнфорд, США, 2009 г.) (International Association for Mathematical Geosciences Meeting 2009 (IAMG 2009) Stanford, California, USA, August 23-28, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 работах, 13 статей опубликовано в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 403 страницах, состоит из введения, 7 глав и заключения. Работа проиллюстрирована 54 рисунками и содержит 23 таблицы. Список использованных источников включает 284 отечественных и 110 зарубежных наименований.

Работа выполнена в лаборатории гидрогеоэкологии Учреждения Российской академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН).

Благодарности. Автор благодарит за всестороннюю помощь и поддержку при выполнении данной работы. сотрудников лаборатории гидрогеоэкологии ИГЭ РАН к.г.-м.н. Г.И.Батрака, д.г.-м.н. В.П.Зверева, к.г.-м.н. И.А.Костикову, к.г.-м.н. И.А.Позднякову, к.хим.н. В.С.Путилину, д.г.-м.н. С.М.Семенова, Л.С.Томса, Т.И.Юганову. Автор глубоко благодарна ушедшему из жизни профессору, д.т.н. Е.С. Дзекцеру за помощь в постановке данной работы и ценные советы, д.г.-м.н. Позднякову С.П. за ценные консультации при проведении стохастического моделирования, к.г.-м.н. А.И.Арбузову за помощь при разработке методики составления карт геохимической опасности и риска.

Исследования выполнялась при поддержке грантов РФФИ (97-05-64608-а, 00-05-64957-а, 02-05-81004-Бел2002_а, 08-05-90007-Бел_а, 08-05-90100-Мол_а) и гранта МКНТ (1-1-24. 2002).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены методология и методика исследований, сформулированы научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.

Часть 1. Теоретические и методологические исследования проблемы геохимической опасности и риска на урбанизированных территориях

Глава 1. Постановка проблемы

В первой главе рассматривается становление и развитие исследований природных техноприродных опасностей и рисков; проводится обзор и анализ отечественного и зарубежного опыта анализа и оценки опасностей и рисков, связанных с загрязнением природной среды, а также понятийно-терминологической базы при исследованиях опасностей и риска.

В настоящее время уже не вызывает сомнения, что технология устойчивого развития общества при обеспечении безопасности человека и окружающей его среды должна опираться на стратегию управления рисками (Кузьмин И.И., Махутов Н.А., Хетагуров,1997; Воробьев, 2001; Залиханов, 2002; Осипов, 2002; Дзекцер, Пырченко, 2005). В России, так же как и во многих странах мира, исследование формирования опасностей и возникновения рисков проводится практически во всех областях знаний, методология количественного анализа риска разного генезиса стала основной в производственной и научной деятельности многих крупных организаций страны (Оценка и управление природными рисками, 2003).

Систематические исследования природных и техноприродных рисков в России начались в 1991 г. Проблемам природных и техноприродных опасностей и риска посвящены исследования В.И.Осипова, Е.С.Дзекцера, А.Л.Рагозина, Г.Л.Коффа, В.И.Ларионова, М.А.Шахраманьяна, А.И. Шеко В.С., Круподерова, В.В.Кузьмина, А.П.Белоусовой, В.Н.Башкина, А.П.Курбатовой и многих других. Наибольшие успехи достигнуты в разработке анализа природных рисков: разработаны основные положения теории и методики количественной оценки, сформулирована концепция допустимого (приемлемого) уровня природного риска - общепризнанная основа для принятия научно-обоснованных управленческих решений по уменьшению потерь от природных опасностей; составлены первые в мире карты природного риска отдельных регионов, городов и России в целом разработаны «Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы» (2002). Значительный вклад в развитие методологических исследований формирования геологической опасности и риска и методики управления риском, обусловленным подтоплением на урбанизированных территориях, внес Е.С.Дзекцер (Дзекцер, 1992,1994; Дзекцер, Пырченко, 2005).

Одним из основных направлений наряду с исследованиями природных опасностей и рисков стало изучение рисков, связанных с загрязнением различных компонентов природной среды, которые проводятся по двум направлениям, отличающимся реципиентами и методологическими подходами: 1) оценка риска для здоровья человека и 2) оценка экологического риска.

Для оценки риска для здоровья населения от воздействия факторов окружающей среды Агентством по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency) разработана методология, которая в дальнейшем использовалась во многих странах, в том числе и в России. Внедрение системы оценки риска осуществлялись поэтапно по мере адаптации к российским условиям и в настоящее время работы по оценке риска выполняются в соответствии с «Руководством по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Р 2.1.10.1920-04 ". Разработке данной проблемы посвящены работы С.Л. Авалиани, А.М. Большакова, С.М.Новикова, Ю.А. Рахманина, Г.Г.Онищенко, Б.А. Ревича, Колесникова Е.Ю., Румянцева Г.И., О.В.Пономаревой, А.А. Быкова, А.В.Киселева, К. Б.Фридмана и многих других исследователей.

Процедура оценки риска в рассматриваемой постановке представляет собой детализированный алгоритм последовательности действий, состоящий из четырех этапов. 1) идентификация опасности, 2) оценка экспозиции, 3) оценка зависимости доза-эффект (данный этап принципиально различается для канцерогенов и неканцерогенов), 4) характеристика риска. Вероятность формирования опасного состояния компонентов природной среды не определяется, а оценивается уровень экспозиции и фактор времени с использованием детерминистического подхода. Использование данной методики для оценки риска от потенциальных опасностей не позволяет количественно оценить и проанализировать, насколько вероятно формирование опасности, реализация которой оценивается.

По сравнению с оценкой для здоровья человека слабее разработаны методы оценки экологического риска, что связано со сложностью растительных и биологических систем и их реакций на воздействие. В России данное направление находится в стадии становления.

Направление по оценке рисков, обусловленных загрязнением природной среды, является междисциплинарным, требующим участия специалистов как медицинского, так и естественнонаучного профиля (геохимиков, гидрогеологов, почвоведов и т.п.), в связи с тем, что рассматриваются не только неблагоприятные последствия для реципиентов при воздействии веществ, загрязняющих природную среду, но формирование загрязненности природной среды. В науках, исследующих различные компоненты природной среды, сформировались направления, занимающиеся вопросами оценки риска загрязнения исследуемых сред (подземных вод, почв, поверхностных вод и др.). В данном случае термин «риск загрязнения природной среды» означал вероятность или возможность формирования загрязнения, опасного для здоровья человека или состояния растений, животных или экосистемы в целом.

Проведенные нами исследования показали, что различные подходы к анализу и оценке риска загрязнения компонентов природной среды активно разрабатываются зарубежными, а в последнее десятилетие и российскими специалистами. В целом можно выделить два основных подхода к оценке формирования опасностей и рисков: вероятностный и детерминистический.

Детерминистический подход к оценке риска загрязнения различных компонентов природной среды развивается в многочисленных работах зарубежных и отечественных исследователей. Примером использования данного подхода за рубежом является оценка риска загрязнения подземных вод на основе совмещения двух факторов: уязвимости водной системы и нагрузки загрязняющего вещества, или опасного воздействия, создаваемого в результате деятельности человекаю Для характеристики риска загрязнения подземных вод используются методики, основанные: а) на сочетании индекса уязвимости DRASTIC (Aller et al, 1987) и опасного воздействия, б) на определении индексов и ранжирования зоны аэрации по сочетанию факторов, влияющих на поступление инфильтрующихся вод на уровень грунтовых вод (Eimers et al, 2000). Для оценки риска загрязнения поверхностных вод существуют несколько методологических подходов (ECOMAN Project (Harum et al, 2004); (CDHS); USGS (Eimers et al, 2000), метод индексов WRASTIC (Gillentine, 2000)).

В России исследованиям различных компонентов природной среды с позиций формирования риска в детерминистической постановке также посвящены многочисленные исследования. Детерминистический подход к оценке риска загрязнения подземных вод приведен в работах (Белоусова, 2004, 2007; Исаева, 2004), риска загрязнения почв (Овчинникова, 2003, 2004; Овчинникова, Васильевская, 2003), экологического риска для экосистем на основе анализа их устойчивости (Васильев, 1998; Воробьев, Батуев,1996), риска для растений при воздействии загрязненных сред (Самаев, 2004) и других исследователей.

Вероятностный подход к оценке риска. Вероятностный характер формирования техноприродных опасностей и возникновения риска при их реализации потребовал изменения детерминированного мышления и привлечения вероятностных подходов при оценке риска. Анализ публикаций по проблемам, связанным с оценкой риска, показывает, что по сравнению с отечественными исследованиями за рубежом значительно больше внимания уделяется разработке вероятностных методов оценки риска, анализу и оценке неопределенностей. Наиболее успешно развиваются вероятностные методы оценки риска в США, в последние годы вероятностные подходы все чаще используются в Европе и Азии (Цberg, Bergbдck, 2005).

Использование вероятностных методов в исследованиях окружающей среды началось с 1996 г. Так как получение вероятностных оценок при анализе риска преимущественно базируется на использовании методов, основанных на теории вероятности, US EPA был организован семинар по использованию метода Монте Карло и годом позже было издано соответствующее руководство (Guiding principles…, 1997). В Европе осознание ценности вероятностного подхода происходило не столь быстро, но Европейский комитет по токсикологии, экотоксикологии и окружающей среде (European Commission's 'Scientific Committee on Toxicity, Ecotoxicity and the Environment (CSTEE)) неоднократно подчеркивал важность использования вероятностных методов.

Значительное количество работ по вероятностной оценке риска публикуется в Северной Америке, Европе и Азии. В качестве примера можно привести исследования риска загрязнения почв свинцом (McKenna, 1998; Tristбn, Demetriades et al, 2000; Korre, Durucan et al, 2002; Griffin, Goodrum et al, 1999; Goodrum, Diamond, 1996), мышьяком (Cohen, Beck et al, 1998; , Katsumata, Kastenberg,1998); Lee, Kissel, 1995), хромом (Paustenbach, Meyer et al, 1991), ПАУ (Dor, Empereur-Bissonnet et al, 2003; Baccini, Henseler, 1987). Активно разрабатываются вероятностные подходы к исследованию и оценке риска, связанного с загрязнением подземных вод при различных видах техногенного воздействия (Rosen, LeGrand,1997; Kennedy, 2004; Leeson, Edwards et al, 2003; Mills, Lew, 1999). Cудя по многочисленным публикациям в журнале «Risk Analysis», «Water Resources Research», «Ground Water» и др., особое внимание в процедуре оценки рисков в подземной гидросфере уделяется разработке и усовершенствованию методических подходов к анализу различных видов неопределенностей (Binley, Beven, 1992, 2003; Feyen, Beven, 2001; Gelhar, 2002; Hu , 2006; Kennedy, 2004; Lahkim, Garcia,1999;Wagner, Gorelick, 1992).

В России применение вероятностных методов при оценке рисков, связанных с загрязнением природной среды развивается значительно медленнее, в процедуре риск-анализа предпочтение отдается детерминированным методам. Примерами исследований, использующих вероятностный подход при оценке загрязнения различных сред, могут служить следующие работы, посвященные : прогнозу миграции углеводородных загрязнений от техногенных источников с использованием вероятностного моделирования (Куранов, Расторгуев, 2002), оценке риска загрязнения почвенно-растительных систем на основе вероятностного рассмотрения процессов миграции тяжелых металлов в системе "почва-растение" (Ефремов, 2008), обоснованию безопасного состояния подземных вод на основе оценки риска (Кузьмин, 2006), оценке загрязнения речных вод с использованием стохастических дифференциально-разностных уравнений (Полосков, 2005).

Выделение такого понятия как «геохимический риск» в работах ряда исследователей значительной степени было вызвано стремлением обозначить риск по среде развития опасностей, обусловленных загрязнением или агрессивными свойствами различных компонентов природной среды (горные породы, почвы, поверхностные и подземные воды, донные отложения), сформировавшихся под влиянием природных или техногенных факторов и представляющих угрозу для различных реципиентов. В нашей стране начало исследований геохимического риска в основном приходится на конец 80-х - начало 90-х гг. прошлого столетия. Однако в толковании понятий «геохимическая опасность» и «геохимический риск» существовали существенные расхождения, в связи с чем в каждой конкретной работе авторы обязательно приводили свой вариант терминов. В 1989-1990 гг. появился ряд исследований, посвященных рассмотрению геохимического риска как критерия геоэкологического нормирования территорий, оценке геохимического риска в схемах охраны геологической среды культурно-исторических зон Московского региона. В 1995-1997 гг. изучение геохимического риска, характеризующего актуальную и потенциальную возможность техногенного загрязнения рекреационных зон Московской области, было проведено сотрудниками Института литосферы РАН (Кофф, Петренко и др. 1997). В тот же период в рамках комплексной программы "Безопасность Москвы" коллективом специалистов под руководством академика В.И.Осипова была составлена карта геохимического риска территории г. Москвы в масштабе 1:50000.

Различные аспекты проблемы анализа, оценки и управления техноприродными геохимическими опасностями в различных компонентах природной среды и обусловленными ими рисками на урбанизированных территориях освещены в работах российских исследователей (Бахирева, 1999; Бахирева, Кофф и др., 1989; Галицкая, 1999; Щетников, 1998 и др.). В качестве примеров исследования геохимического риска в зарубежных странах можно привести ряд публикаций (Voltaggio; Spadoni, 2007; Regenspurg, Fonjallaz et al, 2007; De Vivo, Boni et al, 1998; Shand, Degens, 2008; Servida; De Capitani, 2009). Несмотря на достаточно многочисленные работы по данной проблеме, в целом исследования носили несистематический характер и не имели общей теоретической и методологической, что определяет важность и актуальность дальнейшего развития и совершенствования данного направления.

Сложности, возникшие при формировании понятийно-терминологической базы, в том числе в исследованиях природных и техноприродных рисков, связаны с различным их генезисом опасности и риска (техногенным, природным, техноприродным, социальным и др.), а также со спецификой объектов и методик исследования, В связи с этим, многие понятия и, в первую очередь такие основополагающие понятия как «опасность» и «риск» оказались неясными, даже противоречивыми. В работах (Рагозин, 1997; Природные опасности и общество, 2002) отмечается, что благодаря работам В.Д.Роуи (Rowe, 1977), Р.Х.Марка и Д.Е.Стюарда-Александера (Mark,Stuart-Alexander,1977), Р.Т.Лаэрда, В.Петака и А.Аткиссона (Petak, Atkinson,1982), А.Удиаса (Udias,1986), Ф.Ж.Айалы (Ayala, 1987), В.И. Кейлис-Борока (Кейлис-Борок и др., 1980, 1982, 1984) и др. сложилось общепринятое для природных и техногенных опасностей понимание риска как вероятностной меры потерь, которая может быть установлена путем умножения вероятности негативного события на величину возможного ущерба от него, тем не менее, и впоследствии возникали затруднения при интерпретировании понятий опасности и риска. В особенности это касалось техноприродного риска, который рассматривался как: а) вероятностный ущерб качеству среды (относительно потребностей человека), б) вероятностный ущерб человеку, объектам инфраструктуры и др. при реализации воздействия нарушенной среды (Дзекцер, 1994).

Приведенный в диссертации анализ терминов, разработанных в различных областях знания, показал, что существующие различия при определении понятия «опасность» обусловлены рассмотрением различных сторон объективной реальности (свойство, состояние, процесс - категорий, отражающих различные грани окружающего мира, которые каждый автор воспринимает по-своему (Кузьмин, Левашов, 2004)), но большинство авторов склоняется к тому, что опасность - это предметная категория. Различия при определении понятия «риск» связаны с разными реципиентами - объектами опасных воздействий, так как в качестве объектов рассматриваются либо компоненты природной среды, либо человек, биота или объекты инфраструктуры (например, термин геологический риск может означать риск формирования опасного состояния природной среды и риск различного вида потерь при воздействии нарушенной среды). Аналогичные терминологические неопределенности присущи и понятиям «геохимическая опасность» и «геохимический риск».

В связи с этим нами были внесены дополнения в понятийно-терминологический аппарат и сформулированы понятия «геохимическая опасность» (на основе рассмотрения геохимической опасности, как опасного геохимического состояния компонентов природной среды или опасной геохимической ситуации) и «геохимический риск», классифицирующий риск по среде формирования опасности и учитывающий вероятности? как формирования опасной геохимической ситуации, так и ее реализации.

Глава 2. Методологические исследования формирования геохимической опасности и возникновения риска на урбанизированных территориях (обобщенная концептуальная модель)

При определении понятий геохимической опасности и геохимического риска нами за основу взяты установившиеся в настоящее время понятия опасности и риска (Оценка и управление природными рисками, 2003; Природные опасности и общество, 2002).

Геохимическая опасность - геохимическое состояние компонентов природной среды, представляющее угрозу для жизни, здоровья или благосостояния людей, объектов хозяйства или окружающей природной среды.

Геохимический риск - вероятностная мера геохимической опасности или совокупности геохимических опасностей. Величина риска включает следующие количественные показатели: 1) вероятность формирования геохимической опасности и ее реализации, 2) величину ущерба при реализации геохимической опасности. Таким образом, геохимический риск учитывает не только вероятность реализации опасной геохимической ситуации (например, вероятность воздействия загрязненных почв, подземных или поверхностных вод на здоровье человека или агрессивных подземных вод и грунтов на подземные части зданий и сооружений), но и вероятность формирования загрязненных и агрессивных компонентов природной среды (геохимической опасности).

Геохимическая опасность может быть обусловлена как повышенными, так и пониженными (по сравнению с экологическими и гигиеническими нормами) концентрациями отдельных химических веществ и их сочетаний, а также агрессивными свойствами компонентов природной среды по отношению к различным реципиентам. Понятие геохимической опасности неотделимо от объекта опасности (человека, объектов материальной сферы, биотических сообществ и т.п.), так как только относительно конкретного объекта можно оценить, какие именно химические элементы, в каких концентрациях, сочетаниях, формах нахождения и т.п. могут представлять опасность.

Геохимическая опасность может быть как природной, так и техногенной. Природная геохимическая опасность формируется под влиянием естественных факторов и является следствием природных геохимических условий территории - повышенного или пониженного по сравнению с гигиеническими нормативами содержания химических элементов, в том числе токсичных или биологически активных, определяющих эндемичность территории. Формирование техноприродной геохимической опасности обусловлено как характером и интенсивностью техногенных воздействий, особенностями их трансформации по пути переноса воздействий к природному объекту и его устойчивостью к внешнему воздействию. На урбанизированных территориях геохимическая опасность в основном является техноприродной и обусловлена загрязненностью компонентов природной среды и их агрессивными свойствами.

Общие положения

Представленный в диссертации подход к исследованию формирования техноприродной геохимической опасности и риска основывается на сложивших в настоящее время представлениях о генезисе геологической опасности и риска на урбанизированных территориях. В структуре опасности и риска выделяют следующие элементы: субъект опасности, среду и объект опасности (Дзекцер, 1992, 1994; Дзекцер, Пырченко, 2005). Для геохимической опасности характерны более разнообразные источники и факторы формирования, развития и реализации по сравнению с геологической опасностью, что потребовало усложнения модели опасности и риска (рис.1).

Субъект опасности первого ранга - лицо, принимающее решение (ЛПР). Функционирование ЛПР приводит к созданию техногенных источников (субъектов второго ранга), представляющих техногенную опасность, при реализации которой в природной среде создается опасная геохимическая ситуация. Объект опасности первого ранга на урбанизированных территориях - человек. Таким образом, и субъектом и объектом опасности первого ранга является человек, но в первом случае - это ЛПР, а во втором случае - человек как биологический вид, как член социума. Понятие «среда» включает только компоненты природной среды. Среда проводящая - это компоненты природной среды, через которые осуществляется трансляция опасных техногенных воздействий, среда исследуемая (природный объект) - это компонент (компоненты) природной среды, непосредственно воздействующий на объект опасности. К объектам опасности второго ранга относятся объекты материальной сферы, через которые опосредованно передаются опасные воздействия на человека, растительность, животные, рыбы и т.п., используемые им в пищу. В структуру опасности и риска обычно вводится и внешнее лицо (позиционер), в функции которого входит оценка геохимической опасности, установление критериев опасности данной среды по отношению к объекту и т.п.

Рис. 1. Схема общей модели формирования геохимической опасности и реализации опасной геохимической ситуации

Для изучения механизма формирования геохимической опасности и риска выделены две части общей модели: модель I - «эргатическая система (ЛПР и техногенные источники воздействий) - природная среда» и модель II - «природная среда - человек» (рис. 2).

Рис. 2. Выделение моделей (пар) при анализе формирования и реализации геохимической опасности

В первой модели рассматривается воздействие субъектов первого и второго рангов на природную среду, формирование ее опасного геохимического состояния, во второй - исследуется воздействие опасной геохимической ситуации на человека (непосредственно или опосредованно). Выделение моделей обусловлено тем, что исследование опасности и риска обычно осуществляется специалистами различных областей: в первом случае - геохимиками, гидрогеологами, геологами, географами, почвоведами и др., а во втором - в зависимости от объекта опасности - гигиенистами, врачами (объект - здоровье человека), инженерами строительных специальностей и «эксплуатационниками» (объект - предметы материальной сферы) и т.п.

В связи с определяющей ролью человека в организации техноприродной опасности на урбанизированной территории при исследовании формирования геохимической опасности и риска рассматривается социоприроднотехническая система (СТПС), что позволяет более полно раскрыть многообразные типы связей и установить закономерности формирования опасности и риска на всех этапах жизненного цикла системы: замысел - проектирование - строительство - эксплуатация - реконструкция - ликвидация.

В основу обобщенной концептуальной модели формирования техноприродной геохимической опасности и возникновения риска на урбанизированных территориях положена следующая концепция: «конечное» неблагоприятное событие рассматривается как сложное событие, являющееся результатом последовательно обусловленных более простых событий - воздействия техногенного источника, нахождения природного объекта в зоне воздействий, формирования опасного результирующего воздействия, проявления неустойчивости природного объекта, контакта объекта опасности (реципиента) с исследуемым компонентом природной среды, проявления объектом опасности (реципиентом) уязвимости.

Формирование техноприродной геохимической опасности (модель I)

Возможность формирования опасной геохимической ситуации может возникнуть уже на начальном этапе (например, прединвестиционном), что зависит от целого ряда факторов: социальных, экономических, политических, от уровня компетентности и профессионализма ЛПР, степени изученности ситуации, информационного воздействия на ЛПР и население. На этапе проектирования риск может измениться в ту или другую сторону, например, увеличиться в результате ошибок в проектировании, размещении объекта и т.п. Результатом деятельности субъекта является создание на этапе строительства техногенных источников воздействия. На этапах строительства и эксплуатации возникает техногенное воздействие на природную среду, характеризующееся определенными параметрами (интенсивностью, составом, периодичностью и т.п.). Исходные воздействия являются потенциально опасными, так как их реальная опасность с позиций формирования неблагополучной геохимической ситуации возникает только в процессе взаимодействия с природной средой.

Техногенные источники и виды воздействия. Выявление и систематизация возможных техногенных источников потенциально опасных воздействий, обусловливающих формирование геохимической опасности, является необходимым этапом в процедурах оценки и прогноза формирования геохимической опасности на различных стадиях освоения территории. Характеристика источника воздействий включает масштаб, вид, характер, время, площадь воздействия, характер действия во времени и пространстве, количество источников, характер трансляции опасных воздействий, состав и состояние загрязняющих веществ. Формирование опасной геохимической обстановки может быть обусловлено различными: видами исходных воздействий - прямым (химическим) и косвенным (физическим, биологическим и др.), характером воздействий - штатным (запланированным) или аварийным, характером действия источников - детерминированным или случайным.

По характеру действия выделяются два вида техногенных источников: 1) источники, функционирование которых уже изначально предопределяет техногенное воздействие на среду (водозаборные и дренажные скважины, машины и механизмы механического воздействия при строительных работах и т.п.), 2) источники, воздействие которых может быть обусловлено различного рода отказами. Воздействие первого вида источников - квазидетерминированное, второго - вероятностное (определяется вероятностью отказов техногенных источников, различающихся по: причинам возникновения, интенсивности, последствиям, возможности обнаружения).

На различных этапах освоения территорий техногенные воздействия характеризуются различной интенсивностью, продолжительностью, вероятностью проявления, масштабом и характером действия, преобладанием тех или иных видов воздействия. Проанализированы особенности техногенных воздействий: 1) на этапе строительства и 2) на этапе эксплуатации на территориях различных типов использования, основными из которых являются: селитебный (участки жилой застройки); транспортный (транспортные магистрали, железнодорожные пути, аэропорты, участки обслуживания транспорта - гаражи, бензозаправочные станции, мойки машин, склады ГСМ), обслуживающий (территории обеспечения жизнедеятельности населения - водозаборы, полигоны твердых бытовых и промышленных отходов, кладбища, поля фильтрации), промышленный (территории промышленных предприятий, промплощадки и производственные корпуса, территории складирования промышленных отходов и т.п.); коммунально-складской (склады, бани, прачечные, химчистки); пригородный (дачи, приусадебные хозяйства - огороды, сады), рекреационный (парки); смешанный (например, селитебно-промышленный).

Формирование результирующего воздействия на исследуемый компонент природной среды (внешний фактор). Рассмотренные исходные воздействия необходимы, но не всегда достаточны для создания опасной геохимической ситуации, так как вероятность ее формирования также зависит от: 1) расположения природного объекта по отношению к источнику воздействий, 2) интенсивности и характера результирующих воздействий на природный объект.

Расположение природного объекта по отношению к техногенному источнику определяет принципиальную возможность воздействия на него. Вероятность того, что природный объект попадет в зону опасных воздействий, зависит от их типа (выбросы, проливы, утечки и т.п.), параметров, климатических, геоморфологических, гидрологических, гидрогеологических и других природных условий (по пути трансляции опасных воздействий до природного объекта). Интенсивность и характер результирующих воздействий на природный объект, являются существенным фактором риска формирования геохимической опасности. Важно оценить вероятность формирования результирующих воздействий выше предельных, т.е. способных привести к созданию неблагоприятной геохимической ситуации на исследуемом природном объекте. На основании полученных результатов принимается решение о необходимости дальнейшей оценки риска формирования опасной ситуации. Рассматривая результирующее воздействие на внешних границах объекта, следует учитывать, что они определяются в зависимости от цели исследования. Это могут быть границы исследуемого участка или границы раздела компонентов природной среды (например, почв и поверхностных вод, зоны аэрации и водоносного горизонта) и др.

Параметры результирующего воздействия зависят от вида и интенсивности исходного воздействия, условий по пути его трансляции. Например, при исходном химическом воздействии параметры результирующего воздействия зависят от: типа носителя (воздушная или водная среда) и его изменения (например, воздушный на водный), исходного количества загрязняющих веществ, химических свойств элементов и их соединений, форм миграции, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий на пути переноса воздействий, характера физико-химических взаимодействий мигрирующих в водном потоке загрязняющих веществ с твердой фазой, микробиологического фактора. Условия на пути переноса исходных воздействий могут привести к изменению их вида (например, гидродинамического на химический), интенсивности и состава (например, за счет увеличения или уменьшения концентрации или изменения форм нахождения химического вещества). Изменение вида исходного воздействия в основном характерно для подземных вод и является результатом синергетических действий. Возможны два типа ситуаций, следствием которых является: а) увеличение опасности результирующего техногенного воздействия по сравнению с исходным (например, увеличение концентрации загрязняющих веществ в водопроводных водах при их утечке и фильтрации через загрязненные отложения зоны аэрации), б) уменьшение опасности результирующего техногенного воздействия по сравнению с исходным (например, уменьшение загрязненности сточных вод в результате сорбции загрязняющих веществ на отложениях зоны аэрации, их деструкции или осаждения).

В том случае, когда исходное техногенное воздействие обусловлено поступлением загрязняющих веществ, комплекс условий (природных или искусственных), ослабляющих данное воздействие (например, снижающих концентрацию контаминантов, поступающих в подземные воды), характеризует защищенность природного объекта. Сведение условий трансформации исходного воздействия только к процессам, обеспечивающим защищенность природной среды (в традиционном ее понимании), не совсем правомерно. Условия по пути переноса исходного воздействия могут приводить также к существенному увеличению его опасного влияния (например, в результате образования новых более опасных соединений или растворения в процессе фильтрации легко- и среднерастворимых солей, содержащихся в горных породах и техногенных отложениях).

Защищенность природного объекта от воздействия, обусловленного поступлением химических веществ, оценивается временем трансляции исходного воздействия (в первоначальном или трансформированном виде) до внешних границ объекта. Степень защищенности определяется, исходя из планируемого времени использования объекта. Природная геохимическая защищенность определяется процессами рассеивания загрязняющих веществ в воздушной или водной средах, физико-химическими и биохимическими процессами превращений загрязняющих веществ в миграционных средах или при взаимодействиях с твердой фазой (почвы, породы, донные отложения). Например, гидрогеохимическая защищенность подземных вод в зависимости от вида загрязняющего вещества может обеспечиваться процессами осаждения и окисления, сорбцией (в т.ч. ионным обменом), деструкцией, денитрификацией, сульфат-редукцией. Защищенность объекта опасности может изменяться в процессе трансляции опасных воздействий. Например, фильтрация кислых или щелочных растворов через зону аэрации может привести к увеличению или уменьшению коэффициента фильтрации отложений, что влияет на гидродинамическую защищенность. В процессе регрессивного техногенного литогенеза при преобразовании минералов меняется сорбционная емкость пород (Тютюнова, Сафохина, Щвецов, 1988) и соответственно защищенность подземных вод. Защищенность природных объектов на урбанизированных территориях, по сути, является техноприродной, так как перенос химических веществ в большинстве случаев происходит через техногенно измененные среды.

Процессы, определяющие защитные свойства депонирующих компонентов природной среды (сорбция, ионный обмен, осаждение и т.п.), могут привести к формированию опасной геохимической ситуации в данных средах и при изменении условий «отложенная опасность» может явиться фактором риска. Защищенность компонентов природной среды от опасных воздействий может быть не только природной или техноприродной, но и искусственной (например, заасфальтированность почв, защитные откачки и др.).