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

а) б)

Рис. 3. Экспериментальные кривые изменения состава растворов при фильтрации через:а) юрские сульфидизированные глины, б)- лессовидные суглинки

Исследование процессов ионообменной сорбции на карбонатных и песчано-глинистых породах в статических и динамических условиях. Изучение физико-химического взаимодействия техногенных рассолов с породами и определение параметров ионного обмена проводились с целью информационного обеспечения геомиграционных моделей при прогнозе загрязнения подземных вод на шахтном поле БКРУ-2, расположенном в Березниковско-Соликамском горнопромышленном районе Верхнекамского месторождения калийных солей. Природная гидрогеологическая обстановка участка характеризуется наличием водоносных горизонтов, связанных с пермскими образованиями - терригенно-карбонатной толщей -P₂u₁sl_2, и залегающими на ней песчано-глинистыми породами - пестроцветной толщей P₂u₂ss. На территории БКРУ-2 были зафиксированы значительные изменения естественной гидрогеохимической обстановки под влиянием утечек из шламохранилища где складируется соляно-глинистая пульпа с минерализацией в жидкой фазе до 250-300 г/кг. Исследования, ранее проводимые на рассматриваемой территории (Кочнева, 1987; Мироненко, Румынин, 1998), позволили установить, что в пределах ореола засоления активно протекает обмен катионов натрия и калия техногенных рассолов на кальций и магний поглощенного комплекса водовмещающих пород. Исследование формирования гидрогеохимической обстановки сосредотачивалось на изучении физико-химических процессов, происходящих в терригенно-карбонатной толще, в связи с чем возникла необходимость выяснения изменения состава рассолов на всем пути фильтрации, т.е. изучение процессов межфазового взаимодействия также в отложениях пестроцветной толщи. В ходе ранее проводимых исследований также выяснилась необходимость решения ряда методических вопросов, связанных с выбором оптимальной методики определения состава обменных катионов, емкости обмена, параметров реакций ионного обмена.

На первом этапе с целью уточнения и расширения существующих представлений об условиях формирования состава подземных вод на рассматриваемой территории, были проведены исследования минерального состава, структуры, степени засоленности, емкости поглощения и состава обменных катионов пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщ. На основании анализа полученных данных на втором этапе проводилась корректировка методик экспериментальных лабораторных исследований параметров ионного обмена в статических и динамических условиях и определялись параметры ионного обмена.

Проведенные исследования техногенного преобразования пород позволили уточнить масштаб и характер взаимодействия по площади и в разрезе рассолов шламохранилища и пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщ и определить область воздействия рассолов на породы, затрагивающую не только терригенно-карбонатную, но и пестроцветную толщу. При определении параметров ионного обмена в статических условиях (взаимодействие навески породы с растворами NaCl или KCl) было проведено сравнение ранее использовавшейся (вариант 1) и модифицированной методики (вариант 2). Отличие модифицированной методики состояло в том, что растворах хлористого натрия кроме Ca²⁺ и Mg²⁺ определялось содержание К⁺, а в растворах хлористого калия - содержание Na⁺, так как были установлены более значительные содержания натрия и калия в поглощенном комплексе, чем предполагалось ранее. В динамических условиях опыты проводились на образце из пород пестроцветной толщи, при фильтрации использовался раствор из шламохранилища.

На основании полученных материалов экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Анализ результатов обработки опытов в статических условиях с образцами пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщи показал, что экспериментальные данные, полученные при проведении опытов с растворами хлористого натрия (обработка вариантам 1 и 2) и хлористого калия (вариант 1) удовлетворительно аппроксимируются изотермой Ленгмюра, а изотерма ионнообменной сорбции в опытах с раствором KCl (обработка по варианту 2) характеризуется "двухступенчатым" строением (рис.3), что связано с поступлением натрия с различных обменных позиций. Сравнение результатов расчета параметров ионного обмена с применением различных методических подходов позволило установить различия, особенно существенные при использовании в качестве вытеснителя KCl и учете вытеснения натрия (обработка по варианту 2). Максимальное различие величин параметра Q_v (предельная емкость обмена) составляло 60 %. Это подтверждает важность учета вытеснения из обменного комплекса не только кальция и магния, но и натрия, который на участке техногенного загрязнения приобретает все большее значение в составе обменного комплекса пород. При использовании в качестве иона вытеснителя натрия при всех вариантах обработки не приводит к существенному изменению параметров (разница в определении Q_v не превышает 5%) в связи с более низким содержанием калия в обменном комплексе.

2. При расчете по модифицированной методике параметров изотермы Ленгмюра выяснено, что величина параметра Q_v существенно уменьшается в вертикальном разрезе, составляя: на границе четвертичных и пестроцветных отложений - 42.4-45.6 мг-экв/100 г породы); в пестроцветных отложениях - 19.1-29.5 мг-экв/100 г; в породах терригенно-карбонатной толщи - 12.9-21.0 мг-экв/100 г., что объясняется снижением степени глинистости пород с глубиной, а также увеличением содержания в глинистой фракции гидрослюдистых и хлоритовых пакетов и уменьшением монтмориллонитовых пакетов, характеризующихся более высокой емкостью поглощения. геохимический опасность риск урбанизированный

3. При проведении экспериментов в динамических условиях на начальном этапе наблюдалась значительная метаморфизация рассолов, затрагивающая как катионный, так и анионный состав и обусловленная сочетанием процессов, происходящих на различных этапах опыта: концентрированием рассола в период стадии медленного насыщения образца, катионным обменом кальция и магния поглощенного комплекса пород на натрий и калий рассола, частичным осаждением сульфата кальция и хлорида натрия из фильтратов (галитовая стадия кристаллизации начинается при М=275.27 г/кг, твердая фаза - CaSO₄ 2 H₂O+NaCl), незначительным растворением карбонатов и сульфатов. Величина полной емкости поглощения составила 36.9 мг-экв/100 г, что в несколько меньше результатов, полученных в статических условиях. Результаты экспериментальных исследований заставляют серьезно отнестись к вопросам метаморфизации техногенных рассолов в глинистых породах (в особенности в отложениях пестроцветной толщи и четвертичных отложениях).

а) б)

Рис. 4. Изотермы ионного обмена в породах терригенно-карбонатной толщи: а) скв. 3 глуб.34 м, б) скв. 3 глуб.82 м

Условные обозначения: - опыты с NaCl, вариант 2, х - опыты с KCl, вариант 1, о - опыты с KCl, вариант 2.

Совершенствование подходов к обеспечению расчетных моделей параметрами сорбции. В данном разделе работы рассмотрен методический подход к постановке, проведению и интерпретации результатов экспериментальных исследований параметров сорбции в породах зоны аэрации. Постановка исследований связана с тем, что обычно используемые для описания сорбции уравнения Генри, Ленгмюра и Фрейндлиха часто недостаточно точно описывают экспериментальные данные и это приводит к существенным ошибкам при оценке параметров и последующих прогнозных расчетах. Экспериментальные исследования сорбции свинца, меди, никеля, ртути, цинка различными литологическими разностями отложений участка в пойме р. Москвы проводились в статических условиях с модельными растворами.

Одной из важнейших задач в современный период является разработка теории и методологии управления природными и техноприродными рисками. Различные аспекты проблемы управления риском рассматриваются в ряде опубликованных работ (Осипов, 2001, 2002; Оценка и управление природными рисками, 2003; Рагозин, 1995, 1999, 2003 и др.). Методические положения управления природными и техноприродными рисками, обусловленными подтоплением на урбанизированных территориях, детально разработаны Е.С.Дзекцером (Дзекцер, Пырченко, 2005). Изложенные принципы управления геохимическим риском базируются на сложившихся представлениях об управлении риском с учетом специфики исследуемого нами объекта.

При управлении геохимическим риском основным объектом управления является риск, возникающий в СПТС на всех этапах - от формирования опасного геохимического состояния природной среды до реализации геохимической опасности.

В основу управления геохимическим риском заложены: 1- принцип системности и 2 - принцип ситуационности. Принцип системности предполагает выделение в системе управления техноприродным геохимическим риском трех взаимодействующих и различающихся по объекту управления подсистем управления: источниками техногенных воздействий, геохимической опасностью, объектами опасности. В каждой подсистеме можно выделить две основные функции - управление воздействиями данной подсистемы и защита от внешних воздействий. Это обусловлено возможностью изменения ролевых функций в каждой подсистеме, когда субъект опасных воздействий может стать объектом. Эффективность системы управления в значительной степени определяется степенью взаимосвязи трех подсистем и координации их действий единым координационным центром. Сложность управления геохимическим риском обусловлена значительным разнообразием: источников и видов техногенного воздействия, компонентов природной среды, подверженных данным воздействиям, и объектов опасности (реципиентов). Принцип ситуационности заключается в принятии или корректировке управленческих решений в соответствии со складывающейся ситуацией и вытекает из случайного характера поведения всех подсистем.

С учетом данных принципов разрабатывается система управления геохимическим риском. Основные функции системы управления геохимическим риском: определение цели и задач управления геохимическим риском; определение способов и средств достижения цели и решения поставленных задач, организация управления геохимическим риском, выяснение эффективности управляющих решений (системно-ситуационный мониторинг).

В каждой подсистеме структура системы управления включает следующие блоки: - управляющий блок (ЛПР), исполнительный (системы управления формированием геохимической опасности и ее реализации), управляемый (техногенные источники, компоненты природной среды, объекты опасности первого и второго рангов).

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: «техногенный источник - природная среда» и «природная среда - объект опасности». Необходимость сценарного подхода обусловлена особенностями СПТС, как сложной системы, для которой характерны нелинейность, вероятностный характер формирования и реализации опасных геохимических ситуаций

Для выбора мероприятий необходимо проанализировать составляющие геохимического риска, оценить вероятность неблагоприятного события в каждой составляющей риска, величину потерь, экономические затраты на проведение мероприятий по уменьшению вероятности опасных событий на различных этапах возникновения риска, выбрать оптимальный вариант управляющих решений для снижения риска. Снижения риска можно добиваться путем выполнения мероприятий, направленных на уменьшение вероятности как формирования, так и реализации геохимической опасности. После выбора мероприятий оценивается риск с учетом их воздействия на субъект и объект опасности.

В работе проанализированы современные подходы к управлению. В настоящий период формируется новая парадигма управления риском, которая опирается на синергетику - теорию самоорганизации сложных, открытых, неравновесных, нелинейных систем. К таким сложным системам можно отнести и СПТС. К наиболее теоретически разработанным подходам в оценке физической сущности самоорганизации в открытых системах относятся: подход Пригожина И.Р., связывающего сущность самоорганизации с диссипацией (Гленсдорф, Пригожин, 1973; Николис, Пригожин,1979; Пригожин, 1985), и подход Руденко А.П., рассматривающего самоорганизацию с позиций эволюционного катализа (Руденко,1964, 1995, 2000). Развитие работ в области эволюционного катализа внесло вклад не только в понимание физической сущности явления самоорганизации и его отличия от альтернативного явления организации, но также и в утверждении новой парадигмы естествознания, узаконивающей антиэнтропийный принцип наряду с энтропийным. В основе синергетического подхода к управлению - необходимость следования законам самоорганизации - антиэнтропийным процессам, идущим в открытой системе против равновесия (Руденко, 2000). Игнорирование различиями в физической сути процессов самоорганизации и организации приводит часто к неправильному использованию термина самоорганизация (антиэнтропийный процесс) для обозначения альтернативного явления организации (энтропийный процесс). Существующие в настоящее время представления о синергетических процессах, часто приводят к рассмотрению их как синонимов процессов самоорганизации. При рассмотрении синергетических процессов не учитывается, что могут иметь как энтропийную, так и антиэнтропийную направленность. Относимые к процессам самоорганизации синергетические цепочки (например, утечки из водонесущих коммуникаций - подъем уровня подземных вод - увеличение их агрессивности - деформации и разрушение фундамента) являются энтропийными процессами (процессами организации). Актуальнейшей проблемой является выяснение закономерностей процессов самоорганизации и организации в конкретных сложных системах и разработка методологии управления риском с учетом тенденций саморазвития системы.

В разделе рассмотрены: 1) методологические и методические подходы к составлению карт геохимической опасности, как основы для выработки решении по управлению риском; 2) научное обоснование принципов мониторинга подземных вод при управлении гидрогеохимическим риском; 3) разработка экспертной системы как инструмента оперативного принятия решений по управлению риском в чрезвычайной ситуации

Методологические и методические подходы к составлению карт геохимической опасности на урбанизированных территориях

Разработанные подходы к построению карт геохимической опасности на урбанизированных территориях реализованы на примере карты геохимической опасности территории г. Москвы (масштаба 1:50 000), составленной в рамках проекта «Оценка геохимического риска на территории г. Москвы» программы «Безопасность Москвы» в 1995-1997 гг. При выполнении работ были использованы вспомогательные карты: загрязнения почвенного покрова; защищенности грунтовых вод от поступления загрязняющих веществ с поверхности земли; защищенности подземных вод каменноугольного водоносного горизонта от загрязнения; агрессивности грунтовых вод, загрязненности поверхностных вод реки-Москвы и ее притоков; загрязненности донных отложений реки-Москвы; подтопления грунтовыми водами территории Москвы; размещения несанкционированных свалок.

Карта геохимической опасности построена на основе районирования территории по геохимическому состоянию природных сред, которое обусловливает: 1 - социальный риск при проживании на данной территории, 2 -экономический риск при ее хозяйственном использовании.

При оценке социального аспекта геохимической опасности в основу построения карты положено: 1 - районирование территории города по категориям геохимической опасности, выделяемым по сочетанию уровня загрязнения почвенного покрова и глубины залегания уровня грунтовых вод, 2 - зонирование Москва - реки по категориям геохимической опасности, выделяемым по сочетанию уровней загрязнения речных вод и донных отложений, 3 - картографирования территорий размещения городских стихийных свалок. Уровни загрязнения почв, поверхностных вод и донных отложений определялись по результатам генерализации соответствующих вспомогательных карт. При определении категорий геохимической опасности использовался матричный принцип. В качестве приоритетных факторов при выделении категорий опасности приняты - загрязнение почвенного покрова и донных отложений.

При оценке экономического аспекта геохимической опасности в основу построения карты положено: 1 - районирование территории города по категориям геохимической опасности, которые выделялись по сочетанию степени подтопления территории агрессивными водами и уровня потенциальной загрязняемости грунтовых вод, 2 - картографирование области наибольшей вероятности привлечения к водозабору загрязненных вод, 3 - картографирование территорий размещения пожароопасных свалок. Степени подтопления территории агрессивными грунтовыми водами определялись по сочетанию уровней подтопления грунтовыми водами территории г. Москвы и уровней агрессивности грунтовых вод (при оценке агрессивности использовались действующие нормативы и результаты термодинамических расчетов). Уровень потенциальной загрязняемости грунтовых вод определялся по сочетанию уровня загрязнения почвенного покрова и степени защищенности грунтовых вод.

Исследуемая территория подразделялась по категориям с высокой, средней и низкой степенями геохимической опасности. Районирование территории г.Москвы показало, что 30.3 % площади города характеризуются высокой степенью геохимической опасности, обусловливающей возможность социальных потерь, и 26.4 % территории - высокой степенью геохимической опасности, обусловливающей возможность экономических потерь, что может рассматриваться как фактор риска для здоровья и жизнедеятельности населения. Результаты районирования послужили основой для разработки комплекса управляющих решений по минимизации рисков, связанных с опасным геохимическим состоянием природных сред.

Методический подход к построению крупномасштабных карт формирования неблагоприятных геоэкологических ситуаций в подземной гидросфере

Рассмотрен подход к построению крупномасштабных карт формирования неблагоприятных геоэкологических ситуаций в подземной гидросфере, включающий два этапа: 1) построение карты источников опасных воздействий на подземные воды, 2) построение карты формирования загрязнения подземных вод. На первой карте выделяются все источники опасных воздействий, представляющие актуальную или потенциальную угрозу загрязнения подземных вод как техногенные, так и природные (например, естественно некондиционные - природные поверхностные и подземные водные системы, содержащие некондиционные воды). Категория опасности источника загрязнения в штатной ситуации определяется на основании сочетания концентрации загрязняющего компонента (или отношения концентрации к ПДК, референтной концентрации и т.п.) и площади, с которой загрязнение поступает в водоносный горизонт. При расчете категории опасности в аварийной ситуации учитывается концентрация загрязняющего компонента в аварийных условиях, площадь поступления загрязнения и величина вероятности аварии. Карта формирования загрязнения подземных вод представляет собой синтетическую карту, получаемую в результате наложения трех карт: 1) защищенности водоносного горизонта; 2) изменения параметрического состояния подземных вод после воздействия на участке расположения источников; 3) изменения параметрического состояния природного объекта за расчетное время. Построение карты изменения параметрического состояния на участке расположения источника опасности после реализации опасного воздействия проводится по результатам расчета смешения поступающих с поверхности загрязненных вод с водами изучаемого водоносного горизонта. Построение карты изменения параметрического состояния водоносного горизонта на сопредельных участках осуществляется на основе оценки области распространения загрязнения по водоносному пласту в течение заданного времени. Карты составляются отдельно для каждого параметра, характеризующего состояние объекта, а также отдельно для штатной и нештатной ситуаций. На основе предложенной методики была построена серия карт загрязнения подземных вод в Березниковско-Соликамском промышленном районе.

Научное обоснование принципов мониторинга подземных вод при управлении гидрогеохимическим риском

Трудности управления рисками на урбанизированных территориях, наличие многочисленных факторов неопределенности и стохастический характер развития ситуаций, определяют особую важность мониторинга, как инструмента управления риском, позволяющего отслеживать, оценивать и прогнозировать изменения ситуации, своевременно корректировать программы наблюдений и расчетные модели, принимать соответствующие управляющие решения.

Системы мониторинга входят в группу пассивного управления опасностями и рисками и по функциональному назначению являются контролирующими методами. Автор разделяет позицию тех исследователей, которые считают, что управление не является функцией мониторинга, но методически и организационно связано с решением задач управления (Шестаков, 1988). Все системы мониторинга окружающей среды направлены на решение проблем экологической безопасности и в той или иной степени призваны способствовать уменьшению риска, однако эффективное функционирование мониторинга при информационном обеспечений решений по управлению риском возможно только при создании целенаправленной системы.

При решении задач управления техноприродным геохимическим риском мониторинг должен представлять информационно-диагностическую систему наблюдений, оценки и прогноза состояния основных элементов структуры опасности и риска (субъекта опасности - источников техногенного воздействия, компонентов природной среды и объектов опасности - населения, объектов инфраструктуры и т.п.). В основу системы мониторинга подземных вод как метода управления риском заложены принципы научной обоснованности, целенаправленности, модельной ориентированности, системности, ситуационности, стадийности. При управлении риском сущность этих принципов характеризуется специфическими чертами, которые рассматриваются в диссертации.

Целенаправленность определяется важностью ориентации мониторинга на решение конкретных задач. При управлении геохимическим риском задачами мониторинга являются: 1) получение информации, позволяющей корректировать или усовершенствовать концептуальную модель формирования геохимической опасности и риска, соответствующие расчетные модели, уточнять прогнозную оценку риска, научно обосновывать управляющие решения по снижению риска, 2) корректировка концептуальной модели формирования геохимической опасности и риска и совершенствование расчетных моделей; 3) уточнение прогноза геохимического риска, 4) наблюдение, анализ и оценка эффективности предпринимаемых мероприятий по минимизации риска.

Модельная ориентированность мониторинга определяется необходимостью обоснования расчетной модели, которая в процессе наблюдений совершенствуется применительно к требованиям решения задач прогноза и управления (Шестаков, Брусиловский, 2007). Сложность решения данной задачи при управлении техноприродным геохимическим риском заключается в необходимости согласованности действий подсистем мониторинга, так как в каждой из них при прогнозе риска могут использоваться разные расчетные модели. При этом, если подсистема мониторинга техногенных источников, по сути, является независимой от природной среды, на которую она оказывает воздействие (если не считать возможности обратного воздействия), то расчетная модель прогноза формирования опасных ситуаций в природной среде должна учитывать входящие техногенные воздействия, а модель для объектов опасности - воздействия компонентов природной среды.

Системность. В основу построения системы мониторинга при управлении риском должна быть положена концептуальная модель формирования геохимической опасности и возникновения риска. Принцип системности предполагает выделение в структуре мониторинга трех подсистем: 1) источников техногенных воздействий, 2) геохимического состояния компонентов природной среды, 3) объектов опасности (населения, объектов инфраструктуры и т.п.).

Ситуационность. Принцип ситуационности предполагает оперативное управление, осуществляемое в дополнение к стратегическому, заключается в принятии или корректировке управленческих решений в соответствии со складывающейся ситуацией, вытекает из вероятностного характера формирования и реализации опасных геохимических ситуаций. Программы мониторинга должны разрабатываются специалистами различных областей знаний на основе анализа сценариев развития событий с наибольшей детальностью проработки наиболее вероятного варианта. Мониторинг должен контролировать не только показатели, которые дают возможность установить соответствие состояния природной среды действующим нормативам, но и те, которые позволяют выяснить условия формирования и изменения геохимического состояния компонентов природной среды, изменение сценариев развития ситуации, совершенствовать расчетные модели.

Стадийность. В проведении мониторинга следует выделять следующие этапы, характеризующиеся различными задачами, и соответственно программой мониторинга: предстроительный (реперный), строительный, эксплуатационный. На предстроительном этапе мониторинга основная задача - получение информации, позволяющей определить фоновые или реперные показатели состояния действующих подсистем, выяснить динамику их изменения в условиях до начала строительства. В течение строительного этапа, в зависимости от расположения конкретных объектов корректируется сеть наблюдательных пунктов, в основном выясняются особенности изменения состава природных сред при строительстве объектов. Эксплуатационный этап разделяется на два подэтапа. На первом подэтапе определяется комплекс загрязняющих веществ, выбираются приоритетные загрязняющие вещества, выявляются фактические источники загрязнения, определяются ассоциации элементов-индикаторов, характеризующих воздействие конкретных источников загрязнения, корректируется сеть наблюдательных пунктов. На втором подэтапе контроль за состоянием природных сред осуществляется в основном по приоритетным загрязнителям, что позволяет на ряде участков организовать автоматизированную систему контроля за загрязнением, определяется степень техногенного воздействия конкретных источников загрязнения и контуры площади распространения загрязняющих веществ. На всех этапах выполняется прогнозная оценка геохимического риска и на основе результатов прогноза уточняются мероприятия по минимизации риска, эффективность которых оценивается на основном этапе мониторинга.

Экспертная система как инструмент оперативного принятия решений по управлению риском в чрезвычайной ситуации

В разделе представлен подход к управлению риском при экстремальных геоэологических ситуациях на урбанизированных территориях с использованием экспертных систем. Представленный подход позволяет обосновать конкретное содержание и последовательность процедур, используемых при работе экспертной группы в процессе решения задач управления риском в нештатной ситуации при дефиците времени и информации. Действия эксперта предполагают разработку и реализацию первоочередных защитных мероприятий до завершения полного цикла исследований (аналогичный подход был апробирован автором при выполнении работ на территории ПО «Краситель» в г. Рубежное, Украина). Советующие экспертные системы, основная часть которых - компьютерная база знаний, где накапливается опыт специалистов по решению рассматриваемого класса задач, способствуют повышению оперативности, обоснованности и качества работы эксперта при подготовке вариантов таких решений на основе анализа и прогноза природно-техногенной ситуации.

Подход к организации комплекса экспертных систем для поддержки деятельности группы экспертов в экстремальной геоэкологической ситуации рассматривается на примере системы ПОДТОП (комплекс экспертных систем), разрабатываемой для экстремальной геоэкологической ситуации, возникающей при деформациях здания, предположительно обусловленных подтоплением агрессивными водами (автор принимал участие в разработке гидрогеохимического блока). При разработке сценария работы системы главной трудностью характерной для любой экстремальной геоэкологической ситуации, оказалась необходимость обеспечить оперативное информационное взаимодействие экспертов. Для решения этой общей проблемы построен проект программного комплекса - ЭКСПЕРТ-ЭГС, в котором учтены особенности задач, условий и характера работы эксперта любой специальности (Галицкая, Дзекцер, Чесалов, Юганова, 1998). В ходе проектирования системы ПОДТОП была построена структурно-функциональная схема совместной деятельности экспертной группы (эксплуатационник, гидрогеолог, гидрогеохимик, инженер-геолог, инженер-строитель) и ЛПР по управлению риском «на месте» в экстремальной ситуации.

Часть II. Апробация основных положений методики оценки и управления геохимической опасностью и риском на конкретных объектах

Глава 5. Апробация положений оценки геохимической опасности на конкретных участках

Оценка геохимической опасности территорий несанкционированных городских свалок

Одной из актуальных задач при переходе к устойчивому развитию является обеспечение экологически безопасных условий проживания людей в городах. Интенсивный рост жилищного строительства обусловливает необходимость освоения все новых территорий, нередко занятых несанкционированными свалками. При принятии решения о возможности использования территории свалки и способах ее рекультивации одним из важнейших критериев, наряду с газогеохимической опасностью грунтов, их радиоактивным и бактериологическим загрязнением, является геохимическая опасность, определяемая химическим загрязнением свалочных грунтов и отложений, вмещающих тело свалки, а также их опасностью как вторичного источника загрязнения.

Подход к оценке геохимической опасности территории свалки и возможности использования ее для жилищного строительства рассмотрен на примере несанкционированной свалки, приуроченной к бывшим полям фильтрации, в одном из микрорайонов Марьинского парка в г. Москве. В 1980-е годы началась ликвидация полей фильтрации, накопившиеся иловые осадки сточных вод были частично изъяты, и на этом месте стала образовываться несанкционированная свалка, куда свозили строительный и бытовой мусор, загрязненные породы и др. Под насыпными грунтами распространены отложения древнеаллювиальной надпойменной террасы р. Москвы, представленные в основном неоднородными песками.

Отмечается сложная картина распределения концентраций тяжелых металлов по профилю зоны аэрации и по площади, которая сложилась в результате фильтрации сточных вод из отстойников, дальнейшего складирования твердых бытовых отходов, возможного пролива промышленных стоков. По сочетанию токсичности и концентрации в грунтах наиболее опасным загрязняющим веществом на рассматриваемой территории является свинец, по которому при полиэлементном загрязнении в соответствии с нормативными требованиями должна проводиться оценка степени загрязнения грунтов (безопасный уровень - 32 мг/кг, т.к. учитывается опасность геофагии у детей при играх на загрязненных почвах). В этом случае подавляющая часть опробованных грунтов должна быть удалена, однако данный критерий представляется завышенным, так как базисная концентрация свинца для почв в районе Марьино выше 40 мг/кг (Буренков, Гинзбург, Грибанова, 1997). Кроме того, по данным (Буренков, Борисенко и др., 1997) максимально допустимый уровень свинца в почве, покрытой травянистой растительностью, где бывают дети, может достигать 250 -600 мг/кг.

Более обоснованным является использование при оценке опасности грунтов величины суммарного показателя загрязнения Z_c. Для обоснования выбора фоновых значений проведен сравнительный анализ различных подходов. В качестве фоновых значений были использованы: 1) значения регионального фона Московского региона, полученные в районе озера Глубокое под Звенигородом, 2) базисные фоновые значения почв в Марьино (Москаленко, Гинзбург, 2001), 3) ориентировочные значения для средней полосы России для дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв по СП 11-102-97, 4) кларки пород (по К. Таркяну и К.Ведеполю), 5) фон пород.

Геохимические ассоциации, характеризующие техногенное загрязнение в зоне наиболее высокого загрязнения насыпных свалочных грунтов и подстилающих аллювиальных отложений (пространственно данные зоны не совпадают), представлены в таблице 1.

Сравнение использования различных фоновых параметров при оценке уровня загрязнения грунтов показало, что от выбора фоновых концентраций в существенной степени зависит величина суммарного показателя загрязнения и соответственно категория загрязнения грунтов. Отмечается изменение структуры геохимической ассоциации, отражающей уровень аномальности накапливающих элементов. При использовании регионального и локального фона почв ведущую роль в геохимических ассоциациях играют свинец, медь и ртуть, фона дерново-подзолистых почв в средней полосе России - свинец и медь, кларка песчаников - медь и кадмий. Уровень загрязнения грунтов, определенный относительно фона почв района исследования, существенно ниже и в большинстве случаев грунты относятся к допустимой категории загрязнения. Следовательно, если бы глубина выемки грунтов определялась по критерию экологически удовлетворительного состояния почв селитебных территорий (Z_с не более 16), объем вывозимых грунтов мог быть значительно меньше. Приведенные результаты подтверждают важность ранее сделанного вывода о необходимости обоснования выбора фоновых содержаний с учетом специфики воздействия на реципиентов. В данном случае целесообразность использования базисных содержаний очевидна, однако отсутствие нормативных документов затрудняет использование научно обоснованных выводов. Показано существенное различие уровня загрязнения пород при использовании кларков пород и фоновых содержаний, обосновывается, что при изучении процессов концентрирования элементов на породах, более обоснованным является использование фоновых параметров пород данной территории.

Таблица 1. Ассоциации химических элементов в насыпных грунтах и аллювильных отложениях

Оценка степени опасности грунтов как вторичного источника загрязнения. Количественная оценка грунтов как вторичного источника загрязнения подземных вод обычно проводится по степени загрязнения грунтов подвижными формами тяжелых металлов по отношению к ПДК подвижных форм и миграционному водному показателю вредности. Использование данного показателя не позволяет оценить время достижения загрязняющих компонентов уровня грунтовых вод, уровень возможного загрязнения подземных вод, определить опасность пород и глубину выемки загрязненных грунтов. Критерии выделения степеней загрязнения научно не обоснованы и могут использоваться только для сравнительной характеристики. Как один из подходов к решению проблемы предлагается использовать расчеты влаго - и массопереноса для анализа изменения содержания элементов в отложениях зоны аэрации при различных вариантах выемки загрязненных грунтов. Расчеты проводились для меди как одного из основных загрязняющих элементов при помощи программного комплекса WHI UnSat Suite Plus версия 2.2.0.2. Результаты прогнозных расчетов показали, что для случая, когда не производится выемка загрязненных пород полное очищение пород зоны аэрации происходит через 100 лет. При этом концентрация меди во влаге, поступающей на уровень грунтовых вод, составит через: 10 лет -850 мг/л; 20 лет -840 мг/л; 30 лет -570 мг/л; 40 лет -300 мг/л; 50 лет -150 мг/л. При выемке загрязненных пород насыпного слоя, в том числе наиболее загрязненного слоя илового осадка полное очищение зоны аэрации происходит примерно через 70 лет, но концентрация меди во влаге, поступающей на уровень грунтовых вод, существенно ниже и составляет через: 10 лет -75 мг/л; 12 лет -50 мг/л. Учитывая большую длительность процессов и небольшую интенсивность поступления загрязнения на уровень грунтовых вод, для решения вопроса об опасности пород зоны аэрации, выполненные расчеты необходимо дополнить прогнозом загрязнения подземных вод.

Оценка опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных и поверхностных вод нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ)

Подход к оценке опасности пород зоны аэрации как вторичного источника загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами и ПАУ рассмотрен на примере исследований, проводившихся при восстановлении водной среды Лефортовского парка (г. Москва). Основные источники нефтепродуктов и ПАУ на рассматриваемой территории - гаражи, склад ГСМ, подземные емкости с нефтепродуктами на территории предприятий, расположенных в непосредственной близости от парка. Поступление ПАУ в данном районе с развитой сетью автодорог и интенсивным движением также осуществляется с выбросами автотранспорта. Инфильтрация загрязненных вод на данных участках обусловливает очень высокий уровень загрязнения пород зоны аэрации различными углеводородными компонентами нефтепродуктов, в том числе канцерогенными ПАУ. Результаты анализа типа ассоциаций индивидуальных ПАУ (3,4 бензпирена, пирена, 1,12 бензперилена, 11,12 бензфлуорантена, перилена, хризена, фенантрена, антрацена) и их корреляции с другими компонентами нефтепродуктов использованы при идентификации источников загрязнения и выяснении особенностей формирования загрязнения подземных вод и зоны аэрации нефтепродуктами. Для оценки опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных и поверхностных вод при возможной ликвидации первичных источников были выполнены расчеты миграции нефтепродуктов (бензола и толуола) и ПАУ (пирена) в зоне аэрации при помощи программного комплекса WHI UnSat Suite Plus (версия 2.2.0.2) (Gogolev et al, 2002)] и подпрограммы VLEACH (Ravi, Johnson,1997). Выполненные расчеты миграции нефтепродуктов в зоне аэрации показали, что даже на конец 200-летнего периода содержание основных составляющих нефтепродуктов - бензола и толуола в породах в породах уменьшится до 10-11 г/кг, во влаге, поступающей на уровень грунтовых вод- до 1 г/л, что значительно выше ПДК.

Исследование геохимической опасности горных пород как вторичного источника загрязнения в районе размещения отвала фосфогипса и пиритного огарка (Воскресенский промрайон)

Данное направление исследований возникло в связи с необходимостью обоснования выбора мероприятий для защиты от загрязнения водозабора пресных подземных вод, которые находятся в зоне влияния основного источника загрязнения -- отвала фосфогипса и пиритного огарка. Складируемые отходы являются потенциальным источником многих элементов: кальция, серы (в виде сульфатных соединений), тяжелых металлов, фтора, фосфора, мышьяка, стронция, редкоземельных элементов. С целью исследования пород как вторичного источника загрязнения было проведено изучение состава и интенсивности их загрязнения микроэлементами (с использованием полуколичественный спектральный анализ) и форм нахождения в породах тяжелых металлов (с использованием фазового геохимического метода в модификации Ю.Е.Саета и Н.И. Несвижской).

В результате проведенных исследований установлено полиэлементное загрязнение как четвертичных, так и карбонатных пород с наличием в вертикальном разрезе пиков содержаний микроэлементов (наиболее значительное для стронция, мышьяка и элементов группы тяжелых металлов), что свидетельствует о концентрировании элементов на геохимических барьерах. Выделены геохимические ассоциации элементов, отличающихся максимальной величиной коэффициента концентрирования К_с, представляющего отношение содержания элемента в породах исследуемого района к его содержанию в аналогичных литологических разностях на фоновом участке (таблица 2).

Концентрирование элементов в верхней части разреза происходит в основном на геохимических барьерах. На глубине 3,5-3,7 м в прослое со щебнем известняка на щелочном и карбонатном барьерах отмечены повышенные содержания Mn, Cr, V, Co, Cu, Zn, Cd, Zr. Ниже, на сульфатном барьере на глубине 12,5 м, происходит концентрирование стронция; в верхней части известняков на щелочном барьере - Zn, Cu, As. Особенности распределения стронция в карбонатных породах в более глубоких частях разреза определяются горизонтальной миграцией стронцийсодержащих подземных вод по зонам повышенной проницаемости и их взаимодействием с породами, что проявляется в увеличении концентрация стронция в 40-100 раз на глубинах 48-51 м, 58,3-62,4 м и 75,0-76,3 м. Геофизические данные подтвердили наличие на данных глубинах зон повышенной проницаемости.

Таблица 2. Геохимические ассоциации в четвертичных и каменноугольных отложениях

Результаты спектрального анализа показали потенциальную возможность пород как "комплексного геохимического барьера", на котором могут концентрироваться загрязняющие вещества, тем самым обусловливая уменьшение степени загрязнения вод и формируя источник вторичного загрязнения. Для оценки потенциальной опасности загрязнения подземных вод в случае ликвидации отвала проведено изучение форм нахождения ряда элементов в породах.

На основании обобщения полученных результатов установлено следующее.

1. В виде водорастворимых соединений находится незначительное количество тяжелых металлов. В абсолютных величинах наиболее существенно наличие водорастворимых соединений железа, цинка и марганца, что хорошо согласуется с фактом повышенного содержания данных элементов в подземных водах. Основную опасность представляют марганец, цинк и железо, содержание которых в подвижных формах наиболее высоко по сравнению с другими элементами.

2. По характеру концентрирования выделены три группы элементов: а) элементы, пик концентрации которых зафиксирован в верхней части разреза: железо, кобальт, марганец в гидроксидной форме (концентрирование данных элементов происходит на щелочном барьере) и цинк в органо-минеральной форме; б) элементы, пик концентрации которых зафиксирован вверху карбонатной части разреза: медь, цинк и кадмий в карбонатной форме и свинец в аморфной гидроксидной форме; концентрирование меди, цинка и кадмия происходит на карбонатном барьере; 3) элементы без явных пиков концентрирования - никель и хром аморфной гидроксидной форме.

Ряды, отражающие максимальные концентрации элементов в различных формах (мг/100 г породы) представлены в таблице 3. (< -содержание элемента ниже чувствительности анализа).

В результате применения данного подхода для изучения роли пород в контролировании техногенного загрязнения на участке размещения отвала фосфогипса и пиритного огарка в районе г. Воскресенска установлено, что основная часть мигрирующих с подземными водами тяжелых металлов закрепляется в породах, с одной стороны, обусловливая уменьшение концентрации загрязняющих компонентов в подземных водах, а с другой - формируя источник вторичного загрязнения, размеры которого определяются совокупностью природно-техногенных условий загрязнения. Использование фазового геохимического метода позволило выяснить распределение форм нахождения тяжелых металлов в породах. Сделаны выводы о характере изменения загрязнения подземных вод после прекращения отсыпки отвала.

Таблица 3. Содержание форм нахождения химических элементов

Глава 6. Прогноз риска загрязнения подземных вод подольско-мячковского водоносного горизонта в районе бывших Люблинских полей фильтрации