Системный анализ экологического состояния зоны гипергенеза урбан

На правах рукописи

Помеляйко Ирина Сергеевна

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ЗОНЫ ГИПЕРГЕНЕЗА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

(НА ПРИМЕРЕ КУРОРТА ФЕДЕРАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ Г. КИСЛОВОДСКА)

специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление

и обработка информации (вычислительная техника и информатика).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель –

д.т.н. А.В. Малков

г. Пятигорск – 2012 г.

Работа выполнена на кафедре «Управления и информатики в технических системах» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пятигорский государственный гуманитарно-технологический университет»

Научный руководитель (консультант) – доктор технических наук,

профессор Малков Анатолий Валентинович

Официальные оппоненты: – Колесников Анатолий Аркадьевич, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор ТТИ ЮФУ, зав. каф. синергетики и процессов управления

– Ефимов Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор

ЮРГТУ (НПИ), зав. каф. тепловые электрические станции

Ведущая

организация: – ФГУГП «Гидроспецгеология»

Защита состоится 22 ноября 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ) по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Южный федеральный университет».

Автореферат разослан «22» октября 2012 г.

Ученый секретарь диссерта-

ционного совета, д.т.н., проф. Целых А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Конец XX-го начало XXI-го века — время, когда экология проходит красной нитью развития, как отдельных городов и стран, так и континентов в целом. Человечество достигло того уровня развития, когда игнорирование последствий техногенеза стало чрезвычайно опасным. В конечном итоге «если воздухом нельзя дышать, воду нельзя пить, а пищу нельзя есть, то все социальные проблемы теряют свой смысл». Человек – единственное существо на Земле, чьи отходы хозяйственной деятельности природа не способна переработать без ущерба для экосистемы. На урбанизированных территориях существенно и не в лучшую сторону изменены все природные оболочки среды обитания. Атмосфера, поверхностные и подземные воды, почва, растения – на всем лежит печать бурной деятельности человека. Мы изменяем среду обитания, хотя декларируем, что «природа знает лучше» среда обитания изменяет нас, поскольку «ничто не дается даром». Нежелание человечества «платить по счетам» по отношению к природе приводит к многочисленным катаклизмам, уносящим тысячи жизней. Рост онкозаболеваний и болезней органов дыхания, рождение детей с хромосомными аберрациями и врожденными пороками развития, рост числа инвалидов-детства вот далеко не полный перечень последствий игнорирования отдачи долгов природе. По данным РАН, в России здоровыми являются меньше четверти новорожденных, у 30 % выявлены генетические нарушения.

В России не так много курортов федерального значения, всего около 40. Один из них – Кисловодск, входящий в состав особо охраняемого эколого-курортного региона РФ – Кавказские Минеральные Воды (КМВ). Согласно принятой в 2002 году в России экологической доктрине, в связи с постоянно растущими темпами антропогенного воздействия на природные комплексы, требуется «совершенствование системы показателей, создание методологии экологического мониторинга, включая комплексную оценку состояния окружающей среды».

Несмотря на режим особой охраны, в последние годы по ряду причин, экологическая ситуация на курорте существенно ухудшилась. На сегодняшний день, в городе контроль состояния окружающей среды заключается в разрозненном, недостаточно полном санитарно-гигиеническом мониторинге почв, атмосферы и минеральных вод.

С целью объективной оценки состояния окружающей среды необходимо проведение системного анализа экологического состояния зоны гипергенеза курорта.

Зона гипергенеза – зона сочленения литосферы, гидросферы, атмосферы, в пределах которой сформировалась биосфера в условиях относительно низких температур, давления, наличия свободной воды и кислорода, что необходимо для существования сложных белковых молекул, составляющих основу жизни.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является:

— системный анализ экологического состояния зоны гипергенеза включающий экологическую оценку воздушного бассейна, поверхностных водотоков, грунтов и подземных вод г. Кисловодска;

— изучение динамики эколого-зависимых заболеваний населения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Эколого-аналитическая оценка состояния воздушного бассейна, почв, поверхностных и подземных вод г. Кисловодска.

Совершенствование методики мониторинга малых рек и грунтов с учетом специфики города-курорта.

Изучение экологического состояния функциональных зон города, выявление ксенобиотиков в воздухе, реках, грунтах и подземных водах.

Изучение процессов геофильтрации и миграции загрязняющих веществ в грунтовых водах.

Оценка «ответной реакции» населения на антропогенное загрязнение среды обитания. Анализ влияния поллютантов присутствующих в зоне гипергенеза города на здоровье населения.

Составление кадастра источников антропогенного загрязнения среды. Разработка мероприятий по стабилизации экологической обстановки на курорте.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

В работе применялись наземные методы экологического мониторинга: физико-химические методы, биоиндикация, методы статистической и математической обработки данных, математическое моделирование.

Достоверность полученных результатов подтверждена аккредитациями лабораторий на данные виды исследований, сходимостью полученных результатов.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

Совершенствование методики системного подхода к оценке экологической ситуации объекта исследования по всем средам.

Оценка ответной реакции населения на экологическую ситуацию, сложившуюся на курорте.

Разработка математической модели геофильтрации и миграции подземных вод верхней гидродинамической зоны. Оценка масштабов площадного загрязнения грунтовых вод.

Обоснование критериев выбора ПДК для отдельных сред (атмосфера, поверхностные и грунтовые воды) зоны гипергенеза.

Разработка комплекса мероприятий способствующих улучшению экологической ситуации в г. Кисловодске.

Научная новизна работы

Впервые в г. Кисловодске осуществлен системный анализ включающий исследование антропогенного загрязнения всех природных сред зоны гипергенеза с выявлением источников поступления в них поллютантов.

Обоснованы критерии выбора предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ для города-курорта федерального значения.

Усовершенствованы методики проведения мониторинга воздушного бассейна, рек и грунтов курортного региона, определены индексы загрязнения атмосферы (ИЗА), вод горных рек (ИЗВ), рассчитаны лимитирующие показатели вредности (ЛПВ) и суммарные показатели загрязнения грунтов (Zc) курорта.

На основе выполненных анализов природных сред оценена острота экологической ситуации каждой из сред зоны гипергенеза и степень экологического риска для населения.

Построена математическая модель геофильтрации и миграции загрязнённых грунтовых вод.

Обоснован комплекс приоритетных мер по оздоровлению городской среды и улучшению качества основных курортообразующих факторов.

Практическая и научная значимость, и реализация результатов работы.

Полученные в результате проведенных работ данные представляют интерес с точки зрения методик комплексного мониторинга урбанизированных территорий и могут лечь в основу экологического паспорта курорта. Результаты исследований могут быть использованы природоохранными службами на других аналогичных курортных регионах, при проведении мероприятий по улучшению качества городской среды обитания, а также в процессе разработки генерального плана города с целью снижения экологического риска для населения. Разработанные подходы могут быть использованы природоохранными ведомствами при изучении условий и факторов формирования участков экологического риска других населенных пунктов.

Апробация работы, публикации

Результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов минеральных вод Березовского и Центрального участков Кисловодского месторождения лечебных минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 827 от 20.04.2002 г., протокол ГКЗ РФ № 1442 от 31.08.2007 г.). Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:

I Всероссийская научно – практическая конференция с международным участием «Наука-основа инновационного развития современного общества» (Тольятти, 2010);

IV Всероссийская научно – практическая конференция «Стратегия устойчивого развития регионов России» (Новосибирск, 2011);

II Международная научно – практическая конференция «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды» (Махачкала, 2011);

Национальный научный форум «Нарзан-2011» «Техногенные процессы в гидролитосфере» (Кисловодск, 2011);

IV Международная научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2011);

Международная молодежная научная конференция «Математическая физика и ее приложения» (МФП-2012) (Пятигорск, 2012).

По теме работы опубликовано 13 научных статей, в том числе 7 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 179 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического указателя, включающего 178 источников, в том числе 3 иностранных автора и шести приложений. Диссертация иллюстрирована 33 таблицами и 68 рисунками.

Содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность системного анализа экологического состояния зоны гипергенеза урбанизированных территорий, поставлены цели и задачи исследования, выделены объект и предмет исследования, научная новизна, практическая ценность работы и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Сущность проблемы и состояние изученности» рассматриваются экологические проблемы городов-курортов – низкий уровень благоустройства, отсутствие городской канализации, высокая роль жилищно-коммунального комплекса в выбросах отходов в окружающую среду, обширный автопарк и т.д. В городах курортах призванных возвращать здоровье, заболеваемость коренного населения, в том числе и детей, порой превосходит средний по РФ уровень. При этом среди заболеваний горожан превалируют именно те, которые призван лечить данный курорт. Целью проводимого на курортах мониторинга в ряде случаев является демонстрация полнейшего благополучия территории, для чего посты наблюдений оборудуют как можно дальше от источников загрязнения, а перечень поллютантов определяемых в той или иной среде сведён к минимуму. К минимуму сведен и перечень природных сред охваченных системой мониторинга.

Проблему чистоты окружающей среды на курорте можно решить тремя путями. Путь первый – создание нормативно-правовой базы разработанной специально для курортных регионов, проведение регулярного системного анализа экологического состояния сред зоны гипергенеза, биомониторинг здоровья населения, особенно детского с автоматическим занесением полученных результатов в экологический паспорт города и принятием превентивных мер. Второй путь – минимизирование информации путем сворачивания наблюдательной сети, уменьшения количества отбираемых проб и определяемых в них компонентов. Действительно, зачем пугать рекреантов? Курорт – значит всё чисто! Третий путь – вывести курорты и лечебно-оздоровительные земли из статуса особо охраняемых территорий. Нет статуса, нет проблемы грязных курортов! Таким образом, курортный статус города является скорее карой, чем привилегией.

На сегодняшний день нормативы допустимых концентраций поллютантов в природных средах (исключая атмосферу) на курортах ничем не отличаются от нормативов любых других городов. Едина, для всех населенных пунктов, и методика проведения экологического мониторинга. Кроме того, для курортов недостаточно традиционных методов анализа окружающей среды, поскольку физико-химические методы указывают лишь на содержание определенных загрязнителей и не могут дать ответа на вопрос о качестве окружающей среды и её пригодности для обитания человека. Необходимо использование методов биологического мониторинга, позволяющих получить интегральную оценку последствий воздействия комплекса всех внешних факторов на представителей живой природы. Учитывая специфику и народнохозяйственное значение территории в качестве ПДК на курорте должны применяться наиболее жесткие из разработанных нормативов, либо разрабатываться новые, конкретно для особо охраняемых курортных регионов.

Несмотря на наличие различных подходов в изучении среды, методологические и методические основы геоэкологической оценки городов-курортов разработаны недостаточно. Здесь следует упомянуть работы таких авторов как, Л.В. Алексеева, М.Е. Берлянд, Н.С. Буренин, Н.П. Поволоцкая, Н.Ф. Реймерс.

Во второй главе «Описание района работ» дана характеристика города-курорта Кисловодск. Приведены данные об административном положении, геоморфологических, гидрографических, климатических, геологических и гидрогеологических условиях района работ.

В третьей главе «Системный анализ экологического состояния зоны гипергенеза» автором для системного анализа всего природного комплекса были изучены, как среды-накопители (почвы), так и среды-переносчики (атмосфера, поверхностные и подземные воды) загрязняющих веществ. Только в данном случае можно получить достоверную информацию о сложившейся на исследуемой территории экологической ситуации. Отражены объекты и методика исследований. Дана оценка экологической ситуации каждой из сред зоны гипергенеза.

Анализ экологического состояния воздушного бассейна. Для экологической оценки состояния воздушного бассейна города, проводился сбор и анализ данных о замеренной концентрации поллютантов в атмосфере и данных по выбросам загрязняющих веществ (ЗВ) в период с 1994 по 2011 годы. После чего определялись вещества, регулярно превышающие ПДК, анализировались возможные пути их поступления в атмосферу. Для определения качества воздуха в работе применялся комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) который рассчитывался по формуле:

EMBED Equation.3

где q срi – среднегодовая концентрация загрязняющего вещества; ПДКссi – его среднесуточная предельно допустимая концентрация; Сi –безразмерный коэффициент, позволяющий привести степень вредности i –ого загрязняющего вещества к степени вредности диоксида серы.

Результатом проведенных исследований явилось усовершенствование методик по ведению мониторинга атмосферы и разработка мероприятий по улучшению качества воздушного бассейна курорта. Территория Кисловодска характеризуется повышенным потенциалом загрязнения атмосферы. Застойный режим, который устанавливается в котловине при низкой аэрации (отсутствии ветров), приземных инверсиях и хаотичной застройке способствует накоплению загрязнителей в атмосфере г. Кисловодска.

По итогам исследований можно сделать следующие выводы:

Суммарные выбросы ЗВ за период 1994-2011 гг. увеличились на 10,9 тыс.т. (в 4 раза) за счет выбросов от автотранспорта. Тренд, построенный по выбросам от автотранспорта за данный период показывает, что темпы роста составляют 0,73 тыс.т. в год (рис. 1).

На каждый квадратный километр города в 2011 г. было выброшено 200,6 тонн загрязняющих веществ, что в 4 раза больше показателя за 1994 год (48,7 тонны). Выбросы вредных веществ на душу населения выросли с 30 кг (1994 г.) до 106,5 кг (2011г.).

Концентрации З.В. в воздухе селитебной зоны в 2– 3 раза превосходят показатели, зафиксированные в парке, и не удовлетворяют нормативам по взвешенным веществам (В.В), NO2, NO, бенз(а)пирену (БП).

Уровень загрязнения атмосферного воздуха в Кисловодске классифицируется как повышенный (ИЗА > 5). За период 1994 – 2011 гг., максимум загрязнения воздуха комплексом примесей зафиксирован в 1996 г. (ИЗА = 7,3), минимум в 2000 г. (ИЗА = 4,0).

Таким образом, на сегодняшний день, состояние воздушного бассейна свидетельствует о напряженной экологической ситуации сложившейся на курорте.

Рис. 1. Выбросы ЗВ от предприятий и автотранспорта в г. Кисловодске.

Анализ экологического состояния грунтов. В рамках изучения объекта исследования на территории города методом ключевых участков были отобраны 14 проб грунта с глубины 0,1 м. Опробовался максимально трансформированный слой, непосредственно контактирующий с поверхностью. Отбор проб осуществлялся методом конверта. Размер конверта принимался 3×3 м. С каждого объекта отбиралась

одна объединённая проба, составленная из 5 точечных. Пробы отбирались на регламентируемых функциональных зонах. За фон принимались параметры грунта отобранного в курортном парке, на водоразделе с высотной отметкой 1200 метров. Такая территория получает минимальное антропогенное воздействие и является автономной. Химический анализ грунтов, выполнялся по 21 показателю, критерии отбора которых обосновывались рядом факторов. Это вещества 1-2 класса опасности (Pb, Hg, Cd, Zn, Ni, Be, Cu, As, F); вещества с повышенным природным содержанием (Ba, Sr); индикаторы различных видов загрязнений (нефтепродукты (НФ), фосфаты (Ф), Al, NH4+, NO3, Se, Mn); показатели радиоактивности пород зоны аэрации (цезий-137, стронций-90); кислотность среды (рН). Всего было выполнено 546 химических анализов.

Оценка уровня загрязнения почв проводилась по суммарному показателю загрязнения – Zc, отдельно для каждой исследуемой функциональной зоны:

EMBED Equation.3

где Кс – коэффициент концентрации вещества (Kc = Ci / Cфi); Сi – фактическое, Сфi – фоновое содержание элемента; n — число суммируемых элементов.

Анализируя уровень загрязнения грунтов по суммарному показателю загрязнения Zc можно сделать следующие выводы:

наиболее загрязненными являются грунты промзоны и территории прилегающей к железнодорожному полотну, Zc которых составляет 38-108, что соответствует опасной категории загрязнения почв. При таком уровнезагрязнения почв увеличивается как общая заболеваемость населения, так и число детей с хроническими заболеваниями и нарушениями сердечно-сосудистой системы.

наименьший показатель загрязнения (Zc = 11) выявлен в пробе грунта отобранного на детской площадке в селитебной зоне. Только данная функциональная зона, по показателю загрязнения грунтов, относится к категории – допустимая.

остальные пробы, относятся к умеренно опасной категории загрязнения почв. Суммарный показатель загрязнения Zc для них варьирует от 16 до 32. Такое загрязнение ведет к увеличению общей заболеваемости коренного населения.

Содержание тяжелых металлов 1 класса опасности (Cd, As, Hg, Pb, Zn) в грунтах превышает природные значения в 2-4 раза. По результатам мониторинга установлено, что на территории курорта имеются участки, где концентрация Cd превышает установленные санитарно-гигиенические нормативы. Среднее валовое содержание Cd в грунтах Кисловодска составляет 1,65 мг/кг, что в 3 раза превышает среднекраевые значения и в 2,5 раза показатели г. Москвы. Среднее содержание ТМ в почвах города превышает среднекраевые значения в 2-3 раза и практически соответствует их концентрации на территории г. Москвы.

Почвенный покров в городе не отвечает гигиеническим нормам по микробиологическим показателям. Доля неблагополучных проб достигает 77 %.

Роль антропогенной нагрузки в деградации грунтов на территории города приведена в табл.1.

Таблица 1.

Роль антропогенной нагрузки в трансформации качества грунтов

№ п/п

Компонент (З.В.)

Фоновая

концентрация, мг/кг

Средняя по городу концентрация, мг/кг

Превышение над фоном, %

1

Фосфаты

1,11

15,72

92,9

2

Нефтепродукты

11,8

75,25

84,3

3

Ртуть

0,02

0,08

75,0

4

Свинец

10,0

24,4

59,0

5

Цинк

52,5

92,04

43,0

6

Мышьяк

2,2

3,61

39,1

7

Кадмий

1,0

1,65

39,4

Приуроченность места отбора пробы грунта к той или иной функциональной зоне, четко коррелирует с появлением конкретного, сопутствующего данному виду антропогенной нагрузки загрязнению (табл. 2). По полученным данным отмечается наличие сильной положительной корреляционной связи между концентрациями Cd и Sr (r = 0,83), Al и F (r = 0,75). Наличие средней положительной связи выявлено между концентрациями в грунтах Pb и Zn (r = 0,58), Zn и НФ (r = 0,58), Cu и Zn (r = 0,54). Максимум концентраций Cd и Sr фиксируется вблизи АЗС и крупных автомагистралей. Пик концентраций Al и F в почвах, четко коррелирует с зонами сельскохозяйственного назначения.

Таблица 2.

Распределение поллютантов в грунтах функциональных зон

Функциональная зона

Величина Zc

Категория загрязнения

Основные поллютанты

Промышленная зона +АЗС

37,7-108,1

Опасная

Pb, Hg, Zn, Ni, НФ

Железная дорога

36

Опасная

Cd, Ni, Cu, Hg, Sr, Ф

Авто и ж/дороги, АЗС

22-30

Умеренно опасная

НФ, Hg, Pb, Sr, Cu, Cd, Zn

Селитебная зона, зона сан-охраны реки

19-21

Умеренно опасная

NH4+, Ba, Pb, Sr, As, NO3, НФ, Ф

Почвы с/х

16-17

Умеренно опасная

Cd, Al, Mn, As, F, Sr, Ф

Детская площадка

10,5

Допустимая

NO3

Анализ экологического состояния поверхностных водотоков. Поскольку гидрометрических постов на реках Кисловодска нет, отсутствует и информация о санитарно-химическом и микробиологическом состоянии речных вод. На первом этапе исследования был составлен кадастр основных антропогенных источников загрязнения рек в черте города. В него вошли семь возможных источников загрязнения. Мониторинг речных вод осуществлялся в течение двух лет (2011–2012 гг.). Определив возможные источники загрязнения каждой реки, были заложены 13 постов наблюдения. Для того чтобы оценить влияние той или иной антропогенной нагрузки на качество речной воды посты располагались соответственно: до возможного источника загрязнения речных вод и ниже по течению. Мониторинг проводился по рекам Белая, Березовая, Ольховка и Аликоновка. Пробы воды отбиралась в стрежневой части реки. Замеры проводились 1-2 раза в сезон с обязательным отбором проб в паводок, межень и в половодье. Всего было выполнено 1886 химических анализов. Химический анализ каждой пробы воды включал определение 34 компонентов. Их выбор был обусловлен рядом признаков: основные ионы речных вод (K+, Ca2+, Na+, Mg2+, HCO3, Cl); индикаторы, характеризующие способность воды к самоочищению (БПКполн, растворенный кислород, pH, перманганатная окисляемость); тяжелые металлы (Pb, Hg2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Mn2+, Cu2+ , Cr+6); индикаторы различных видов загрязнений (NH4+, NO2, NO3, НФ, фосфаты, SO42-, Al, Se); компоненты с повышенным на КМВ фоном (Ba2+, Sr2+, Fe); неорганические ядовитые вещества (Be2+, Br, F, As, фенолы); показатели радиационной безопасности (суммарная α и β-активность).

Учитывая статус города, в качестве ПДК принимались наиболее жесткие нормативы. Интегральная оценка загрязнения рек по гидрохимическим показателям осуществлялась по индексу загрязнения вод (ИЗВ). Расчет ИЗВ выполнялся по 6 показателям согласно формуле:

EMBED Equation.3 ,

где Ci – концентрация компонента; N – количество показателей, используемых для расчета индекса; ПДКiпредельно допустимая концентрация для соответствующего типа водного объекта.

Согласно нормативным требованиям при одновременном присутствии в воде двух или более веществ 1-2 классов опасности, характеризующихся однонаправленным механизмом токсического действия, рассчитывается лимитирующий показатель вредности (ЛПВ). Влияние антропогенной нагрузки на изменение химического состава поверхностных вод г. Кисловодска приведено в табл. 3.

Таблица 3.

Роль антропогенной нагрузки в ухудшении качества речных вод

№ п/п

Компонент (З.В.)

Концентрация на истоке, мг/дм3

Концентрация на устье, мг/дм3

Превышение над фоном, %

1

Мышьяк

0,001

0,05



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | Вперед → | Последняя | Весь текст