WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

Учреждение Российской академии наук

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

На правах рукописи

Галицкая Ирина Васильевна

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ И РИСК

НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ: АНАЛИЗ, ПРОГНОЗ, УПРАВЛЕНИЕ

Специальность  25.00.36 - геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Москва – 2010

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

Научный консультант:  доктор технических наук, профессор

Е.С.Дзекцер

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

Защита состоится «25»  июня 2010 г. в 14.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.048.01 в Учреждении Российской академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН) по адресу:109004, Москва, ул. Николоямская, д. 51

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭ РАН по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д.13, стр.2.

Автореферат разослан «….»__________2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д.13, стр.2, а/я 145, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.048.01 кандидату геолого-минералогических наук Г.И.Батраку

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук  Г.И.Батрак

               

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 (berg, Bergbck, 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; Tristn, 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)

Основные понятия и определения

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.).

Устойчивость природного объекта (внутренний фактор). Опасное результирующее воздействие на природный объект не является достаточным условием для формирования геохимической опасности, в связи тем, что он может быть устойчив к внешним воздействиям и не перейти в опасное геохимическое состояние. Вероятность формирования опасного состояния в значительной степени зависит от внутренних свойств природного объекта и его способности сохранять, восстанавливать и (или) регулировать свой состав и свойства и (или) выполнять определенные функции (например, в качестве вод хозяйственно-питьевого назначения). Формирование опасного состояния миграционного компонента природной среды оценивается на участке (в створе) фиксации гидрохимической или гидрогеохимической опасности, который определяется в зависимости от цели исследования. В большинстве случаев это участок, на котором оценивается опасное воздействие природной среды на человека и объекты инфраструктуры. Он может пространственно совпадать с участком поступления загрязнения в водоносный горизонт или поверхностный водоток или находиться на некотором расстоянии. При переносе загрязняющих веществ в миграционной среде возможны значительные изменения степени опасности за счет дисперсии, физико-химических процессов превращения загрязняющих веществ в самой миграционной среде и при взаимодействии с твердой фазой отложений. При рассмотрении конкретных концептуальных моделей важно также учитывать внешние воздействия по пути трансляции опасности в самом объекте до участка фиксации состояния среды.

Устойчивость природного объекта определяется по отношению к конкретному загрязняющему веществу, она также может существенно меняться во времени, что обусловлено изменением ее свойств (например, исчерпание сорбционной емкости). Устойчивость можно оценить временем, в течение которого среда сохраняет способность сопротивляться внешнему воздействию, или величиной потерь (например, ухудшением качества вод), вызванных в течение заданного времени воздействием определенной интенсивности на объект. Особенностью формирования геохимической опасности является ее «скрытый» характер. Формирование геохимической опасности может происходить в результате синергетических эффектов. В качестве примера рассмотрены взаимодействия, индуцированные водоотбором подземных вод.

Таким образом, в рамках модели «эргатическая система – природная среда» возникает так называемый «предметный» риск (риск формирования опасной геохимической ситуации). В общем виде вероятность возникновения в результате техногенного воздействия опасной геохимической ситуации – события (H) - определяется по следующей зависимости:

                               (1)

где P(Fi) – вероятность того, что в течение заданного периода времени на среду будет оказано техногенное воздействие типа i; P(S/Fi) – условная вероятность того, что в случае воздействия Fi природный объект окажется в зоне влияния техногенного источника; P(Fr/Fi&S) – условная вероятность опасного (больше предельно допустимого) результирующего воздействия Fr в случае исходного воздействия Fi и соответствующего расположения объекта; P(H/Fr& Fi&S) – условная вероятность формирования опасного геохимического состояния H при результирующем воздействии Fr, исходном воздействии Fi, соответствующем расположении природного объекта (функция проявления неустойчивости природной среды V). Схема формирования геохимической опасности представлена на рис.3.

Рис. 3. Схема формирования геохимической опасности

Реализация опасной геохимической ситуации (модель II)

Реализация опасной геохимической ситуации обусловливает как социальные, так и экономические потери на урбанизированных территориях. Социальные потери определяются ухудшением здоровья человека (вплоть до летального исхода) при непосредственном воздействии загрязняющих веществ через атмосферный воздух, пылении почв, контакте с загрязненными поверхностными водами в водотоках и водоемах, использовании загрязненной растительности. Экономические потери определяются: разрушением заданий и сооружений, выводом из строя жизнеобеспечивающих коммуникаций при воздействии агрессивных подземных вод на фундаменты и заглубленные конструкции на подтопленных территориях, а также загрязнением подземных вод, использование которых контролируется соответствующими организациями.

Источники потенциально опасных воздействий в модели II – компоненты природной среды - имеют техноприродный или природный генезис. Если в модели I риск «организовывал» субъект (ЛПР), создавая техногенные источники воздействия, то и в модели II риск реализации геохимической опасности также в основном «организует» ЛПР, размещая в зоне опасных воздействий уязвимые объекты – людей, материальные ценности, допуская использование в пищу загрязненной растительности и животных, употребление некондиционных вод, не обеспечивая систем защиты от опасностей и т.п.

Воздействие природной среды может быть: непосредственным - природная среда воздействует непосредственно на человека (например, воздействие загрязненного атмосферного воздуха – при дыхании, почв – при пылении, поверхностных вод – при купании, грунтовых вод (нецентрализованного водоснабжения) – при питье); опосредованным - воздействие осуществляется через объекты второго и более низких рангов. Объект опасности может повреждаться посредством различных воздействий, формирующихся в результате синергетических эффектов, так как геохимическая опасность, как ни одна другая, характеризуется многочисленными разветвленными цепями взаимодействий технической и природной подсистем.

Для модели II вероятность нанесения ущерба объекту зависит от вероятности: опасного геохимического состояния природного объекта, контакта реципиента (объекта опасности) с природным объектом, проявления реципиентом уязвимости. Как и в модели I, формирование потенциально опасного воздействия со стороны природной среды рассматривается на участке фиксации: на водозаборе, на участках размещения зданий и сооружений, в местах нахождения человека. Контакт объектов опасности с загрязненным компонентом природной среды может быть как детерминированным (расположение здания на территории, подтопленной агрессивными водами, нахождение человека на рабочем месте), так и вероятностным (нахождение человека на улице в период пыления почв, выпадения загрязненных атмосферных осадков и т.п.). Данное обстоятельство зависит и от специфики реципиента, и от функционального использования территории. Для модели II также важно результирующее воздействие, однако оно определяется в основном искусственной защищенностью реципиентов (очистные сооружения, гидроизоляция фундаментов и т.п.).

Возникновение ущерба зависит от внутренних свойств объектов опасности, их уязвимости - зависящей как от качеств самих объектов, так и от характера и интенсивности этих воздействий. Уязвимость материального объекта (например, фундамента здания) определяется его восприимчивостью к воздействию и состоянием конструкции и характеризуется его реакцией на опасные воздействия (Дзекцер, 1992). Уязвимость человека к опасным воздействиям со стороны загрязненной природной среды определяется его индивидуальной сопротивляемостью, которая зависит от наследственности, возраста, пола, физиологического состояния организма в момент воздействия неблагоприятного фактора, ранее перенесенных заболеваний и т.д. (Киселев, Фридман, 1997).

В целом с учетом факторов риска при реализации опасного воздействия со стороны природной среды, геохимический риск для объекта опасности выражается следующей зависимостью:

,                         (2)

где P(Hi) - вероятность формирования опасного геохимического состояния i-го природного объекта (см. формулу (1)), P(S*/Hi) – условная вероятность контакта S* реципиента (объекта опасности) с природным объектом, P(L/Hi&S*) – условная вероятность реализации ущерба L в случае контакта реципиента с природным объектом в его опасном состоянии Hi (функция уязвимости), L – ущерб.

По каждой цепочке «источник воздействий – компонент природной среды – объект опасности (реципиент)» риск оценивается отдельно для каждого исследуемого потенциального загрязняющего вещества. Риски от воздействия различных компонентов природной среды на реципиентов суммируются.

Глава 3. Основные методические положения оценки и прогноза геохимической опасности и риска

Оценка геохимической опасности

В настоящее время существует два подхода к оценке геохимического состояния компонентов природной среды с позиций опасности их воздействия на различные объекты: вероятностный и детерминированный.

При вероятностном подходе в соответствии с определениями опасности и риска, приведенными ранее, мерой опасности является риск. Общепринято, что для количественного измерения опасностей применяется «шкала», в которой в качестве единиц измерения используются единицы риска (Кузьмин, Махутов, Хетагуров, 1997). Таким образом, геохимическая опасность должна выражаться в единицах риска в зависимости от типа ущерба и соответственно категории опасности должны определяться исходя из величины риска. Данный подход в основном разрабатывается при оценке риска здоровью человека, методические исследования для других реципиентов находятся в стадии становления.

При детерминированном подходе для оценки опасности геохимической ситуации с позиций ее воздействия на различные объекты используются разные системы санитарно-гигиенических норм и геохимических показателей, разработанных при детерминированной постановке задач исследования. Данные нормативы достаточно актуальны в современный период в особенности при проведении санитарно-токсикологических исследований, инженерно-экологических изысканий, составлении карт районирования городских территорий по степени геохимической опасности и т.п., однако их использование во многих случаях недостаточно обосновано, что требует дальнейшего совершенствования методической базы.

В данной главе представлены:

1) критический анализ методик оценки опасности геохимических состояний разных компонентов природной среды с позиций их воздействия на различные объекты опасности - воздействия загрязненных природных сред на человека (объект первого ранга) и агрессивных природных сред – на объекты инфраструктуры (объекты второго ранга);

2) результаты развития методических подходов к оценке геохимической опасности: а) компонентов природной среды с позиций их воздействия на объекты опасности, б) почв и пород зоны аэрации как вторичного источника загрязнения.

Анализ методических подходов к оценке опасных геохимических состояний компонентов природной среды с позиций их воздействия на объекты опасности

При оценке опасности загрязненных компонентов природной среды по отношению к здоровью человека и компонентам экосистемы в качестве основных показателей используются величины предельно допустимой концентрации (ПДК) и фоновые концентрации. Недостатки ПДК для оценки состояния компонентов природной среды как фактора воздействия на здоровье человека неоднократно обсуждались (Киселев, Фридман, 1997; Головин, Морозова и др. 2000), что, однако, не повлияло на широкое использование данного показателя в связи с отсутствием столь же удобного альтернативного варианта. Несмотря на то, что ПДК позволяет оценить не опасность, а безопасность геохимического состояния исследуемой среды, для оценки опасности часто используется коэффициент концентрации Кс (отношение концентрации химического вещества к ПДК). В большинстве случаев полагают, что чем больше величина Кс, тем выше опасность воздействия загрязненной природной среды на реципиентов, но такие оценки носят качественный характер и использование Кс в данном случае требует специального обоснования. Аналогичный характер носит использование для коэффициента опасности (HQ), обычно применяемого для характеристики развития риска неканцерогенных эффектов и представляющего отношение воздействующей дозы (или концентрации) химического вещества к его референтному уровню воздействия: Предполагается, что чем больше отношение концентрации (дозы) к референтному уровню воздействия превосходит единицу, тем более значительную опасность может представлять анализируемое воздействие, но при этом не учитывается нелинейный характер зависимости «доза-эффект». Превышение референтных доз (так же, как и  ПДК) позволяет делать вывод только о возможности неблагоприятных эффектов без его количественной оценки.

Рассмотрены существующие подходы к оценке опасности геохимического состояния различных компонентов природной среды по отношению к различным объектам опасности (человеку, подземным частям зданий и сооружений) и другим компонентам природной среды.

При оценке качества подземных и поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения, определяется не опасность, а безопасность их использования в соответствии с нормативными документами и при превышении ПДК в источниках, предназначенных для питьевого водоснабжения, любой случай превышения ПДК свидетельствует о некондиционности вод, а принимается решение о способах доведения состава вод до кондиционного (очистка, смешение с чистыми водами). Для характеристики экологической обстановки степень загрязнения питьевой воды и водоисточников питьевого и рекреационного назначения определяется в соответствии с «Критериями оценки экологической обстановки для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия». Для поверхностных водоемов при определении степени загрязненности используются методические подходы, представленные в работах (Васильева и др., 1998; Моисеенко, 1995; и др.).

При оценке опасности агрессивного воздействия подземных вод на заглубленные части зданий и сооружений оценка опасности проводится по соответствующим нормативам, с выделением степени агрессивности в зависимости от концентрации компонентов. Рассмотрены разрабатываемые в настоящее время термодинамические методы оценки агрессивности (например, метод, основанный на определении степени термодинамической неравновесности по отношению к карбонату кальция). Данный подход позволяет более обоснованно подойти к оценке агрессивности, проявляющейся при нарушении карбонатного равновесия и приводящего к повреждению защитной карбонатной пленки на поверхности бетона, а также к отрицательному воздействию на фундаменты старинных зданий, сложенных блоками известняка.

При оценке опасности воздействия почв и горных пород используются в основном два подхода, заключающиеся в оценке превышения концентрации компонента по отношению к: 1) ПДК (ОДК), 2) фону. В настоящее время разрабатываются другие методы, из которых наиболее удачным является ЭКОСКАН (Буренков, Гинзбург, Грибанова, 1997). Наиболее спорными являются такие аспекты как правомерность использования нормативов для почв при оценке опасности горных пород и применимость действующих критериев для оценки опасности почв и горных пород как вторичного источника загрязнения сопредельных сред.

При оценке загрязнения техногенных отложений и горных пород урбанизированных территорий обычно используются методики, разработанные для почв населенных мест, в соответствии с которыми уровень химического загрязнения определяется по таким показателям как коэффициент опасности Ко (отношение фактического содержания компонента к ПДК или ОДК), коэффициент концентрации Кс (отношение фактического содержания компонента к фоновому содержанию) и суммарный показатель загрязнения Zc. Возможность использования нормативов для почв при оценке загрязнения пород должна быть обоснована, исходя из поставленных задач. Использование при определении уровня загрязнения пород нормативов для почв в основном целесообразно в том случае, когда загрязненные грунты непосредственно воздействуют или могут воздействовать на здоровье человека, например, при распылении и обогащении загрязненными частицами грунта приземных атмосферных аэрозолей, что приводит к повышению концентрации металлов в уличной и жилищной пыли. В том случае, когда задачей исследования является изучение техногенного загрязнения пород и процессов концентрирования элементов на породах, использование показателей для почв является некорректным.

Анализ возможности использования ПДК показал, что при оценке опасности следует представлять, опасность «чего» оценивается. Значения ПДК представляют наименьшее из экспериментально определенных четырех показателей вредности: транслокационного, миграционного воздушного, миграционного водного, характеризующих переход компонента из почвы соответственно в растения, грунтовые воды и атмосферный воздух, и общесанитарного, характеризующего влияние загрязняющего вещества на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность. Об опасности непосредственного воздействия на человека можно судить по сравнению концентрации загрязняющего вещества с миграционным воздушным показателем, а величина данного показателя нормируется в основном для очень ограниченного числа компонентов. Другие показатели вредности характеризуют опосредованную опасность через субъекты второго ранга – растительность и грунтовые воды (в том случае, если они используются человеком в пищу и для питья).

Более обоснованным при оценке опасности воздействия почв и пород на здоровье человека является использование величины суммарного показателя загрязнения Zc, являющегося индикатором неблагоприятного воздействия на здоровье населения. Основные дискуссионные вопросы, касающиеся использования данного показателя, сводится к следующим: 1) недостаточная необоснованность корреляции категорий загрязнения почв и изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения, 2) использование при расчете Zc для почв региональных и базисных значений фона, а для пород кроме того – значений кларков, 3) использование при расчете химических элементов только I-III классов опасности, 4) игнорирование синергетического действия химических элементов.

Анализ нормативных материалов, литературных и фондовых источников показал, что в действующих нормативных и нормативно-методических документах фон определяется как содержание вещества на территориях вне сферы локального антропогенного воздействия территорий (СП 11-102-97), не подвергающихся техногенному воздействию или испытывающих его в минимальной степени (МУ 2.1.7.730-99). В то же время ряд исследователей полагает (Морозова, Москаленко, 2001; Москаленко, Гинзбург, 2001), что на урбанизированных территориях в качестве точки отсчета, следует применять базисные концентрации элементов, т.е. концентрации, характерные для данной экосистемы до начала планируемой хозяйственной деятельности в ее пределах. Результаты, полученные автором при использовании предлагаемого «базисного» подхода для оценки опасности загрязнения почв, пород и техногенных отложений на конкретных участках, подтвердили целесообразность его применения на урбанизированных территориях (см. гл.5).

Важность обоснованного подхода к выбору фона при оценке уровня загрязнения почв и пород очевидна, так это в значительной степени влияет на выбор решения о дальнейшем использовании территории и в случае недопустимого загрязнения грунтов – способах их утилизации. Анализ собственного многолетнего опыта и литературных и фондовых данных позволил сделать вывод о том, что при выборе «реперных» параметров для оценки опасности загрязнения почв, пород и техногенных отложений необходимо исходить из специфики объекта сравнения. При определении уровня загрязнения почв, пород или техногенных отложений, которые залегают или могут оказаться в поверхностных слоях и непосредственно воздействовать на здоровье населения сравнение целесообразно проводить относительно базисных параметров. При исследовании концентрирования загрязняющих элементов на породах следует использовать фоновые содержания элементов в породах исследуемых участков, так как значения фоновых концентраций могут существенно варьировать в зависимости от минералогического состава пород, ландшафтно-геохимических и других факторов, а кларки пород представляют среднее из очень больших выборок.

Оценка геохимической опасности почв и пород как вторичного источника загрязнения

Кроме непосредственного влияния на здоровье человека, загрязненные почвы и породы могут влиять опосредованно - через загрязнение растительности, подземных, а также поверхностных вод (в случае разгрузки подземных вод в поверхностные водотоки и водоемы, плоскостного стока с загрязненных территорий). Одним их наименее изученных вопросов является оценка почв, техногенных отложений и горных пород как вторичного источника загрязнения подземных вод, что обусловило необходимость совершенствования методологического подхода. В современной практике оценка обычно проводится по степени загрязнения почв и пород валовыми или подвижными (что более обосновано) формами тяжелых металлов по отношению к миграционному водному показателю вредности. К основным недостаткам данного метода относятся следующие: 1) данный показатель разработан для ограниченного количества химических элементов, 2) использование метода не позволяет оценить время достижения загрязняющих компонентов уровня грунтовых вод и масштаб возможного загрязнения подземных вод.

Одним из важнейших факторов, определяющих опасность почв и пород как вторичного источника загрязнения, является форма нахождения химических элементов в твердой фазе. Используемый для определения подвижных форм ацетатно-аммонийный буфер позволяет представить суммарное содержание водорастворимой, обменно-сорбированной, карбонатной и сульфатов. Валовые формы (в случае извлечения их сильной кислотой) кроме вышеперечисленных включают органоминеральные и гидроксидные формы. Для детального изучения форм нахождения целесообразно проводить их определение фазовым геохимическим методом (Сает, Несвижская, 1974). Данный метод впервые использован автором для оценки опасности загрязнения пород и техногенных отложений.

Для оценки геохимической опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных вод тяжелыми металлами, нами предложен подход, заключающийся в определении форм нахождения химических элементов фазовым геохимическим методом и расчетах влаго- и массопереноса в зоне аэрации, что позволяет оценить изменения содержания загрязняющих веществ в породах и их концентрации, поступающие на уровень грунтовых вод. Рассмотрены основные этапы процедуры: определение форм нахождения химических элементов в породах в вертикальном разрезе для каждой литологической разности в верхней части, в центре и в нижней части слоя; выяснение физико-химических процессов (растворение, десорбция, деструкция), выбор модели; выяснение вида изотермы сорбции и определение параметров сорбции; определение параметров влагопереноса (в случае невозможности использование из базы данных); моделирование влаго- и массопереноса (прогноз изменения концентраций в зоне аэрации, а также поступающих на уровень грунтовых вод в заданные периоды времени); моделирование переноса загрязняющего вещества в водоносном горизонте (в исследуемой части площади). Примеры апробации методического подхода рассмотрены в главе 5.

Анализ, оценка и прогноз геохимического риска

В разделе рассмотрены основные понятия, используемые при оценке риска (вероятность объективная и субъективная, частота, неопределенность), дана классификация неопределенностей.

Для классификации неопределенностей при формировании геохимической опасности и риска в социоприроднотехнической системе предлагается следующая классификация неопределенностей, разработанная на основе анализа и обобщения ряда существующих классификаций (Дернер, 1997; Дзекцер, 1997; Человеческий фактор, 2003; Филиппов, Филиппов, 2000; Фон Нейман, Моргенштерн,1970).

Выделены следующие типы неопределенности:

1. Неопределенность целей.

2. Невозможность точного предсказания сценария развития событий, что обусловлено неопределенностью действий субъектов в социоприроднотехнической системе:

а) неопределенность, возникающая в связи с поведением субъекта первого ранга - ЛПР, зависящая от профессионализма ЛПР, информированности, психологической устойчивости и т.п.;

б) неопределенности, связанные с субъектами второго ранга – техногенными источниками: надежностью оборудования; повреждением технических систем вследствие ошибок персонала при эксплуатации; механическим и коррозионным износом и др.;

в) неопределенность знаний о природной среде, закономерностях ее развития и протекающих в ней процессах, ее реакции на техногенные воздействия и т.п.;

г) неопределенность знаний об объектах опасности - человеке, объектах инфраструктуры и т.п., их положении и реакции на воздействия загрязненной или агрессивной среды (например, подземных вод).

3. Неопределенность, возникающая при получении информации (измерение, обработка).

4. Неопределенность, возникающая при прогнозе формирования опасностей и возникновения риска (неадекватность используемых математических моделей, невозможность полного перебора вариантов, неопределенность, возникающая при многократных расчетах при оценке вероятности и накапливании ошибки).

В разделе проанализированы основные методы оценки риска (Монте-Карло, субъективной оценки вероятности, Байеса, экспертных оценок риска - "дельфи", балльной оценки риска, ранжирование и др.).

Основные положения методологии анализа и прогноза геохимического риска

Предлагаемая автором методология прогноза техноприродного геохимического риска основана на следующей концепции: наступление «конечного» неблагоприятного события (например, неблагоприятных последствий для здоровья человека при воздействии загрязненных вод или для заглубленных частей сооружений при воздействии агрессивных подземных вод и грунтов) рассматривается как сложное событие, являющееся результатом последовательно обусловленных более простых событий - воздействия техногенного источника, нахождения природного объекта в зоне техногенных воздействия, формирования опасного результирующего воздействия на природный объект, проявления неустойчивости природного объекта, контакта реципиента с природным объектом, проявления реципиентом уязвимости.

Процедура прогноза геохимического риска включает следующие стадии.

1. Формулировка цели и задач исследования, требований к проводимым исследованиям.

2. Разработка общей концептуальной модели формирования геохимической опасности и возникновения геохимического риска.

3. Прогноз геохимического риска (реализация концептуальной модели).

Стадия 1. Формулировка цели и задач исследования, требований к проводимым исследованиям.

Формулировка цели и задач проводимых работ должна включать:

1) определение основных элементов концептуальной модели: субъекта/субъектов опасности (ЛПР и техногенных источников), риск воздействия которых необходимо оценить; в том случае, если субъекты опасности не выявлены, необходима постановка задачи их идентификации; объекта опасности (для кого или для чего оценивается риск); «контактного» компонента природной среды, пространственного расположения точки (участка) фиксации опасного геохимического состояния, временной интервал оценки воздействия компонента природной среды на реципиента; вида выражения риска (экономический, физический и др.);

2) требования к: процедуре прогноза геохимической опасности и риска и используемым методам (стандартным или модифицированным с учетом специфики решаемых задач и т.п.); исходным данным; точности результатов работ.

В зависимости от поставленной цели прогноз геохимического риска может проводиться для всех стадий жизненного цикла объекта. Приложенные усилия и затраченные ресурсы при оценке риска должны соответствовать величине предполагаемых ущербов.

Стадия 2. Разработка общей концептуальной модели формирования геохимической опасности и возникновения геохимического риска

На этой стадии разрабатывается общая концептуальная модель формирования геохимической опасности на исследуемом участке и возникновения риска при ее реализации для конкретных реципиентов (объектов опасности). Разработка концептуальной модели должна быть выполнена на стадии обоснования инвестиций и корректироваться на каждой последующей стадии проектирования, а также в случае необходимости корректировки прогноза риска и управляющих решений на стадии эксплуатации - по мере поступления новой информации.

Общая концептуальная модель формирования геохимической опасности и риска включает следующие концепции: формирования геохимической опасности (модель I),  реализации опасной геохимической ситуации (модель II);  вида ущерба. Даны модель разрабатывается на основе представлений о: а) техногенных источниках, виде и интенсивности исходных техногенных воздействий, б) природных условиях, в которых происходит трансляция и трансформация техногенных воздействий, формирование опасного результирующего воздействия и геохимической опасности на исследуемом участке, в) процессах трансформации исходного воздействия и формирования результирующего воздействия на природный объект - «контактный» компонент природной среды, г) устойчивости природного объекта к внешнему воздействию, д) условиях контакта природного объекта с реципиентом – объектом опасности, е) возможном ущербе для реципиента при реализации геохимической опасности.

Процедура разработки общей концептуальной модели включает: идентификацию техногенных источников; разработку концептуальной модели природной среды (геологического строения, гидрогеологических, гидрологических, почвенных и др. условий, эколого-геохимического состояния компонентов природной среды); определение условий и процессов изменения исходного воздействия на пути трансляции воздействий от техногенного источника к реципиенту; характеристику реципиента - объекта опасности; обобщение разработку общей концептуальной модели. В процессе всех стадий жизненного цикла системы «субъект опасности – среда - объект опасности» по мере получения новой информации необходим критический анализ существующей концептуальной модели и в случае необходимости ее усовершенствование.

1. Идентификация (инвентаризация) техногенных источников воздействия (техногенной опасности). Процедура идентификации заключается в установлении характерных особенностей, параметров, показателей источников техногенного воздействия, которые могут привести или привели к формированию опасной геохимической ситуации на оцениваемой территории, характера распределения источников по площади, вида, состава и количества загрязняющих веществ. В зависимости от цели проводится идентификация: 1) проектируемого техногенного источника/источников, 2) потенциального источника/источников, воздействие которого может привести к возникновению риска для различных реципиентов на рассматриваемой территории, 3) источника/источников, воздействие которого уже привело к формированию опасной геохимической ситуации.

На данной стадии: устанавливается вид исходных воздействий – прямой (химический) и косвенный (физический, биологический и др.), характер действия - детерминированный или случайный, интенсивность и продолжительность воздействия, вероятность отказа, преобладание тех или иных видов воздействия; определяется перечень загрязняющих веществ, которые могут поступать в окружающую среду, проводится анализ токсичности, выделение неканцерогенных и канцерогенных веществ; устанавливается расположение источника по отношению к рассматриваемому участку; проводится сбор данных о нештатных ситуациях и причинах их возникновения (для действующих техногенных источников собирается информация об случившихся аварийных ситуациях, для проектируемых – об аварийных ситуациях на объектах-аналогах), в т.ч. определяются:  форма и характер проявления нештатной ситуации (взрыв, выброс, разрыв трубопровода и т.п.),  интенсивность и направленность воздействий (выбросы в атмосферу, наземные разливы из поврежденных емкостей с реактивами и наземных систем коммуникаций, утечки из подземных коммуникаций с указанием глубины заложения коммуникаций и др.), перечень компонентов, поступающих в окружающую среду, характеристика физико-химических свойств (способность к разложению, сорбции, осаждению). На данной стадии необходимо сформулировать концептуальные представления о приоритетности загрязняющих веществ и их учете при прогнозе риска.

2. Разработка концептуальной модели природной среды на пути трансляции опасных воздействий от техногенного источника к реципиенту (в дальнейшем концептуальной модели природной среды). В зависимости от расположения техногенного источника по отношению к исследуемому участку, а также характера и направленности воздействий определяются предполагаемые пути трансляции потенциально опасных воздействий, и соответственно компоненты природной среды, через которые осуществляется трансляция опасных воздействий.

Основные этапы в развитии концептуальной модели природной среды: сбор и анализ опубликованных и фондовых материалов, данных инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий, научных исследований, режимных наблюдений за развитием геохимических опасностей, в случае отсутствия информации – проведение изысканий в необходимом объеме, разработка предварительной концептуальной модели, анализ неопределенностей, определение состава и объема дополнительных исследований, разработка программы исследований, проведение дополнительных исследований и уточнение предварительной концептуальной модели.

3. Характеристика процессов вдоль пути трансляции исходных техногенных воздействий включает рассмотрение процессов переноса и физико-химической трансформации потенциальных загрязняющих веществ во всех природных средах на пути  от источника к рецептору. Например, при оценке риска, связанного с загрязнением подземных вод в зоне воздействия выбросов загрязняющего вещества рассматриваются процессы миграции в воздушной среде, и далее через ненасыщенную и насыщенную зоны к рецептору – объекту опасности. В данном случае в зависимости от природных условий и вида загрязняющего вещества возможны дисперсия, межфазные физико-химические процессы: осаждение и окисление, сорбция (в т.ч. ионный обмен), деструкция, денитрификация, сульфат-редукция и др., перечень которых определяется в зависимости от конкретных условий.

4. Характеристика рецептора – объекта опасности включает рассмотрение всех объектов опасности, для которых выполняется прогноз риска. Характеристика населения, потенциально подверженного воздействию на исследуемой территории, предусматривает анализ мест проживания (локализация и расстояние от источника загрязнения), видов деятельности, выявление чувствительных подгрупп, анализ состояния здоровья, уровня заболеваемости, возможности и длительности контакта с потенциально загрязненными природными средами. Характеристика объектов инфраструктуры (зданий и сооружений) включает тип объекта, его возраст, состояние (в т.ч. степень износа), основные характеристики (например, для фундамента - тип: ленточный / столбчатый / плита / сваи висячие / сваи, глубина расположения подошвы, ростверка, нагрузка на грунты оснований, материал фундамента: камень / кирпич / бетон (блоки) / дерево).

5. Характеристика ущерба включает определения типа ущерба (денежный, физический и др.), выбор методики расчета, определение основных составляющих ущерба.

Стадия 3. Прогноз техноприродного геохимического риска (реализация концептуальной модели).

На данной стадии выполняется прогноз геохимического риска, процедура которого в общем случае включает следующие стадии: 1. Анализ всех составляющих геохимического риска. 2. Выбор метода оценки геохимического риска. 3. Выполнение прогнозных расчетов геохимического риска. 4. Анализ полученных результатов.

В ходе анализа основных событий, обусловливающих возникновение геохимического риска, определяется, какие составляющие риска могут рассматриваться как вероятностные, какие – как детерминированные (квазидетерминированные). Прогноз риска выполняется с точностью и достоверностью, которые зависят от стадии проектирования, уровня ответственности объекта опасности, интенсивности потенциальных техногенных воздействий, восприимчивости природной среды и объекта опасности, уровня неопределенности и величины предполагаемого риска. В соответствии с этим выбирается метод прогноза геохимического риска. Для оценки вероятности используются разные методы: от субъективных оценок вероятности, метода аналогии и экспертных оценок риска до сложных статистических процедур и стохастического моделирования.

На начальной стадии (прединвестиционной) при дефиците информации рекомендуется использовать метод аналогии или экспертные методы. На стадии обоснования инвестиций рекомендуется использовать аналитический метод с использованием упрощенных статистических распределений. Использование аналитических методов при определении геохимического риска основано на следующем положении: вероятность наступления «конечного» неблагоприятного события рассматривается как сложное событие, декомпозиция которого на более простые позволяет оценить вероятность его наступления на основе определения вероятностей простых событий. Вероятность конечного события определяется как произведение вероятности начального (инициирующего) события на условные вероятности всех остальных при условии, что вероятность каждого последующего вычисляется в предположении, что все остальные события уже совершились. При использовании аналитических методов вероятности простых событий оцениваются отдельно и затем определяется их произведение. На стадии проекта процедура оценки риска усложняется, в связи с чем целесообразно использовать стохастическое моделирование.

При прогнозе гидрогеохимической опасности могут использоваться различные типы стохастических моделей: 1) детерминированная постановка краевой задачи фильтрации (массопереноса) в целом, вероятностная процедура ее решения, 2) детерминированное математическое описание процесса, вероятностное описание свойств среды внутри рассматриваемой области с помощью случайных величин и статистических законов распределения, 3) стохастическое задание граничных условий, при детерминированном математическом описании самого процесса внутри области, 4) чисто вероятностная трактовка модели (Огняник и др., 1985). При вычислении вероятности наиболее часто используется вероятностно-детерминированное моделирование, когда вероятностные блоки включаются в модель, которая детерминированно описывает процессы фильтрации и миграции.

В разделе рассмотрены подходы к оценке отдельных составляющих «предметного» гидрогеохимического риска.

Вероятность воздействия техногенного источника. В практике анализа риска отказы чаще оперируют не с вероятностями, а со средними интенсивностями (частотами) нежелательных событий за определенное время. Для перехода к вероятностным оценкам, предлагается рассматривать динамику возникновения неблагоприятных воздействий как марковский процесс, характеризуемый простейшим потоком появления событий. Математически простейший поток описывается пуассоновским распределением появления событий с заданной величиной интенсивности появления (Гнеденко,1999). Рассмотрен подход к оценке вероятности выбросов и утечек с использованием стандартов надежности инженерных объектов (Harr, 1987).

Вероятность того, что в случае техногенного воздействия объект окажется в зоне воздействия источника. В зависимости от типа техногенного источника и характера воздействия (выброс, сброс, утечка и т.д.) вероятность расположения объекта в зоне влияния источника определяется с помощью соответствующих моделей (Алымов, Тарасова, 2004).

Вероятность опасного (больше критериального) результирующего воздействия (при исходном воздействии и соответствующем расположении объекта) В большинстве случаев при прогнозе вероятности загрязнения подземных вод результирующие воздействие определяется концентрацией загрязняющего вещества, поступающего из зоны аэрации на уровень грунтовых вод. В этом случае необходимо определить вероятность того, что: 1) концентрация загрязняющего вещества, поступающего на уровень грунтовых вод, будет превышать критериальный уровень, или 2) время, через которое загрязняющее вещество поступит на уровень грунтовых вод, будет меньше критериального. Критериальная концентрация – это концентрация, превышение которой при поступлении на уровень грунтовых вод может привести к формированию опасного состояния подземных вод, фиксируемого в створе (участке фиксации загрязнения) и определяемого в зависимости от цели исследования. Несомненно, что оценить может ли данная концентрация поступившего загрязняющего вещества привести к загрязнению подземных вод на участке фиксации загрязнения, как повлияют на ее величину процессы дисперсии, сорбции, осаждения, деструкции на пути миграции его в водоносном горизонте можно только при решении обратной задачи. Для того, чтобы уменьшить трудоемкость данного процесса, целесообразно использовать простые аналитические уравнения или использовать в качестве критерия ПДК или индекс опасности. В качестве критериального времени можно использовать время, за которое может произойти разложение вещества, или время эксплуатации объекта опасности (водозабора, зданий и сооружений и т.д.).

Вероятность проявления неустойчивости природной среды при опасном результирующем воздействии – это вероятность того, что при миграции загрязняющего вещества в водоносном горизонте процессы разбавления, дисперсии, сорбции, осаждения, деструкции и т.п. не приведут к снижению концентрации ниже ПДК или референтной дозы. Таким образом, определяется вероятность того, что на участке фиксации загрязнения концентрация загрязняющего вещества будет выше критериального показателя (ПДК, референтной дозы и т.п.), или, что время достижения участка фиксации загрязнения (например, водозабора) будет меньше времени, необходимого для разложения вещества или времени эксплуатации объекта.

Оценка ущерба

Реализация техногенных воздействий или воздействий техногеннонарушенной природной среды (например, загрязненной или агрессивной) могут привести к следующей цепочке: последствия - потери - ущерб (Оценка и управление природными рисками, 2003). В зависимости от реципиента различают следующие виды ущерба: жизни и здоровью конкретных людей (медико-биологический); физическим и юридическим лицам, организациям (материальный, экономический, моральный); природной среде (экологический); социально-экономической системе (социально-экономический.; государству (социально-политический). В разделе подходы к оценки экономического ущерба воздействия загрязненной окружающей среды на здоровье населения (Ревич, Сидоренко, 2006, 2007), экологического ущерба (Медведева, 2003), ущерба окружающей среде от загрязнения токсичными металлами (Головин, Морозова и др., 2000), ущерба от загрязнения подземных вод нанесенных различным природным средам (объектам, ресурсам) и природопользователям (Методика исчисления размера ущерба…., 1997), ущерба от загрязнения подземных вод и грунтов нефтепродуктами (Гольдберг, 1994).

Развитие методики постановки, проведения и интерпретации экспериментальных лабораторных исследований межфазных физико-химических процессов и определения миграционных параметров

Неопределенности при прогнозе опасных геохимических ситуаций в подземных водах в значительной степени связаны с недостаточным знанием физико-химических процессов в системе вода-порода, а также значений миграционных параметров, в особенности параметров межфазовых взаимодействий, основным методом определения которых остается лабораторный метод. Несмотря на ряд недостатков, неоднократно отмечаемых в литературе, экспериментальное лабораторное моделирование при условии правильной интерпретации результатов может успешно использоваться при изучении формирования гидрогеохимической обстановки, выяснении физико-химических процессов, происходящих при фильтрации через породы - процессов, которые во многих случаях трудно выявить по данным натурных наблюдений, а также характера и направленности микробиологических процессов, которые могут активизироваться при изменении условий. Представляется важным развитие данного направления.

Проанализированы сложности, возникающие при проведении экспериментальных лабораторных исследований и связанные: с отбором представительных проб пород и их подготовкой к опыту, изменением ионно-солевого комплекса пород при хранении образцов (рассмотрены преимущества и недостатки хранения пород в запарафинированном виде), активизацией микробиологических процессов при хранении образцов и в процессе эксперимента. 

В разделе рассмотрены результаты экспериментальных лабораторных исследований, направленных на изучение: 1) формирования химического состава растворов при фильтрации через сульфидизированные глинистые породы, лессовидные суглинки и суглинки в условиях массобмена I типа; 2) процессов ионообменной сорбции карбонатными и песчано-глинистыми породах в статических и динамических условиях; 3) процессов сорбции тяжелых металлов на песках, супесях и суглинках в статических условиях. На основании полученных данных проводилось обоснование теоретических моделей процессов, определялись расчетные схемы, оценивались миграционные параметры.

Экспериментальные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через сульфидизированные глинистые породы. Лабораторные фильтрационные опыты по моделированию питания через слабопроницаемые сульфидизированные глинистые породы Тобольского и Сурско-Хоперского артезианских бассейнов проводились с целью исследования гидрогеохимического аспекта процесса перетекания и его роли в формировании химического состава межпластовых вод. На основании анализа результатов химического и минералогического исследования образцов пород до и после фильтрации, а также результатов изменения химического анализа фильтратов, выявлено влияние условий хранения образцов сульфидизированных пород на трансформацию ионно-солевого комплекса, установлены особенности формирования на разных стадиях эксперимента химического состава фильтратов из образцов, использованных после отбора керна (рис.3а)  и образцов, хранившихся более 2-3 месяца в запарафинированном виде; определены физико-химические и микробиологические процессы, протекающие в образце на этапах хранения, подготовки к опыту, проведения фильтрационного эксперимента. Интерпретация полученных результатов позволила установить процессы, обусловливающие поступление компонентов из перекрывающих глин в межпластовые водоносные горизонты, и подтвердить региональные закономерности изменения химического состава вод на участках с различной интенсивностью питания. Теоретическая модель миграционного процесса разработана А.А.Рошалем. Четырехпараметрическая математическая модель среды с двойной пористостью ( – относительный объем слабопроницаемых пор, (v), '('v) – коэффициенты массообмена между жидкой фазой в хорошо- и слабопроницаемых порах и между твердой и жидкой фазами в слабопроницаемых порах, v - скорость фильтрации) удовлетворительно описывает экспериментальные выходные кривые. Определены параметры массообмена: = 0.4-0.7, =3.2-4.7 м-1, '= (0.7-0.9).10-3 м-1.

Экспериментальные лабораторные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через слабозасоленные суглинки и лессовидные суглинков. Опыты в фильтрующих образцах проводились с целью исследования формирования агрессивности растворов при фильтрации через суглинки и лессовидные суглинки, отобранные в разных районах Ставропольского края, в районе г. Одессы, на территории ВАЗ (г.Тольятти) и в г.Кривой Рог; обоснования теоретической модели миграционного процесса и расчетной схемы определения миграционных параметров. Комплекс исследований включал: определение химического состава фильтрата и содержания в образцах легко-и среднерастворимых солей, послойное определение в образце остаточной засоленности после фильтрации, диагностический анализ аутигенных минералов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программы "MASSTRAN" (Лехов, Петров,1989). Результаты обработки показали, что выходным кривым выноса хлорид-иона соответствует модель гетерогенной среды с сосредоточенной емкостью, а выходным кривым выноса сульфат-иона – также модель гетерогенной среды с неограниченной емкостью. На основании анализа результатов изменения химического состава фильтрата и минералогического состава образцов пород, особенностей массообмена в гетерогенно-блоковой среде было установлено, что химический состав растворов при фильтрации через слабозасоленные породы (легкорастворимые соли находились в растворенном состоянии) определялся; на начальной стадии опыта - составом жидкой фазы образца к началу фильтрации и особенностями переноса компонентов в гетерогенной среде, на второй стадии - условиями массообмена между жидкой и твердой фазами (растворением гипса, ионным обменом, а также образованием гидротроилита в основном на выходе из образца) и особенностями выноса компонентов в гетерогенной среде, на третьем этапе (конечный участок выходной кривой) - особенностями выноса компонентов в гетерогенной среде в тех условиях, когда межфазовые взаимодействия происходят в очень незначительных масштабах ограничиваются в основном образованием гидротроилита (растворение гипса практически закончено, роль ионного обмена крайне незначительна) (рис.3б).

При определении параметров гетерогенной модели, значения относительной пористости каналов в большинстве случаев не превышали 0.07, значения активной пористости, определенные по выходным кривым изменения содержания сульфат-иона, составляли 0.42 - 0.77, т.е. в 1.5-2 раза выше, чем определенные по выходным кривым выноса хлорид-иона, что связано с влиянием на миграцию сульфат-иона процесса образования гидротроилита. Величины коэффициентов массообмена, определенные по выносу хлорид-иона и сульфат-иона, в основном имеют близкие значения и в большинстве случаев характеризуются значениями 0.19 -1.2 сут-1, типичными для пород с гетерогенностью миллимитровых размеров.

                                                               

                               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 -P2u1sl2, 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 Qv (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 Qv 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 Qv 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.

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.

Обработка результатов экспериментальных исследований включала: 1) определение коэффициента распределения компонента между твердой и жидкой фазами (q/c), 2) построение графиков зависимости q-c, q/c –нагрузка (количеству вещества, взаимодействующего с породой, мг/кг), q/c –q, lg q/c - lg q; 3) установление класса и подкласса изотермы адсорбции компонента по классификации Джайлса (Giles, 1974);4) определение соответствия экспериментальных данных уравнениям изотермы сорбции, предложенным в (Hinz, 2001) и расчет параметров сорбции с использованием программы SorbFit.

На основании анализа результатов экспериментальных исследований сорбции тяжелых металлов на песках, супесях и суглинках исследуемого участка сделаны следующие выводы.

1. Величины q/c тяжелых металлов существенно зависят от величины нагрузки, в большинстве случаев по мере увеличения нагрузки вначале наблюдается увеличение значения q/c, а затем его уменьшение или стабилизация, что объясняется снижением фиксации компонентов исследуемыми литологическими разностями отложений. Значительный диапазон изменения q/c свидетельствует о важности учета нагрузки при выборе параметра. Обоснование значений q/c при миграционных расчетах должно проводиться с учетом концентрации компонента в инфильтрующихся водах и ее изменения в профиле зоны аэрации.

2. Интенсивность сорбции исследуемых компонентов в целом с глубиной залегания пород на рассматриваемой территории уменьшается, что приводит к снижению значений q/c .Данный факт важен при выборе коэффициентов распределения при расчетах массопереноса в зоне аэрации, так как использование осредненных значений для различных литологических разностей может существенно сказаться на результатах прогнозной оценки.

3. Диагностика вида кривой в области низких нагрузок с помощью графиков q/c - q и lg q/c - lg q позволила уточнить класс и тип изотерм Изотермы сорбции тяжелых металлов по классификации Джайлса в основном относятся к классу сигмоидных изотерм S, реже к классу L. Изотермы сорбции меди и никеля можно отнести к типу S2, изотермы сорбции цинка супесями и суглинками - в основном к типу S2, песков – к типу L2, изотермы сорбции свинца и ртути - к классу S1, реже к S2. Выявление сигмоидных форм изотерм оказалось возможным в связи с проведением опытов в области низких нагрузок, где сорбция компонента может быть ингибирована конкурирующей реакцией в растворе, например комплексообразованием. Проведение исследований с большими интервалами исходных нагрузок часто приводит к искажению формы кривой.

4. Экспериментальные данные по сорбции меди суглинками, супесями и песками наиболее хорошо аппроксимируются обобщенным уравнением Фрейнлиха. Кроме того, изотермы сорбции меди на суглинках также удовлетворительно описываются уравнением Редлиха-Петерсона, на песках - обобщенным уравнением Ленгмюра-Фрейнлиха и уравнением Редлиха-Петерсона (рис.4). Экспериментальные данные по сорбции цинка суглинками и супесями наиболее хорошо аппроксимируются модифицированным уравнением Ленгмюра и обобщенным уравнением Ленгмюра-Фрейнлиха. В отличие от этого, при изучении сорбции цинка песками удовлетворительная аппроксимация уравнениями Тота, Ленгмюра, обобщенным уравненим Ленгмюра-Фрейнлиха отмечена только для одного образца, в остальных случаях величина аппроксимации R2 не превышала 0.5. Рассчитаны параметры изотерм сорбции. В большинстве случаев уравнения изотерм имели более сложный вид по сравнению с использующимися в программах расчета сорбции загрязняющих веществ в зоне аэрации и водоносных горизонтах уравнениями Генри, Ленгмюра и Фрейндлиха, что определяет необходимость включения в данные программы реальных изотерм сорбции.

 

                       

Рис. 4. Аппроксимация  экспериментальных данных по сорбции меди обобщенной изотермой Фрейнлиха

Глава 4. Управление геохимическим риском

Общие положения

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 Zc. 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 (Zс 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

Тип отложений

Геохимическая ассоциация

Региональный фон в районе озера Глубокое под Звенигородом

насыпные

Pb173 Cu110 Cd37 Zn18 Ni13 Hg6,3 Mo2.8 Cr2.0

350

аллювиальные

Hg85 Pb45 Cu17 Zn12 Сd12 Mo8 Ni4.6 Cr2.1

96,4

Базисные фоновые значения МО Марьино

насыпные

Pb112 Cu60 Cd11 Ni6,4 Hg5,7 Zn4,8 Mn1,8.

196

аллювиальные

Hg77 Pb29 Cu9,3 Cd3,5 Zn3,1 Mo2,6 Sb2,6 Ni2,3 Mn2,1.

47,6

Фон в дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах в средней полосе России

Pb747 Cu373 Cd219 Ni43 Zn34 Mo2,8 Co2,6 Cr2,0, Zс

1416

Pb195 Cd69 Cu58 Ni15 Zn22 Hg15 Mo8 Sb2,6 Cr2,1.

379

Средние содержания элементов в песчаных породах (по К. Таркяну и К.Ведеполю)

аллювиальные

Cu463 Cd347 Pb167 Sb130 Ni46 Mo40 Zn39 Hg27 Mn13 Co10 Cr2,7

1258

Фон пород г.Москвы

аллювиальные

Pb225 Cu75 Zn39 Hg33 Ni31 Cd17 Mn12 Cr9

402

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 Кс, 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

Кс

Геохимические ассоциации

В четвертичных песчано-глинистых отложениях

1-10

Ag10 Pb8 Y6Co5 Ba5 Mo4 Sc4 Cr4 V4 Ni4 Li3 Ti3 Yb3 Zn3 Sn2 B2 F2

10-100

Cd100 Zn50 As40 Sr30 Cu25 Mn13

В карбонатных породах каменноугольных отложений

1—10

Cr10 Ga10 V10 Zn10 F9 Li7 Y6 B6 Pb5 Mn5 Sc4 Ni4 Sn3 Co3 Ag2 Mo2 Co2;

10-100

Zn100 Sr40 As30 Cu20.

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

Форма нахождения

Геохимические ассоциации

Воднорастворимая

Fe0.56 Zn0.30 Mn0.14 Cr0.015 Cu0.013 Ni0.008 Pb< Co< Cd<

Обменно-сорбированная

Mn1.88 Fe0.26 Zn0.088 Co0.050 Ni0.035 Cr0.020 Pb0.018 Cu0.015 Cd0.003

Карбонатная

Zn13.8 Fe6.7 Mn6.3 Cu0.95 Co0.46 Cd0.13 Cr0.069 Pb0.057 Ni0.038

Органо-минеральная

Mn15.8 Fe10.1 Zn9.5 Cu0.22 Co0.19 Pb0.089 Cr0.057 Ni0.044 Cd0.006

Аморфная гидроксидная

Fe243.9 Mn30.9 Zn2.1 Cu0.49 Co0.28 Cr0.20 Pb0.19 Ni0.10 Cd<

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

Люблинские поля фильтрации были устроены в 1892-1898 гг. как первые очистные сооружения города, занимавшие площадь до 1000 га. С 1985 г. началась их частичная, а с 1994 г. полная рекультивация, которая заключалась в выемке и вывозе илового осадка, замещении его суглинком и песком, но значительная доля илов оставалась на дне карт. Сточные воды полей фильтрации содержали значительное количество органического вещества, тяжелых металлов, нефтепродуктов и азота, что привело к загрязнению подземных вод и пород.

Территория исследований имеет ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать при создании модели геологической среды – основы для построения геофильтрационной и миграционной моделей. На территории были обнаружены участки, где мощность юрских глин, разделяющих основные водоносные горизонты на рассматриваемой территории- надъюрский и подольско-мячковский, сокращена или юрские глины отсутствуют – участки литологических окон в разделяющем слое. На этих участках абсолютные отметки уровней надъюрского водоносного горизонта устанавливается выше, чем в более глубоких горизонтах и существует предпосылка перетекания загрязненных вод надъюрского водоносного горизонта в подольско-мячковский. Несмотря на большое количество пробуренных на территории скважин, положение, размеры и конфигурации гидрогеологических окон точно не известны.

Моделирование миграции и прогноз риска загрязнения подземных вод через литологические окна

На основании анализа ситуации предположили, что в качестве детерминированных событий можно принять: воздействие источника загрязнения (загрязненная зона аэрации) (Fi), расположение объекта в зоне влияния источника (S/Fi) так как водозабор (объект опасности) расположен по пути миграции загрязняющих веществ, проявление неустойчивости (V/Fr) потому что физико-химическое взаимодействие рассматриваемого загрязняющего вещества нитратов – с водовмещающими породами (известняками) незначителен и процесс дисперсии (в нашем случае основной процесс) рассматривается как детерминированный. Вероятностным процессом является формирование результирующего воздействия (Fr/Fi&S), так как концентрация загрязняющего вещества, поступающего в эксплуатируемый водоносный горизонт зависит от литологических окон, количество, расположение и размер которых точно неизвестен.

Основными задачами являлись: оценка вероятностей формирования в эксплуатируемом водоносном горизонте концентрации нитратов > ПДК и прихода загрязнения к водозаборной скважине, расположенной на противоположном берегу Москва-реки, а также исследование влияния гидрогеологических окон на загрязнение эксплуатируемого водоносного горизонта. Для решения поставленных задач были разработаны две модели: модель без гидрогеологических окон в разделяющем слое, чтобы смоделировать ситуацию, когда информация об окнах отсутствует и модель с использованием условного стохастического моделирования литологических окон в разделяющем слое. Для обеих моделей было выполнено моделирование переноса нитратов с использованием программы MODFLOW/MT3DMS (Chiang, Kinzelbach, 2001). В моделях был задан источник загрязнения - поля фильтрации, при помощи дополнительного инфильтрационного питания и относительной концентрации загрязнения равной 1. Для модели с окнами выполнено условное стохастическое моделирование загрязняющего вещества с оценкой вероятности загрязнения через гидрогеологические окна.

Для условного стохастического моделирования “литологических окон” была использована индикаторная функция I(x):

Статистические свойства индикаторной функции I(x) (математическое ожидание E{I(x)} и пространственная корреляция индикаторной функции в виде индикаторной вариограммы были рассчитаны с использованием данных по 254 скважинам. Математическое ожидание E{I(x)} или вероятность появления гидрогеологического окна - 0.3.

Методика, используемая для моделирования вероятности загрязнения эксплуатируемого водоносного комплекса, включала следующие шаги:

- условное стохастическое моделирование 50 вариантов расположения гидрогеологических окон при помощи SISIM программы GSLIB (Deutsch, Journel,1997);

- переход от каждого результата стохастического моделирования к карте коэффициентов фильтрации разделяющего слоя, используя условие:

- получение решения фильтрационной и миграционной задач при помощи программ MODFLOW/MT3DMS для каждого поля коэффициента фильтрации разделяющего слоя (Chiang Kinzelbach, 2001);

- вероятностный анализ полученных в результате моделирования полей концентраций.

Как показали результаты моделирования, максимальные модельные концентрации нитратов в эксплуатируемом водоносном горизонте в конце 100-летнего периода в обеих моделях превышают ПДК (рис.5). Сравнение поля концентраций нитратов надъюрского водоносного горизонта, полученное с использованием детерминистической модели без гидрогеологических окон, и поля осредненных концентраций, полученного при использовании стохастической модели с гидрогеологическими окнами, показало, что поля концентрации практически аналогичны. В отличие от этого, концентрации нитратов в подольско-мячковском водоносном горизонте значительно выше и область загрязнения больше в модели с гидрогеологическими окнами, что свидетельствует о существенном влиянии гидрогеологических окон на загрязнение эксплуатируемого водоносного горизонта, в том числе на миграцию загрязнения к водозабору.

Результаты вероятностного анализа модельных концентраций, полученных при стохастическом моделировании, показали следующее: во всех вариантах наблюдалось превышение концентрации выше ПДК, размер области загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте с вероятностью 90-95% попадает в интервал от 8.3 до 11 км2; осредненные по всем вариантам для каждого блока концентрации также в ряде блоках превышают ПДК; вероятность достижения загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте с водозабора составляет 0.75-0.85. Величина ущерба определялась стоимостью очистных сооружений, которая по предварительным расчетам составляла около 1 млн. руб. Таким образом, величина риска в денежном выражении составила более 500 000 руб.

 

a) б)

Рис.5. Результаты моделирования распределения загрязнения в подольско-мячковском водоносном горизонте (ниже разделяющего слоя): a) модель без гидрогеологических окон, б) модель с гидрогеологическими окнами (осредненные по 50-ти вариантам концентрации)

Глава 7. Обоснование управляющих решений по минимизации риска, связанного с загрязнением подземных вод, на участке размещения полигона твердых бытовых отходов

Постановка исследований обусловлена серьезной экологической проблемой - загрязнением природных сред, особенно мезокайнозойских водоносных горизонтов, в районе полигона твердых бытовых отходов. Для научного обоснования управляющих решений по минимизации риска необходимо было выполнить прогноз вероятности загрязнения подземных вод на перспективу развития полигона ТБО. Цель проводимых нами исследований – схематизация физико-химических условий и процессов миграции загрязняющих веществ как одного из основных этапов прогнозных расчетов. Эпигнозный эколого-геохимический анализ изменения химического состава подземных вод, сопредельных сред и свалочного фильтрата с начала функционирования полигона, позволили 1) идентифицировать опасность свалочного тела, как источника загрязнения окружающей природной среды (состав отложений, перечень потенциальных загрязняющих веществ, стадию разложения отходов (в верхней части свалочного тела - ацетогенеза, в нижней - активного или стабильного метаногенеза); 2) установить пространственно- временную динамику изменения окислительно-восстановительных зон, в значительной мере влияющих на состав и концентрацию загрязняющих веществ в подземных водах; 3) определить современный этап развития окислительно- восстановительной зональности (формирование: зоны восстановления природных или природно-техногенных соединений железа, содержащихся в твердой фазе водовмещающих пород, сопровождающегося выходом никеля и кобальта, ранее сорбированных на гидрооксидах), 4) выяснить особенности миграции загрязняющих веществ в свалочном теле и в подземных водах на различных этапах жизненного цикла полигона, 5) оценить возможность загрязнения подземных вод после рекультивации действующего и эксплуатации нового полигона ТБО.

Слабая прогнозируемость ситуации и наличие многих факторов неопределенности (в основном, связанных с отсутствием информации о содержании в породах соединений железа (III) и марганца (IV) и сложностью пространственно-временного прогноза изменения окислительно-восстановительных условий в водоносных горизонтах) определило необходимость проведения системно-ситуационного мониторинга, основными задачами которого являлись наблюдение и контроль за изменением: состояния свалочного тела и состава фильтрата и подземных вод, водовмещающих и перекрывающих отложений, обоснование на основе анализа информации рекомендаций по предотвращению, уменьшению или ликвидации техногенного влияния на подземные воды, наблюдение, анализ и оценка эффективности защитных мероприятий. Проведено обоснование выбора микробиологических и химических индикаторов контроля, позволяющих установить стадии разложения органического вещества в вертикальном разрезе, этапы развития окислительно-восстановительной зональности в водоносных горизонтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научным обобщением теоретических, методологических и методических исследований автора. Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы и наметить пути дальнейшего развития направления.

1. Разработка теории и методологии обеспечения безопасности населения и территорий в условиях активизации формирования и воздействия техноприродных геохимических опасностей - одна из наиболее актуальных проблем в современный период, решение которой должно основываться на результатах анализа и прогноза риска. Междисциплинарный характер проблемы обусловил проведение исследований в различных предметных областях науки, что определило вполне закономерное наличие разных подходов к классифицированию рисков (по среде развития опасностей, по реципиентам опасных воздействий), методологии и методов их оценки. Результаты анализа и обобщения исследований в области техноприродных рисков, связанных с загрязнением и агрессивными свойствами компонентов природной среды, показали необходимость дальнейшего развития и совершенствования теории и методологии анализа, прогноза и управления данными рисками.

2. Сформулированы понятия «геохимическая опасность» (как опасное геохимическое состояние компонентов природной среды) и «геохимический риск», классифицирующий риск по среде формирования опасности и учитывающий вероятности как формирования геохимической опасности, так и реализации опасной геохимической ситуации.

3. На основании синтеза различных теоретических представлений и опыта многолетних исследований разработана обобщенная концептуальная модель формирования техноприродной геохимической опасности и возникновения риска в социоприроднотехнической системе. Концептуальная модель позволяет представить: основные этапы, факторы и процессы формирования геохимической опасности и риска, основные составляющие геохимического риска, характер взаимосвязи в системе «ЛПР –техногенные источники – природная среда- человек»». Разработанные концептуальные представления положены в основу методологии прогноза и управления геохимическим риском на урбанизированных территориях.

4. Разработаны теоретические и методологические основы вероятностного подхода к прогнозу и управлению техноприродным геохимическим риском на урбанизированных территориях на единой концептуальной основе, заключающейся в рассмотрении возникновения риска как результата вероятностных событий в социоприроднотехнической системе.

Методология прогноза техноприродного геохимического риска основана на следующей концепции: наступление «конечного» неблагоприятного события рассматривается как сложное событие, являющееся результатом последовательно обусловленных более простых событий - воздействия техногенного источника, нахождения природного объекта в зоне воздействия техногенного источника, формирования опасного результирующего воздействия на природный объект, проявления неустойчивости природным объектом, контакта объекта опасности (реципиента) с природным объектом, проявления объектом опасности (реципиентом) уязвимости. Прогноз риска выполняется с точностью и достоверностью, соответствующих стадии проектирования, и зависящих от уровня ответственности объекта опасности, интенсивности потенциальных техногенных воздействий, восприимчивости природной среды и объекта опасности к воздействиям, величины предполагаемого риска. На прединвестиционной стадии рекомендуется использование экспертных методов или метода аналогии, на стадии обоснования инвестиций - аналитического метода с использованием упрощенных статистических распределений, на стадии проекта – стохастическое моделирование. Предложения по выбору методов прогноза риска на разных стадиях проектирования носят рекомендательный характер и могут корректироваться в зависимости от задач исследований. В работе представлены основные стадии прогноза техноприродного геохимического риска.

5. Вероятностный прогноз риска загрязнения подольско-мячковского водоносного комплекса на территории бывших Люблинских полей фильтрации в Москве, выполненный с использованием условного стохастического моделирования «гидрогеологических окон» в перекрывающих водоносный горизонт келловей-оксфордских глинах, позволил установить высокую вероятность (0.75-0.85) достижения загрязнением водозаборного участка на конец расчетного периода, а также с учетом ущерба оценить величину «денежного» риска.

6. На основании анализа существующих подходов к оценке геохимического состояния компонентов природной среды с позиций опасности их воздействия на различные объекты выделено и рассмотрено два подхода: вероятностный, при котором геохимическая опасность выражается в единицах риска в зависимости от типа ущерба, и детерминированный, использующий разные системы санитарно-гигиенических норм и геохимических показателей.

На основании многолетнего опыта и анализа литературных и фондовых данных обоснован вывод о необходимости  учета специфики объекта сравнения при выборе «реперных» параметров для оценки опасности загрязнения почв, пород и техногенных отложений. Разработан подход для оценки геохимической опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных вод тяжелыми металлами. Апробация отдельных методических положений проведена на объектах Москвы и Московской области.

7. При постановке, проведении и интерпретации экспериментальных лабораторных исследований межфазных физико-химических процессов в системе «подземная вода-порода» и определении миграционных параметров необходимо учитывать возможность значительной трансформации ионно-солевого комплекса пород в зависимости от способов отбора, хранения и подготовки образцов. Проведенные экспериментальные лабораторные исследования в фильтрующих образцах пород позволили развить представления о:  а) возможности использования для моделирования формирования химического состава растворов при фильтрации через породы различного генезиса; установления межфазных физико-химических процессов, выяснения развития микробиологических процессов, которые обычно не принимаются во внимание и недооценка влияния которых на условия поступления компонентов в фильтрат приводит к ошибкам при определении параметров; б) подходам к выбору теоретической модели, описывающей миграционный процесс в образце и определению параметров.

8. Экспериментальные исследования сорбции свинца, меди, никеля, ртути, цинка различными литологическими разностями отложений, обработка результатов экспериментальных исследований с использованием методических приемов (Hinz, 2001) и расчет параметров сорбции с использованием программы SorbFit, позволили расширить представления о виде изотерм сорбции. Выяснено, что в большинстве случаев уравнения изотерм имели более сложный вид по сравнению с использующимися в программах расчета сорбции загрязняющих веществ в зоне аэрации и водоносных горизонтах уравнениями Генри, Ленгмюра и Фрейндлиха, что определяет необходимость включения в данные программы реальных изотерм.

9. Разработанный методологический системно-ситуационный подход к управлению геохимическим риском предполагает создание трех взаимодействующих подсистем управления: техногенными источниками, компонентами природной среды и объектами опасности, деятельность которых координируется единым центром. Оптимальными уровнями системы управления геохимическим риском являются объектный и муниципальный, так как на более высоких уровнях решение проблемы координации представляет значительную сложность. Обоснование и выбор управляющих решений осуществляется на основе прогноза геохимического риска при сценарном подходе к развитию событий. При использовании синергетического подхода к управлению риском, в основе которого необходимость следования законам самоорганизации (антиэнтропийным процессам, идущим в открытой системе против равновесия) необходимо перейти от декларации намерений к выяснению закономерностей процессов самоорганизации и организации в конкретных сложных системах и разработать методологию управления риском с учетом тенденций саморазвития СПТС.

10. Разработаны методологические и методические подходы к районированию урбанизированных территорий по степени геохимической опасности различных компонентов природной среды. Подходы реализованы на примере  построения карты геохимической опасности территории г. Москвы масштаба 1:50 000. На основе анализа данных по геохимическому состоянию природных сред, которое обусловливает социальный риск проживания на данной территории и экономический риск при хозяйственном использовании территории, выделены категории геохимической опасности (по сочетанию уровней загрязненности природных сред, защищенности подземных вод от загрязнения, агрессивности грунтовых вод) и проведено районирование территории по категориям опасности. Результаты районирования послужили основанием для разработки комплекса управляющих решений по минимизации рисков, связанных с опасным геохимическим состоянием природных сред.

10. Разработан методический подход к созданию системы мониторинга при управлении геохимическим риском на основе принципов целенаправленности, модельной ориентированности, системности, ситуационности, стадийности.  Разработка программ мониторинга должна выполняться на основе анализа сценариев развития событий при наибольшей детальности проработки наиболее вероятного варианта. Обоснована важность контролирования не только параметров, которые позволяют установить соответствие состояния среды действующим нормативам, так и показателей, необходимых для уточнения условий формирования и изменения геохимического состояния среды и их изменение, а также контролирования изменение сценариев развития ситуации.

11. Методология оценки и прогноза техноприродных рисков является сравнительно молодым научным направлением, интенсивно развиваемым в различных областях научных знаний, в связи с чем закономерен поиск новых и совершенствование разработанных путей решения проблемы анализа и оценки и управления рисками, как основы обеспечения безопасности населения

К основным задачам при дальнейшем развитии теории геохимического риска относятся:

1) Совершенствование методологии прогноза и управления техноприродным геохимическим риском на основе интеграции подходов, разрабатываемых специалистами различных областей знаний.

2) Разработка методологии и методик построения крупномасштабных карт геохимической опасности и геохимического риска на урбанизированных территориях.

3) Разработка методических документов, регламентирующих порядок и проведение прогноза геохимического риска на различных этапах освоения урбанизированных территорий.

Публикации по теме диссертации

  1. Геохимические аномалии в зоне аэрации и подземных водах на территории крупного промышленного комплекса // Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территории городов и городских агломераций. М.: Наука, 1987. С.77-79 (совместно с Сорокиной Н.П., Чаплиным В.А., Кезиным В.С.).
  2. Оценка взаимосвязи загрязнения минеральных вод и поверхностных водотоков на месторождении, расположенном в зоне влияния урбанизированной территории крупного города-курорта // Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территории городов и городских агломераций. М.: Наука, 1987. С.206-208 (совместно с Саетом Ю.Е.).
  3. Экспериментальное определение параметров массообмена при фильтрации растворов через засоленные грунты зоны аэрации // Тезисы докладов на I Всесоюзном съезде инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов, Киев, «Наукова Думка», 1989, ч.5.
  4. Гидрохимическая оценка загрязнения месторождения при обосновании качества минеральных вод //. Тр. НИИ курортологии и физиотерапии. Минеральные воды и лечебные грязи. Условия их формирования и ресурсы. М.: 1987. С. 93-100 (совместно с Саетом Ю.Е., Чесаловым С.М., Рыбаковым В.С.).
  5. Влияние сельскохозяйственной и коммунально-бытовой деятельности на состояние водных систем в районе месторождений углекислых минеральных вод // Эколого-геохимический анализ техногенного загрязнения. М.: ИМГРЭ, 1992. C. 42-49 (совместно с Кашиной Л.И., Саетом Ю.Е., Яниным Е.П., Бахаревой Т.В.).
  6. Conception model and experience in assessing the impact of technical and technological disasters on the geological environment // Hydrological Science and Technology. V.9 N.1-4, 1993. American Institute of Hydrology. P. 96-100 (совместно с Осиповым В.И., Зверевым В.П., Чесаловым С.М. и др.).
  7. Разработка систем управления воздействием на подземные воды в России // ЭКВАТЕК-96. Вода: экология и технология: Сб. тез. докл. II междунар. конгр., Москва, 17-21 сентября 1996 г. (совместно с Дзекцером Е.С., Чесаловым С.М., Югановой Т.И.).
  8. Роль пород в загрязнении месторождения подземных вод в зоне влияния отвала фосфогипса: подход к проблеме ЭКВАТЕК-96 // Вода: экология и технология: Сб. тез. докл. II междунар. конгр., Москва, 17-21 сентября 1996 г. (совместно с Чесаловым С.М.).
  9. Экспертные системы и экстремальные геоэкологические ситуации на урбанизированных территориях // Современные информационные технологии в урбанистике, градостроительстве и региональном планировании УРБИС-97: Мат. конф., Москва, 20-23 окт. 1997. Т.1 (совместно с Дзекцером Е.С., Югановой Т.И.).
  10. Оценка опасности и риска формирования агрессивных подземных вод на застраиваемых территориях // Анализ и оценка природных рисков в строительстве: Мат. междунар. конф., 12-13 ноября 1997 г. ПНИИИС (совместно с Арбузовым А.И., Ковалевским Ю.В.).
  11. Химический состав и свойства подземных вод // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и Картолитография", 1997. С.141-152 (совместно с Пашковским И.С., Дубровиным В.Н., Зверевым В.П).
  12. Загрязнение поверхностных вод и донных осадков // Москва: геология и город. М.: АО "Московские учебники и Картолитография", 1997. С.323-322 (совместно с Есиным А.В., Онищенко Т.Л.).
  13. Геохимический мониторинг // Москва: геология и город. М.: АО"Московские учебники и Картолитография", 1997. С.364-368.
  14. Установление режимов регулирования застройки в условиях геологического и геохимического рисков // Москва: геология и город. М.: АО"Московские учебники и Картолитография", 1997. С.382-395 (совместно с Осиповым В.И., Кутеповым В.М., Дегтяревым Б.М.).
  15. К методике построения карт опасности и риска загрязнения подземных вод // Геоэкология. 1997. №3. С.111-116 (совместно с Арбузовым А.И.).
  16. К вопросу об изучении роли пород в формировании техногенного загрязнения подземных вод в зоне влияния отвалов промышленных отходов (на примере Воскресенского промрайона) // Геоэкология. 1997. №1. С.58-69 (совместно с Чесаловым С.М., Голубевой Г.А).
  17. Методология оперативной оценки экстремальной геоэкологической ситуации на базе экспертных систем. Проблемы и постановка задачи // Геоэкология. 1998. №4. С. 102-111. (совместно с Дзекцером Е.С., Чесаловым С.М., Югановой Т.И.).
  18. Исследования миграционных процессов в слабозасоленных лессовидных суглинках // Геоэкология. №2, 1998. С.113-120.
  19. Методология оперативной оценки экстремальной геоэкологической ситуации на базе экспертных систем. Проблемы и постановка задачи // Геоэкология. 1998. №4. С. 102-111 (совместно с Дзекцером Е.С., Чесаловым С.М., Югановой Т.И.).
  20. Экспертная система как инструмент оперативного принятия решений в чрезвычайной ситуации подтопления зданий и инженерных сооружений // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях: Обз. инф. // ВИНИТИ. 1998. Вып. 12. С. 53-62 (совместно с Дзекцером Е.С. и Югановой Т.И.).
  21. Геоэкологическая оценка территорий бывших свалок (два аспекта) // Геоэкология.1999. №5. C.480-485 (совместно с Труфмановой Е.П.).
  22. Методология оперативной оценки экстремальной геоэкологической ситуации на базе экспертных систем. Сценарий деятельности экспертной группы // Геоэкология. 1999. №2. С. 172-179 (совместно с Дзекцером Е.С. и Югановой Т.И.).
  23. Геохимическое состояние окружающей среды// Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. М.: МГФ «Знание», 1999. С.393-440.
  24. К методике оценки опасности и риска формирования неблагоприятных геоэкологических ситуаций в подземных водах // The mining pribram symposium. Mathematical methods in geology. MB: Environmental problems. Proceeding Volume / Ed. V.Nemec. Prague, October 4-8, 1999. Prague, 1999. P.1. (совместно с Арбузовым А.И.).
  25. Информационное обеспечение геомиграционных моделей параметрами межфазовых физикохимических реакций при прогнозе загрязнения подземных вод на территории шахтных полей // The mining pribram symposium. Mathematical methods in geology. MB: Environmental problems. Proceeding Volume / Ed. V.Nemec. Prague, October 4-8, 1999. Prague, 1999. Ibid. P.5.
  26. Компьютерная поддержка деятельности группы экспертов в экстремальной геоэкологической ситуации: объектно-ориентированный анализ проблемной области // Mathematical methods in geology. MB: Environmental problems. Proceeding Volume / Ed. V.Nemec. Prague, October 4-8, 1999. Prague, 1999 Ibid. P.5 (совместно с Югановой Т.И. и Дзекцером Е.С.).
  27. Принципы геоэкологического контроля территории // Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. М.: МГФ «Знание», 1999. С. 440-452 (совместно с С.М.Семеновым).
  28. Оценка геохимической опасности городских территорий (на примере г. Москвы) // Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. М.: МГФ «Знание», 1999. С. 425–440.
  29. Методология оперативной оценки экстремальной геоэкологической ситуации. Организация комплекса экспертных систем // Геоэкология. 2001. №1. С.74-82 (совместно с Югановой Т.И., Дзекцером Е.С.).
  30. Оценка геохимической опасности городских территорий (на примере города Москвы) // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий // Материалы Международного Симпозиума. Т.2. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. С.432-438 (совместно с Арбузовым А.И., Зверевым В.П.).
  31. Оценка загрязнения вод и донных отложений прудов Лефортовского парка // Сергеевские чтения. Выпуск 3. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и геоэкологии (22-23 марта 2001) М.:ГЕОС, 2001. С.244-248 (совместно с Осиповым В.И., Мамаевым Ю.А., Махориной Е.И.).
  32. Оценка особенностей миграции загрязняющих веществ на участке размещения полигона ТБО // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики: Сб. докл. конф. СПб., 2002. С.54-64. (совместно с Поздняковой И.А.).
  33. Геоэкологические проблемы рекреационных территорий на малых реках // Сергеевские чтения. Выпуск 4. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и геоэкологии (21-22 марта 2002)  М.:ГЕОС, 2002. С.190-195 (совместно с Махориной Е.И. и Просунцовой Н.С.).
  34. Оценка зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных вод на территории несанкционированной свалки в московском микрорайоне Марьино // Проблемы гидрогеологии XXI века: Наука и образование.- М.: Изд-во РУДН, 2003. С.252-263 (совместно с Поздняковой И.А.).
  35. К вопросу выбора фоновых значений при оценке уровня химического загрязнения грунтов на территориях городских свалок // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения), вып.5 (24-25 марта 2003 г.) М.:ГЕОС. 2003. С. 237-241 (совместно с Глушковой М.В.).
  36. Оценка геохимической опасности территорий несанкционированных городских свалок. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения), вып.6 (23-24 марта 2004 г.) М.:ГЕОС. 2004. С.240-244 (совместно с Поздняковой И.А., Труфмановой Е.П.).
  37. Estimation of geochemical hazard on city territories for the maintenance of environmental safity // Proceedings of 32nd Intern. Geological Congress. Florence –Italy. August 20-28, 2004. P. 24.
  38. Экологические проблемы обращения и утилизации бытовых и промышленных отходов // Геоэкология. 2005. №2. С.144-147.
  39. Роль органического        вещества в миграции тяжелых металлов на участках складирования твердых бытовых отходов // Геоэкология. 2005.№5. С.411-422 (совместно с Путилиной В.С.. Югановой Т.И.).
  40. Влияние органического вещества на миграцию тяжелых металлов на участках складирования твердых бытовых отходов // Аналит. обзор. Изд-во ГПНТБ СО РАН; Новосибирск, Сер. Экология. Вып. 76,  2005. 100 с. (совместно с Путилиной В.С. и Югановой Т.И.).
  41. Оценка и картирование геохимических опасностей территории г. Москвы //Уникальные и специальные технологии в строительстве». №1, 2006.С.40-46.
  42. Assessment of groundwater and unsaturated zone contamination in urdan areas IAEG 2006 Congress “Enginiring Geology for tomorrow’s cities”, Nottenhem (совместно с Поздняковой И.А.).
  43. Методологические исследования формирования геохимической опасности и риска на урбанизированных территориях. // Геоэкология, 2007, №3. С. 225-337.
  44. Поведение органического вещества в фильтрате и подстилающих породах свалки. Влияние на миграцию тяжелых металлов// Геоэкология, 2007, №6. С. 483-493. (совместно с В.С.Путилиной и Т.И.Югановой).
  45. Assessment of heavy metal and oil contamination in groundwater and unsaturated zone // Papers presented to Taiwan Russian Joint Symposium on Natural Hazard Monitoring, Risk Management and Reduction. 2007. P. XXI – XXII (совместно с Поздняковой И.А.).
  46. Исследование влияния пород зоны аэрации на загрязнение подземных вод при градостроительном освоении территорий Геоэкология, 2009, № 1. С.1-18 (совместно с Антиповым М.А., Поздняковой И.А., Томсом Л.С.).
  47. Assessment of Hydrogeochemical Hazard and Risk in the Urbanized Territories// Материалы 33 Международного геологического конгресса. Опубликованы на CD-ROM. (совместно с Поздняковой И.А. и Томсом Л.С.).
  48. Формирование зональности окислительно-восстановительных состояний в водоносных горизонтах под влиянием полигонов и свалок ТБО// Геоэкология 2008, №5. С. 401-410 (совместно с Путилиной В.С. и Югановой Т.И.).
  49. Изучение роли пород в загрязнении пород зоны аэрации при освоении городских территорий // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения). Выпуск 10.М, 2008 г. С.359-364 (совместно с Томсом Л.С. и Поздняковой И.А.).
  50. Сорбционные свойства пород зоны аэрации и их влияние на загрязнение подземных вод на территориях крупных городов // Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы. Мат. Научно-практ. конф., Москва РГГРУ, 2008. С.72-74 (совместно с Поздняковой И.А. и Томсом Л.С.).
  51. 1. К проблеме оценки и прогноза техноприродного геохимического риска на урбанизированных территориях // Проблемы снижения природных опасностей и рисков: Материалы Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2009». Т.2. –М.:РУДН, 2009. С.65-70.
  52. Probabilistic Approach to Forecast of the Risk Caused by Groundwater Contamination in Urbanized Territory // International Association for Mathematical Geosciences Meeting 2009 (IAMG 2009) Stanford, California, USA, August 23-28, 2009. Опубликовано на CD-ROM (совместно с Поздняковой И.А. и Томсом Л.С.).
  53. Simulation of contaminant transport with risk contamination estimate //Calibration and Reliability in Groundwater Modeling "Managing Groundwater and Environment", Editor Yanxin Wang, China University of Geosciences Press, 2009, P 333-336 (совместно с Поздняковой И.А. и Томсом Л.С.).
  54. Assessment of Hydrogeochemical Hazard and Risk in the Urbanized Territories // Global Groundwater Resources and Management. Selected Papers from The 33rd International Geological Congress, Scientific Publishers (India), Jodhpur, 2010. P. 477-496. (совместно с Поздняковой И.А. и Томсом Л.С.).
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.