Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы
1.1. Развитие исследований природных и техноприродных опасностей и рисков 13
1.2. Анализ отечественного и зарубежного опыта анализа и оценки опасностей и рисков, связанных с загрязнением природной среды... 21
1.3. Понятийно-терминологическая база при исследованиях опасностей и рисков 38
1.4. Выводы к главе 1 50
2. Методологические исследования формирования геохимической опасности и возникновения геохимического риска на урбанизированных территориях (концептуальная модель)
2.1. Основные понятия и определения 53
2.2. Общие положения 55
2.3. Формирование техноприродной геохимической опасности (модель 59 I «Эргатическая система-природная среда»)
2.3.1. Техногенные источники и виды воздействия 59
2.3.2. Формирование результирующего воздействия (внешний 76
фактор)
2.3.3. Устойчивость природного объекта (внутренний фактор) 81
2.4. Реализация геохимической опасности (модель II «Природная среда - человек)
2.5. Выводы к главе 2 89
3. Основные методологические и методические положения оценки и прогноза геохимической опасности и риска
3.1. Оценка геохимической опасности 92
3.1.1. Анализ методических подходов к оценке опасных геохимических состояний компонентов природной среды с позиций их воздействий на объекты опасности
3.2. Анализ, оценка и прогноз геохимического риска 106
3.2.1.Основные понятия, используемые при оценке риска 106 (вероятность, частота, неопределенность). Классификация неопределенностей
3.2.2. Методы оценки риска 112
3.2.3. Основные положения методологии прогноза геохимического 117 риска
3.2.4. Оценка ущерба 130
3.3. Развитие методических подходов к постановке, проведению и интерпретации экспериментальных лабораторных исследований межфазных физико-химических процессов и определению |миграционных параметров
3.3.1.Экспериментальные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через сульфидизированпые глинистые породы
3.3.2.Экспериментальные лабораторные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через слабозасоленные суглинки и лессовидные суглинки
3.3.3. Исследование процессов ионообменной сорбции на карбонатных и песчано-глинистых породах в статических и динамических условиях
3.3.4. Совершенствование подходов к обеспечению расчетных моделей параметрами сорбции 171
3.4. Выводы к главе 3 186
4. Управление геохимическим риском
4.1. Общие положения 190
4.2. Методологические и методические подходы к составлению карт геохимической опасности на урбанизированных территориях 203
4.3. Научное обоснование принципов мониторинга при управлении геохимическим риском 239
4.4. Экспертная система как инструмент оперативного принятия 245 решений по управлению риском
4.5. Выводы к главе 4 260
Глава 5. Апробация положений оценки геохимической опасности на конкретных участках 262
5.1. Оценка геохимической опасности территорий несанкционированных городских свалок 262
5.2. Оценка опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных и поверхностных вод нефтепродуктами и полициклическими ароматическими углеводородами
5.3. Исследование геохимической опасности горных пород как вторичного источника загрязнения в районе размещения отвала фосфогипса и пиритного огарка (Воскресенский промрайон) 296
5.4. Выводы к главе 5 307
Глава 6. Прогноз риска загрязнения подземных вод подольско-мячковского водоносного горизонта в районе бывших Люблинских полей фильтрации (г. Москва)
6.1. Характеристика района исследования 311
6.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия 311
6.3. Моделирование миграции и прогноз риска загрязнения подземных 315 вод через литологические окна
6.4. Выводы к главе 6 322
Глава 7. Обоснование управляющих решений по минимизации риска, связанного с загрязнением подземных вод, на участке размещения полигона твердых бытовых отходов
7.1. Экологические проблемы обращения и утилизации твердых 324 бытовых отходов
7.2. Подход к обоснованию управляющих решений по минимизации 327 риска загрязнения подземных вод в районе полигона ТБО «Хметьево»
7.3. Выводы к главе 7 350
Заключение 353
Литература 360
- Развитие исследований природных и техноприродных опасностей и рисков
- Основные понятия и определения
- Анализ методических подходов к оценке опасных геохимических состояний компонентов природной среды с позиций их воздействий на объекты опасности
- Методологические и методические подходы к составлению карт геохимической опасности на урбанизированных территориях
Введение к работе
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 математичесом 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).
Развитие исследований природных и техноприродных опасностей и рисков
Необходимость поиска решений, направленных на обеспечение защищенности человечества от экологических угроз, наиболее остро встала во второй половине XX века. Проблема безопасности жизнедеятельности общества была поставлена мировым сообществом на Конференции ООН в Стокгольме в 1972 г. Однако, несмотря на значительные финансовые средства, затраченные на охрану окружающей среды после конференции, ухудшение экологической обстановки продолжалось. В связи с этим, по решению ООН была создана Международная комиссия по окружающей среде и развитию, которая поставила вопрос о необходимости поиска новой модели развития цивилизации. В 1987 г. был опубликован доклад комиссии «Наше общее будущее», известный как доклад Г. X. Брундтланд, возглавлявшей ее работу. С тех пор широкое распространение получил термин «sustainable development»1, который был переведен на русский язык как «устойчивое развитие». Согласно определению комиссии Г. X. Брундтланд «устойчивое развитие - это такое развитие, которое удовлетворяет потребности нынешнего поколения, не принося в жертву возможности будущего поколения удовлетворять свои потребности». По мнению комиссии, «устойчивое развитие должно составлять основополагающий элемент в глобальной стратегии изменений». В декабре 1989 года Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию 44/428, призвавшую провести на уровне глав государств и правительств специальную конференцию, посвященную выработке стратегии устойчивого развития, экологически приемлемого экономического роста. Конференция ООН по окружающей среде и устойчивому развитию состоялась в 1992 г. в г. Рио-де-Жанейро. В результате работы Конференции была принята «Повестка дня на XXI век», которая представляла собой программу совместных усилий в интересах устойчивого развития и инструментом ее реализации в каждой стране должна была стать национальная стратегия устойчивого развития. В 2002 г. на Всемирном саммите по устойчивому развитию (г. Йоханнесбург, ЮАР) были приняты «Политическая декларация» и «План действий», являющиеся основой для реализации принципов устойчивого развития.
В России вопросы устойчивого развития рассматриваются с 1994 г. В развитие рекомендаций Конференции ООН в Российской Федерации разработаны: «Основные положения государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» (Указ Президента РФ от 4.02.1994 г. № 236); «Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» (Указ Президента РФ от 1.04.1996 г. № 440); Концепция национальной безопасности РФ (Указ Президента РФ от 17.12.1997 г. № 1300); Государственная стратегия устойчивого развития РФ (в основном одобренная Правительством РФ в декабре 1997 г.); Национальный план действий по охране окружающей среды Российской Федерации на 1999-2001 гг. (НПДООС); Экологическая доктрина Российской Федерации (одобренная распоряжением правительства РФ от 31.08.2002 г.). Проблеме устойчивого развития в 2002 г. было посвящено Всероссийское совещание «Обеспечение устойчивого развития городов России».
В иерархии целей обеспечения устойчивого развития той или иной социально-экономической системы (региона, государства или мира в целом) главная цель «устойчивое развитие» разделяется на две подцели: «повышение качества жизни» каждого отдельного индивида и «обеспечение безопасности» человека и окружающей его среды [39, 130]. Подцель «обеспечение безопасности» включает в себя требование к сегодняшнему поколению, чтобы обеспечение безопасности человека, живущего сегодня, достигалось с помощью только таких решений, которые бы не подвергали риску способность окружающей среды обеспечить безопасность человека будущего поколения. Таким образом, безопасность является одним из ведущих критериев устойчивого развития [284].
Следствием предпринимаемых усилий мирового сообщества явился социальный заказ на концепцию, методологию и методы, позволяющие на научной основе принимать решения, реализация которых гарантировала бы безопасность общества в ходе экономического развития и исключала бы ухудшение качества окружающей среды, деградацию всей социально-экономической системы, обеспечивала бы условия устойчивого развития [130].
В настоящее время уже не вызывает сомнения, что технология устойчивого развития общества при обеспечении безопасности человека и окружающей его среды в условиях повышения качества жизни каждого индивидуума должна опираться на стратегию управления рисками [39, 95, 100, 130, 184].
В большинстве стран мирового сообщества принята концепция приемлемого риска (ALARA - as low as risk acceptable [5], as low as reasonably achievable [130] -настолько низко, насколько это достижимо в пределах разумного), позволяющая использовать принцип «предвидеть и предупредить». Это важный шаг, так как до начала 70-х годов XX века концепция безопасности базировалась на принципе «абсолютной» безопасности или «нулевого риска» (принцип ALAPA — as low as practically achievable, настолько низко насколько это достижимо на практике). Практический опыт деятельности и научные исследования привели к пониманию невозможности создания «абсолютно» безопасных технологий. Законы техносферы имеют вероятностный характер и возможность аварий и катастроф всегда сохраняется. В большинстве стран мира в 70-е годы начался процесс, направленный на разработку новой политики в области обеспечения безопасности человека и окружающей его среды и перехода на концепцию приемлемого риска. Это означает, что уровень риска от факторов опасности, обусловленных хозяйственной деятельностью, является приемлемым, если его величина (вероятность реализации и возможный при этом ущерб) настолько незначительна, что ради получения при этом выгоды в виде материальных и социальных благ, общество готово пойти на риск [130].
Проблемы анализа риска зародились в приложении к страхованию достаточно давно (в Вавилоне за 3-4 тыс. лет до н. э. при страховании морских грузов) и активизировались в первой половине XX века, в первую очередь в различных областях экономической теории. Во второй половине прошлого столетия исследования проблем риска начинают постепенно проникать в другие области науки [30]. Первые опыты использования вероятностных количественных методов для оценки безопасности ядерных, космических и гидротехнических систем относятся к началу 1950-х годов. Научные исследования по анализу техногенных, сейсмических, а затем и других рисков стали систематически проводиться в 1970-х годах [217]. Исследования по оценке риска нашли широкое использование в различных областях практической деятельности: в химической промышленности, при эксплуатации морских буровых установок и нефтепроводов, в горном деле, при транспортировке опасных веществ. Анализ и управление риском стали важными методами контроля надежности и безопасности технических систем и начали применяться в широком спектре прикладных разработок. В частности из теории надежности строительства эти методы перешли в сферу инженерных приложений наук геологического цикла, где используются при анализе и прогнозе проявлений опасных природных и техноприродных процессов [248].
После ряда крупных аварий, приведших к загрязнению окружающей среды и многочисленным человеческим жертвам, интенсивно стало развиваться направление по оценке риска для здоровья и окружающей природной среды.
Концепция риска с 1980-х годов является теоретической основой государственной экологической политики США, затем была принята в большинстве развитых стран мира, где количественная оценка риска стала важным аспектом принятия решении по регламентированию и защите здоровья населения и окружающей среды [130]. Проблема анализа риска разрабатывается сейчас во многих странах в различных областях знаний - в экономике, естественных и технических науках, теории игр и теории принятия решений, психологии, социологии и др.
Основные понятия и определения
При определении понятий геохимической опасности и геохимического риска за основу взяты установившиеся в настоящее время понятия опасности и риска [188, 205,213].
Геохимическая опасность; 1. Геохимическое состояние компонентов природной среды или геохимическая ситуация, представляющие угрозу для жизни, здоровья или благосостояния людей, объектов хозяйства или окружающей природной среды. 2. Актуальное или потенциальное геохимическое состояние компонентов природной среды или геохимическая ситуация, представляющие угрозу для жизни или благосостояния человека и окружающей его среды и при определенных условиях способное привести к одному или к совокупности из следующих нежелательных последствий: а) ухудшению здоровья человека, его заболеванию или даже смерти, б) ухудшению качества окружающей человека среды, обусловленного нанесением материального или социального ущерба (нарушение процесса нормальной хозяйственной деятельности, потеря того или иного вида собственности и т.д.) и/или ухудшению качества природной среды.
Геохимический риск - 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.
Важно подчеркнуть, что в данном определении геохимический риск рассматривается как интегральный показатель. Геохимический риск учитывает не только вероятность реализации геохимической опасности (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 нормативами) концентрациями отдельных химических веществ и их сочетаний, а также агрессивными свойствами компонентов природной среды по отношению к различным реципиентам. Специфика геохимической опасности заключается в том, что «носителем опасности» может быть как совокупность, так отдельные компоненты природной среды. Следует отметить, что опасное геохимическое состояние одного из компонентов может представлять угрозу ущерба качеству другого компонента (например, загрязненные породы зоны аэрации при определенных условиях могут привести к ухудшению качества грунтовых вод).
В данной работе не рассматриваются опасности, обусловленные такими видами загрязнения как радиоактивное (которое относится к физическому загрязнению) и биологическое, тем не менее, основные положения формирования геохимической опасности и возникновения риска могут использоваться и при анализе других видов опасности и риска.
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 (специфические заболевания). Такие территории приурочены, как правило, к определенным геологическим (минерагеническим) провинциям, рудным районам, аномальным геохимическим ландшафтам.
Техноприродная геохимическая опасность возникает в результате техногенного воздействия на природную среду и ее формирование обусловлено как характером и интенсивностью техногенных воздействий, особенностями их трансформации по пути переноса воздействий к природному объекту, так и его устойчивостью к внешнему воздействию. На урбанизированных территориях геохимическая опасность в основном является техноприродной и в большинстве случаев обусловлена загрязненностью компонентов природной среды и их агрессивными свойствами по отношению к различным реципиентам (объектам) опасности.
Представленный ниже подход к исследованию формирования техноприродной геохимической опасности и геохимического 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 [86, 88, 95]. 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. 2.1). При построении обобщенной модели учитывался опыт оценки риска, связанного с загрязнением различных компонентов природной среды [236, 292, 313, 380, 395].
Субъект опасности первого ранга - лицо, принимающее решение (ЛПР). Понятие ЛПР является собирательным, это может быть одно лицо или группа лиц, вырабатывающих коллективное решение. Функционирование ЛПР приводит к созданию техногенных источников (субъектов второго ранга), по сути 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. К объектам опасности второго ранга относятся объекты материальной сферы, через которые опосредованно передаются опасные воздействия на человека, а также растительность, животные, рыбы и т.п., используемые в пищу.
Анализ методических подходов к оценке опасных геохимических состояний компонентов природной среды с позиций их воздействий на объекты опасности
Оценка опасных геохимических состояний компонентов природной среды с позиций их воздействия на здоровье человека
При оценке опасности загрязненных компонентов природной среды по отношению к здоровью человека и компонентам экосистемы в качестве основных показателей в настоящее время используются величины предельно допустимой концентрации (ПДК) и фоновые концентрации.
ПДК - максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом. ПДК является границей, выше которой воздействия приводят к ущербу (вредным последствиям) для объекта опасности. По сути, применение ПДК позволяет оценить не опасность, а безопасность геохимического состояния исследуемой среды. Несмотря на то, что ПДК позволяет оценить не опасность, а безопасность геохимического состояния исследуемой среды, для оценки опасности часто используется коэффициент опасности К0 (отношение концентрации химического вещества к ПДК). Полагают, что чем больше величина К0, тем выше опасность воздействия загрязненной природной среды на реципиентов, но такие оценки носят качественный характер и использование К0 в данном случае требует специального обоснования.
Недостатки ПДК для оценки состояния- компонентов природной среды как фактора воздействия на здоровье человека неоднократно обсуждались. Основные отмечаемые недостатки данной системы нормирования [112]: 1. существующая практика оценки опасности-загрязненности природной среды, основанная на сравнении концентрации вредных веществ с нормативными регламентами (ПДК, ОДУ, ОБУВ и т.д.), не отражает истинной картины ухудшения здоровья, которая связана с окружающей природной средой; 2. действующая система нормирования не учитывает комплексного воздействия различных факторов на здоровье человека, поступления экотоксикантов различными путями в организм; 3. в отдельных случаях требования нормативов практически невыполнимы на современном уровне научно-технического прогресса; 4. на ряде территорий факторы влияния среды уже характеризуются значительным превышением установленных норм, в таких условиях становится невозможным оценка и прогнозирование гигиенической ситуации; 5. ПДК не позволяют оценить влияние пониженных концентраций химических элементов среды, учесть влияние явлений синергизма и антагонизма. ПДК - вынужденный компромисс между медицинскими наблюдениями о пороговом уровне угрозы здоровью человека, технологическими и экономическими способностями обеспечить выполнение установленных пределов воздействия на человека, а также возможностями научно-технических средств контролировать соблюдение установленных требований. Поэтому нормативы ПДК совершенствуются по мере научно-технического прогресса [68].
По мнению А.В.Киселева и К.Б.Фридмана [112], причина того, что использование ПДК не отражает истинной картины ухудшения здоровья, заключается в следующем. Основой для установления безопасных уровней воздействия загрязняющих веществ является концепция пороговое вредного действия, постулирующая, что для каждого агента, вызывающего те или иные неблагоприятные эффекты в организме, существуют и могут быть найдены дозы (концентрации), при которых изменения функций организма будут минимальными (пороговыми). Оценка уровня воздействия может быть проведена на основе двух принципов: а) принципа гарантированного отсутствия неблагоприятного эффекта и б) принципа обнаружения начальных признаков токсического эффекта Между порогами, определенными этими способами, находится зона неопределенности, размер которой различен для разных веществ. Для ряда загрязнителей, обладающих, например, специфическим действием (канцерогенным, иммунотоксическим, эмбриотропным и т.д.), практически невозможно определить порог воздействия, так как даже незначительное их количество уже способно вызвать этот эффект. При этом дозозависимая реакция организма обычно определяется экспериментально на уровне высоких доз, где наблюдаются эффекты в лабораторных условиях, а оценка влияния малых доз, реально встречающихся в объектах, осуществляется методом экстраполяции. Рассмотренные выше недостатки ПДК не повлияли на применение данного показателя, что обусловлено его простотой и отсутствием альтернативного показателя столь же удобного в использовании.
За рубежом установлены нормативы содержания загрязняющих веществ, так называемые уровни необнаруженного эффекта воздействия (no effect level - NEL) или NOAEL (по observable adverse effect level), аналогичные в концептуальном и методологическом аспектах отечественным ПДК. Кроме того, используется показатель (lowest observed adverse effect level - LOAEL) - наименьшая доза (концентрация) химического вещества, при воздействии которой наблюдается вредный эффект.
К более современным подходам оценки опасности относится использование коэффициента опасности (HQ), представляющего отношение воздействующей дозы (или концентрации) химического вещества к его безопасному (референтному) уровню воздействия: HQ = ADD / RfD, HQ = С / RfC, HQ = E/RfC, где ADD - суточная доза, E - экспозиция, RfC - референтная концентрация (величина допустимой средней дневной концентрации вещества), С- фактическая концентрация, RfD - референтная доза.
Данный подход применяется в методике оценки риска для здоровья при оценке опасности общетоксического воздействия веществ. Слово "опасность" в названиях коэффициентов и индексов опасности (HQ, HI) подчеркивает их отличие от традиционного понятия о риске, как количественной меры вероятности развития вредного эффекта [236]. Предполагается, что чем больше отношение концентрации (дозы) к референтному уровшо воздействия превосходит единицу, тем более значительную опасность может представлять анализируемое воздействие. Превышение референтных показателей (также как и превышение ПДК), свидетельствует только о возможности неблагоприятных эффектов без его количественной оценки. Кроме того, не учитывается нелинейный характер зависимости «доза-эффект» в области высоких концентраций и тот факт, что референтные концентрации нельзя использовать для химических соединений с остронаправленным механизмом действия, так как эффект их действия определяется в основном максимальным значением экспозиции, а не ее средней величиной. Другой показатель, относительно которого оценивается опасность компонентов природной среды (главным образом опасность загрязнения почв) - фоновая концентрация. Так же как для ПДК и референтных показателей, использование фоновых концентраций относится к достаточно дискуссионным проблемам. Анализ основных спорных вопросов приведен при рассмотрении методических подходов к оценке опасности загрязнения почв, пород и техногенных отложений.
Ниже рассмотрены существующие подходы к оценке опасности геохимического состояния различных компонентов природной среды по отношению к объектам опасности (человеку, подземным частям зданий и сооружений, другим компонентам природной среды). Оценка опасного состояния различных природных сред по отношению к объектам среды проводится в зависимости от вида воздействия среды (перорально, накожно, ингаляционно).
Водные системы (поверхностные и подземные воды) В соответствии с нормативными документами, регламентирующими качество водных систем, определяется не .опасность, а безопасность их использования по соответствию нормативам для водных объектов питьевого, хозяйственно- бытового, рекреационного водопользования или вод рыбохозяйственных водоемов. Безвредность химического состава питьевых вод определяется в основном по соответствию воды ПДК, вод водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования - ПДК и ОДУ (ориентировочно допустимые уровни веществ в воде), вод рыбохозяйственных водоемов - ПДК и ОБУВ.
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., выполненной коллективом специалистов различных организаций (ИГЭ РАН, ИМГРЭ, фонд «Экогород», Геоцентр «Москва», ВНИИЯГГ) под руководством академика В.И.Осипова.
Диссертант являлся ответственным исполнителем работ, соавтором карт агрессивности грунтовых вод, загрязненности поверхностных вод реки-Москвы и ее притоков, донных отложений реки-Москвы, карты геохимической опасности. В разработке методики определения и картирования геохимической опасности вклад диссертанта имеет определяющее значение.
Для построения карты геохимической опасности территории г. Москвы были составлены авторские варианты следующих вспомогательных карт: 1) карта загрязнения почвенного покрова (авторы Л.Н.Гинзбург, О.В.Менчинская, А.В .Пятков) (рис.4.1а), 2) карта защищенности грунтовых вод от поступления загрязняющих веществ с поверхности земли (автор Ю.В.Ковалевский) (рис.4.16), 3) карта защищенности подземных вод каменноугольного водоносного горизонта от загрязнения (автор А.И.Арбузов) (рис.4.2а), 4) карта агрессивности грунтовых вод (авторы И.В.Галицкая, В.П.Зверев) (рис.4.2б), 5) карта загрязненности поверхностных вод реки-Москвы и ее притоков (авторы И.В.Галицкая, А.В.Есин. Т.Л.Онищенко) (рис. 4.3а), 6) карта загрязненности донных отложений реки-Москвы (авторы И.В.Галицкая, А.В.Есин, Т.Л.Онищенко) (рис. 4.36), 7) карта подтопления грунтовыми водами территории Москвы (автор В.Н.Селезнев), 8) карта размещения несанкционированных свалок на территории г. Москвы (авторы Е.П.Труфманова и др.). Карта загрязнения почвенного покрова была построена с использованием программы "ЭКОСКАН", разработанной в ИМГРЭ. В основу комплекса "ЭКОСКАН" положена пространственная модель поведения эвристических функций, с помощью которых выявляются и одновременно классифицируются все техногенные аномалии исследуемой депонирующей среды. Карта построена на основе аналитических данных по 21 элементу: Li, Sr, Ва, Ті, Mn, Cr, V, Ni, Co, Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, Bi, Be, Sn, Mo, W, Ga и Sc. Вся территория города по уровням интенсивности подразделена на: фоновые области (значения функции SCAN варьирует от 0 до 218); переходные зоны или области неустойчивого загрязнения (значения функции SCAN - от 2.8 до 6.8); области слабого загрязнения (значения функции. SCAN - от 6.8s до 12); области среднего загрязнения (значения функции SCAN - от 12 до 50); области высокого загрязнения (значения функции SCAN — от 50 до 100); области крайне высокого загрязнения (значения функции SCAN 100).
При построении карты защищенности грунтовых вод от поступления загрязняющих веществ с поверхности земли использовались шесть различных градаций по времени фильтрации загрязнений через разрез зоны аэрации в сутках: более 10 000 сут, 1000 - 10 000 сут, 100 - 1000 сут, 10 -100 сут, 1- 10 сут и менее 1 сут.
При построении карты защищенности подземных вод каменноугольного водоносного горизонта от загрязнения применительно к условиям г.Москвы оценка по величине времени фильтрации выполнялась на основе следующих предпосылок: - в качестве источника загрязнения рассматриваются грунтовые воды с соответствующей абсолютной отметкой их уровня; - расчетный уровень подземных вод в каменноугольном водоносном горизонте соответствует абсолютной отметке подошвы докаменноугольных отложений.
При построении карты использовались три различные градации по времени фильтрации загрязнений (t) в сутках: при t менее 3000 сут подземные воды относились к незащищенным; при t = 3000 - 10000 сут - подземные воды относились к условно защищенным и при t более 10000 сут - защищенным.
При построении карты загрязненности поверхностных вод реки-Москвы и ее притоков оценивалось загрязнение вод макрокомпонентами, аммонийным азотом, нитритами, нитратами, полифосфатами, СПАВ, нефтепродуктами, фтором, свинцом, цинком, никелем, медью, серебром, барием, мышьяком, ртутью, бериллием, висмутом, кадмием, хромом, вольфрамом, алюминием, кобальтом.
При зонировании донных отложений на карте показаны участки с различными уровнями загрязненности, определяемыми в зависимости от величины СПЗ: СПЗ 10 - низкий уровень загрязненности, СПЗ= 10-30 - средний уровень загрязненности, СПЗ=30-100 - высокий уровень загрязненности, СПЗ 100 - очень высокий уровень загрязненности, СПЗ 500 - экстремально высокий уровень загрязненности.
При составлении карты подтопления грунтовыми водами территории г. Москвы принималось условие, при котором подтопленными считаются городские территории, в пределах которых среднемноголетнее положение уровня грунтовых вод располагается на глубинах 0-3 м от поверхности земли. Именно на этих глубинах расположена основная часть подземных коммуникаций и подвалы зданий и сооружений.
На карте подтопления территории г. Москвы грунтовыми водами выделены: - подтопленные территории, в пределах которых среднемноголетний уровень подземных вод залегает на глубинах 0-3 м. периодически потопляемые территории, в пределах которых среднемноголетняя годовая глубина залегания уровня грунтовых вод составляет более 3 метров, но в отдельные периоды года, с учетом сезонных амплитуд колебания глубина залегания уровня грунтовых вод может быть 3 м. и менее, - неподтопленные территории.
