Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Природно - техногенный комплекс «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия»: структура, особенности, причины, источники и последствия загрязнения тяжёлыми металлами 15
1.1 Структура и особенности природно - техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» 15
1.2 Источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма человека
1.3 Особенности миграции тяжёлых металлов в природно - техно
генном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» 25
1.4 Теоретические основы геоэкологического прогнозирования 34
1.5 Региональные исследования по проблемам оценки и прогнозирования загрязнения тяжёлыми металлами почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса 38
Выводы по главе 1 42
Глава 2 Теоретические основы прогнозирования загрязнения почв тяжёлыми металлами территории воздействия дорожно - транспортного комплекса 44
2.1 Общая схема организации исследования 44
2.2 Теоретические основы и обоснование применения балансовой модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса 46
2.3 Прогнозирование геоэкологических характеристик автотранспортного потока 48
2.4 Геоэкологическое моделирование поступления свинца на
поверхность почв территории воздействия дорожно - транс портного комплекса
2.5 Геоэкологическое моделирование выноса тяжёлых металлов из почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса
Выводы по главе 2
Глава 3 Экспериментальные исследования загрязнения тяжёлыми ме таллами почв территории воздействия дорожно - транспорт ного комплекса
3.1 Методы проведения экспериментальных исследований
3.2 Физико - географические условия территории воздействия дорожно - транспортного комплекса и характеристики источ ников загрязнения
3.3 Результаты статистического анализа экспериментальных ис следований и выявление геохимических ассоциаций
3.4 Верификация расчетных и экспериментальных данных
Выводы по главе 3
Глава 4 Расчётно - приборный геоэкологический мониторинг загряз нения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса
4.1 Методика расчётного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса.
4.2 Методика расчёта фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах территории воздействия строящихся автомобильных дорог
4.3 Геоэкологическая оценка загрязнения почв территории воздей ствия дорожно - транспортного комплекса и результаты эколого - гигиенической оценки исследуемых почв 63 4.4 Оценка эколого - экономической эффективности расчётного геоэкологического мониторинга состояния почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса 134
Выводы по главе 4 148
Заключение 150
Список литературы
- Источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма человека
- Теоретические основы и обоснование применения балансовой модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса
- Физико - географические условия территории воздействия дорожно - транспортного комплекса и характеристики источ ников загрязнения
- Методика расчёта фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах территории воздействия строящихся автомобильных дорог
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Непрерывный рост автомобилизации, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (а/д) приводит к загрязнению тяжёлыми металлами (ТМ) почв территорий воздействия дорожно–транспортного комплекса (ДТК). В связи с этим возникает вопрос прогнозирования данного вида загрязнения. Актуальность прогнозирования загрязнения придорожных почв связана с тем, что ТМ способны перемещаться по экологическим системам и пищевым цепям и оказывать негативное влияние на среду обитания и человека. Причем почвы, являясь депонирующей средой загрязняющих веществ, могут служить вторичным источником загрязнения других сред, представляя угрозу для биоты.
Теоретические основы данной проблемы в целом достаточно хорошо изучены (И.И. Косинова, О.В. Базарский, С.А. Куролап, В.П. Подольский, Р.А. Измайлов, А.Н. Канищев, В.К. Батурин и др.). В то же время в современной науке и инженерной практике отсутствуют теоретически и экспериментально обоснованные прогнозные модели формирования техногенного загрязнения почв ТМ, основанные на количественных расчетах и учитывающие особенности природно–техногенного комплекса «Автомобильная дорога–территория техногенного воздействия» для длительных сроков загрязнения. Это и определяет актуальность настоящих исследований.
В данной работе обосновывается научно–методический подход к созданию геоэкологической модели прогнозирования техногенного загрязнения почв ТМ в зоне воздействия ДТК, основанной на балансовых расчётах. Модель учитывает особенности образования, поступления, переноса, диффузии и аккумуляции ТМ в «Автомобильная дорога–территория техногенного воздействия» и может быть использована в системе расчётного геоэкологического мониторинга почв территорий воздействия ДТК.
Использование предлагаемой прогнозной модели при разработке проектов строительства и реконструкций а/д общего пользования позволит более точно обосновывать природоохранные мероприятия и проектные решения, снижать негативное экологическое воздействие на окружающую среду (ОС) и человека, а также предложить и обосновать геометрические параметры территории воздействия на почвы в зоне влияния проектируемых и реконструируемых а/д общего пользования, повысить качество инженерно–экологических изысканий и обеспечить требу-
емую точность оценки воздействия на ОС при проектировании строящихся и реконструкции существующих а/д общего пользования.
Научной задачей исследования является разработка, обоснование и проверка адекватности геоэкологической модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК ТМ на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования и реконструкции а/д общего пользования).
Цель исследования – разработка геоэкологической модели прогнозирования техногенного загрязнения почв в зоне воздействия ДТК на основе балансовых расчётов. Для анализа особенностей аккумуляции ТМ в почве зоны воздействия ДТК и апробации прогнозной модели выбраны участки а/д М-4 «Дон» (с км 528+000 по км 529+000 и с км 587+000 по 588+000), расположенные в зоне типичной лесостепи на территории Воронежской области.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи.
-
Проанализированы современные подходы к прогнозированию загрязнения почв территории воздействия ДТК.
-
Проведены экспериментальные исследования по изучению закономерностей аккумуляции ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) в почвах придорожных полос.
-
Установлены закономерности накопления ТМ в изучаемых почвах территории влияния типичных участков а/д М–4 «Дон».
-
Разработана геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки и физико–географических условий загрязнения.
-
Модернизирован процесс прогнозирования техногенного загрязнения почв ТМ (Cu, Cd, Ni и Zn) в зоне воздействия ДТК посредством обоснования индикационной роли Pb в формировании геохимических ассоциаций в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.
-
Разработана программа расчётно–приборного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия ДТК для оценки влияния а/д на экологическое состояние почвенного покрова.
-
Разработана и апробирована методика оценки состояния почв территории воздействия ДТК на основе применения балансовых расчетов и её реализа-
ции при разработке комплекса природоохранных мероприятий (на примере типичных участков /км 528+000–529+000, км 587+000–588+000/ а/д М-4 «Дон»).
Объектом исследования являются почвы территории воздействия ДТК.
Предметом исследования выступает анализ условий аккумуляции ТМ и прогнозирование загрязнения почв Pb, Cu, Cd, Ni и Zn на территориях воздействия ДТК.
Методология и методы исследования. Методы исследования включали полевые геохимические и лизиметрические исследования, исследование геоэкологических характеристик автотранспортного потока, химико–аналитические лабораторные анализы, модельные вероятностно–статистические и балансовые расчеты с применением ПЭВМ и картографической интерпретацией.
При проведении химико–аналитических анализов и статистической обработки данных использовалась действующая нормативно–техническая документация, аттестованные методики лабораторных измерений, лицензированные программные комплексы – «Прогнозирование интенсивности движения на автомобильных дорогах», Microsoft Excel, STATISTICA, SPSS, STADIA.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
-
Разработана геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК, учитывающая особенности образования, поступления, переноса, диффузии и аккумуляции ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) в при-родно–техногенном комплексе «Автомобильная дорога–территория техногенного воздействия», адаптированная к условиям интенсивного техногенного загрязнения придорожной полосы, отличающаяся возможностью интеграции в процесс проектирования а/д.
-
Модернизирован способ оптимизации прогнозирования техногенного загрязнения почв ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) в зоне воздействия ДТК на основе обоснования индикационной роли Pb в формировании геохимических ассоциаций придорожной полосы в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.
-
Установлены закономерности накопления ТМ в изучаемых почвах территории влияния типичных участков а/д М–4 «Дон».
-
Разработана программа расчётно–приборного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия ДТК, позволяющая оптимизировать оценку воздействия на ОС при проектировании строящихся и реконструкции существую-
щих а/д общего пользования. Данная программа учитывает особенности природно–техногенного комплекса «Автомобильная дорога–территория техногенного воздействия».
5. Апробирована методика применения балансовых расчётов (балансовой модели) для прогнозирования геоэкологического состояния почв территории воздействия ДТК, отличающаяся относительной простотой сбора исходных данных и вычислений, эффективность которой подтверждена при проектировании а/д общего пользования.
Фактический материал. Исходными материалами при решении поставленных задач явились результаты полевых работ (отбор объектов анализов и подсчёт интенсивности автотранспортного движения), аналитических исследований, анализов фондовых материалов, статистической обработки аналитических исследований, полученные лично автором в период с 2004 по 2014 г., а также материалы исследований Воронежского филиала «ВоронежГипродор-НИИ» ОАО «ГипродорНИИ». Общее число обработанных результатов анализов, выполненных в аккредитованных лабораториях, составляет 10380 проб почвенных образцов, 1728 проб лизиметрических вод и 1512 проб воды снежной массы.
Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечена применением классических положений теоретического анализа, теоретически обоснованных методов исследований, обстоятельной аргументацией принятых допущений и ограничений при разработке геоэкологической модели, корректным построением геоэкологической модели и метода работы с ней, применением современных методов экспериментальных исследований, экспериментальной проверкой результатов исследований в полевых условиях, большим объёмом репрезентативных экспериментальных данных за многолетний период, полученных в аккредитованных лабораториях, а также широкой апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности применения балансового подхода (балансовых расчётов) для целей прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования строящихся и реконструкции существующих а/д общего пользования).
Предложенные научно–методические основы моделирования и прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn)
на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования строящихся и реконструкции существующих а/д общего пользования) развивают теорию и практику геоэкологии в части совершенствования оценки воздействия на ОС и прогнозирования техногенной нагрузки при проектировании и реконструкции линейных инженерных сооружений с негативным воздействием на среду обитания.
Практическая значимость работы заключается в возможности более объективного и эффективного обоснования комплекса природоохранных мероприятий, и проектных решений, а также снижения негативного экологического воздействия на ОС и человека при разработке проектов строительства и реконструкции а/д. Применение разработанных моделей и методик позволит оптимизировать расчётный геоэкологический мониторинг почв территории воздействия а/д, уточнить оценки экологических рисков при проектировании и реконструкции а/д общего пользования.
Внедрение в практику разработанной модели полностью согласуется с требованиями, закреплёнными в следующих нормативных документах: Земельный кодекс Российской Федерации от 25.10.2001 № 136–ФЗ (ред. от 30.12.2015) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2016); Федеральный закон от 10.01.2002 № 7– ФЗ (ред. от 29.12.2015) «Об охране окружающей среды»; Федеральный закон от 30.03.1999 № 52-ФЗ (в ред. от 28.11.2015) «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»; ГОСТ 32836-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Изыскания автомобильных дорог. Общие требования»; ГОСТ 32847–2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению экологических изысканий»; СП 11–102–97 «Инженерно–экологические изыскания для строительства»; СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»; Положение об оценке воздействия намечаемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду в Российской Федерации от 16.05.2000.
Эффективность исследований подтверждена актами внедрения результатов исследований в практическую деятельность областных административных ведомств и проектно–изыскательских организаций (Федеральное бюджетное учреждение здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области», ООО «ПроектИнжиниринг»).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе факультета географии, геоэкологии и туризма ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «05.03.06, 05.04.06–Экология и природопользование».
На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия Д-ТК ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn).
-
Модернизация способа оптимизации прогнозирования техногенного загрязнения почв ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) в зоне воздействия ДТК в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.
-
Закономерности аккумуляции и формирования геохимических ассоциаций ТМ в почвенном покрове придорожной полосы (на примере типичных участков а/д М–4 «Дон»).
-
Методика геоэкологической оценки состояния почв и программа рас-чётно–приборного геоэкологического мониторинга загрязнения почв территории воздействия ДТК.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертационной работе разработана, обоснована и проверена на адекватность геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия ДТК ТМ (Pb, Cu, Cd, Ni и Zn) на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования и реконструкции а/д общего пользования), что соответствует паспорту специальности «25.00.36–Геоэкология (Науки о Земле)». В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами диссертация соответствует следующим пунктам области исследования: 1.11. Геоэкологические аспекты функционирования природно–технических систем. Оптимизация взаимодействия (коэволюция) природной и техногенной подсистем; 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля; 1.13. Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и технопри-родных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, превентивные мероприятия по снижению последствий катастрофических процессов, инженерная защита территорий, зданий и сооружений; 1.14. Моделирование геоэкологических процессов.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на международной научно–практической конференции «Географические проблемы сбалансированного развития староосвоенных регионов» (Брянск, 2007); на 9–м Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва, 2009); на XV Международной научно–практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (МК–46–15) (Пенза, 2015); на IX Молодёжной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Шаг в будущее: теоретические и прикладные исследования современной науки» (Санкт–Петербург, 2015); на Первой международной научно–практической конференции «Муниципальные образования современных регионов: проблемы исследования, развития и управления в условиях геоэкономической и политической нестабильности» (Воронеж, 2016).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе 5 статей опубликованы в ведущих рецензируемых журналах перечня ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы – 185 страниц, в том числе 152 страниц основного текста, содержащего 35 таблиц на 38 страницах, 31 рисунок на 31 странице; список литературы из 167 наименований на 18 страницах; 14 приложений на 15 страницах.
Источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма человека
В результате ряда превращений промежуточных продуктов термического разложения и окисления кислородом воздуха ТЭС образуются термодинамические стабильные продукты реакции. В общем виде эти процессы можно описать следующей реакцией: t 2Pb(CiH5)4+27O2 2PbO+16CO2+20H2O При горении топлива содержащийся в этилированном бензине ТЭС, выходя из реакции, разрушается, образуя токсичные свинцовые соединения - галогенидов свинца [PbCIBr, 2NH4PbCIBr] и солей [Pb(OH)Br; (PbO2)B,Br; PbB2; PbBr2; PbBrCl; (PbO)2PbBr2; (PbO)2 PbBrCl); (PbO)2PbBr2], которые по своей природе неустойчивы и могут легко в воздушной среде переходить в оксиды, карбонаты, сульфаты, окси- карбонаты и окислы, путем простой реакции замещения, когда СО и OH _ замещают Br _, а в некоторых случаях CI _ из галогенидов свинца, первоначально находящихся в выхлопе. Реакции нерастворимых окислов с атмосферным SO2 могут сохранить свинец в виде относительно нерастворимого сульфата, но окисление не может быть полностью вытеснено [106].
С отработавшими газами в воздушную среду поступает от 37 до 85 % соединений свинца, содержащихся в этилированном бензине. Остальная часть свинца осаждается на стенках цилиндров двигателя и в выпускном тракте [2]. Та часть соединений свинца (хлориды и бромиды свинца), которая попадает в окружающую природную среду, вследствие гидролиза, превращается в оксидные формы. Через 18 часов на свету в атмосферном воздухе разлагается 75 % бромидов, 30 - 40 % хлоридов. Остаются наиболее устойчивые карбонаты, оксиды [5].
Следует отметить, что неэтилированные бензины из - за несовершенной технологии производства так же могут содержать соединения свинца в концентрации до 0,01 г/л, как и дизельное топливо в количестве 60 г/год на 1 км автомобильной дороги [34].
Рассмотрим последствия воздействия повышенного содержания тяжёлых металлов в каждом депонирующем объекте (почва, растения и человек) и на ландшафтном уровне.
Аккумулирование тяжёлых металлов в почвах отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: вызывает негативное изменение физических и фи- зико - химических свойств почв, снижает их биологическую активность [51].
Так, повышенное содержание меди в почвах вызывает уменьшение количества конгломератов почвенного покрова, приводит к увеличению опасности водной и ветровой эрозии, возникновению кислородного голодания из - за повышенной плотности почв, возрастанию объёма подвижной фракции гумуса (фульвокислот), увеличению гидролитической кислотности и уменьшению числа обменных катионов.
Повешенное количество свинца в почвах тормозит развитие корневой си стемы растений [166], ингибирует активность ферментов, уменьшает интенсивность выделения двуокиси углерода и численность микроорганизмов, вызывает нарушение процессов дыхания и клеточного деления, снижает подвижность в почве других металлов и приводит к дефициту некоторых жизненно важных микроэлементов.
Повышенное содержание кадмия в почвах вызывает ингибирование микробиологических процессов, нарушает процессы аммонификации, нитрофикации и денитрофикации [141].
Присутствие цинка в почвах вызывает затруднение ферментации разложения целлюлозы, дыхания и действия урезы, подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы преобразования органического вещества в почвах.
Повышенное содержание никеля в почве приводит к изменению активности окислительно - восстановительных процессов [89].
Особенно опасны тяжёлые металлы при сдвиге pH почвы в щелочную сторону, так как при этом соединения тяжёлых металлов теряют свою мобильность. На фоне малой подвижности тяжёлых металлов вероятность наступления порога токсикоза почв и их биоты явно увеличивается. Подщелачивание почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса связано с поступлением в них аэрозольных частиц, образующихся при работе двигателей автотранспортных средств, а также с загрязнением хлоридами калия, кальция и натрия в процессе зимнего содержания автомобильных дорог.
Поступление соединений тяжёлых металлов в растения в пределах территории воздействия дорожно - транспортного комплекса осуществляется двумя способами: из почв с помощью корневой системы; механическим осаждением аэрозолей тяжёлых металлов на поверхность растений, которое приводит к проникновению контаминантов в ткани растений (фалеарное поглощение).
Анализ опытных данных [159] показывает, что вторым способом в растения может попадать до половины содержащихся в выбросах тяжёлых металлов. Доля внекорневого поступления тяжёлых металлов в растения непостоянна во времени, она зависит от стадии вегетации растений, их морфологии и других факторов.
Повышенное содержание свинца в растениях вызывает замедление роста, хлороз, снижает интенсивность процессов окисления, фотосинтеза и метаболизма жиров, митоза; вызывает сокращение количества поглощаемой воды и увеличение потребности в кислороде, снижает содержание хлорофилла и каротина в растениях и приводит к их гибели [159].
Никель в растениях влияет на поглотительную способность корней и процесс задерживания поступления железа в растения, вызывает замедление роста, недоразвитие генеративных органов, пятнистость и уродливость форм [89].
Повышенное содержание никеля в растениях приводит к суховершинности, нарушению пигментации, образованию хлорозов, к снижению интенсивности дыхания, образованию хлорофилла и активности некоторых ферментов, повреждению тканей, изменению проницаемости клеточных мембран, порокам развития корней, замедлению прорастания семян и вызывает разрыв клеточных мембран.
Теоретические основы и обоснование применения балансовой модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса
Так как основным источником загрязнения в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» является поток автотранспортных средств, то от режима функционирования последнего зависит эмиссия аэрозолей тяжёлых металлов. Таким образом, одними из входных данных в приходную часть балансовой модели будут являться геоэкологические характеристики автотранспортного потока.
К геоэкологическим характеристикам автотранспортного потока относятся средняя скорость, состав автотранспортного потока и интенсивность движения [69].
Нами обоснованы геоэкологические характеристики автотранспортного потока, использование которых показало их достаточную адекватность в модельных расчетах.
Так, влияние средней скорости транспортного потока предлагается учитывать введением коэффициента mp. Данный коэффициент учитывает дорожные и автотранспортные условия в зависимости от средней скорости транспортного потока на перегоне. Расчёт данного коэффициента представлен в разделе 2.4. Состав транспортного потока влияет на эмиссию свинца через средние эксплуатационные нормы расхода топлива на 1 км пути в литрах. Типы автотранспортных средств с прописанными средними эксплуатационными нормами расхода топлива на 1 км пути в литрах указаны в таблице 2.1 [135].
Данный фактор будет учитываться путём введения в расчётную формулу величины Gik, которая характеризует средний эксплуатационный расход топлива для данного типа (марки) автомобилей, л/км.
Очевидное влияние интенсивности движения транспортных средств неоспоримо. В соответствии с этим будет вводиться переменная Nij, которая характеризует расчетную, (фактическую) прогнозируемую среднегодовую суточную интенсивность движения между i - м j - м населёнными пунктами в соответствии с дифференциацией транспортного потока по грузоподъёмности и типам двигателей, авт./сутки.
Факторы, влияющие на интенсивность движения, можно условно разделить на три группы: численность населения в корреспондирующих пунктах; экономический потенциал участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований; время сообщения.
Численность населения является одним из основных факторов, влияющих на интенсивность движения как грузовых, так и легковых автомобилей, так как объём пассажиро - и грузоперевозок между корреспондирующими пунктами пропорционален численности населения в этих пунктах.
Экономические показатели развития участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований, такие как - национальный доход; товарооборот; прибыль; валовая продукция сельского хозяйства и промышленности; капитальное вложение в строительство - связаны с интенсивностью движения автотранспортных средств. Однако, данные экономические показатели зависят от плотности населения участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований. Чем больше жителей на территории инженерно - экономических (геоэкологических) исследований, тем больше производится продукции, строится различных объектов, перевозится грузов. По мнению Байбулатова Х. А. [9] данные факторы взаимосвязаны, и для проверки этой гипотезы он провёл корреляционный анализ взаимосвязи экономических показателей. Анализ показал, что плотность населения, объёмы перевозок и грузооборот автотранспорта, капитальное вложение в строительство и товарооборот взаимосвязаны между собой, а коэффициенты парной корреляции близки к единице. В связи с этим для учёта экономического развития территории инженерно - экономических (геоэкологических) исследований при прогнозировании интенсивности движения автотранспортных средств достаточно использовать один из вышеперечисленных факторов.
Влияние времени сообщения обусловлено тем, что высокая категория автомобильной дороги и её хорошее техническое состояние ставят эту дорогу в преимущественное положение по сравнению с другими, даже более короткими по протяжённости, но не позволяющими реализовать высокие скорости и, следовательно, проигрывающими во времени сообщения. Использование данного показателя особенно важно для прогнозирования перераспределения автотранспортных потоков на сложившейся сети автомобильных дорог [8].
Время сообщения зависит от расстояния между корреспондирующими пунктами и качества связи, характеризующегося скоростью движения автотранспортных средств. Чем меньше время сообщения, тем больше интенсивность движения между корреспондирующими пунктами, то есть имеет место обратная связь.
Предлагается в качестве методики прогнозирования геоэкологических характеристик автотранспортного потока апробированная методика, разработанная ОАО «ГИПРОДОРНИИ», которая реализована в ОДМ и в сертифицированном программном комплексе «Прогнозирование интенсивности движения на автомобильных дорогах» [69].
Данная методика позволяет прогнозировать вероятностные характеристики автотранспортного потока, совершающие поездки между парами корреспондирующих населённых пунктов рассматриваемой территории, корреспонденции между которыми являются значимыми.
Физико - географические условия территории воздействия дорожно - транспортного комплекса и характеристики источ ников загрязнения
В рамках поставленной цели экспериментальные исследования занимают одно из главных мест. Задачей экспериментальных исследований является получение исходных данных для прогнозной модели и её верификации.
В данной работе использовались четыре типа экспериментальных исследований - инженерно - экономические, геоэкологические, инженерно - гидрометеорологические и математико - статистические. К инженерно-экономическим исследованиям относятся - определения фактических характеристик геоэкологических показателей автотранспортного потока. К геоэкологическим относятся определения концентраций тяжёлых металлов в депонирующих средах. К инженерно - гидрометеорологическим относятся определения климатических и метеорологических характеристик. К математико - статистическим относится статистический анализ полученных данных.
Экспериментальные исследования проводились на базе аккредитованной Экологической лаборатории Воронежского филиала «ВоронежГипродорНИИ» ОАО «ГИПРОДОРНИИ» и ФГУ ГЦАС «Воронежский» в соответствии с действующими нормативными документами на момент производства исследований.
Для достижения поставленной цели использовалось два типа экспериментальных исследований - полевые и камеральные. Более подробная информация о дифференциации методов исследований представлена на рисунке 3.1.
Общая схема экспериментальных исследований и их статистического анализа включала следующие этапы. Рисунок 3.1 - Дифференциация методов экспериментальных исследований 1. Определение репрезентативных участков автомобильной трассы (стационарных участков) для анализа процессов техногенного загрязнения почв в ходе рекогносцировочных исследований и анализа картографического материала (топографических и почвенных карт региона). 2. Сбор информации об источнике эмиссии тяжёлых металлов в пределах стационарных участков. 3. Учёт интенсивности движения автотранспортных средств в пределах стационарных участков. При этом за время осуществления экспериментов (1999 - 2012 г.г.) нами был осуществлён в соответствии с действующими нормативными документами учёт интенсивности движения автотранспортных средств, который включал в себя следующее: учёт интенсивности движения легковых автотранспортных средств; учёт интенсивности движения грузовых автотранспортных средств и автобусов полной массой до 3500 кг; учёт интенсивности движения грузовых автотранспортных средств и автобусов полной массой более 3500 кг. 4. Сбор (по фондовым материалам) необходимых для дальнейших расчётов природных (климатических) характеристик территорий стационарных участков: среднее годовое количество атмосферных осадков; значение радиационного баланса увлажнённой поверхности почв; среднее значение дефицита влажности воздуха на уровне 2 - х м за холодный период; средняя плотность снежного покрова; средняя высота снежного покрова; число дней в году со снежным покровом; среднее годовое количество атмосферных осадков в жидкой и смешанной формах; типы почв стационарных участков. 5. Определение мест отбора депонирующих сред (почв, лизиметрических вод и снежной массы). 6. Отбор проб депонирующих сред (в том числе инфильтрационных и фильтрационных вод в пределах фоновых участков). Отбор данных объектов анализов производился в период с 1999 г. по 2012 г.г. 7. Анализы отобранных проб почвы в аккредитованных лабораториях с целью определения комплекса почвенно - геохимических показателей - рН солевое (ед. рН), гидролитическая кислотность (ммоль в 100 г почвы), Са +Mg (%), емкость поглощения (мг - экв/100 г почвы), степень насыщенности почв основаниями (%), величины гумуса (%), плотность почвы (г/см3), концентрации тяжелых металлов (мг/кг): Pb, Cu, Cd, Ni, Zn (осуществление анализов объектов исследований - почв, лизиметрических вод, снежной воды - на предмет определения концентраций (величин) требуемых показателей. 8. Статистический анализ полученных результатов, который включил в себя следующее: проверка полученных массивов экспериментальных данных на нормальное (Гауссово) распределение; проверка гипотезы о принадлежности «сомнительной варианты» к изученной совокупности; проверка гипотезы о принадлежности частных выборок к одной генеральной; корреляционный анализ; регрессионный анализ; кластерный анализ, факторный анализ в форме метода главных компонент для выявления геохимических ассоциаций. 9. Верификация результатов геоэкологического мониторинга и прогнозирования техногенного загрязнения почв, с дальнейшими научно - прикладными рекомендациями и методическими разработками: программы геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса; методики оценки эколого - экономической эффективности предлагаемой схемы расчётного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожнотранспортного комплекса.
Ниже подробнее изложены важные отличительные особенности ключевых этапов исследований.
Полевые исследования. Инженерно - экономические исследования. В ходе инженерно - экономических исследований на стационарных участках были определены фактические характеристики геоэкологически значимых параметров автотранспортного потока (интенсивность движения, состав и средняя скорость автотранспортного потока). Определение геоэкологически значимых характеристик проводилось в соответствии с действующими нормативными документами [53, 54, 133]. Данные исследования осуществлялись с целью доказательства адекватности прогнозной модели геоэкологически значимых характеристик автотранспортного потока реальным условиям эксплуатации автомобильных дорог общего пользования, путём верификации фактических и расчётных данных.
Для этого визуальным способом производился учёт автотранспортных средств в соответствии с их типизацией. При этом наблюдения производились с учётом, что на одного наблюдателя приходились автотранспортные средства, следующие в одну сторону. Результаты наблюдения заносились в полевые журналы. Количественный учёт движения автотранспортных средств был произведён в период максимальной интенсивности движения в рабочие дни недели. Районы дислокации опытных участков показаны на рисунках 3.2 и 3.3.
Методика расчёта фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах территории воздействия строящихся автомобильных дорог
Дорожно - транспортный комплекс является линейно - вытянутым источником загрязнения, и как следствие этому, пересекает территории с разнообразными почвами, для которых на текущий момент не всегда определены значения фоновых концентраций тяжёлых металлов. В соответствии с этим нами разработана методика расчёта значений фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах для оценки воздействия на окружающую среду строящимися автомобильными дорогами.
Для разработки данной методики последовательно были решены следующие задачи: дислокация фонового участка относительно источника загрязнения - автомобильной дороги; обоснование размера фонового участка; обоснование репрезентативного количества отобранных проб в пределах фонового участка; непосредственный расчёт фоновых значений.
На основании анализа литературных источников, можно сделать вывод, что максимальный размер территории негативного воздействия от функционирующих автомобильных дорог ограничивается участком шириной в 500 м. Таким образом, предлагается располагать фоновые участки на расстоянии не менее 500 м от подошвы земляной насыпи автомобильных дорог.
Анализ научных источников выявил, что вопрос обоснования размера репрезентативного фонового участка мало изучен. За размер репрезентативного участка предлагается принимать площадку 50х50 м в условиях естественных ландшафтов [93].
Содержание тяжёлых металлов в пределах фоновых участках является интегрирующей величиной, которая складывается из естественного содержания тяжёлых металлов в депонирующих средах, количества тяжёлых металлов, обусловленное антропогенным генезисом, который является следствием глобального переноса загрязнений от источников их эмиссии в окружающую природную среду и количества тяжёлых металлов, обусловленное распространением загрязнений от конкретных местных источников при мезомасштабном переносе загрязнений. Именно в данных геохимических условиях и формируются фоновые участки.
В соответствии с вышеизложенным, содержание тяжёлых металлов в исследуемых фоновых почвах является статистической величиной, а результаты исследования должны быть репрезентативны. В связи с этим основным вопросом является количество отобранных проб в пределах фонового участка.
Для определения репрезентативного количества проб предлагается рассчитать следующие параметры распределения: среднее фоновое содержание (Ct), стандартное отклонение (S) и коэффициент вариации (V). Известно, что количество отобранных проб зависит от коэффициента вариации (V) и ошибки среднего арифметического (X), выраженной в процентах от среднего содержания в выборке. Исходя из условий экспериментов, величина (X) может принять значение 20 % [93]. На основании известного коэффициента вариации (V) и принимаемого уровня допустимой ошибки (X) рассчитывается репрезентативное количество отобранных проб (Y), необходимое для характеристики исследуемого объекта с заданной точностью. Расчёт проводится по упрощённой формуле (4.1) [138]: Y=V2/100 при X = 20 % (4.1)
Если в выборке преобладает содержание тяжёлых металлов, находящееся ниже предела обнаружения методики количественного химического анализа, то дисперсия и стандартное отклонение (S) не рассчитывается. В этих случаях выборка характеризуется не средним содержанием, а встречаемостью значимых содержаний в процентах общего числа проб в выборке.
Так как распределение тяжёлых металлов в почвах редко удовлетворительно аппроксимируется нормальным законом (реальная концентрация загрязняющих веществ всегда положительна), то в практике геохимических работ для описания распределения химических элементов на фоновых участках предлагается использовать параметры логонормального распределения. В этом случае величина фоновой концентрации рассчитывается по формуле (4.2) [150]: Ct=ant lg(lgCx), (4.2) где lgCj = i=i lgCj - средний логарифм содержания элемента; Y - объём выборки. Для тех химических элементов, содержание которых в природных ландшафтах ниже предела обнаружения методики количественно химических анализов, в качестве фоновых принимают кларки элементов в осадочных породах.
Логическим завершением прогнозирования загрязнения почв тяжёлыми металлами в пределах территории воздействия дорожно - транспортного комплекса является оценка полученных результатов, которая существует в двух видах - санитарно-гигиеническая, когда полученные результаты сравниваются со значениями ПДК (ОДК), и геоэкологическая, когда полученные результаты сравниваются со значениями фона.
На текущий момент значения ОДК валовых форм тяжёлых металлов в почвах регламентируются гигиеническими нормативами, которые представлены в таблице 4.1 [113]. В таблицах 4.2 и 4.3 представлены критерии санитарно - гигиенической оценки почв и классификация химических веществ антропогенного (техногенного) генезиса по степени опасности для контроля загрязнения и прогнозирования геоэкологического состояния почв [23, 35]. При поликомпонентном загрязнении почв предлагается санитарно - гигиеническую оценку осуществлять по контаминанту с максимальной величиной ККПД.