Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. анализ ранее проведенных работ 9
ГЛАВА 2. Природные и техногенные факторы формирования эколого-геологических условий северного приобья 13
2.1. Природные факторы 13
2.1.1. Климатические условия 13
2.1.2. Растительный и почвенный покров 14
2.1.3. Ландшафтно-геоморфологические условия 18
2.1.4. Геологическое строение 23
2.1.5. Геокриологические условия 28
2.1.6. Температурный режим ММП 36
2.1.7. Экзогенные геологические процессы и явления 38
2.1.8. Гидрогеологические условия 49
2.2. Техногенные факторы 62
ВЫВОДЫ 70
ГЛАВА 3. База данных - основа геоэкологической модели . 72
3.1. Структура информационной системы для комплексных исследований... 72
3.2. Разработка структуры и построение базы данных 76
3.3. Формирование и наполнение базы данных 82
ВЫВОДЫ 89
ГЛАВА 4. Оценка экологического состояния геологической среды северного приобья 90
4.1. Оценка экологического состояния почв, грунтов и донных отложений ... 94
4.2. Радиационная обстановка территории 113
4.3. Гидрохимическая характеристика поверхностных вод 117
4.4. Интегральная оценка ЭГ состояния Северного Приобья 126
4.5. Основные рекомендации по охране и рациональному использованию геологической среды 133
Выводы 136
Заключение 138
Список использованной литературы 140
- Природные факторы
- Ландшафтно-геоморфологические условия
- Структура информационной системы для комплексных исследований...
- Оценка экологического состояния почв, грунтов и донных отложений
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное освоение северных территорий, связанное с разработкой минерально-сырьевых ресурсов и развитием сопутствующей инфраструктуры, приводит к разрастанию площади селитебных зон, возникновению объектов транспортного и топливно-энергетического комплексов, а также трансформации природных условий. Техногенная нагрузка значительно влияет на геоэкологическое состояние геологической среды северных территорий, особо чувствительных к внешним воздействиям в силу специфики природных условий. В связи с этим возникает необходимость выполнения объективной оценки современного экологического состояния геологической среды (ГС), базирующейся на выявлении основных природных и техногенных факторов, создании баз данных, содержащих информацию, характеризующую эти факторы, и применении цифрового картографирования.
Идея работы заключалась в выполнении геоэкологического районирования Салехардской площади Северного Приобья с применением компьютерных технологий.
Цель работы. Интегральная оценка экологического состояния геологической среды Северного Приобья (на примере Салехардской площади) с внедрением программного интерфейса реляционных баз данных и цифрового картографирования.
Основные задачи исследований:
выявление природных и техногенных факторов формирования геоэкологических условий территории Северного Приобья;
анализ и теоретическое обобщение методов проектирования баз данных для геоэкологического районирования;
разработка структуры, содержания, пользовательского интерфейса базы геоэкологических данных, обеспечивающих своевременную оценку геоэкологического состояния ГС;
выбор и обоснование параметров оценки экологического состояния геологической среды территории Северного Приобья;
создание комплекта геоинформационных картографических моделей, характеризующих состояние отдельных ингредиентов геологической среды как основы ее интегральной оценки;
оценка экологического состояния геологической среды на основе геоэкологического районирования территории Салехардской площади Северного Приобья.
Фактический материал. В основу работы положен фактический материал, полученный автором в процессе комплексных гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических исследований масштаба 1:50000 в составе Ямальской научно-исследовательской геологической экспедиции (ЯНИГЭ) Уральской государственной горно-геологической академии в 2000-2004 годах, обработанный с применением компьютерных технологий в период обучения в очной аспирантуре (2001 — 2004 гг.), а также опубликованные и фондовые работы.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий: изучение, анализ и обобщение геологических, гидрогеологических, геохимических, инженерно-геологических материалов в фондовой и опубликованной литературе по изучаемой тематике; маршрутные исследования и опробование, лабораторные исследования с применением современных методов анализа состояния горных пород, почв, вод; математические методы обработки результатов с использованием компьютерных технологий; геоинформационные методы создания картографических моделей и баз аналитической информации.
Научная новизна:
выявлены основные природные и техногенные факторы, определяющие специфику эколого-геологической обстановки Северного Приобья;
разработана структура базы данных, содержащая информацию о факторах, формирующих экологическое состояние геологической среды;
предложены оценочные критерии современного экологического состояния геологической среды, а также принципы картографического отображения;
впервые составлена геоинформационная картографическая модель территории Салехардской площади Северного Приобья, отражающая интегральную оценку современного экологического состояния геологической среды;
впервые проведена комплексная оценка экологического состояния геологической среды территории Северного Приобья.
Практическая значимость. Результаты исследований внедрены при
комплексных гидрогеологических, инженерно-геологических и
геоэкологических исследованиях масштаба 1:50000, выполненных по федеральному заказу Департамента природно-ресурсного регулирования и развития нефтегазового комплекса администрации ЖЇАО. Разработаны практические рекомендации по рациональному освоению и реабилитации территории Северного Приобья. Полученные материалы используются на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по курсам; «Геоэкология», «Геоэкологическое картирование», «Охрана и рациональное использование геологической среды» и «Методы эколого-геологических исследований».
Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и
обсуждались: на международной конференции «Геологической службе России -
300 лет» (Екатеринбург 2000 г.); годичной сессии Научного совета РАН по
проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские
чтения» (Москва, 2006, 2007 гг.); молодежной научно-практической
конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады
(Екатеринбург, 2006 г.); научной конференции «Региональные и муниципальные
проблемы природопользования» (Киров, 2006 г.); всероссийской научно-
практической конференции «Эколого-геологические проблемы
урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006 г.); международной научной конференции «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (МГУ, Москва, 2007 г.); первом Уральском международном экологическом конгрессе «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007 г.); Региональной научно-практической конференции «Региональные проблемы управления природопользованием» (Тюмень, 2008 г.); научных семинарах кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ (2001-2007 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 работа - в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.
Положения, выносимые на защиту:
Среди многочисленных факторов, влияющих на геоэкологическое состояние геологической среды Северного Приобья, наиболее существенное значение имеют климатические условия, ландшафтно-геоморфологические, гидрологические, геологические, гидрогеологические, криогенные особенности, а также воздействие селитебного, транспортного и тепло-энергетического комплексов.
Впервые разработанные структура и содержание базы данных территории Северного Приобья ориентированы на интегральную оценку экологического состояния геологической среды в технологиях и форматах геоинформационных систем.
Комплексная оценка экологического состояния геологической среды Северного Приобья базируется на сумме безразмерных коэффициентов (баллов) интенсивности проявления природных и техногенных факторов, отраженных в картографических моделях с использованием геоинформационных систем.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 150 страниц, в том числе 57 рисунка, 10 таблиц. Список использованной литературы включает 102 наименования.
В первой главе рассмотрен вопрос оценки экологического состояния геологической среды (ГС) территории Северного Приобья, а также выполнен анализ ранее проведенных работ геологического содержания, результаты которых целесообразно использовать при выполнении геоэкологических исследований данной территории.
Во второй главе охарактеризованы природные и техногенные факторы формирования геоэкологических условий Северного Приобья.
В третьей главе рассмотрена структура базы данных, основанная на параметрах, характеризующих факторы геоэкологического состояния территории. Представленная база является интегрированной основой информационной системы оценки геоэкологического состояния территории Северного Приобья.
В четвертой главе с использованием геоинформационных систем выполнена комплексная интегральная оценка экологического состояния геологической среды Салехардской площади Северного Приобья на основе обобщения качественных и количественных показателей природных и техногенных факторов, ранжированных с использованием метода экспертных балльных оценок, с учетом их вклада в интегральный показатель. Даны практические рекомендации по рациональному освоению территории Северного Приобья.
В выводах и заключении обобщаются результаты исследований.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.г.-м.н., профессору О.Н. Грязнову, к.г.-м.н., доценту И.В. Абатуровой за всестороннюю помощь в подготовке диссертации, д.г.-м.н., профессору В.Б. Писецкому, к.г.-м.н. И.Г. Петровой за поддержку и ценные замечания в процессе работы над темой. Автор искренне благодарен сотрудникам кафедр гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии и геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях УГТУ за постоянное внимание и советы.
Природные факторы
Геоэкологические свойства геологической среды (ГС) характеризуются вещественным составом горных пород, спецификой распространения геохимических, геодинамических и геофизических полей, а также наличием и характером связей между компонентами ГС. Поэтому проблема охраны и оптимизации состояния ГС имеет четко выраженный пространственный аспект. В этой связи оценка состояния ГС должна базироваться на основе выделения факторов, определяющих геоэкологическое состояние, и отражения их на картографических моделях с привлечением геоинформационных технологий.
Среди множества факторов, явно или косвенно определяющих геоэкологические условия, выделены следующие: климатические, геологические, ландшафтно-геоморфологические, геокриологические, гидрогеологические, а также развитие экзогенных геологических процессов.
Климат является важным фактором, определяющим условия развития экологической системы. Район расположен в своеобразной аэродинамической трубе, формируемой близостью Полярного Урала и дельтой р. Оби. Климат резко континентальный. Продолжительная зима с сильными морозами и ветрами. Лето короткое прохладное, с преобладанием пасмурной погоды и высокой влажностью воздуха.
Среднегодовая температура воздуха составляет -6,4С. Самый теплый месяц — июль, средняя температура которого 13,8С. Наиболее холодный — январь со средней температурой -23,6С.
Среднегодовое количество осадков составляет 418 мм. Максимум осадков наблюдается в августе месяце (59 мм), минимум в феврале (16 мм). Выпадающий зимой порошковый сухой снег, как правило, легко сдувается с открытых возвышенных форм рельефа и откладывается в понижениях рельефа. Наибольшей мощности снежный покров достигает в марте, составляя в среднем на открытых участках 0,4 м, а на защищенных от ветра от 0,6 до 0,85 м. Нарушение устойчивости снежного покрова обычно происходит во второй декаде мая, а сход снега в конце мая. Плотность снега в течение зимы увеличивается от 0,1-0,18 г/м в октябре до 0,3-0,33 г/м в апреле — мае [19, 23].
В годовом цикле господствующими являются северо-восточные ветры. В холодный период года с сентября по март преобладают юго-западные и юго-восточные ветры.
Таким образом, суровые климатические условия, низкие среднегодовые температуры, отрицательный радиационный тепловой баланс, сильные ветра предопределили современное существование многолетнемерзлых пород, влагообеспечиваемость территории и особенность развития почвенного и растительного покровов.
Растительный покров. Характер распространения почв и растительности во многом определяет специфику геоэкологической обстановки территории, в том числе и характер аэрогенной трансформации загрязняющих компонентов.
Согласно ботанико-географическому районированию Западной Сибири, территория Северного Приобья приурочена к переходной зоне тундр и лесотундры. Для изучаемой территории характерно сочетание лесных и тундровых растительных группировок: участки елово-лиственничных редин и редколесий чередуются с островами мохово-лишайниковой и кустарниковой тундры (рис. 2.1).
Ландшафтно-геоморфологические условия
Условия миграции загрязняющих веществ, их накопление во многом определяются принадлежностью исследуемой территории к определенным ландшафтным зонам.
Современный ландшафтный облик Северного Приобья формировался на протяжении геологического времени в ходе смены трансгрессивных и регрессивных обстановок и является в настоящее время продуктом последнего континентального этапа геологического развития.
Территория Северного Приобья по климатическим особенностям относится к бореально-субарктической ландшафтной зоне. Общей характеристикой которой является ее приуроченность к области распространения многолетнемерзлых пород, малая интенсивность геохимической миграции элементов, преимущественно кислотные условия среды и преобладание процессов выщелачивания [5]. Ведущие геохимические процессы в данной зоне протекают под влиянием интенсивно развивающихся десерпционных процессов и определяются широким распространением заболоченных территорий и наличием длительно замерзающих водоемов. Широкое развитие процессов криогенеза во всех его проявлениях определяет достаточно высокий потенциал самоочищения ландшафтов от минеральных веществ.
По условиям переноса или накопления химических веществ в пределах изучаемой территории [2] выделяются следующие элементарные ландшафты (рис. 2.2): 1. Элювиальные. Приурочены к приподнятым водоразделам — плакорам, характеризуются равнинным рельефом и сдренированными условиями. Пути поступления веществ — аэрогенные, характеризующиеся переносом твердых (пыль) и жидких (атмосферные осадки) компонентов. Расход осуществляется путем стока и выноса вглубь веществ нисходящими токами влаги, перемещение веществ, поступающих от источников техногенной нагрузки, происходит таким же образом.
2. Трансэлювиальные. Приурочены к крутым (не менее 2-3) склонам террасового комплекса. Питание осуществляется за счёт атмосферных осадков, интенсивного плоскостного стока.
3. Супераквалъиые (надводные). Развиты в пределах береговых валов высокой поймы рек. Характеризуются близостью грунтовых вод доступных растениям, притоком натечных вод (проточным увлажнением), поступающим за счет стока с вышележащих элювиальных и трансэлювиальных ландшафтов.
4. Субаквалъные (подводные). Характерны для низкой поймы крупных водотоков. Отличаются регулярным и обычно проточным затоплением во время половодья или паводков, а, следовательно, переменным водным режимом, характеризуются исключительной динамичностью и большим разнообразием фаций в зависимости от микрорельефа и продолжительности периода затопления.
5. Суперсубаквальные. Приурочены к слабосточным понижениям с близким уровнем грунтовых вод, обусловливающим заболачивание территорий. Отличаются специфическими условиями накопления и минерализации органических остатков, с преобладанием процессов торфообразования.
6. Аквалъные. Приурочены к руслам крупных проточных водотоков, характеризуются промывными условиями. Накопления химических соединений практически не происходит. В бессточных озерах условия геохимической миграции близки к субаквальным, характеризующимся накоплением донного ила, где концентрируются наиболее подвижные элементы (Fe, А1). Дифференциация территории, выполненная на основе анализа преобладающих типов растительности, позволяет выделить в пределах изучаемой территории различные типы природных и техногенных ландшафтов. Природные ландшафты представлены: лесными, тундровыми с кустарником, пойменными с луговой растительностью, пойменными с ивняковой растительностью, болотными и пойменными, лишенными растительности. В пределах техногенно освоенных территорий выделяются: селитебный ландшафт, ландшафты территорий промышленно-эксплуатационного назначения, ландшафты сельскохозяйственного использования, а также коридоры коммуникаций и территории, трансформированные хозяйственной деятельностью человека.
Широко распространенные лесные ландшафты, занимающие расчлененные и нерасчлененные дренированные междуречные равнины и склоны террас, на разнозернистых песках с прослоями и линзами супесей и суглинков представлены: елово-березово-лиственничными среднесомкнутыми кустарничково-лишайниковыми лесами; елово-березовыми кустарничково-мохово-лишайниковыми редко-стойными лесами; березово-лиственничными кустарничково-мохово-лишайниковыми редкостойными лесами; березово-лиственничными редколесьями в комплексе с участками кустарничково-мохово-лишайниковых тундр.
Структура информационной системы для комплексных исследований...
Информационная система (ИС) — это автоматизированная информационная система (АИС), предназначенная для сбора, анализа и картографического представления разнородной информации геоэкологического состояния геологической среды.
Созданная информационная система для решения геоэкологических задач применительно к территории Северного Приобья представлена тремя блоками: база данных, аналитический блок и блок картографического моделирования (рис. 3.1).
Созданная структура информационной системы позволяет расширять свои функциональные возможности, так как в ее основе лежит модульный (блочный) принцип построения системы.
Разработанная информационная система является многоцелевой и позволяет решать следующие задачи: первичный ввод, пополнение информации о состоянии геологической среды, хранение, манипулирование и управление данными, корректировку данных для поддержания их актуальности, упорядочение (сортировку) данных по некоторым признакам, информационно-справочные, преобразование данных (конвертирование) из одного формата в другой и автоматизированного картографирования. То есть созданная информационная система может рассматриваться как информационная основа для изучения геоэкологического состояния ГС и как инструмент исследования динамики или прогноза явлений и процессов. Кроме этого ИС может использоваться как информационно-справочная система, по определенному запросу выполняющая поиск и выборку данных.
Для решения каждой из перечисленных задач и служат основные функциональные блоки нашей системы, поддерживающие работу пользователя и представляющие результаты в числовом математическом и традиционном картографическом виде.
Блок «База данных»
База данных (database) — "Совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, независимая от прикладных программ. Является информационной моделью предметной области [35-38, 57-58].
Базы данных — важнейшая составная часть информационных систем.
Основное назначение базы данных заключается в обслуживании информационных потребностей пользователя, а также поддержке системы моделей [47].
В базе данных хранятся не только архивная и фактическая информация на определенный момент времени, но также пространственная привязка объектов изучения и коэффициенты уравнений картографической модели. Для поиска и выборки данных используются различные команды запросов пользователя. Использование или комбинирование различных команд дает возможность представлять результаты запросов в различном виде: табличном, графическом и картографическом. В зависимости от запроса, фактическая информация может быть дополнена статистическими параметрами, например средним значением.
Блок «Статистика и анализ»
Аналитический блок оценки рассчитан на различные режимы работы ИС. Наиболее простой — это использование ИС как информационно-справочной системы и расчет среднестатистических показателей. Более сложный способ касается разработки автоматизированной методики обработки и анализа данных.
Аналитический блок созданной базы данных на территорию Северного Приобья позволяет получать оперативную информацию о состоянии и изменении геологической среды изучаемой территории.
Блок «Картографическое моделирование»
Блок картографического моделирования напрямую связан с базой данных координатно-пространственными отношениями. В основе картографической модели лежит цифровая топографическая основа изучаемой площади, представленная в векторном выражении геоинформационной системы.
Важнейшей особенностью геоинформационных систем (ГИС) является способность связывать картографические объекты (т.е. объекты, имеющие форму и местоположение) с описательной атрибутивной информацией, относящейся к этим объектам [34].
При использовании геоинформационных систем, для решения поставленных задач, мы получаем многослойные электронные карты, в которых опорный слой описывает географию изучаемой территории, а каждый из остальных — один из аспектов ее состояния, а также выявление взаимосвязей, прогнозирование, оценка объектов и явлений на основе различного сочетания и сопряженного анализа этих слоев [9, 34, 50, 52-56].
Оценка экологического состояния почв, грунтов и донных отложений
Тяжелые металлы, поступающие из антропогенных источников загрязнения, оказывают огромное влияние на экосистемы. Увеличение их содержания приводит к снижению продуктивности этих систем. Микроэлементы естественного и антропогенного происхождения определяются в почвах, грунтах, донных отложениях и растительности одновременно. В валовом содержании долю элементов антропогенного генезиса выделить трудно, но возможно с использованием приемов минералогического анализа или мониторинга микроэлементов в неизмененных и техногенно трансформированных территориях.
Опасность металлов усугубляется и тем, что находясь в окружающей среде, они не подвергаются химической биодеградации, как это свойственно органическим соединениям, а лишь перераспределяются между абиотическими и биотическими компонентами и взаимодействуют с ними. Природные источники поступления это продукты выветривания горных пород, крупные и локальные месторождения полезных ископаемых и др. Основными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются объекты промышленного, транспортного и энергетического комплексов.
Средние и расчетные фоновые значения концентраций элементов в почвах и грунтах изучаемой территории, полученные на основании собственных исследований, анализ региональных Кларков междуречья pp. Обь — Пур по литературным источникам [21], а также значения предельно-допустимых концентраций веществ в почвах приведены в таблице 4.1.
Однородность поверхностных почвообразующих отложений практически по всей территории определила относительную выдержанность геохимических ассоциаций и простоту геохимических полей. Аномальность значений по некоторым элементам определяется наличием источников их техногенного поступления и спецификой геохимической миграции и аккумуляции в аквальных ландшафтах р. Оби.
За фоновые значения концентраций химических веществ-загрязнителей в донных отложениях принимаются минимальные значения в точках опробования водотоков, расположенных вне зоны воздействия техногенных объектов.
Дифференциация ландшафтов позволила определить преобладающие ассоциации химических элементов для техногенных ландшафтов и установить характер изменения геохимических полей в пределах природных.
Распределение химических элементов в почвах и грунтах
Хром. Местный геохимический фон для данного элемента составляет Сф = 200 мг/кг. Выявлены три природных ареала с интенсивностью загрязнения грунтов от 2 до 5 Сф. Загрязнение связано с песками, суглинками второй надпойменной террасы, суглинками, алевролитами третьей надпойменной террасы и песками высокой поймы pp. Оби и Васьегана.
Сравнение среднего содержание хрома в техногенных и природно-техногенных ландшафтах свидетельствует о существенном превышении (в 2,5 раза) концентраций хрома за территорией г. Салехарда (рис. 4.1), что объясняется использованием для подсыпки дорог и площадок привозных грунтов (отсева ультраосновных пород).
Марганец формирует 9 локальных ареалов загрязнения грунтов интенсивностью (2-9) Сф. Наиболее контрастные ареалы с содержанием марганца 3000-5000 мг/кг (при Сф = 600 мг/кг) приурочены к отложениям второй, отчасти третьей террас и низкой поймы р. Оби (рис. 4.2).
Олово образует локальные ореолы загрязнения различной интенсивности. Наиболее контрастные ореолы с концентрацией олова (5-10) Сф приурочены к пескам, супесям и суглинкам первой, второй и третьей надпойменных террас и поймы pp. Оби и Полуя, между причалом и магистральным газопроводом, в районе рыбоконсервного завода, промплощадки Аэропорта, промзоны центральной части города, восточной и юго-восточной окраины Салехарда и старого кладбища (рис. 4.3).
Свинец и цинк в границах (1-2) Сф, охватывают практически всю территорию, за исключением аквальных ландшафтов. В то же время концентрации свинца и цинка в (3-4) Сф оконтуривают более локальные поля, а содержание выше (4-5) Сф и до (7-8) Сф по цинку и более (5-10) Сф по свинцу, фиксируют локальные источники в пределах города и техногенно преобразованных ландшафтов. Ареалы верховьев ур.Хасырей могут быть обусловлены влиянием нового полигона ТБ и ПО. Ареал верховья р. Полябта, вероятно, связан с заброшенным поселком времен «сталинской» 501 стройки (рис. 4.4, рис. 4.5).
Цирконий образует практически сплошной ареал загрязнения площади листа в концентрациях 250-2000 мг/кг и выше (1-8) и более Сф, локализуясь в песках, супесях и суглинках покровных отложений русловых, пойменных, террасовых фаций аллювия, осадков болот. Наиболее высокие содержания циркония свойственны природным ландшафтам, что свидетельствует о его связи с естественными источниками. Ими могут быть цирконий содержащие магматические и метаморфические горные породы восточного склона Урала (рис. 4.6).
Титан в пределах изучаемой территории содержится в русловых и террасовых фациях долинного комплекса р. Оби. Отложения представлены песками, супесями суглинками. Максимальное содержание элемента в пробах достигает 10000 мг/кг при Сф равном 6000 мг/кг. Выявленные высокие значения коэффициента корреляции между титаном и цирконием, и результаты минералогического исследования проб горных пород свидетельствует о природном происхождении выявленных аномалий в районе нижнего течения р. Васьеган, и меридионального участка р. Оби (рис. 4.7).
