Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие методы оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов 10
1.1 Анализ существующих методических подходов 10
1.2 Методические особенности изучения донных отложений Воронежского водохранилища 22
2 Методические особенности интегральной оценки эколого- геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов 40
2.1 Модель накопления тяжелых металлов в донных отложениях 40
2.2 Метод интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов 48
3 Принципы экологического менеджмента эколого- геохимического состояния искусственно созданных водных объектов 55
3.1 Идентификация экологических аспектов искусственно созданных водных объектов 56
3.2 Принципы экологического менеджмента для обеспечения эффективного функционирования искусственно созданных водных объектов 63
4 Интегральная эколого-геохимическая оценка донных отложений и экологический менеджмент воронежского водохранилища 70
4.1 Физико-географические условия района исследований 70
4.1.1 Климатические условия 70
4.1.2 Геологическое строение 72
4.1.3 Гидрогеологические условия 80
4.2 Зонирование акватории Воронежского водохранилища 87
4.3 Морфометрия дна и пространственная характеристика гранулометрического состава донных отложений 89
4.4 Анализ поэлементного загрязнения донных отложений 96
4.5 Интегральная эколого-геохимическая оценка донных отложений Воронежского водохранилища 104
4.6 Этапы реализации системы экологического менеджмента 111
4.7 Геоэкологический мониторинг акватории 129
Заключение 135
Список литературы 139
- Методические особенности изучения донных отложений Воронежского водохранилища
- Метод интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов
- Принципы экологического менеджмента для обеспечения эффективного функционирования искусственно созданных водных объектов
- Зонирование акватории Воронежского водохранилища
Методические особенности изучения донных отложений Воронежского водохранилища
Таким образом, кратность СХК характеризует подверженность данного района техногенному воздействию в определенный период времени. При СХК меньше 1, можно говорить об отсутствии свежего поступления загрязняющего вещества, если кратность СХК больше 1 – данный район подвержен техногенному воздействию в изучаемый период времени и необходимо его обнаружение, локализация с последующей ликвидацией источника загрязнения.
Другим наиболее часто используемым подходом является метод, основанный на градации кратности превышения содержания загрязняющих веществ относительно выбираемых показателей качества донных отложений. В основу этого подхода положен метод расчета коэффициентов концентраций (КК): где Ci и Cф – концентрации загрязняющего вещества соответственно на исследуемом и фоновом участках.
Для расчета коэффициентов концентраций используются в качестве фоновых значений следующие показатели: кларки горных пород [15], литосферы [6], земной коры [99], кларки осадочных пород [77], кларки почв [111, 112], геохимический фон [97], региональный фон почв, ПДК почв [111, 112], ориентировочно фоновые концентрации загрязняющих веществ в донных отложениях, отобранные выше по течению относительно района исследования [38]. Также используется фоновые концентрации в донных отложениях озер, расположенных на территории особо охраняемых природных территорий региона [16]. Отдельные исследователи Западной Сибири производят расчет коэффициентов концентраций тяжелых металлов в донных отложениях озер, расположенных в районах нефтедобычи, относительно их содержания в торфах [93]. Вопросы формирования эколого-геохимического фона подробно рассмотрены в работах [27, 108, 109]. Использование кларков горных пород, литосферы, земной коры, кларков почв, региональных кларков [16, 5, 46] является наиболее распространенным методом. Геологическое строение и наличие пород различного генезиса в районах исследований, присутствие специфических грунтов оказывают влияние на среднее содержание химических элементов, как в почвах, так и в земной коре. При этом возможны значительные отклонения от кларковых содержаний земной коры в целом. В результате такого сравнения возможно получение информации лишь об участках концентрирования или рассеивания элементов. Кларк как величина с высоким уровнем осреднения не позволяет дать объективную эколого геохимическую оценку. Превышение региональных концентраций над кларковыми концентрациями по всем исследуемым элементам не всегда отражает техногенное воздействие на изучаемую территорию. Использование кларков для оценки техногенного воздействия на донные отложения природных объектов возможно при определении кларковых содержаний микроэлементов в объектах фоновых территорий, сходных с исследуемым объектом по определенным критериям (ландшафтным, климатическим и т.д.). Другим часто используемым подходом является оценка качества донных отложений на основании методологических подходов, разработанных для почв.
Для почвенных отложений, в отличие от донных, разработаны нормативы ПДК и ОДК [23, 24] загрязняющих веществ. Кроме того, для почв, как правило, имеются данные о региональных фоновых концентрациях, полученных в антропогенно незатронутых районах, представляющих собой особо охраняемые природные территории. Для отдельных регионов даже существуют фоновые концентрации для городских территорий [92]. Оценка почв производится на основе методики, изложенной в СП «Инженерно-экологические изыскания для строительства» [105]. Содержание тяжелых металлов (ТМ) находится на уровне природного содержания, если их концентрации находятся в пределах 2 фоновых значений. Если содержание ТМ находится в пределах от 2 фоновых значений до ПДК (ОДК) этих веществ, то уровень загрязнения – средний, выше ПДК (ОДК) – высокий.
Таким образом, четкая градация и наличие исходных данных по почвенным отложениям приводят к широкому использованию почвенных методик для оценки загрязнения донных отложений. Однако использование методов оценки загрязнения почв для донных отложений является недостаточно корректным в связи с различием генезиса и путей преобразования указанных отложений.
Другим методологическим подходом является сравнительная оценка загрязнения донных отложений с помощью определения показателя накопления металлов [10, 69]:
Указанный показатель используется для сравнительной оценки загрязнения грунтов. Он характеризует превышение содержания рассматриваемого элемента в данной точке отбора относительно фоновых концентраций. Кроме того, показатель накопления может быть рассчитан относительно других створов при замене в расчётной формуле значения фоновой концентрации на концентрацию элемента в расчётном створе.
Однако просто расчёт коэффициентов концентраций, показателя накопления и других количественных параметров не позволяет дать эколого-геохимическую оценку водному объекту по содержанию тяжелых металлов в донных отложениях. Для этого необходимо использование критериев оценки и разработка четких уровней градаций уровней загрязнения. В этом направлении разработано также ряд методик.
Одним из наиболее известных критериев оценки техногенного воздействия на донные отложения является суммарный показатель загрязнения (Zc). Его расчет производится для точки отбора проб или створа наблюдений по всем анализируемым тяжелым металлам: где Кк – коэффициент концентрации;n – число учитываемых элементов. Частота используемости данной методики связана с тем, что в качестве коэффициентов концентрации здесь могут быть использованы расчеты относительно всех параметров, о которых говорилось выше. Использование суммарного показателя используется в ряде работ, в том числе [27, 108].
Так, например, в работах Д.П. Фокина, Г.Т. Фрумина показана зависимость содержания тяжелых металлов от кларков почвенных отложений [111, 112]. Согласно их исследованиям, содержание тяжелых металлов соответствует правилу Оддо-Гаркинса: среднегалактическая распространенность химических элементов с четными порядковыми номерами всегда более высокая, чем распространенность соседних химических элементов с нечетными порядковыми номерами. Для дальнейшей оценки уровня загрязнения донных отложений они используют суммарный показатель загрязнения Zc, основанный на сравнении с ПДК/ОДК загрязняющих веществ в почвах:
Метод интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов
Экологический менеджмент эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов представляет собой комплекс последовательных действий, направленных на реабилитацию искусственно созданного водоема. За счет постоянного осложнения действия системы и контроля над ее работой изменится экологическое состояние искусственно созданного водного объекта, что позволит решить отдельные экологические проблемы региона и улучшить качество экологической среды.
В целом система экологического менеджмента (СЭМ) базируется на модели Деминга, представляющей собой петлю качества. В общем виде она включает ряд стадий, повторяющихся циклично: планирование, организация, контроль и корректирующие действия (рисунок 3.1).
Схема пространственно-временного среза системы экологического менеджмента искусственно созданных водных объектов Планирование является базовой ступенью системы экологического менеджмента. В его основе лежит экологическая политика, ее цели и последовательность выполнения.
Стадия организации предполагает внедрение в жизненный цикл продукционной системы элементов экологической политики. Она предполагает предложение мероприятий и методик для осуществления экологической политики.
Стадия контроля базируется на геоэкологическом мониторинге, который представляет собой систему наблюдений за состоянием системы, а также прогноза ее развития.
Стадия корректировки в свою очередь базируется на результатах геоэкологического мониторинга и экологического аудита. Она определяет основные направления природоохранной деятельности и вносит практические коррективы в экологическую политику. Именно здесь закладываются мероприятия, которые в дальнейшем идут по циклу в стадию планирования, и таким образом осуществляется цикличность в системе экологического менеджмента.
Эффективность реализации СЭМ зависит от понимания особенностей взаимодействия искусственно созданного водного объекта с компонентами окружающей природной среды. ИСВО является искусственно созданным, то есть для его гармоничного включения в природную систему необходимо выделение элементов взаимного природного и техногенного воздействия самого объекта и компонентов природной среды. Данные элементы воздействия представляют собой группу экологических аспектов, определяющих возможности формирования и внедрения системы экологического менеджмента.
Идентификация значимых экологических аспектов, определяющих экологические воздействия искусственно созданных водных объектов в условиях влияния природных и техногенных факторов на компоненты природной среды, необходима для определения перечня контролируемых объектов и установления этапности реализации природоохранных мероприятий.
Водохранилища представляют собой сложные природно-технические комплексы в виде искусственных водоёмов, образованных с целью регулирования поверхностного стока, хранения воды для обеспечения нужд крупных городских агломераций и др. посредством строительства специальных водонапорных сооружений. В настоящее время число водохранилищ ежегодно растет, превышая 30 тыс., объем вод искусственных водоемов превышает 6000 км3. Каждое водохранилище уникально, ему присущи своеобразные гидробиологические, гидрологические, гидрохимические процессы, режимные характеристики и др.
Крупнейшее Более 5000 Более 50 0,1 Частично водообмену в искусственно созданных водных объектах способствуют ветровые течения, особенно усиливающиеся в начале и конце волнового периода. Основной водообмен обеспечивается вдоль русла бывшей реки, значительно сокращаясь по мере удаления от него и достигая практически застойного режима в заливах и бухтах.
В настоящее время не существует единого подхода к идентификации экологических аспектов, а также связанных с ними воздействий на окружающую природную среду. Нами предлагается анализ значимых экологических аспектов, определяющих специфику формирования эколого-геохимической ситуации водохранилищ, как наиболее ярких представителей искусственно созданных водных объектов:
Первый экологический аспект. Влияние водохранилищ на русловой режим водотока за счет перераспределения во времени стока воды и задержки твердого стока. В естественных условиях преобладают обратимые деформации русла, которые обусловлены транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора. В результате строительства гидроузла эти процессы сменяются необратимыми деформациями: большая часть наносов осаждается в водохранилище, в низовье вода приходит осветленной. Таким образом, происходит постепенное заполнение чаши водохранилища донными наносами и заиление взвешенными частицами [14]. Трансформация русла влечет за собой изменение связей расходов и уровней воды, характеризовавших отдельные сечения водотока.
Принципы экологического менеджмента для обеспечения эффективного функционирования искусственно созданных водных объектов
Использование разработанной методики показало, что применение двух ориентировочно фоновых проб позволяет объективно оценить нижнюю часть Воронежского водохранилища. Здесь в глубоководной и проточной части водоема уточненный суммарный показатель концентрации находится на уровне слабого загрязнения, однако в застойных зонах, подверженных значительному техногенному прессингу, являющихся приемником сточных вод от Масловской промышленной зоны и неканализованного п. Таврово уровень загрязнения доходит до сильного и очень сильного.
Полученные результаты позволяют использовать интегральную эколого-геохимическую оценку донных отложений для разработки единых мероприятий при проведении дноуглубительных работ и работ по расчистке русла с последующим намывом территорий для застройки акватории водоема.
Так, около 30 % акватории Воронежского водохранилища находится в зоне слабого загрязнения донных отложений, около 30 % – в зоне сильно и опасно загрязненных донных отложений. При этом опасно загрязнённые донные отложения расположены в нижней части водоема. Указанная зона является наиболее техногенно нагруженной. Работы по выемке грунта могут привести к аварийным ситуациям и массовой гибели бентоса и замору рыб.
При проведении работ, направленных на реабилитацию Воронежского водохранилища посредством выемки загрязненных донных отложений, необходимо учитывать степень риска вторичного загрязнения поверхностных вод водоема. Дальнейшее использование данной зоны в качестве приемника сточных вод от промышленной зоны п. Масловка и стоков от ООО «ЛОС» приведет к повторному накоплению загрязненной толщи донных отложений. Необходима разработка комплекса мероприятий, направленных на ликвидацию источников загрязнения, либо локализации зоны их влияния.
Проведение работ по намыву искусственных территорий в центральной части акватории Воронежского водохранилища должны учитывать степень загрязнения донных отложений. При выемке грунта в местах мелководий выше по течению от Чернавского моста донные отложения могут использоваться только для намыва территорий под строительство промышленно-коммунальных зон. Указанные отложения в особенной степени подвержены загрязнению поверхностным стоком с центральной части города.
Таким образом, разработанная методика интегральной эколого геохимической оценки донных отложений в зависимости от их гранулометрического состава с учетом ориентировочно фоновых концентраций тяжелых металлов в донных отложениях Воронежского водохранилища позволяет объективно с учетом возможных техногенных воздействий оценить состояние ДО. Разработанные уровни загрязнения позволяют сделать выводы о целесообразности проведения дноуглубительных работ и возможности вторичного использования донных отложений для отсыпки искусственных территорий на акватории водоема. В нижней части Воронежского водохранилища в местах выявленных сильно и опасно загрязненных донных отложений, необходима разработка мероприятий, направленных на ликвидацию последствий накопления тяжелых металлов в донных отложениях.
Экологический менеджмент искусственно созданных водных объектов целесообразно реализовывать дифференцировано, что обусловлено отличиями общей экологической и техногенной ситуаций для отдельных участков водоема.
Экологический менеджмент эколого-геохимического состояния
Воронежского водохранилища представляет собой комплекс реабилитационных мероприятий, направленных на постоянное улучшение экологической ситуации в акватории искусственно созданного водоема. Основным принципом его построения является принцип экологической значимости, который позволяет выстроить иерархию отдельных комплексов природоохранных мероприятий в зависимости от уровня их приоритетности.
Одной из попыток создания подобной схемы экологического менеджмента послужила стратегия преобразования Воронежского водохранилища в Экопарк «Воронеж», выполненная по заказу Департамента экологии и природных ресурсов по Воронежской области (рисунок 4.20). Одним из основных направлений реабилитации Воронежского водохранилища согласно указанной стратегии является отсыпка обширных по площади мелководий в районе дамбы Чернавского моста и ниже Вогрессовского моста с последующим созданием парковых зон и зон деловой застройки, а также отсыпка иных, меньших по площади мелководий. Однако проведенные исследования показали, что выведение предложенных мероприятий на уровень первых приоритетов не только не решит проблем реновации водоема, но может значительно усугубить общую негативную ситуацию.
Собственно засыпка всех мелководных территорий в акватории Воронежского водохранилища не позволит решить геоэкологические проблемы водоема. Это обусловлено следующими обстоятельствами:
1. Создание любого намыва приводит к изменению гидродинамики водоема и увеличению накопления насосов на участках ИСВО, расположенных выше по течению, что в свою очередь может привести к образованию новых мелководных зон.
2. Для поддержания равновесного состояния акватории при наличии намывных зон необходимо постоянно действующее проведение дноуглубительных работ. При этом образуется необходимость утилизировать вынимаемый грунт. Его использование должно производиться только после детальной интегральной оценки его эколого-геохимического состояния.
3. Отсыпка мелководий, образованных за счет техногенного поступления наносов, также должна проводиться после детального изучения эколого-геохимической ситуации и после полной ликвидации сбросов загрязненных стоков.
Нами предлагаются иные подходы при построении системы экологического менеджмента Воронежского водохранилища. В основу положена карта-схема загрязнения донных отложений, учитывающая их гранулометрический состав и наличие водовыпусков в водоем.
Зонирование акватории Воронежского водохранилища
Две других точки расположены в районах действующих ВПС-4 и ВПС-8, где важным является контроль качества поверхностной и подземной гидросферы. Еще одна точка располагается в зоне консервации загрязненных донных отложений. Анализ содержания тяжелых металлов в данной точке наблюдений позволит сделать выводы о возможной миграции загрязняющих веществ из донных отложений вниз по течению, либо в поверхностные воды. В случае выявления дальнейшего накопления тяжелых металлов необходимо производить поиск источников загрязнения. При выявлении миграции загрязняющих веществ своевременно проводить природоохранные мероприятия и закладывать их в новый этап системы экологического менеджмента.
В центральной зоне Воронежского водохранилища системой экологического менеджмента также предусматривается организация шести точек мониторинга: первая расположена выше Чернавского моста, где акватория подвержена сбросу сточных вод ливневого коллектора. При выявлении накопления тяжелых металлов в донных отложениях необходимо внедрение мероприятий, направленных на локализацию воздействия данного источника, на улучшение качества сбрасываемых сточных вод.
Вторая точка наблюдения расположена в районе дамбы Чернавского моста. Организация мониторинга после образования городской природной рекреационной зоны здесь является пероочередной задачей. При выявлении несоответствия качества поверхностных вод санитарным требованиям, необходимо введение запрета на купание, проведение мероприятий, направленных на увеличение гидродинамики данного участка. Третья точка мониторинга расположена ниже Чернавского моста, что позволяет контролировать влияние автомобильного транспорта на акваторию. При увеличении антропогенной нагрузки предусмотреть установку противошумовых экранов, которые являются искусственным препятствием для миграции загрязняющих веществ. Параллельно контролировать очистку поверхностного стока с проезжей части мостовых переходов. Четвертая точка мониторинга расположена в районе Адмиралтейской набережной. Данная территория обладает активным гидродинамическим режимом и глубоководными ямами, в значительной мере подвержена воздействию техногенных источников, в том числе сбросов сточных вод. В связи с действием последних в результате многолетних наблюдений установлено постепенное образование эколого-геохимической аномалии. Помимо работы с качеством сбросов, при ухудшении эколого-геохимической обстановки предусмотреть ряд природоохранных мероприятий, в том числе установку локальных нефтеловушек на следующем этапе системы экологического менеджмента. Шестая точка мониторинга расположена выше Вогрессовского моста. В настоящее время это активная гидродинамическая зона вымывания загрязняющих веществ из донных отложений. Накопление соединений тяжелых металлов в донных отложениях здесь будет свидетельствовать об ухудшении общего гидродинамического режима всей центральной зоны, являться сигналом о необходимости проведения дноуглубительных работ и работ, направленных на усиление живого тока водохранилища, которые должны будут реализоваться на втором витке СЭМ.
В южной зоне Воронежского водохранилища также следует организовать шесть точек мониторинга. Первая из них расположена в районе проведения дноуглубительных работ ниже Вогрессовского моста. Указанная точка позволит контролировать гидродинамику потока и при увеличении концентраций загрязняющих веществ в донных отложениях разрабатывать мероприятия по усилению живого тока воды. Вторая точка мониторинга расположена ниже сброса сточных вод ТЭЦ-1. Данная часть акватории в значительной мере подвержена влиянию сточных вод. При накоплении загрязняющих веществ в донных отложениях необходима работа с предприятиями-водопользователями. Следует проводить проверки, поиск утечек сточных вод, наличия несанкционированных сбросов и запрещенных Водным кодексом объектов в водоохранной зоне. Третья точка мониторинга расположена ниже впадения реки Песчанка. Ранее указывалось ее токсическое воздействие на водоем. При очистке водоохраной зоны реки и ликвидации объектов в ее пределах, ведущих к загрязнению, предполагается нормализация эколого-геохимической ситуации. При неэффективности предлагаемых методов необходима разработка новых природоохранных мероприятий в рамках СЭМ. Четвертая точка наблюдения расположена в зоне консервации загрязненных донных отложений в районе сброса сточных вод ООО «ЛОС». Здесь необходим особый контроль миграции загрязняющих веществ вниз по течению. Пятая точка мониторинга также расположена в зоне консервации донных отложений. Шестая точка наблюдения расположена в районе плотины гидроузла. В настоящее время это зона вымывания загрязняющих веществ. Накопление в данном районе тяжелых металлов может говорить об изменении гидродинамики, необходимо учитывать режим попуска воды на водохранилище. Также увеличение концентраций в донных отложениях может происходить за счет миграции загрязняющих веществ, накопленных в зонах, расположенных выше по течению.
Постоянный мониторинг позволит получать информацию, которую впоследствии можно непрерывно закладывать в стадию планирования СЭМ. Именно таким образом будет обеспечиваться постоянное улучшение эколого-геохимического состояния Воронежского водохранилища.