Содержание к диссертации
Введение
1. Методология, терминология и методика исследования... 9
1.1. Типология устьев 9
1.2. Концепция геоэкологического риска 14
1.3. Источники и факторы геоэкологического риска наводнений и их классификация 18
1.4. Теоретико-методологические подходы к оценке геоэкологического риска штормовых наводнений 25
1.5. Обзор методики исследования 46
2. Формирование и современное состояние геосистемы рекипреголи 50
2.1. Природные условия 50
2.2. Антропогенные и техногенные факторы воздействия на устьевую область геосистемы 70
2.3. Из истории чрезвычайных геоситуаций 75
2.4. Механизм возникновения штормовых наводнений 78
3. Оценка геоэкологического риска штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи 87
3.1. Анализ межгодовой повторяемости штормовых наводнений 87
3.2. Цифровое моделирование полей затопления 89
3.3. Статистические оценки повышения уровня Балтийского моря и прогнозирование штормовых наводнений 98
3.4. Геоэкологические и социально-экономические последствия 106
4. Пути снижения риска штормовых наводнений 116
4.1. Традиционные способы защиты от наводнений 116
4.2. Зонирование устьевой области реки 122
4.3. Система мер защиты от наводнений 129
Заключение 134
Литература 139
Приложения 161
- Источники и факторы геоэкологического риска наводнений и их классификация
- Антропогенные и техногенные факторы воздействия на устьевую область геосистемы
- Цифровое моделирование полей затопления
- Зонирование устьевой области реки
Введение к работе
Актуальность исследования. Катастрофические штормовые наводнения в устьевых областях рек во многих странах почти ежегодно наносят колоссальный ущерб природным ландшафтам, портово-промышленным объектам и населению. Повсеместное увеличение количества, повторяемости и разрушительной силы наводнений в XXI в. – все это происходит на фоне длительного повышения уровня Мирового океана, ускорения глобальных и региональных изменений климата, активизации сейсмичности и тектонических движений земной коры. Для минимизации негативных экологических, социальных и экономических последствий наводнений необходим более высокий уровень междисциплинарных геоэкологических исследований, опирающихся на геоинформационные технологии, картографическое моделирование и прогнозирование, совершенствование методологии и методов оценки риска. В Балтийском регионе рискологические подходы особенно важны в исследованиях техногенно трансформированных устьев рек (Нева, Висла, Рейн, Неман, Преголя и др.), для которых в соответствии с Водной стратегией РФ должны быть предусмотрены не только оперативные меры защиты, но и превентивные (опережающие) научно-практические разработки.
Степень разработанности проблемы. Гидрологическим аспектам штормовых наводнений Балтийского региона посвящено множество публикаций. Риск негативных геоэкологических последствий оценен лишь в отношении отдельных аспектов (Мягков, 1995; Никонорова, 1999; Мазур, Иванов, 2004; Башкин, 2005; Музалевский, Карлин, 2011). В работе использован геосистемно-ситуационный подход, который базируется на фундаментальных разработках А.Г. Емельянова (1998), А.М.Трофимова и В.А. Рубцова (2010), теоретико-методологических принципах и методических рекомендациях Б.И. Кочурова (1997) и Н.И. Коронкевича (2011), исследованиях по антропогенной и техногенной трансформации речных геосистем в условиях внезапного и зачительного изменения геоситуаций в приустьевых районах (Самойлов, 1952; Зорина, 1970; Беркович, Зорина и др., 1993; Михайлов, 1997; Авакян, 2000; Полонский, 2000; Алексеевский, Жук и др., 2000; Сергеева, 1991; 2003; 2005; Козлович, Баринова, 2002; Навроцкая, Чубаренко, 2011; Стонт, Чубаренко, Гущин, 2010; Исупова, 2011; Savenije, 1986; Savenije, 1988; Shijf, Shonfeld, 1953; Thatcher, Harleman, 1972; Vasiliev, Dumnov, 1983 и др.).
Объект исследования – устьевая область р. Преголи (природно-техногенная геосистема).
Предмет – выявление пространственно-временных закономерностей развития особо опасных штормовых наводнений, совершенствование методов оценки риска затопления и ущерба портово-промышленным объектам (техногеосистемам), разработка системы мер по снижению негативных последствий, вызванных наводнениями.
Цель работы. Многовариантная оценка риска неблагоприятных геоэкологических последствий штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи, обоснование путей их минимизации.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-
Уточнение теоретико-методологические оснований, понятийно-терминологического аппарата, подходов и методов оценок риска негативных последствий штормовых наводнений в устьевых областях речных геосистем.
-
Разработка классификации наиболее значимых природных, антропогенных и техногенных источников и факторов риска штормовых наводнений.
-
Выявление полей и зон возможного затопления устьевой области р. Преголи при различных уровнях подъема воды в периоды наводнений.
-
Оценка опасности повторения катастрофических штормовых наводнений в устье р. Преголи по ретроспективным наблюденным данным.
-
Обоснование приоритетных мер по превентивной защите устьевых областей рек от штормовых наводнений.
Материалы, методология и методы. Исследование базируется на геоэкологических принципах взаимообусловленности и взаимодействия природных, антропогенных и техногенных факторов. Картографические модели критических, кризисных и катастрофических геоситуаций с учетом степени риска затопления городских территорий и ущерба промышленным предприятиям разрабатывались с применением программных комплексов Digitals и Micro Station (модуль Geoterrain) совместно с А.В. Ясевичем на основе анализа цифровых карт рельефа. В основу эмпирико-статистической обработки исходных данных были положены представления о нестационарности и неоднородности процессов штормовых наводнений, исследованных по динамике многолетних рядов наблюденных максимальных уровней речных вод. Межгодовая динамика максимальных превышений уровня в устьевой области р. Преголи изучалась как вероятностно-детерминированный процесс, включающий трендовую (основная тенденция), циклическую и остаточную (случайные колебания) составляющие.
Автором были систематизированы и обобщены опубликованные и фондовые материалы лаборатории гидрофизических исследований Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Государственного океанографического института, ВНИИ гидрометеорологической информации – Мирового центра данных (г. Обнинск) о максимальных годовых уровнях подъема воды в устье р. Преголи за 60 лет (1950-2009); историко-географические сведения о штормовых наводнениях в Кенигсберге-Калининграде за ХVI-XX вв.; показателях загрязнения речной воды и донных илов за 1997-2010 гг. по данным региональных управлений Росприроднадзора и Роспотребнадзора и др.; данные о суммарном экономическом ущербе за 1995-2007 гг. Главного управления МЧС России по Калининградской области и территориального Центра мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; инженерно-геологические сведения о районе исследования института «Запводпроект»; авторские материалы маршрутного обследования и геоморфологического профилирования, экспертные оценки риска возможного затопления устьевой области р. Преголи.
Научная новизна и теоретическая значимость.
1. Разработана матричная классификация источников и факторов риска штормовых наводнений с учетом их происхождения, масштаба, продолжительности воздействия, возможных негативных последствий. Уточнен ряд неоднозначно определяемых понятий «устьевая область реки», «природно-техногенная геосистема», «штормовое наводнение», «приемлемый риск» и др.
2. Впервые предложен и реализован сопряженный метод оценки риска критических, кризисных и катастрофических по превышениям максимального уровня штормовых наводнений в устьевой области р. Преголи с применением картографического и эмпирико-статистического моделирования. За 60-летний период (с 1950 по 2009 гг.) выявлена тенденция приращения уровня в устьевой области на 40 см. Визуально и графически прослежена цикличность межгодовой динамики наводнений, наиболее отчетливы вековые, 35-летние и 16-18-летние циклы. На период с 2016 по 2018 гг. дан прогноз возможных штормовых наводнений с повышением уровня до 180 см БС и выше.
3. Межгодовая динамика максимальных превышений штормовых уровней и степень их геоэкологической опасности для г. Калининграда отображена цифровыми картографическими моделями. С учетом возможных негативных последствий выделены зоны: морского канала, портово-промышленных объектов и городской застройки. С использованием метода экспертных оценок очень высокая степень риска затопления и связанного с этим ущерба (более 90%) выявлена для перерабатывающей и транспортной техногеосистем, высокая (60-90%) – для целлюлозно-бумажной. Для портовой и судоремонтной техногеосистем риск затопления значительный и умеренный соответственно (30-60% и менее).
Основные защищаемые положения.
Геосистемно-ситуационный подход к оценке риска негативных последствий штормовых наводнений.
Многофакторная (матричная) классификация источников и факторов риска штормовых наводнений в устьевой области речной геосистемы.
Сопряженный метод картографических, эмпирико-статистических и экспертных оценок риска затопления приустьевых территорий и социально-экономического ущерба от штормовых наводнений.
Практическое значение. Результаты исследования внедрены в Главном управлении МЧС России по Калининградской области для разработки мониторинговой системы наблюдений, оценок и прогноза кризисных ситуаций; обоснования управленческих решений по предотвращению опасных последствий наводнений и минимизации ущерба промышленным объектам, здоровью и жизни населения. Ряд положений использован автором при чтении курсов «География природного риска» в РГУ им. И. Канта (2002-2007) и «Экология» в Калининградском техническом колледже (2010-2011). Они могут также найти применение при разработке и реализации более надежной системы защиты устьевых областей рек Балтийского региона.
Достоверность и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечена использованием современных междисциплинарных подходов и методик, согласованностью результатов эмпирико-статистической обработки 60-летнего ряда данных с историко-географическими сведениями о штормовых наводнениях с XVI по ХХ вв., сопоставлением цифровых моделей с результатами геоморфологического профилирования зон затопления в речной долине и экспертных оценок.
Основные результаты были представлены в Институте географии РАН, на международных и общероссийских научных конференциях «Региональные аспекты устойчивости и роль университетов» (Калининград, 2000); «География, общество, окружающая среда: развитие географии в странах Центральной и Восточной Европы» (Калининград, 2001); «Экологическая политика и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2002); «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002); на ХII Съезде Русского географического общества (Санкт-Петербург, 2005); «Проблемы управления социально-экономическими процессами региона» (Калининград, 2005; 2006; 2010); «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования» (Калининград, 2011) и др. С участием автора в 2000-2002 гг. был реализован проект «Картографическое моделирование и оценка риска возникновения чрезвычайных экологических ситуаций (ЧЭС) в условиях приморского региона», поддержанный грантом РФФИ (№ 00-05-65500-а).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей, из них две статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы (260 наименований, в том числе 45 – на иностранных языках) и трех приложений. Текст изложен на 166 страницах, содержит 22 таблицы, 26 рисунков.
Личный вклад. Автором обобщены и систематизированы основные опубликованные и фондовые источники информации о штормовых наводнениях в исследуемой устьевой области. Уточнен ряд базовых понятий, характеризующих штормовые наводнения и связанные с ними негативные геоэкологические и социально-экономические последствия. Разработана матричная классификация, учитывающая совокупность природных, антропогенных и техногенных источников и факторов риска штормовых наводнений. Впервые риск штормовых наводнений оценен с применением картографического, эмпирико-статистического и экспертного методов. Динамика повторяемости наводнений и геокологический риск определялись с помощью цифровых моделей. Составлены карты полей возможного затопления, схема зонирования устьевой области р. Преголи с учетом экономического ущерба и других негативных последствий для природных и техногенных комплексов (техногеосистем). Предложена система приоритетных мер по их защите от наводнений (экомониторинг, экоаудит и др.), включая последовательность опережающих (превентивных) действий по оценке риска.
За формирование научных взглядов и многолетнее сотрудничество автор благодарен дг-мн, проф. Е.В. Краснову и кф-мн С.Н. Иванову; за консультации и полезные советы – кф-мн Б.В. Чубаренко, кгн В.Ф. Москальцу, дтн М.В. Болгову (г. Москва), В.Ф. Комчатову (г. Москва), Н.Н. Михайлову (г. Обнинск), И.В. Елисееву, Ю.В. Бабушкину. Особая признательность сотрудникам кафедры геоэкологии БФУ им. И. Канта за неизменную поддержку в годы подготовки диссертации и ее представления к защите.
Источники и факторы геоэкологического риска наводнений и их классификация
Представления о геоэкологическом риске с середины 80-х гг. XX в. активно внедряется в природоохранную практику ряда стран Западной Европы и США. Согласно этому пониманию всегда существует та или иная степень риска природным, техногенным объектам и населению в условиях ЧЭС. Поэтому любое защитное мероприятие способно лишь уменьшить отрицательное природное либо антропогенное воздействие на геосистемы. Все предупредительные меры могут оказаться безрезультатными при сохранении даже очень малой вероятности неблагоприятных событий, о чем свидетельствуют, к примеру, новейшие катастрофические наводнения 2010 г. в Пакистане и Польше, периодически повторяющиеся штормовые наводнения в устьях Балтийских рек и др.
В результате научно-технического прогресса все чаще возникает высокая степень плохо контролируемого геоэкологического риска (Beck, 1992; Субботин, 2000). Будущее человечества даже на основе концепции устойчивого развития сопряжено с увеличением риска геосистемам не только на локальном и региональном (деградация лесов, эрозия почв, обезвоживание, опустынивание территорий и т.д.), но и глобальном уровнях (истощение озонового слоя, океанизация, изменение климата и ДР-) Комплексные исследования привели к становлению концепции геоэкологического риска (Заиканов, Минакова, 2005; Осипов, Заиканов, Минакова и др., 2004). Другой аргумент, ставший основанием для разработки этой концепции, -вероятностный характер опасностей, их воздействия на наиболее уязвимые природные и социальные структуры (группы риска).
Главные составляющие концепции - оценка и управление геоэкологическим риском (Гаврилов, Романовский, Сергеев и др., 1994; Селиверстов, 1994; Кочуров, Миронюк, 1993; Порфирьев, 1988; Хоружая, 1998; Любимова, 2006; Krasnov, Mitjuk, 2001). Оценка риска включает выявление его источников, факторов и степени опасности в конкретной ситуации. Оценочные критерии необходимы для определения приоритетов защитных мер от множества негативных воздействий на окружающую среду и население. Они создают основу для управления риском, который включает анализ самой рисковой ситуации и принятие мер по снижению риска в условиях ограниченности материальных ресурсов и времени. К общим методам управления риском относят технологии охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов (Порфирьев, 1991; Бурдаков, Кульба, Назаретов, 1992; Черкашин, 2001; Тихомиров, 2003; Пикфорд, 2004; Covello, Mumpower, 1985; Kolluru, Brooks, 1995). Все они направлены на обеспечение безопасности населения и природной среды. Но никакие практические действия не могут быть оправданы, если выгода от них не превышает возможного ущерба. Управление риском будет эффективным и последовательным только в случае учета всего комплекса существующих природных, антропогенных и техногенных опасностей, изучения условий и факторов, влияющих на их развитие, а также превентивного информирования населения о приближающихся чрезвычайных геоситуациях.
Объектами управления геоэкологическим риском выступают эколого-экономические системы природопользования (Михайлов, 1975; Ишмуратов, 1983). Использование карт геоэкологического риска и данных систематического мониторинга геоситуаций позволяет научно обосновывать пути ослабления опасных природных явлений.
Управление геоэкологическим риском должно начинаться с разработки законодательных актов и нормативов, направленных на охрану здоровья, улучшение условий труда, снижение уровней загрязнения окружающей среды, обеспечение безопасности промышленных и иных объектов. Принятый в 1997 г. Закон РФ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» предусматривает обязанность предприятия, являющегося источником повышенной опасности, обеспечить меры по защите населения и природной среды от негативных воздействий.
Необходимо также лицензирование опасных производств и отзыв или приостановление лицензий в случае невыполнения требований промышленной безопасности. Впервые в России законодательно введено обязательное страхование ответственности за причинение вреда, например, аварийного загрязнения окружающей среды при эксплуатации опасного производственного объекта. Минимальный объем страховой ответственности предприятий определяется в зависимости от степени опасности производства.
Основные причины возрастания геоэкологического риска, проявляющегося в самых различных формах и направлениях, сводятся к нескольким группам (Кочуров, Миронюк, 1993): увеличение вероятности аварий на производстве вследствие природных катастроф, недостаточного контроля за техническими средствами, а также пространственной концентрации промышленных и энергетических объектов; усиление антропогенной нагрузки на окружающую среду, нарушающей структуру и функционирование природно-территориальных комплексов; рост количества и повторяемости природных и техноприродных опасностей; накапливающиеся негативные изменения в природе, способствующие развитию труднообратимых и необратимых процессов в ландшафтах; высокая степень предрасположенности их некоторых видов к риску; трансграничный перенос загрязнений.
Паводковые, штормовые, цунамигенные наводнения занимают первое место в мире по количеству связанных с ними природных и природно-техногенных катастроф (около 40%). В конце XX в. в связи с ростом народонаселения, вырубкой лесов, осушением торфяников и многих других видов деятельности человека резко участились катастрофические наводнения и возросли размеры причиняемых ими геоэкологических последствий и экономического ущерба (Клиге, Малинин, Шевчук, 2009; Орленок, 1998; Мазур, Иванов, 2004; Берри, Мягков, Фрейдлин, 1986; Авакян, Истомина, 2000; Milne, 1986; Ward, 1978; Kadner, 2006; Graham, Bergstrom, 2003; Volchek, Volchek, Parfomuck, 2006; Omstedt, 2005). К числу стран, особенно сильно страдающих от наводнений, относятся страны юго-восточной Азии. Так, в Китае в 1998 г. было зафиксировано 13 крупномасштабных наводнений в бассейнах рек Хуанхэ и Янцзы. От них пострадало 240 млн. человек. Свыше 56 млн. человек пришлось временно эвакуировать, тысячи людей погибли.
Об увеличении социального экономического ущерба свидетельствуют и данные о наводнениях в США. Среднегодовой экономический ущерб в начале XX в. составлял 100 млн. долл.; в 80-х гг. он превышал 1 млрд., а в отдельные годы превышает 10 млрд. долл. В России среднемноголетний ущерб от наводнений - 4-5 млрд. долл./год. Под угрозой наводнений в нашей стране находится около 70% городов. В исключительно многоводные годы (1926, 1966) площадь затопления достигала 2-2,5% общей площади страны (Курбатова, Мягков, Шныпарков, 1997). Площадь подверженных наводнениям территорий на земном шаре составляет около 3 млн. км . На них проживает свыше одного млрд. человек, а ущерб за последние годы превысил 200 млрд. долл.
Анализ разнообразных по происхождению наводнений за последнее столетие показал, что во всем мире, включая Россию, наблюдается тенденция значительного роста ущербов от паводковых наводнений, обусловленная усилением хозяйственного развития паводкоопасных территорий (Нежиховский, 1988; Milne, 1986; Ward, 1978). Эти наводнения наносят прямой ущерб (влекут за собой разрушение хозяйственных объектов, гибель посевов, лесов и вынужденную эвакуацию населения), а также косвенный (длительное затопление речных долин и пойм, низменностей и лесов, приводящее к заболачиванию местности и затруднению хозяйственного освоения земель). Ущерб от них зависит от высоты и скорости подъема уровня воды, площади затопления, заблаговременности прогноза, а также наличия защитных гидротехнических сооружений.
Антропогенные и техногенные факторы воздействия на устьевую область геосистемы
Преголя - основной источник питьевой воды для г. Калининграда и важный элемент ландшафта. И в то же самое время в бассейне этой реки расположено большинство нефтяных месторождений, разрабатывавшихся ранее или эксплуатируемых ныне. Главная геоэкологическая проблема - высокий уровень поверхностного загрязнения речных вод. С промстоками сбрасываются десятки тыс. тонн взвешенных и органических веществ, сотни тонн нефтепродуктов и др. Дно и русло заилены и захламлены бытовым мусором. В связи с перегруженностью городской канализационной сети несколько десятков тыс. м неочищенных высокотоксичных стоков ежегодно поступают в р. Преголю. В г. Калининграде и в приустьевой зоне - крайне неблагополучное состояние.
Рост концентрации хлорофилла-«а» в эстуарии и прибрежных водах Балтийского моря указывает на эвтрофикацию - процесс ухудшения качества морских вод из-за избыточного поступления из реки биогенных соединений азота и фосфора, сопровождающегося чрезмерным развитием цианобактерий. На разложение их остатков, скапливающихся на дне водоемов, расходуется значительное количество кислорода, что, в свою очередь, приводит в летние месяцы к массовым заморам рыб и другой фауны.
Дистанционное зондирование близлежащих к устью р. Преголи акваторий с помощью американских космических спутников «Terra» и «Aqua» с 2002 по 2007 гг. (оснащенных спектрорадиометрами MODIS) выявило ежегодное возрастание уровня эвтрофикации прибрежно-морских вод, непосредственно влияющих не геоэкологическое состояние устья р. Преголи, на 20-25% концентрация хлорофилла-«а» превышает здесь 30,0 мг/м3, что, по классификации HELCOM, дает основание относить эти прибрежно-морские воды (в частности, у г. Балтийска) к эвтрофным, а в летнее время - к гиперэвтрофным. Гидроэкологическая ситуация влияет на качество питьевой воды и создает потенциальную угрозу здоровью населения города (Ратанова, Колбенева и др., 1995).
Калининград (население - 430 тыс. чел.) в значительном объеме использует для водоснабжения воды р. Преголи, на которой расположены водопроводные станции ЮВС-1 и ЮВС-2, очищающие и подающие питьевую воду в количестве 10 и 100 тыс. м7сутки. Общее водопотребление областного центра составляет около 140 млн. м3. Это количество примерно поровну используется жилищно-коммунальным хозяйством и промышленностью (64 предприятия). До 112 млн. м3 практически без очистки сбрасывается в залив (примерно 50%) и в р. Преголю (Иванова, Ковалева, Кисляк и др., 1999).
Река подвержена влиянию штормовых нагонов морских вод Балтийского моря. При сильных западных ветрах морская вода поднимается вверх по руслу реки на расстояние до 56 км от ее устья. В результате штормовых нагонов водозаборы станций ЮВС-1 и ЮВС-2 оказываются заблокированными притоками соленых морских вод. В местах водозаборов содержание хлоридов увеличивается до 3000 мг/л (норма 350 мг/л), растворенного в воде кислорода снижается до 0,0-0,1 мг/л, коли-индекс достигает значений 100 тыс. единиц при норме 10, цветность (при норме 120) возрастает до 160 (Сергеева, 2001). Продолжительные нагоны морских вод (от 1-2 до нескольких суток) приводят временами к полному прекращению работы водопроводных станций.
Главные источники загрязнения вод р. Преголи и прибрежных зон Балтийского моря - предприятия целлюлозно-бумажной, рыбной, пищевой промышленности, портового хозяйства, канализационные стоки, котельные (рис. 15). Сельское хозяйство также оказывает значительное воздействие на водную среду и служит площадным источником загрязнения. Высокий уровень поверхностного загрязнения вод происходит преимущественно за счет легко окисляемой органики хозяйственно-бытовых и фекальных стоков. Например, неблагоприятная ситуация сложилась в конце июля 2000 г. Устойчивые западные ветры и вызванные ими штормовые нагоны привели к тому, что нормальное течение р. Преголи практически остановилось. Производственные и хозфекальные стоки, сбрасываемые в нее без очистки, не уходили вниз по течению, а оставались в приустьевой зоне. Анализы показали полное отсутствие кислорода и очень высокое содержание хлоридов - 1400 мг/л (Состояние окружающей природной..., 2001). Выпуск г.хоз.-ф.к.
Присутствие сероводорода в воде и воздухе прибрежных городских территорий также вызвано концентрацией фекальных масс в канализации (около 40% всех городских стоков). Сульфатредукция бактерий в придонном слое техногенного ила усиливает, начиная с конца июня, процесс выделения сероводорода в воздушную среду. В августе-начале сентября содержание сероводорода в городском воздухе превышает ПДК в 5-7 раз. В последнюю декаду июня в устье реки неоднократно отмечалось всплытие мертвой рыбы.
В устьевую область реки сточные воды сбрасываются через 76 санкционированных выпусков хозяйственно-бытовых и ливневых вод. В их числе: канализационная сеть; целлюлозно-бумажная промышленность (ЗАО «Цепрусс»); ОАО «Калининградский вагоностроительный завод»; ЗАО «Западно-Балтийский СРЗ»; ФГУП «Портовая нефтебаза»; ливневые, хозяйственно-бытовые и промышленные стоки трех портов. Помимо перечисленных выше через 10 аварийных выпусков в реку периодически сбрасываются хозяйственно-бытовые стоки г. Калининграда. Канализационные стоки без какой-либо очистки поступают в основное русло реки, ее притоки, бухту Приморскую. Во время штормовых нагонов возвращаются в устье и приустьевой участок реки. Ситуация усугубляется отсутствием разделения хозяйственно-фекальной и ливневой канализации, что приводит к загрязнению промышленными и бытовыми стоками практически всех городских водоемов. Для устьевого участка реки характерны незначительные продольные уклоны водной поверхности, малые скорости течения, высокая повторяемость застойных явлений и противотоков. Эти особенности гидрологического режима привели к тому, что река в пределах областного центра потеряла способность к самоочищению, со стоками в нее поступают значительные объемы загрязняющих веществ (табл. 8).
Цифровое моделирование полей затопления
Для более глубокого понимания изменений в портово-промышленной зоне и техногеосистемах с применением программных пакетов ГИС проведено моделирование нагонных явлений. На основе крупномасштабных топографических карт с использованием программного обеспечения Digitals по горизонталям и отметкам высот построена цифровая модель рельефа затопляемой территории. Определены поля затопления при различных уровнях подъема воды (через каждые 10 см), после чего осуществлена их визуализация для 7 стадий развития процесса. Процесс определения полей затопления приустьевых участков р. Преголи состоял из трех последовательных этапов. 1. Создание цифрового топографического плана. 2. Построение цифровой модели рельефа. 3. Определение площадей затопления. Разработка цифрового топоплана включала создание слоев, которые впоследствии использовались для построения карт полей затопления: - застройка - основные производственные строения; - гидрография - ручей Парковый, фрагмент водной поверхности р. Преголи, гавани Лесная, Вольная и Индустриальная; - дорожная сеть - оси подкрановых железнодорожных путей на территории промышленных предприятий; - линия проезда — границы проездов на территории предприятий, улиц на прилегающих участках; - осевая линия улицы, дороги - осевые линии, ведущие к промышленным предприятиям; - поле затопления - трехмерные слои, каждая точка векторного примитива имеет третью координату Z, которая соответствует высоте уровня подъема воды на конкретный период; -рамка - слой для внешнего оформления карты.
Служебные слои. Их количество не ограничивалось, каждый имел различное число параметров (атрибутов), которые создавались и заполнялись в зависимости от назначения карты. Так, параметр слоя «водная поверхность», слой «осевые линии проездов» - собственные названия объектов. При создании карт полей затопления параметры визуализировались. Параметры слоя «поле затопления»: Z - высота уровня подъема воды; area - площадь затопления; length - периметр поверхности затопления.
Создание цифровой модели рельефа начиналось с построения регулярной сетки высот. При активизации команды с помощью программы Digitals осуществлялся запрос шага создаваемой сетки (в миллиметрах). После его ввода программой обеспечивалось создание сетки высот по всей зоне перекрытия или внутри объекта. Для объектов, помеченных на карте, программой задавалась сетка для наименьшей прямоугольной области, охватывающей этот объект. При отсутствии на карте помеченных объектов, программа выдавала запрос о том, следует ли создавать сетку для всей области. Отмечались высоты на площадях, занятых портово-промышленными предприятиями. После этого регулярная сетка высот помещалась в слой DEM Grid. Сетка высот изображалась как совокупность точек - узлов со своей высотой и соединялась линиями с соседними узлами. Программа Digitals позволила автоматически построить горизонтали по созданной сетке высот.
При активизации команды программа запрашивала шаг (в метрах), с которым будут строиться горизонтали. После ввода шага и нажатия на кнопку «ОК» программа автоматически обеспечила построение горизонталей в зоне, охваченной сеткой высот.
Для целей исследования важно было установить, что каждая из построенных горизонталей охарактеризована определенной высотой над уровнем моря (БС). Если уровень подъема нагонных вод расположен, к примеру, на отметке 1,88 м над уровнем моря, с карты удалялись все горизонтали, соединяющие другие высоты; полигон, образованный горизонталью 1,88 м, кодировался в слой «поле затопления». Активизация слоев «поле затопления» с помощью программы Digitals позволила определить площадь каждого из них, периметр, уровень подъема нагонных вод. На заключительном этапе была осуществлена визуализация 7 стадий развития полей затопления в приустьевой зоне р. Преголи (рис. 16-17).
При умеренно опасном уровне (95-125 см) в портовой зоне начинается подтопление территорий промышленных предприятий, прежде всего ЗАО «Цепрусс», ОАО «Мукомольный завод», АО «Вагоностроитель». При подъеме уровня до 126-154 см наносится ущерб продукции этих объектов, снижается прибыль от ее реализации, к примеру для ОАО «Мукомольный завод» от 43000 до 541000 руб. соответственно. По достижении уровнем особо опасной отметки 154 см и выше происходят серьезные перебои в работе производственных объектов (рис.18).
Наивысшей опасностью затопления при штормовых наводнениях отличаются территории ЗАО «Цепрусс», ОАО «Мукомольный завод» и АО «Вагоностроитель» (абсолютные отметки рельефа местности здесь - не выше +1,0 м), следовательно, тем значительнее будет причиняемый этим объектам вероятный экономический ущерб и, соответственно, риск возникновения кризисных геоэкологических ситуаций (рис. 19).
С использованием программного комплекса Micro Station (модуль Geoterrain) проводилось картографическое моделирование полей затопления на участке р. Преголи в районе пос. Борисово (рис. 20). На основе цифровой топографической карты (М 1:10000) по горизонталям и отметкам высот в триангуляционной форме была построена цифровая модель рельефа затопляемой территории. Картографически определены поля затопления при различных уровнях подъема воды (через каждые 25 см) и осуществлена их визуализация для 7 стадий развития процесса (Краснов, Любимова, Ясевич, 2002; Любимова, Краснов, 2006).
Методом цифрового моделирования с использованием экспертных оценок были рассчитаны площади полей возможного затопления для каждого производственного объекта портово-промышленной зоны приустьевого участка р. Преголи (табл. 15). Ранжирование производственных объектов по площадям возможного затопления выявило умеренную, значительную, высокую и очень высокую степени риска КС для портовых техногеосистем (рис. 21). В связи с тем, что портово-промышленная зона насыщена многими производственными объектами и подвержена значительной техногенной трансформации, автором вслед за Б.И. Кочуровым (2003), были выделены здесь пять типов техногеосистем (табл. 16).
Зонирование устьевой области реки
По совокупности природных (геолого-геоморфологических, почвенных, гидродинамических и геоэкологических), антропогенных и техногенных факторов в устьевой области р. Преголи выделены зоны затопления речной долины, различающиеся по степени геоэкологического риска (масштабам ущерба), который может быть нанесен пойменным землям в результате возникновения и развития штормового наводнения с превышениями уровня от 95-125 см до 155-180 см и выше в Балтийской системе отсчета (рис. 26).
Геоэкологический риск в первой из них - зоне морского канала площадью 12,5 км (48,6% площади устьевой области) связан с затоплением и заболачиванием территории пос. Прегольский, сельхозугодий, лугов и т.п. Высокой степенью риска отличается вторая - портово-промышленная зона площадью 8,7 км (33,6%), где расположены крупные производственные объекты ЗАО «Цепрусс», ОАО «Мукомольный завод», АО «Вагоностроитель», торговый порт, судоремонтный завод «Преголь» и др. Правая набережная р. Преголи с низкими отметками (ниже 2,05 м), подвергается здесь регулярным затоплениям. В третьей - зоне городской застройки площадью 4,5 км2 (17,8%) загрязнение сточными водами создает угрозу населению о. Октябрьский в связи с ухудшением качества питьевого водоснабжения вследствие проникновения соленых морских вод вверх по течению реки на 56 км (до г. Гвардейска).
Водным кодексом РФ от 03.06.2006 №73-Ф3 (ст. 111) и Положением о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах, утвержденным постановлением Правительства РФ от 23 ноября 1996 г., к водоохраным зонам должны быть отнесены территории, примыкающие к акваториям рек, озер, водохранилищ и других поверхностных водных объектов, на которых устанавливается специальный режим хозяйственной и иных видов деятельности с целью предотвращения загрязнения, засорения, заиления и истощения водных объектов, а также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира.
Водоохранные зоны должны быть составной частью природоохранных мероприятий по улучшению гидрологического режима и технического состояния, благоустройству водных объектов и их прибрежных территорий. В пределах водоохранных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы, на территориях которых вводятся дополнительные ограничения природопользования.
Принципиальный вопрос таких зон касается их размеров и границ, которые должны устанавливаться исходя из физико-географических, почвенных, гидрологических и других условий с учетом прогноза их изменений. Выделяемые зоны утверждаются органами исполнительной власти субъектов РФ по представлению бассейновых и других территориальных органов управления использованием и охраной водного фонда Министерства природных ресурсов и экологии РФ, согласованному со специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды и иными органами в соответствии с их полномочиями. В настоящее время процесс этого согласования чрезвычайно усложнен, многоступенчат и не предусматривает необходимой ответственности должностных лиц.
«Положением о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах» от 23.11.1996 установлены виды запрещенной деятельности в пределах водоохраной зоны (размещение складов ядохимикатов, минеральных удобрений, горюче-смазочных материалов, животноводческих комплексов и ферм, мест складирования и захоронения разнообразных промышленных бытовых и сельскохозяйственных отходов, накопителей сточных вод и др.). Однако, эти запреты нередко нарушаются, что приводит к серьезному риску загрязнения нагонных вод токсичными соединениями и элементами, представляющими угрозу здоровью и жизни населения, проживающего в зонах затопления.
Поддержание в надлежащем состоянии водоохранных зон и прибрежных защитных полос возлагается на водопользователей и землепользователей, а задачи органов исполнительной власти состоят в выработке соответствующих нормативных актов, контроле за их исполнением, информировании организаций и граждан о порядке водопользования. Принципиально иные основания предусмотрены Федеральным конституционным законом от 30 мая 2001 г. № 3-ФКЗ «О чрезвычайном положении», вводимом в соответствии с Конституцией РФ на всей территории страны или в отдельных местностях в случаях возникновения устойчивых отрицательных изменений в окружающей природной среде, угрожающих здоровью населения, состоянию экологических систем, генофонда растений и животных (ст. 58 этого закона). Зоны чрезвычайной экологической ситуации (ЧЭС) объявляются указами Президента РФ на основании заключения государственной экологической экспертизы. Министерством природных ресурсов и экологии РФ при оценке состояния территорий и выявлении зон ЧЭС учитываются лишь территории, подверженные антропогенному воздействию, а природные процессы (наводнения, лесные пожары, засухи и т.п.), приводящие к возникновению зон геоэкологического неблагополучия, остаются вне должного внимания чиновников. Этим ведомством установлены пять уровней экологического неблагополучия территорий: 1) относительно удовлетворительная; 2) напряженная; 3) критическая; 4) кризисная (зона ЧЭС); 5) катастрофическая (зона экологического бедствия). Следуя ст. 58 и 59 «Закона об охране окружающей среды» (2002), оценка степени экологического неблагополучия территорий (акваторий) проводится по ряду критериев, относящихся к природной среде, естественным экосистемам и здоровью населения (табл. 22).
Согласно ст. 116 Водного кодекса РФ от 03.06.2006 № 73-ФЗ, зонами чрезвычайной экологической ситуации или экологического бедствия могут объявляться водные объекты, их части и их водосборные площади, на которых в результате хозяйственной деятельности происходят изменения, угрожающие здоровью людей, растительному и животному миру, состоянию окружающей природной среды. 1. Природная среда Экологический кризис Экологическое бедствие Устойчивые отрицательные изменения ландшафтов Глубокие необратимые изменения ландшафтов 2. Здоровье населения Угроза здоровью населения: увеличение частоты обратимых нарушений здоровья (неспецифические заболевания, отклонения в физическом и нервно-психическом развитии, нарушения или осложнения течения и исходов беременности и т.п.), связанных с загрязнением окружающей среды Существенное ухудшение: увеличение необратимых, несовместимых с жизнью нарушений здоровья, изменение структуры причин смерти (онкологические заболевания, врожденные пороки развития, гибель плода), а также существенное увеличение частоты обратимых нарушений здоровья (неспецифические заболевания, отклонения физического и нервно-психического развития и т.д.) 3. Естественные экосистемы Устойчивые отрицательные изменения состояния экосистем (уменьшение видового разнообразия, исчезновение отдельных видов растений и животных, нарушение генофонда) Разрушение экосистем, нарушение природного равновесия, деградация ландшафтов, потеря генофонда, сокращение биоразнообразия
Вместе с тем специфические кризисные ситуации, возникающие объективно (стихийные, экологические, техногенные и пр.) и представляющие риск для населения, территорий, хозяйственных и иных объектов, окружающей среды, подпадают под действие ФЗ «О чрезвычайном положении» от 30 мая 2001 г. (п. «б» ст. 3). Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ определяет риск как вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, окружающей среде, имуществу физических или юридических лиц с учетом тяжести этого вреда (ст. 1). Понятие риска по-разному воспринимается в различных отраслях российского права. В экологическом праве взамен понятия «экологический риск» используется понятие презумпции потенциальной опасности для окружающей среды любой хозяйственной деятельности.
Вслед за М.М. Бринчуком (2010) к ситуациям геоэкологического риска автор относит совпадение во времени и пространстве относительно устойчивых или быстро меняющихся природных, экономических и других обстоятельств (процессов, состояний, факторов), обусловливающих неопределенность, несущую в себе опасность для природных, антропогенных и/или техногенных систем. Указанные и иные обстоятельства могут быть выявлены в том числе и заблаговременно на основе систематического проведения экологического мониторинга и экологической экспертизы проектируемых сооружений (нефтеперерабатывающих комплексов, мелиоративных систем, очистных сооружений и т.п.). Для упорядочения понятий, критериев установления ЧЭС, зонирования территорий, подверженных стихийным природным бедствиям и выработки научно обоснованных мер по их предотвращению и/или минимизации ущерба необходимо безотлагательно принять соответствующий федеральный закон, проект которого разработан М.М. Бринчуком.
