Содержание к диссертации
Введение
1 Современные информационные технологии, используемые для решения задач гидрогеологического обеспечения локального мониторинга геологической среды урбанизированных территорий 8
1.1 Краткая история возникновения и развития ГИС 8
1.2 Принципы организации ГИС 14
1.3 Структура и основные функции ГИС 18
1.4 Характеристика современных ГИС, их функциональные возможности 21
2 Арм «гидрогеоэколог» как инструментальная система сбора и анализа информации локального геомониторинга 41
2.1 Цель создания и методика проектирования АРМ «Гидрогеоэколог» 43
2.2 Информационное обеспечение АРМ «Гидрогеоэколог» 44
2.3 Программное обеспечение АРМ «Гидрогеоэколог» 52
2.4 Аппаратные средства АРМ «Гидрогеоэколог» 77
2.5 База данных АРМ «Гидрогеоэколог» 78
3 Эколого-геологические условия района работ 93
3.1 Общая характеристика изучаемой территории 93
3.2 Факторы формирования геологической среды г. Новочеркасска 97
3.3 Геоэкологическое районирование урбанизированных территорий 110
3.4 Методика формирования и функционирования локального мониторинга урбанизированной геологической среды г. Новочеркасска 121
4 Закономерности формирования природно- техногенных условий урбанизированной территории 143
4.1 Оценка подтопления территории 144
4.2 Анализ гидрогеохимических условий подземных вод 181
4.3 Оценка загрязнения геологической среды 229
4.4 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения 246
4.5 Прогнозы изменений и основные направления реабилитации экологического состояния геологической среды 248
Выводы 256
- Принципы организации ГИС
- Программное обеспечение АРМ «Гидрогеоэколог»
- Геоэкологическое районирование урбанизированных территорий
- Оценка загрязнения геологической среды
Введение к работе
Актуальность работы. Геологическая среда, также как и другие природные среды, подвержена существенным изменениям под влиянием антропогенного фактора. При этом негативные последствия носят либо необратимый характер, либо требуют огромных экономических затрат на восстановление благоприятной экологической обстановки.
Особенно неблагоприятны в экологическом отношении урбанизированные территории. Подобная ситуация вызвана тем, что экосистема населенного пункта формируется как система неустойчивая, в которой нарушены главные принципы формирования природных экосистем и, в первую очередь, принципы баланса и круговорота вещества и энергии. Основное внимание уделяется «притоку» вещества (воды, металлов, предметов потребления, строительных материалов и пр.). Об их «оттоке» человек, как правило, заботится недостаточно. Именно по этой причине происходят негативные химические, физические и биологические изменения во всех компонентах окружающей среды на территории населенного пункта, снижается экологический потенциал территории, нарастают кризисные ситуации.
Наиболее эффективным средством оценки состояния геоэкологической обстановки и базой выработки управляющих решений по реабилитации окружающей среды служит система геомониторинга. При этом решающее значение имеет оперативность, с которой средства мониторинга позволяют реагировать на возникающие негативные изменения в окружающей среде. С этой точки зрения внедрение информационных технологий в систему геомониторинга является исключительно важной задачей.
Диссертационная работа посвящена разработке компьютерной технологии ввода, хранения, обработки и анализа гидрогеоэкологической информации с помощью инструментальной системы, позволяющей оперативно выполнять оценку состояния геологической среды в критических ситуациях и предлагать необходимые мероприятия по оздоровлению экологической обстановки. Ис-
5 пользование предлагаемой инструментальной системы позволяет снизить временны"; и материальные затраты на решение таких задач.
Целью работы является разработка оптимальной системы локального геомониторинга, на основе которой должны быть определены меры по повышению экологического, эстетического и социального потенциала города и, в первую очередь, обосновать и реализовать проекты инженерно-экологической защиты территории г. Новочеркасска от развития процессов подтопления и загрязнения геологической среды.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи: анализ современных средств эффективной обработки информации по природным и техногенным объектам для решения задач геомониторинга урбанизированных территорий; сбор и анализ гидрогеоэкологической ретроспективной информации о состоянии основных компонентов урбанизированной геологической среды территории (на примере г. Новочеркасска); выполнение на основе усовершенствованной таксономической схемы геоэкологического районирования территории г. Новочеркасска с учетом естественных и техногенных факторов; разработка методики обработки и анализа гидрогеологической информации в виде инструментальной системы — автоматизированного рабочего места (АРМ) «Гидрогеоэколог» - для контроля и оперативной оценки изменения состояний компонентов геологической среды населенных пунктов, различных по размерам и объемам финансирования; - выявление пространственно-временных закономерностей формирова ния процесса подтопления урбанизированной территории г. Новочеркасска, вы званного изменением режима подземных вод, с помощью предлагаемого инст рументария в виде АРМа;
6 - оценка трансформации химического состава и степени загрязнения грунтовых вод и почво-грунтов г. Новочеркасска с применением математико-статистического анализа и многомерного метода классификации. Научная новизна работы состоит в следующем:
Спроектирована и реализована в виде инструментальной системы АРМ «Гидрогеоэколог» методика ввода, хранения и обработки информации по природным и техногенным объектам урбанизированных территорий.
Предложена методика геоэкологического районирования урбанизированных территорий с учетом природно-антропогенных условий, реализованная в виде схематических карт геоэкологического районирования территории г. Новочеркасска, на основе которых спроектирована и создана оптимальная система локального геомониторинга.
Создан комплект карт на различные временные периоды, отражающих степень подтопления территории северной и южной частей г. Новочеркасска, и прогнозные карты развития процесса подтопления на 20-летний период.
Впервые составлены гидрогеохимические карты грунтовых вод территории г. Новочеркасска с использованием модельно-математического метода, позволившие оценить изменения химического состава грунтовых вод северной и южной частей города и выявить взаимосвязь этих изменений с развитием процесса подтопления его территории.
5. Построены дежурные моно- и полиэлементные карты распределения концентраций загрязняющих компонентов в почво-грунтах и подземных водах, позволившие оценить степень их загрязнения и защищенности.
Практическая ценность. Инструментальная система АРМ «Гидрогеоэколог» ввода, хранения и обработки гидрогеоэкологической и гидрогеохимической информации использована при проектировании, создании и функционировании Новочеркасского геоэкологического полигона как составной части локального мониторинга урбанизированной территории. Выполненные разработ-
7 ки могут быть использованы при проведении аналогичных работ на урбанизированных территориях степной зоны юга России.
Результаты исследований и практические рекомендации переданы в Новочеркасский городской комитет природных ресурсов, Комитет природных ресурсов по Ростовской области; представлены в Государственных докладах «О состоянии окружающей природной среды Ростовской области в 1995 году и году», «О состоянии окружающей природной среды г. Новочеркасска в году».
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на научно-практической конференции «Экология и экономика недропользования» (Москва, 1995); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны геологической среды» (Томск, 1995); III и IV Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997, 1999); Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование» (Москва, 1998); Международных научных конференциях «Проблемы геологии и геоэкологии юга России и Кавказа» (Новочеркасск, 1995, 1997, 1999, 2002, 2004); 8 Международном инженерно-геологическом конгрессе (Канада, Роттердам, 2000); Юбилейной конференции геологов Ростовской области «Геология и минерально-сырьевая база Ростовской области» (Ростов-н/Д, 2000); Международной научной конференции «Современная гидрогеология на рубеже веков» (Новочеркасск, 2001); Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001); ежегодных научных конференциях ЮРГТУ (Новочеркасск, 1998-2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в т.ч. 2 монографии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 276 страницах, содержит 63 рисунка и 42 таблицы.
Принципы организации ГИС
Развитие информационных систем шло по пути, обусловленным увеличением объемов данных, требующих обработки, и усложнением структуры хранящейся информации. Соответствующим образом изменялись и средства хранения данных и манипулирования ими посредством ЭВМ. Системы, обеспечивающие надежное хранение сложных структурированных информационных объектов, носят название баз данных (БД), а средства, позволяющие выполнять достаточно сложные операции по поиску и выбору данных в БД, их объединению в информационные массивы требуемой структуры и конфигурации, представлены системами управления базами данных (СУБД). Современные геоинформационные системы представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой, обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы [97]. Дать точное определение ГИС очень сложно, так как при работе она может рассматриваться на нескольких уровнях и при различном применении означает разные вещи. Во-первых, ГИС - это набор программных инструментов, используемых для ввода, хранения, манипулирования, анализа и отображения информации по какому-либо объекту. Это, так называемое, техническое определение отражает историю развития ГИС как объединения средств автоматизации проектирования (CAD) с цифровой картографией и программами баз данных (СУБД).
Во-вторых, ГИС является образом мышления, способом принятия решений в организации, где вся информация соотносится с пространством и хранится централизованно. Это относится к глобальным ГИС и такое их определение является стратегическим. В работе [19] приведено следующее определение ГИС: «Информационные системы, призванные обеспечить эффективную обработку информации о территории (объектах на территории), называются геоинформационными системами». Таким образом, ГИС - это информационная система, предназначенная для сбора, хранения, поиска и манипулирования данными о территориальных объектах. На наш взгляд, наиболее точным является следующее определение. ГИС -это система, состоящая из трех компонентов: пространственные данные, аппаратно-программные инструменты и проблема, как объект решения. Каждый из этих компонентов необходим и важен для успешного достижения поставленной цели. Появление массового интереса к построению ГИС потребовало выработки принципов оценки создаваемых информационных систем, их классификации, определения потенциальных возможностей, выраженных в следующем: 1. Возможность обработки массивов покомпонентной пространственно-временной информации. 2. Способность поддерживать базы данных для широкого класса природных и антропогенных объектов. 3. Возможность диалогового режима работы пользователя. 4. Гибкая конфигурация системы, возможность быстрой настройки системы на решение прикладных задач. 5. Способность воспринимать и обрабатывать пространственные особенности природных и техногенных ситуаций. Приведем последовательность действий, необходимых для реализации ГИС-проекта. Во-первых, формулируется проблема, т.е. объект решения.
Вторым шагом, после определения цели применения ГИС, является принятие решения о выборе соответствующих разрабатываемой ГИС инструментария, технологии, и разработка плана выполнения проекта. Основной и наиболее трудоемкой частью выполнения любого проекта ГИС является сбор необходимых данных. Чаще всего под этим подразумевается создание пространственной базы данных - ввод в компьютер с бумажных носителей больших объемов информации по различным объектам. Одним из основных этапов в процессе проектирования ГИС является выбор программного обеспечения, позволяющего просматривать, добавлять, модифицировать, сопровождать и удалять пространственные объекты и связанную с ними информацию, выполнять специализированные, в том числе и карто-ориентирован-ные, запросы к данным, решать аналитические и прогностические задачи (рис. 1.1). Выделенные этапы являются наиболее общими и повторяются при создании конкретных ГИС, различаясь в деталях, связанных с целями, задачами и техническими возможностями системы. Таким образом, в основу проектирования и создания ГИС положена единая методология, рассматривающая ГИС как инструментарий познания закономерностей структуры и организации геосистем при помощи средств информатики, математического моделирования и машинной графики.
Программное обеспечение АРМ «Гидрогеоэколог»
Содержательный анализ процесса геомониторинга урбанизированной территории Целью данного этапа проектирования АРМ «Гидрогеоэколог» является разработка структурной схемы программного обеспечения АРМа. Для этого необходимо: - выполнить структурный анализ деятельности специалиста-гидрогео-эколога, в результате которого должны быть установлены те действия, которые могут и должны быть оснащены средствами автоматизации, т.е. являются объектом внедрения компьютерных технологий; - выполнить выбор операционной среды, в которой должно функционировать разрабатываемое программное обеспечение, и инструментальных средств, предназначенных для создания специального программного АРМа; - выполнить анализ и разработать методику реализации тех служебных функций, которые обеспечивают функционирование баз данных и программного обеспечения АРМа, таких как ведение баз данных, формирование запросов, формирование выходных документов и т.д.; - выбрать методики решения задач анализа геоэкологической информации и обосновать возможность их использования в рамках АРМа; - выполнить анализ и разработать или выбрать методику взаимодействия программного обеспечения АРМа со стандартными и специализированными программными пакетами, использующимися при решении задач мониторинга. Схема действий специалиста-гидрогеоэколога (рис. 2.2) в процессе эксплуатации геоэкологического полигона включает: 1) подготовку справочных и архивных данных; 2) загрузку архивных данных и загрузку (корректировку) справочников базы данных АРМа. Эти этапы выполняются эпизодически: во-первых, при создании полигона, во-вторых, при сооружении новых наблюдательных пунктов или реконструкции существующих; 3) выполнение опробований, в процессе которых происходит отбор проб в соответствии с выбранным режимом функционирования полигона. Эти работы носят периодический характер. Порядок и периодичность опробований определяется методикой организации наблюдений; 4) выполнение необходимых аналитических работ (химический, спектральный, гранулометрический и другие виды анализов) из отобранных проб в соответствии с принятыми методиками для определения численных значений показателей, характеризующих состояние геологической среды на территории геоэкологического полигона; 5) ввод данных опробований и результатов аналитических работ в базу данных АРМа. Периодичность такая же, как и в п.2; 6) обработку информации: - пересчет массовых концентраций макрокомпонетов в молярные и относительные; - представление химического состава вод в виде формулы Курлова; - расчет показателя защищенности грунтовых вод от загрязнения; - представление исходной информации в виде таблиц различной формы и объёма; 7) анализ исходной и обработанной информации: составление линейных графиков, диаграмм различного вида, дежурных карт изменения наблюдаемых показателей; 8) разработку рекомендаций и мероприятий с целью реабилитации и улучшения экологического состояния урбанизированной геологической среды. Детальный анализ всех этапов деятельности специалиста-гидрогео-эколога в процессе выполнения своих профессиональных обязанностей показывает, что средствами автоматизации и компьютерными технологиями целесообразно оснастить этапы, обозначенные в пунктах 2, 5, 6 и 7 в приведенном перечне. Не отвергая принципиальную возможность оснащения средствами автоматизации и остальных этапов данного перечня, следует отметить, что АРМ «Гидрогеоэколог» разрабатывается для объектов, имеющих ограниченные финансовые возможности. аким образом, в состав программного обеспечения должны быть включены:- программные пакеты, которые позволяют реализовать функции ведения баз данных, формирования запросов, формирования выходных документов и т.д.; - программные пакеты, реализующие методики предварительной обработки результатов опробований; - программные пакеты статистической обработки гидрогеоэкологической информации; - программные пакеты, обеспечивающие построение карт различного назначения; - программные пакеты прогнозирования развития анализируемых процессов. Основанием для выбора операционной среды является тот факт, что наибольшее распространение в нашей стране получили персональные вычислительные машины, работающие под управлением операционных систем фирмы Microsoft. Все современные операционные системы фирмы Microsoft, известные как операционные системы семейства Windows, обеспечивают реализацию следующих возможностей: - дружественный интерфейс, не требующий от пользователей специальных знаний в области программирования; - многозадачный режим работы на одном персональном компьютере; - эффективное взаимодействие группы приложений, поддерживающих общепринятые стандарты информационного обмена; - эффективную работу нескольких компьютеров предприятия (организации) в рамках одной вычислительной сети (локальные вычислительные сети); - объединение локальных вычислительных сетей в глобальные (корпоративные, региональные, государственные и международные) сети. Примером глобальной вычислительной сети может служить Internet.
Кроме этого, следует иметь в виду, что «под Windows» разработано огромное количество всевозможных приложений, которые могут быть использованы для решения задач мониторинга геологической среды. Второй составляющей, определяющей «облик» создаваемого программного обеспечения, является используемый для этой цели инструментарий. Основные требования, которым должна удовлетворять инструментальная система, предназначенная для разработки программного обеспечения, состоят в следующем: - инструментальная система должна содержать средства визуального про граммирования. Это требование обусловлено тем, что себестоимость про граммного продукта, разработанного с использованием методик и средств ви зуального программирования, существенно ниже, чем этот же показатель в случае использования традиционных технологий программирования; - инструментальная система должна поддерживать возможность взаимодействия с различными СУБД, такими как Paradox, DBASE, Informix и т.д.; - информационная система должна обеспечивать возможность взаимодействия различных программных пакетов в рамках одного приложения. Наилучшим образом перечисленным требованиям удовлетворяет инструментальная система Delphi фирмы Borland [6, 55, 56]. Таким образом, автоматизированное рабочее место гидрогеоэколога спроектировано и разработано для работы в операционной среде Windiws 98 SE и выше, реализовано средствами системы визуального проектирования Delphi, база данных реализована средствами машины баз данных (BDE), в частности, при создании таблиц базы данных использован стандартный драйвер Paradox. BDE также обеспечивает решение задач обмена данными с другими программами и приложениями
Геоэкологическое районирование урбанизированных территорий
Геологическая среда и происходящие в ней под влиянием деятельности человека изменения - один из наиболее сложных объектов исследований в геоэкологии. Сложность заключается в чрезвычайно большом разнообразии типов геологической среды и технологий вмешательства человека в ход природных процессов, в слабой изученности механизма и динамики процессов техногенеза и последствий антропогенного вмешательства. Поэтому для изучения природ-но-техногенных систем необходима хорошо продуманная система информационного обеспечения и способы прогнозирования возможных изменений геологической среды под влиянием техногенеза с учетом его регионального характера и комплексности. Геологическая среда, воздух, растительность и поверхностные воды соединены друг с другом бесчисленным множеством массо, - и энергосвязей. Раздельное изучение этих компонентов ведет в тупик. Поэтому, при разработке конкретных методов и форм управления состоянием окружающей среды, за основу принят функциональный подход, учитывающий многообразие и взаимообусловленность процессов антропогенного воздействия на природу. Моделирование сложной природно-техногенной подсистемы требует ее генерализации и типизации по некоторому постоянному ряду признаков и критериев, разделенных на естественную и искусственную составляющие. Это позволяет перейти к типизации характера и интенсивности воздействия активной техносферы, с одной стороны, и типизации вида и инерционной ответной реакции геологической среды, с другой. Набор ряда типов среды всегда конечен, но возможности его детализации и продления не имеют ограничений. На основании типовых признаков можно оценить устойчивость и латентность среды практически в любой точке региона, что будет показано ниже.
Контроль за довольно сложной и быстро меняющейся ситуацией при активном влиянии техносферы на геологическую среду в целом и на ландшафты, в частности, требует использования таких методов наблюдения, которые могли бы в сравнительно короткий срок охватить ситуацию во всем регионе. Кроме того, такой пространственный обзор должен повторяться, чтобы представить всю картину изменений в динамике. Этим условиям удовлетворяет система мониторинга. Таким образом, общий методологический подход к изучению геологической среды определяется довольно четко; он основан на представлении о тесных массо, -энергосвязях геологической среды с другими природными и техногенными средами, требует системного изучения составляющих эти среды компонентов. Такой подход определяет содержание и методы инженерно-геоэкологических исследований на базе типизации (индивидуального районирования) среды, как основной формы моделирования. Геоэкологическое состояние конкретной территории, помимо техногенных факторов, в значительной степени определяется геоструктурными особенностями, степенью естественной дренированности, общей гидрогеологической обстановкой, особенностями режима грунтовых и подземных вод, водно-солевым балансом почв и грунтов зоны аэрации, тесно связанных с широтной зональностью климата. Наиболее четко взаимосвязь естественных и антропогенных условий прослеживается при геоэкологическом районировании территории. Однако, до настоящего времени не существует единой универсальной таксономической схемы районирования, поэтому нами использована схема Д.М. Каца для орошаемых территорий [107], усовершенствованная для геоэкологических задач, согласно которой основными таксономическими единицами являются провинция, подпровинция, зона, область, район, подрайон, участок.
В качестве наиболее крупных таксономических единиц приняты провинция материковых платформ и подпровинция засушливых степей с коэффициентом увлажненности порядка 0,55-0,44, к которым относится и г. Новочеркасск. Коэффициент увлажненности представляет собой отношение суммы атмосферных осадков к суммарному испарению. В пределах подпровинции засушливых степей по степени естественной дренированности выделены следующие возможные зоны: интенсивно дренированная, дренированная, слабодренированная, весьма слабодренированная и бессточная. Интенсивно дренированная и дренированная зоны в пределах г. Новочеркасска отсутствуют, имеются лишь узко локальные проявления повышенной дренированности у обрывистых краев понтического известнякового плато в пределах Новочеркасского холма, в целом существенно не влияющие на режим грунтовых вод остальной его части. На территории г. Новочеркасска выделены следующие три зоны: - зона А - слабодренированная; - зона Б — весьма слабодренированная; - зона В — бессточная.К слабодренированной зоне (А) отнесены водоразделы и приводораз-дельные наиболее повышенные части склонов с глубиной залегания грунтовых вод 7-12 м, с уклонами поверхности грунтового потока более 0,003, скоростями фильтрации более 50 мм/сут. и общей минерализацией воды до 4-5 г/л. К весьма слабодренированной зоне (Б) отнесены пологие склоны с глубиной уровня грунтовых вод до 5 м, с уклонами поверхности грунтового потока от 0,002 до 0,0008, скоростями фильтрации от 50 до 5 мм/сут. и общей минерализацией более 3 г/л. К бессточной зоне (В) отнесены пойма и низкие надпойменные террасы долин рек с глубиной залегания грунтовых вод менее 2-2,5 м при уклонах зеркала воды менее 0,0008 и скоростях фильтрации менее 5 мм/сут. В пределах зон выделены области по признаку сходства литолого-генетических комплексов пород, слагающих грунтовую толщу до глубины 20 м. Возможны одно,- двух- и многослойные массивы, сложенные различным сочетанием пород, преимущественно с суглинками в верхней части. В районе г. Новочеркасска однослойные массивы практически отсутствуют, а двух- и многослойные сложены (сверху вниз) в основном просадочными или непросадочны-ми лессовидными суглинками с прослоями супесей и погребенных почв, подстилаемыми более тяжелыми разностями суглинков, скифскими глинами, известняками-ракушечниками и песками.
По особенностям литолого-генетических комплексов выделено четыре области. В зоне А литолого-генетические комплексы представляют собой сочетание слоев суглинков и глин разной мощности. В зоне Б — тоже сочетания суглинков и глин, а также суглинков и глин, подстилаемых известняком-ракушечником. В зоне В - суглинков в верхней части и песков с прослоями и линзами глин - в нижней. Область I - это в основном суглинки на глинах, область II - суглинки на песках, область III - суглинки и глины малой мощности на известняках, область IV — переслаивание суглинков, супесей и песков. Провинции, подпровинции, зоны и области являются зональными признаками и образуют иерархическую систему; подразделения более низкого порядка - районы, подрайоны и участки - относятся к азональным признакам, которые «накладываются» на рассмотренные выше. Районы выделены по глубине залегания уровня грунтовых вод (УГВ). Выделено четыре типа районов: с глубиной залегания УГВ до 2.0 м (сильно подтопленные, индекс 1), от 2 до 5 м (подтопленные, индекс 2), от 5 до 10 м (потенциально подтопленные, индекс 3) и более 10 м (практически неподтопленные, индекс 4). В соответствии со СНиП [115] территории с глубиной залегания УГВ менее 2 м относятся к подтопленной в селитебной зоне и менее 5м-в селитебно-промышленной и центральных частях городов. Эти рекомендации были положены в основу выделения районов, а так как периферийная часть г. Новочеркасска относится к промышленно-селитебной зоне, то для всего города за критическую принята глубина залегания грунтовых вод в 5 м. Подрайоны выделены по степени защищенности грунтовых вод от загрязнения, определяемой мощностью зоны аэрации и фильтрационными способностями слагающих ее отложений. Выделено пять типов подрайонов: - совершенно незащищенные с показателем защищенности 0,25 (индекс 1); - незащищенные с показателем защищенности от 0,25 до 0,5 (индекс 2); - очень условно защищенные с показателем защищенности от 0,5 до 0,75 (индекс 3); - условно защищенные с показателем защищенности от 0,75 до 1,0 (индекс 4); - очень плохо защищенные с показателем защищенности от 1,0 до 1,25 (индекс 5). В результате районирования незащищенные от загрязнения подземные воды выделены в пределах поймы и I надпойменной террасы долины р. Туз лов, склонов Новочеркасского холма, микрорайона Черемушки и юго-западной части южного района.
Оценка загрязнения геологической среды
Изучение распределений поллютантов в почвах, грунтах и подземных водах по данным наблюдений геомониторинга на территории г. Новочеркасска осуществлялось с помощью комплекса методов анализа первичных данных, в т.ч. стандартных статистических способов, расчёта различных показателей за грязнения, построение карт распределений концентраций отдельных компонентов и комплексных показателей. Загрязнение природных сред отдельными поллютантами и в сумме оце нивалось по известным формулам С с іф с 1 С Ф 1Ф с - і к " 1Ф тдк 1 І Кіф — фоновый коэффициент концентрации; КІ — коэффициент концентрации; С- концентрация компонента і в изучаемой среде; C,# - фоновая концентрация компонента; Сщдк - предельно-допустимая концентрация компонента; 2ф - фоновый суммарный показатель загрязнения; Zc - суммарный показатель загрязнения; п — количество изученных компонентов i=l+n.
При наличии информации об утверждённых ПДК для опробуемой среды использовались величины КІ И ZC, а при её отсутствии применялись показатели Кіф и 2ф. Для подземных вод наиболее часто используют ПДК, разработанные для вод хозяйственно-питьевого назначения; эти концентрации взяты нами за основу при интерпретации загрязнения вод в пределах урбанизированной территории. Однако необходимо отметить, что правомерность применения указанных ПДК не является бесспорной. Природные воды степной зоны в естественных условиях, вне участков антропогенного воздействия, значительно отличаются по качеству от питьевых по величине минерализации, концентрациям сульфатов, хлоридов, многих микроэлементов, и поэтому коэффициент концентрации не отражает процесса загрязнения вод. Другими словами, ПДК для питьевых вод являются слишком жесткими условиями изучения загрязнения вод в различных климатических зонах и экосистемах. Для изучения распределения содержания различных поллютантов в грунтовых водах построены специализированные карты изолиний кратности ПДК элементов, для которых ПДК установлены (рис. 4.39, 4.45). Анализ карт показал, что для изученных районов характерно значительное загрязнение различными металлами, нитратами, нитритами, фенолом, нефтепродуктами и др.
На многих участках содержания загрязнителей превышают ПДК в 3 и более раз, что характеризует ситуацию как неудовлетворительную; на некоторых участках это превышение составляет более 10 ПДК и экологическая ситуация относится к чрезвычайной [75]. Например, наиболее высокие концентрации нитратов приурочены к северо-западной части северного района, в пределах пос. Октябрьского и Молодёжного (рис. 4.45), и южной части (рис. 4.39) города. Содержания иона N03 в грунтовых водах южной части города настолько высоки, что его необходимо рассматривать совместно с другими макрокомпонентами. Элементарные статистики по данному компоненту следующие: среднее арифметическое равно 136 мг/л, медиана - НО мг/л, стандартное отклонение -133 мг/л, что свидетельствует не только о высоком среднем содержании, но и об очень высокой неоднородности распределения. Действительно, на рисунке 4.39 прослеживается, что наиболее высокие концентрации нитратов наблюдаются в центральной (старой) части города и в отдельных окраинных точках (НП №№ 68, 70 и 85); в 17-ти НП их содержания превышают ПДК (45 мг/л) в 1.1 -9.6 раз; наименьшие концентрации отмечены в новом микрорайоне Черёмушки. Отмеченные высокие концентрации нитратов (рис. 4.39), особенно в старой части города, объясняются наличием ранее во многих дворах временных свалок мусора, дворовых туалетов, временных канализационных отстойников и функционирующих до настоящего времени шамбо.
Распределения концентраций отдельных металлов в грунтовых водах весьма неоднородны на всей территории. В пределах различных участков отмечены высокие содержания Fe, Мп (рис. 4.46), Cr, Ni, Zn, Pb (рис. 4.47), Zr, Sr и . др.; по ряду элементов площади загрязнения превышают 3 км2, что согласно критериям [75] соответствует чрезвычайной экологической обстановке. Наиболее интересная закономерность отмечена в распределении суммарного показателя загрязнения грунтовых вод северного района города (Zc), который вычислен по концентрациям шести элементов: Fe, Мп, Ті, Си, Zr, Sr (рис. f 4.48). По этому комплексу элементов для изученной территории характерно свидетельствует об общем накоплении загрязнителей по мере движения вод. В западной и юго-западной частях северного района города обнаружены наиболее высокие значения суммарного показателя, в ряде пунктов превышающие значения 32, что соответствует чрезвычайной экологической ситуации [75]. Детальное изучение содержаний металлов в почвах г. Новочеркасска показало высокий уровень их загрязнения большинством элементов [9]. В северной части города в ходе бурения скважин отбирались пробы почв и грунтов, по которым был выполнен спектральный анализ на 38 элементов для изучения распространения загрязнения на глубину [40]. Опробование этих компонентов геологической среды производилось поинтервально: первый интервал (0-0,2 м) - природные и антропогенные почвы; второй - нижний слой почв; третий — верхняя часть подстилающих почвы суглинков. Из 38 определённых элементов для 11 (W, Bi, Sb, As, Hf, Та, Cd, Ge, Jn, ТІ, P) порог обнаружения оказался очень низким, и они практически не обнаружены в пробах, за исключением отдельных аномальных точек. В таблицах 4.23 и 4.24 приведены параметры распределения концентраций химических элементов в почво-грунтах и значения парных коэффициентов корреляции (при критическом значении Го,о5=ОД2). Распределения большинства элементов близки к нормальному; наиболее высокие значения коэффициентов асимметрии и эксцесса характерны для Со, Cr, Zn, Pb, Be и Li.
