Эколого-геохимические карты

Эколого-геохимические исследования — сравнительно новое направление прикладной геохимии, получившее развитие в конце 70-х гг. XX в. Теоретической основой экологической геохимии стало представление В. И. Вернадского о том, что человеческое общество стало большой геологической силой, по мощности и суммарному эффекту вполне сопоставимой с самыми грандиозными силами природы. Антропогенная деятельность оказывает столь сильное влияние на миграцию химических элементов, что возникает необходимость выделения особой категории геохимических процессов — техногенной миграции (техногенеза). Их изучение приобрело очень большое значение в связи с загрязнением окружающей среды.

Принципиальные возможности использования геохимических методов для изучения и картографирования загрязнения окружающей среды основаны на устойчивых корреляционных связях между источниками загрязнения, миграцией химических элементов в транспортирующих (жизнеобеспечивающих) средах (вода, атмосферный воздух) и их концентрациями в компонентах природной среды, временно депонирующих поллютанты (почвы, снеговой покров, донные отложения, растения). По степени их загрязнения относительно фоновых аналогов или каких-либо нормативов определяется качество окружающей среды.

Объектом эколого-геохимического картографирования является природно-хозяйственная система (ПХС) — территория, выделяемая по признаку единства выполняемых социально-экономических функций и однородности природных условий и антропогенного воздействия (Э. К. Буренков и др., 1998).

Методика экологической геохимии в основном заимствована из геохимических методов поисков полезных ископаемых. Считается, что моделью загрязнения окружающей среды от локального источника может служить разрушающееся рудное месторождение с характерными для него ореолами рассеяния. Именно поэтому в течение длительного времени изучались распределение и миграции небольшого числа химических элементов, главным образом тяжелых металлов, которые, кроме того, обладают большой индикационной значимостью. В современной экологической геохимии рассматриваются особенности поведения более широкого круга элементов (например, биофилов), причем как в связанных, так и в подвижных формах, и соединений (нефтепродуктов, пестицидов и др.).

Технология эколого-геохимического картографирования базируется на ряде основополагающих принципов. Прежде всего это иерархический подход, обусловливающий определенную этапность съемок и последовательное укрупнение их масштаба. Основная часть исследований проводилась в организациях системы Министерства геологии СССР, поэтому эколого-геохимические съемки унаследовали стадийность геологоразведочных работ (С. Б. Самаев, С. Б. Соколов, 2004): мелкомасштабные — региональные работы (1:1 000 000 — 1:500 000); среднемасштабные (1:200 000 — 1:100 000); крупномасштабные (1:50 000 — 1:25 000); детальные (1:10 000 и крупнее).

Региональное эколого-геохимическое картографирование проводится для оценки характера и интенсивности воздействия на окружающую среду крупных промышленных агломераций и отдельных особо крупных источников загрязнения (нефтяных бассейнов и др.) в целях перспективного планирования природоохранной деятельности на региональном уровне. В этом масштабе изучаются ПХС в ранге зон и областей, площадь которых составляет десятки — сотни тысяч км2.

Среднемасштабное картографирование проводится в целях выделения районов и узлов техногенного загрязнения, вызываемого территориально-промышленными комплексами, занимающимися площади от нескольких сотен до нескольких тысяч км2.

Картографирование крупного и детального масштабов выполняется для оценки качества окружающей среды территорий с различными видами хозяйственного освоения и специализацией (урбанизированных, сельскохозяйственных, горнорудных и др.), прежде всего, в районах с критической и чрезвычайной экологической обстановкой. В этом масштабе исследуются ПХС ранга полей, округов, очагов, выделов, площадок, источников, площадь которых составляет сотни км2 и менее (Э. К. Буренков и др., 1998).

Информационной базой для создания эколого-геохимических карт служат результаты сопряженного снятия проб с различных компонентов окружающей среды — коренных пород, почв, донных отложений, поверхностных и подземных вод, снегового покрова, атмосферных выпадений, растительности. Отобранные пробы должны представительно характеризовать исследуемую территорию. Существуют специальные требования к плотности сети опробования, различной для всех масштабов.

Так, в масштабе 1:1 000 000 плотность опробования составляет 1 пункт на 100 км2 (шаг пробоотбора — 5 — 10 км). Работы среднего масштаба выполняются с шагом опробования 1 — 2 км (плотность 1 пункт на 4 км2). Исследования крупного и детального масштабов ведутся с шагом 0,25 — 0,5 км (плотность 4 пробы на 1 км2 и более, обычно — 1 проба на 1 см2 карты соответствующего масштаба). В процессе детализации эколого-геохимической съемки не только увеличивается плотность сети опробования, но и расширяется перечень опробуемых объектов (Э. Б. Буренков и др., 1998).

Наиболее многочисленны и разнообразны карты крупного и детального масштабов главным образом урбанизированных территорий. Это связано как с длительностью изучения городов (например, в Москве эколого-геохимические исследования ведутся с 1976 г.) и соответственно большим объемом накопленного материала, так и с разнообразием тем и сюжетов, которое обеспечивает урбогеосистема как объект картографирования.

На эколого-геохимических картах обычно отображается либо распределение химических элементов и соединений в различных средах, либо оценка эколого-геохимической ситуации по разным критериям. Таким образом, в качестве классификационного признака можно рассматривать компонент окружающей среды, в котором изучается распределение элемента. Наиболее распространены почвенно-геохимические карты, что связано как с особой ролью почвы в ландшафте (она находится на пересечении всех миграционных потоков химических веществ и чутко реагирует на изменение экологической ситуации), так и с ее высокой информативностью как депонирующей среды при выявлении стабильной картины загрязнения.

Исходя из содержания карт, целесообразно их разделить на три группы: моноэлементные; полиэлементные; карты оценки эколого-геохимической ситуации.

На моноэлементных картах посредством изолиний отображается пространственное распределение содержаний химического элемента в определенном компоненте окружающей среды. Для повышения наглядности промежутки между изолиниями закрашивают, пользуясь шкалой послойной окраски, построенной по «принципу светофора». Встречается также монохромная окраска, причем насыщенность цвета усиливается с увеличением концентрации элемента. На черно-белых картах промежутки между изолиниями покрывают штриховкой.

Значения изолиний лучше выбирать так, чтобы они были кратны определенным геохимическим параметрам и нормативам: кларку, местному фону, предельно допустимой концентрации (ПДК) или ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) и др. В случае значительной дисперсии содержаний (например, в почвенном покрове городов) интервалы между изолиниями целесообразно выбирать в соответствии со шкалой логарифмов содержаний элемента.

При построении карт используются различные методы математической интерполяции. В частности, при нерегулярной сети опробования применяются средневзвешенная интерполяция, аналитическая сплайн-интерполяция и др. (О. Р. Мусин, С. Н. Сербенюк, 1987). Не следует ограничиваться каким-либо одним методом математической интерполяции. В зависимости от исследуемого компонента ландшафта, характера опробования, точности комплексного анализа и других условий нужно выбирать подходящий для конкретного случая метод (В. З. Макаров и др., 2002).

Интерполяцию необходимо проводить с учетом пространственных закономерностей (географическая интерполяция). При этом следует принимать во внимание факторы, влияющие на пространственное распределение потоков рассеяния, прежде всего, расчлененность рельефа и расположение источников загрязнения.

В настоящее время построение моноэлементных карт выполняется с использованием компьютерных технологий с помощью как программ широкого применения (Mag, Surfer), так и специализированных (ГЕОСКАН, ГЕОПОЛЕ — разработки ИМГРЭ).

Существует два способа отображения распределения элемента — в абсолютных величинах и в относительных показателях. Карты, отображающие распределение элемента в абсолютных единицах, имеют инвентаризационный характер, в относительных — оценочный.

Для отображения распределения элементов в относительных показателях, как правило, используются геохимические индексы, выражающие отношение концентрации элемента в данной точке опробования к его кларку (кларк концентрации, Кk); местному геохимическому фону (коэффициент концентрации, Кс); ПДК (ОДК) или другому нормативу (коэффициент опасности, Кo или Kпдк)-

Полиэлементные карты показывают распределение группы (ассоциации) элементов. Наиболее распространенный способ картографического отображения ассоциации в почвах селитебных территорий и снеговом покрове — карты суммарного показателя загрязнения, 2С (СПЗ).

Карты СПЗ в почвах селитебных территорий являются одновременно и оценочными, поскольку существует тесная связь между его величиной и состоянием здоровья населения, которая отражена во многих нормативно-методических документах (Методические указания по оценке загрязнения почвы химическими веществами, 1987; Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия, 1992).

В поисковой геохимии часто используются аддитивный (сумма концентраций комплекса элементов) и мультипликативный (произведение) показатели. В экологической геохимии применяются модификации этих показателей. Так, в результате работ в Московской области установлено, что на городских территориях в золе листьев березы интенсивно накапливаются свинец, олово, хром, вольфрам. Одновременно отмечено обеднение растительности марганцем, барием, кобальтом, цинком, никелем, галлием. Для этих элементов был рассчитан мультипликативный коэффициент перераспределения (Кп), представляющий собой отношение произведений коэффициентов концентраций элементов накопления и выноса. Картографирование этого показателя позволило дать оценку состояния окружающей среды, близкую к оценке, полученной по результатам обследования почв и снегового покрова (А. А. Головин и др., 2004).

Наконец, еще одной разновидностью полиэлементных карт можно считать карты, на которых отображено расположение зон повышенных (относительно фона, ПДК) концентраций комплекса элементов.

Карты оценки эколого-геохимической ситуации представлены, прежде всего, картами районирования территории по уровню загрязнения одной или нескольких природных сред. Ранее были изложены принципы определения уровня загрязнения почв в населенных пунктах. Оценка уровня загрязнения почв вне селитебных зон, а также донных отложений, поверхностных вод и атмосферных выпадений проводится на основе двух показателей: величины Zc и степени превышения гигиенического норматива содержания отдельного химического элемента — ПДК, ОДК, временной допустимой концентрации (ВДК), ориентировочного безопасного уровня воздействия (ОБУВ). Учитывается также класс опасности элемента (А. А. Головин и др., 2004). Обычно выделяют пять уровней загрязнения. На карте различные уровни загрязнения показывают способом качественного фона, используя либо цвет, либо штриховку.

Интегральные карты оценки экологической обстановки в случае проведения исследований по одной природной среде фактически дублируют карты уровней загрязнения. При картографировании загрязнения нескольких природных сред экологическая обстановка определяется по наиболее негативной оценке загрязнения. Минимальный уровень загрязнения всех природных сред отвечает удовлетворительной экологической обстановке; слабый уровень хотя бы по одной природной среде — напряженной обстановке; средний — критической; сильный — кризисной; максимальный — катастрофической экологической обстановке (А. А. Головин и др., 2004).

Экологическая обстановка на карте также обычно показывается штриховкой или цветом. Рекомендуется использовать «принцип светофора»: удовлетворительная обстановка — зеленый цвет, напряженная — желтый, критическая — оранжевый, кризисная — розовый, катастрофическая — красный. На картах в эпицентрах неблагоприятной экологической обстановки приводятся ассоциации химических элементов и соединений, определяющих наибольшие уровни загрязнения.

С помощью эколого-геохимического картографирования можно дополнительно получить ряд важных характеристик территории. К ним относятся типы загрязнения территории и оценка его динамики. Условия и время формирования загрязнения определяются типами загрязнения компонентов природной среды и оцениваются на основе сопоставления уровней загрязнения почв и атмосферных выпадений в снеговом покрове. Это сопоставление позволяет сделать предварительный прогноз развития экологической обстановки. Выделяют три типа загрязнения: реликтовое, или остаточное; устойчивое, или длительное; современное, или молодое.

Реликтовый тип проявляется только в почве, это означает, что техногенное загрязнение сформировалось в предыдущий период за счет промышленных источников, которые уже перестали функционировать. На таких участках можно прогнозировать стабильное состояние или даже некоторое улучшение экологической обстановки.

Устойчивый тип проявляется как в почвах (депонирующая среда), так и в атмосферных выпадениях (транспортирующая среда). Следовательно, территория находилась ранее и находится в настоящее время в зоне техногенного воздействия. Здесь можно ожидать сохранения или ухудшения сложившейся экологической ситуации.

Современный тип загрязнения фиксируется в том случае, если загрязнен только снеговой покров, т.е. на территорию воздействуют недавно появившиеся техногенные источники. Их влияние на почву еще не успело проявиться, но скажется в будущем. Поэтому на таких территориях следует ожидать ухудшения экологической обстановки за счет загрязнения почв.

При проведении нескольких циклов эколого-геохимического картографирования определенной территории можно выявить динамику загрязнения компонентов природной среды и на ее основе дать прогноз развития экологической ситуации. На территории Москвы эколого-геохимические исследования проводились трижды начиная с 70-х гг. XX в. Длительная и интенсивная хозяйственная деятельность привела к тому, что более чем на 50% площади города сложилась неблагоприятная экологическая обстановка; около 25% территории характеризуется очень неблагоприятной обстановкой.

Вместе с тем следует обратить внимание на тот факт, что если в 1987 г. по сравнению с 1977 г. площадь сильного загрязнения (Zc > 32) возросла с 24 до 77% всей площади города, то к 1993 г. она вновь сократилась до 26%. Однако площади участков максимального загрязнения (Zc > 128), возросшие в 1987 г. по сравнению с 1977 г. с 3 до 7%, в 1993 г. практически не уменьшились (6%), что свидетельствует о полной деградации почв, потерявших на этих участках способность к самоочищению (Э. К. Буренков и др., 1998).

В настоящее время методология создания региональных эколого-геохимических карт развивается в рамках нового направления геохимических исследований — многоцелевого геохимического картографирования (МГХК).

МГХК направлено на решение ряда задач: изучение геохимической специализации геологических комплексов, прогноз полезных ископаемых, агрогеохимическое районирование территорий, разработка геохимических основ рационального природопользования и др. Среди них особое место занимает оценка экологического состояния территорий, характера и интенсивности изменения окружающей среды, загрязненной токсичными химическими элементами и соединениями. По результатам МГХК на основе ГИС-технологий разрабатывается комплект карт, включающий ландшафтно-геохимическую, прогнозно-геохимическую, эколого-геохимическую, агрогеохимическую карты, карту геохимической специализации и геохимическую основу карты рационального природопользования.

Исходные данные для решения задач МГХК получают в процессе полевых работ, заключающихся в площадном сопряженном геохимическом опробовании компонентов природно-геологической среды (ПГС) — коренных пород, почв, донных отложений, поверхностных и подземных вод, растений, приземной атмосферы, пылевых выпадений.

Производство МГХК, в том числе технологии подготовительных, полевых, аналитических и камеральных работ, подготовка отчетных материалов, включая итоговые геохимические карты, регламентируется Требованиями к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования (ИМГРЭ, 1999; 2001). Данные нормативные документы содержат также унифицированные легенды комплекта карт.

Цель создания эколого-геохимической карты масштаба 1:1 000 000 — получение картографической модели структуры загрязнения и экологического состояния территории. Данная карта позволяет решать следующие задачи:

— установление характера и степени загрязнения компонентов ПГС определенными токсичными элементами и соединениями;

— районирование территории по степени экологической опасности и характеру ущерба, наносимого природной среде загрязнением ее компонентов токсичными элементами и соединениями;

— экологическая оценка природного потенциала конкретной территории.

Карта составляется на основе информации, содержащейся на ландшафтно-геохимической карте, картах функционального зонирования и интегральных геохимических аномальных полей.

Технология создания эколого-геохимической карты включает следующую последовательность операций:

1) отображение пространственной дифференциации картографируемой территории по геохимическим и хозяйственным особенностям ландшафтов;

2) выделение по каждому опробованному компоненту ПГС зон загрязнения — аномально высоких содержаний химических элементов и соединений, оценка эколого-геохимического состояния компонентов природной среды;

3) совмещение на одной основе зон загрязнения по всем опробованным компонентам ПГС, редактирование контуров с учетом ландшафтно-геохимических и функциональных границ;

4) оценка экологического состояния территорий и характера ущерба, наносимого природной среде загрязнением ее компонентов токсичными элементами;

5) раскраска контуров карты по экологическому состоянию территорий;

6) расчет геохимических характеристик для территорий, состояние которых оценивается как неудовлетворительное.

Уровень загрязнения компонентов природной среды оценивается по ряду показателей: степени превышения ПДК токсичных элементов, суммарному показателю загрязнения, мощности экспозиционной дозы и др. В качестве показателя степени экологического состояния (неблагополучия) приняты нормативы, изложенные в Критериях оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, 1992).

Эколого-геохимическое состояние компонентов природной среды формирует экологическую обстановку, которая может быть удовлетворительной, напряженной, критической и чрезвычайной. Удовлетворительная экологическая обстановка характеризуется допустимым содержанием загрязнителей во всех компонентах природной среды; напряженная — умеренно опасным содержанием загрязнителей хотя бы в одном из компонентов при их допустимом содержании в остальных компонентах; критическая — опасным содержанием загрязнителей хотя бы в одном из компонентов при допустимом или умеренно опасном их содержании в остальных; чрезвычайная — высокоопасным содержанием загрязнителей хотя бы в одном компоненте ПГС, при допустимом, умеренно опасном или опасном их содержании в остальных компонентах.

Геохимическая характеристика территорий, экологическое состояние которых оценивается как неудовлетворительное, складывается из геохимических показателей, отражающих состав, структуру, интенсивность и объем загрязнения. Полные характеристики зон загрязнения приводятся в кадастре, помещаемом в зарамочном поле карты или в объяснительной записке.

Эколого-геохимическая карта состоит из семи слоев. Первым слоем является топографическая основа, на втором буквенными индексами выделяются территории, районированные по геохимическим и хозяйственным особенностям ландшафтов.

Слои 3-6 (их количество может меняться в зависимости от количества опробованных компонентов ПГС) отражают содержание токсичных элементов и состав загрязнителей, выявленных в конкретном компоненте ПГС. В зависимости от компонента ПГС аномалии отображаются черными контурами с черной внутренней штриховкой различного наклона. Густота штриховки отражает уровень содержания загрязнителей внутри контура. Состав загрязнителей указывается рядом с контуром зоны загрязнения в виде ранжированного ряда индексов химических элементов, цвет которых указывает на компонент ПГС, в котором выявлено загрязнение. На карте указывается не более трех элементов-загрязнителей с максимальными значениями коэффициента концентрации.

Седьмой слой карты отражает комплексную оценку экологического состояния и характер ущерба. В зависимости от степени неблагополучия экологического состояния территории закрашиваются определенным цветом. Каждая территория, экологическое состояние которой оценивается как неудовлетворительное, нумеруется арабскими цифрами в направлении от северо-западного угла картографируемой территории к юго-восточному, номер ставится внутри территории в ее западной или северо-западной части.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.