Картографирование загрязнения окружающей среды

1. Картографирование загрязнения атмосферы

2. Картографирование загрязнения вод суши

3. Картографирование физического загрязнения

4. Картографирование загрязнения почв, снежного покрова и донных отложений

5. Составление эколого-геохимических карт

6. Анализ эколого-геохимических карт

7. Картографирование геодинамических процессов

8. Картографирование последствий геолого-геоморфологического загрязнения

9. Биоэкологическое картографирование

10. Медико-географическое картографирование

11. Подходы к картографированию устойчивости ландшафтов

12. Легенды комплексных экологических карт

1 Картографирование загрязнения атмосферы. Атмосфера как наиболее динамичная среда характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровней содержания примесей. В каждый данный момент времени уровень загрязненности атмосферы над некоторой территорией или в той или иной точке определяется балансом по отдельным поллютантам и их совокупности. В приходной части баланса находятся:

1. поступление загрязняющих веществ от совокупности техногенных и естественных источников в пределах рассматриваемой территории;

2. поступление загрязняющих веществ от источников за пределами рассматриваемой территории, в том числе отдаленных (дальний перенос);

3. образование загрязняющих веществ в результате вторичных химических процессов, протекающих в самой атмосфере.

В расходной части баланса находятся:

1. вынос загрязняющих веществ за пределы рассматриваемой территории;

2. осаждение загрязняющих веществ на земную поверхность;

3. разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.

При этом динамика выделения разных веществ часто определяется ходом одних и тех же производственных и естественных (дефляционных, вулканических) процессов. Поля концентраций отдельных ингредиентов непрерывно меняются, причем не только в силу неравномерности поступления поллютантов, но и вследствие турбулентного характера их переноса. Воздушный поток, взаимодействующий с неровной подстилающей поверхностью, носит не стационарный, а квазипериодический характер, что проявляется в попеременном усилении и ослаблении циркуляции вокруг зданий и иных неровностей, с периодическим формированием и срывом вихрей с их подветренных кромок. Поэтому в каждой точке, на каждой территории ход концентраций отдельных ингредиентов и общего уровня загрязненности имеет некоторую специфику.

Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для разных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концентрации разных веществ обычно меняются относительно согласованно, подчиняясь одним и тем же временным и пространственным закономерностям.

Выделение загрязняющих веществ от техногенных источников усиливается:

1. с ростом числа работающих единиц производственного оборудования и транспортных средств, увеличением интенсивности их работы;

2. при ухудшении технического состояния и авариях;

3. при неэффективной работе или отключении очистного оборудования.

Интенсивность поступления и выноса загрязняющих веществ зависит от скорости ветра и характера атмосферной стратификации; интенсивность самоочищения — от температуры, влажности, интенсивности ультрафиолетового излучения, шероховатости подстилающей поверхности. При этом тенденции загрязнения атмосферы для территорий в целом и отдельных их частей могут не совпадать. Так, при устойчивых сильных ветрах снижение загрязненности воздушного бассейна городской территории может сопровождаться локальным ростом в пригородной местности, с подветренной стороны от города.

Сочетание естественных факторов, обусловливающих высокий уровень загрязнения, образует потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Степень реализации потенциала загрязнения атмосферы зависит от наличия и мощности источников загрязнения.

Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы складывается из:

1. картографирования потенциала загрязнения атмосферы;

2. картографирования источников загрязнения;

3. картографирования уровней загрязнения.

С эколого-гигиенической точки зрения наибольший интерес для картографирования представляют следующие характерные уровни загрязнения атмосферного воздуха:

1. средний годовой (многолетний) уровень, который формируется при наличии динамического равновесия между эмиссией и рассеянием атмосферных загрязнений;

2. уровень загрязнения, складывающийся при сочетании обычного (или скорректированного согласно плана мероприятий при НМУ) режима работы предприятий — источников загрязнения атмосферы, и неблагоприятных для рассеяния метеоусловий (5% повторяемости, согласно действующей системы экологического нормирования);

3. уровень загрязнения, который может возникнуть при аварийном выбросе от потенциально опасного объекта при определенных заданных (обычно неблагоприятных) метеоусловиях;

4. фактически существующий текущий уровень загрязнения.

Картографирование потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) проводится на основе данных стационарных метеорологических на­блюдений, в мелких и средних масштабах. Величина ПЗА показы­вает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферного воздуха в конкретном районе, с определенной повторяемостью неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологических условий (НМУ), будет выше или ниже, чем в некотором другом районе, принятом за эталон.

Поскольку состояние атмосферы претерпевает как внутри-, так и межгодовые изменения, различают климатический и метеорологический потенциал загрязнения атмосферы. Климатический ПЗА отражает среднюю повторяемость и степень выраженности НМУ, определяется исходя из средних многолетних характеристик и яв­ляется стабильной характеристикой.

Метеорологический потенциал загрязнения атмосферы (МПА) определяется конкретными метеоусловиями и постоянно изменяет­ся. Поскольку климатический и метеорологический потенциалы загрязнения атмосферы обладают повсеместным распространением и характеризуются количественно, для их картографирования используется способ изолиний.

Климатический потенциал загрязнения атмосферы зависит от основных к лиматических параметров, определяемых за длительные промежутки времени. Для расчета климатического ПЗА требуются данные аэрологических наблюдений, выполняемых в весьма ограниченном числе пунктов. Так, на территориях, где преобладают низкие источники выбросов и высокие с холодными выбросами, климатический ПЗА может быть рассчитан по формуле:

ПЗА = 2,5 • exp.{[0,04/(z₂ – z₁)²] - [0,4/(z₂ – z₁)]} (1),

где z_l и z₂ — аргументы интеграла вероятности Ф(z),при которых Ф(z) связан с Р₁ и Р₂ соотношениями

Ф(z₁) = 1 - 2Р₁; Ф(z₂) = 1 - 2Р₂, (2)

В свою очередь:

P₁ =P_ин⁺Р_сл - P_з + P_т; P₂ = P_з + P_т, (3)

где P_ин — повторяемость приземных инверсий; Р_сл — повторяемость слабых ветров (0—1 м/с); P_з — повторяемость застоев возду­ха; P_т — повторяемость туманов.

Картографирование ПЗА включает вычисление его значений для метеостанций, с использованием соответствующих формул, и географическую интерполяцию, с вычерчиванием изолиний. При мелкомасштабном картографировании климатического ПЗА выявляется влияние циркуляционных особенностей глобального и регионального масштаба, воздействие крупных форм рельефа. На территории бывшего СССР было выделено пять зон: низкого, умеренного, повышенного, высокого и очень высокого ПЗА.

Метеорологический потенциал загрязнения атмосферы (МПА) характеризуется значительно большей пространственной и временной изменчивостью и является предметом среднемасштабного картографирования. Для определения МПА используются параметры, определяемые на значительно большем числе метеостанций. Для определения МПА была предложена формула Т. Г. Селегей:

МПА = (Р_сл+Р_т)/(Р_о + Р₁), (4)

где Р_сл — повторяемость слабых ветров (0—1 м/с); Р_т — повторяемость дней с туманом; Р_о — повторяемость дней с осадками 0,5 мм и более; Р_в — повторяемость скорости ветра 6 м/с и более.

Карты МПА могут создаваться для средних многолетних характеристик того или иного месяца (или иного интервала), осредненных величин за конкретный отрезок времени, либо по состоянию на определенные моменты (день и час). При составлении таких карт весьма важно придерживаться географического подхода к интерполяции данных, поскольку величины параметров, определяющих МПА, даже при равнинном рельефе могут различаться в несколько раз, в зависимости от расположения метеостанции на водоразделе, склоне или в долине. При этом данными наблюдений на метеостан­циях обеспечены лишь единицы из многих тысяч конкретных эле­ментов рельефа. В то же время такое картографирование — весьма важная прикладная задача, поскольку позволяет количественно охарактеризовать различия в уровнях загрязнения при одном и том же выбросе, в зависимости от места размещения источника.

Картографирование источников загрязнения атмосферы проводится на основе данных инвентаризаций, статистической отчетности об объемах выбросов и обобщающих материалов. Данные инвентаризаций получают при разработке материалов экологического нормирования (тома ПДВ предприятий, материалы ОВОС) на генеральных планах предприятий, в масштабах 1:500—1:5000. При этом показывается плановое положение источников выбросов, включенных в инвентаризацию, и их номера по списку. Характеристика источников (наименование, удельные выбросы отдельных ингредиентов в г/с, режим работы источника) дается в табличных материалах и исполь­зуется для расчетов рассеяния максимальных разовых выбросов.

Картографирование на основе данных статистической отчет­ности (форма 2-ТП (воздух)) выполняется в крупных масштабах (1:25 000—1:50 000), для территорий городов и их частей. При этом для показа объемов и структуры выбросов обычно используются структурные значки. Размер знака должен соответствовать суммарной величине выбросов, а внутренняя структура — раскрывать состав выброса по основным ингредиентам.

Картографирование на основе обобщающих материалов по городам и крупным регионам выполняется в средних и мелких масштабах, обычно с использованием соответственно значков и картограмм. Вследствие ряда причин информативность подобных карт обычно бывает невысока.

Во-первых, при картографировании суммарных выбросов по городам и регионам, как правило, ограничиваются арифметическими суммами выбросов по всем веществам, без учета различий в степени их экологической опасности. Между тем для таких распространенных веществ, как оксид углерода и 3,4 бенз(а)пирен, величины ПДК_мр различаются в 5 млн раз, ПДК_сс — в 3 млн раз (!), т.е. 1 кг бенз(а)пирена эквивалентен 3—5 тыс. т оксида углерода. Поэтому информативными оказываются не абсолютные, а приведенные (с учетом различий значений ПДК) суммы выбросов. Как видно из сопоставления рис. 15 и 16, учет состава и степени токсичности выбросов существенно меняет картину в сравнении с простыми суммами.

Во-вторых, до сих пор широко распространено картографирование таких географически бессмысленных показателей, как выбросы в расчете на одного жителя или на единицу площади. Между тем очевидно, что ни численность населения, ни площадь территории на интенсивность рассеяния и самоочищения не влияют. Нормирование выбросов на единицу площади бессмысленно потому, что не учитывает трансграничный перенос.

Повысить информативность мелкомасштабных карт выбросов может использование структурных значков и картодиаграмм, с ориентацией на приведенные выбросы. Приведение обычно осуществляется к диоксиду серы через соотношение величин ПДК.

Картографирование уровней загрязнения атмосферы выполняется для разных временных интервалов.

Долговременное (осредненное за длительный период) загрязнение воздуха может быть охарактеризовано по прямым или косвенным данным.

Число постов в городах зависит от их населения и объемов промышленных выбросов и составляет от 1 до 10-20. Из-за ограниченности числа постов при картографировании по прямым данным интерполяция выполняется схематично, практически без учета планировочной структуры городов. Необходимо также отметить, что сопоставление характеристик загрязнения по разным постам не всегда бывает корректным вследствие разнообразия условий размещения постов. Посты могут размещаться вблизи предприятий и промышленных зон, на автомагистралях, в жилых и зеленых зонах и т.д., причем количество функциональных зон каждого типа намного превышает число приуроченных к ним постов. Это позволяет решить задачу получения общегородских характеристик, дифференцированных по функциональным зонам, но делает весьма проблематичной возможность интерполяции между постами. Расстояние между постами в городах обычно бывает порядка километров, и функциональные зоны между ними сменяют друг друга неоднократно.

Косвенными данными, позволяющими оценивать долговремен­ное загрязнение воздуха, являются материалы лихеноиндикации, а также результаты картографирования загрязнения почв. Твердые вещества, загрязняющие почвы, и газообразные соединения, загрязняющие атмосферу, часто выделяются из одних и тех же источников.

Кратковременное загрязнение воздуха при неблагоприятных метеоусловия контролируется в крупных городах значительно более полно, чем долговременное, так как на решение этой задачи направлены подфакельные наблюдения и. контроль санитарно-защитных зон предприятий. Обобщение материалов подфакельных и ведомственных наблюдений позволяет охарактеризовать кратковременное загрязнение воздуха при НМУ в крупном масштабе, по прямым данным. При этом важнейшее значение приобретает анализ условий возникновения высоких концентраций поллютантов, а также картографирование этих концентраций и условий их возникновения.

Неблагоприятные для рассеяния выбросов метеоусловия могут формироваться как в городе в целом, под воздействием макроме-теорологических процессов, так и на локальных участках вследствие влияния мезо- и микрометеорологических процессов.

В первом случае определяющими факторами являются повторя­емости приземных и приподнятых инверсий, слабых ветров, зас­тоев воздуха, туманов, составляющие в совокупности потенциал загрязнения атмосферы. Наличие этих условий приводит к формированию над городом шапки загрязненного воздуха, в пределах которой перепады концентраций относительно невелики.

Во втором случае речь идет о локальном повышении приземных концентраций при опасной скорости ветра, величина которой растет по мере удаления от источника загрязнения. В зависимости от скорости и направления ветра зоны максимальных приземных концентраций от конкретных источников постоянно смещаются. Положение точки по отношению к источникам загрязнения атмосферы определяет, какое сочетание скоростей и направлений ветра является для этой точки опасным. Поэтому понятие неблагоприятных метеоусловий для города в целом может быть не вполне однозначно. В связи с этим карта, представляющая максимальное загрязнение воздуха в городе, должна характеризовать не определенную неблагоприятную ситуацию, а их совокупность.

Такая общая карта должна быть расчленяема по конкретным метеорологическим ситуациям (в первую очередь — сочетаниям скоростей и направлений ветра), в целях разработки профилактических мероприятий, применительно к этим ситуациям. Необходимая для этого метеорологическая информация заимствуется из данных метеостанции того же города. Вычисляются средние значе­ния концентраций отдельных ингредиентов и величины ИЗА для сочетаний направлений и интервалов скоростей ветра (до 2 м/с, 3-4 м/с, 5—6 м/с и т.д.).

Этот подход может быть реализован по материалам мониторинга и в рамках математического моделирования. Соче­тание обобщающих карт (ИЗА при неблагоприятных метеоусловиях) и поингредиентных, составленных аналогично, позволяет проанализировать структуру атмосферных проблем по районам урбанизированной территории. Результатом такого анализа должна становиться конкретизация понятия неблагоприятных метеоусловий по районам города, ингредиентам и, соответственно, источникам загрязнения атмосферы.

Расчетные значения уровней загрязнения атмосферного воздуха при неблагоприятных условиях 5%-ной повторяемости получаются при выполнении расчетов согласно типовой методики ОНД-86. При этом следует иметь в виду, что данная методика не предусматривает учет конкретных метеорологических ситуаций. «Опасные» направления и скорости ветра для разных точек неодинаковы. Поэтому расчет по методике ОНД-86 создает картину распределения уровней загрязнения, которая может сложиться не единовременно, а как совокупность экстремальных значений, возможных в разных точках в разное время.

2 Картографирование загрязнения вод суши. Концентрации различных загрязняющих веществ, присутствующих в водной среде, характеризуются сложной временной динамикой и зависят от:

─ интенсивности поступления в водоемы;

─ скорости процессов самоочищения и осаждения;

─ объема водной массы, характера и скорости ее движения.

Каждый из перечисленных факторов загрязнения относительно независим от других и обладает собственной динамикой. Загрязняющие вещества поступают в водоемы со сточными водами от промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунально-бытовой сферы, с поверхностным стоком за счет смыва с загрязненных территорий, при осаждении из атмосферы, от вторичных химических процессов трансформации поллютантов, от естественных источников.

Объемы сточных вод определяются ходом процессов их образования и накопления на предприятиях и в быту. Особенностью процессов загрязнения водных объектов является резкая изменчивость, связанная с возможностью залповых сбросов из емкостей-накопителей, как технологически обусловленных, так и аварийных.Смыв с загрязненных территорий также крайне неравномерен во времени и происходит при стоке дождевых и талых вод, а также во время паводков. Осаждение из атмосферы определяется присутствием в ней осаждающихся (вымывающихся) примесей и наличием соответствующих метеорологических условий.

Интенсивность процессов самоочищения зависит от состояния экосистемы водоема, температуры воды и скорости течения. Объе­мы воды в водных объектах зависят от комплекса гидрологических факторов и характеризуются внутри- и межгодовой изменчивостью. Поэтому уровни загрязнения водных объектов в разных регионах изменяются по сезонам неодинаково, в зависимости от гидрологического режима, а также характера загрязнения и его источников. Формирование сравнительно повышенных уровней загрязнения отмечается в следующих случаях:

─ при относительно стабильном поступлении загрязнения и пониженном расходе воды, в условиях низкой летней или зимней межени;

─ при массированном поступлении загрязнений (в том числе взвешенных частиц) с поверхностным стоком, во время весенних и дождевых паводков;

─ при залповых сбросах, вне зависимости от состояния водоема.

В последнем случае последствия определяются как масштабами сброса, так и интенсивностью самоочищения. Известно, что последствия аварийных сбросов многократно усугубляются, когда их воздействию подвергаются холодные воды умеренного пояса зимой либо арктического и субарктического поясов в любой сезон.

Нормирование загрязнения гидросферы базируется на гигиеническом принципе. Предельно допустимые концентрации устанавливаются, исходя из минимальных возможностей вредных воздействий. Но вредные воздействия на человека или ихтиофауну достаточно часто бывают связаны не только с техногенными, но и с природными причинами. Едва ли не в любом геохимическом ландшафте имеет место дефицит одних элементов и избыток других.

С другой стороны, известно, что для водной среды ПДК тяжелых металлов установлены по валовым содержаниям, тогда как токсичны лишь свободные ионы. В результате по ряду веществ ПДК фактически установлены на уровне природного фона или даже ниже его, что искажает картину распределения уровней загрязнения и затрудняет использование интегральных показателей качества воды.

Картографирование самоочищения поверхностных вод может выполняться на качественном или количественномуровне исследования. Первое используется в мелко- и среднемасштабных, оценочных работах, выполняемых для больших территорий. Второе становится возможным при крупномасштабных исследованиях, посвященных анализу конкретных ситуаций, прогнозированию последствий возможных и реальных случаев загрязнения.

Качественное картографирование условий самоочищения включает подразделение водных объектов на ряд категорий по параметрам, определяющим условия самоочищения:

─ интенсивности перемешивания;

─ температурам воды в летние месяцы;

─ условиям разбавления загрязняющих веществ.

Интенсивность перемешивания воды в реках зависит от турбулентности потока, что, в свою очередь, контролируется характером рельефа и донных отложений. По этим условиям реки подразделяются на равнинные, предгорные (низкогорные) и горные; им соответствует слабая, средняя и сильная интенсивность перемешивания. По температурным характеристикам выделяется три категории рек со средними температурами в летнее время до 15°, 15-20°, выше 20°.

Сочетание характеристик перемешивания и температур позволяет выделить четыре категории условий самоочищения за счет трансформации загрязняющих веществ: благоприятные, относительно благоприятные, средние, неблагоприятные.Условия разбавления загрязняющих веществ определяются по среднегодовым расходам воды; по этому показателю реки подразделяются на шесть категорий. По сочетанию условий трансформации поллютантов и разбавления выделяется шесть градаций интегральных условий самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно хорошие, средние, плохие, очень плохие.

Для озер основной фактор перемешивания воды — ветровое волнение. Оно оценивается через показатель относительной мелководности, определяемый как отношение средней ширины или (для изометричных водоемов) квадратного корня из площади к средней глубине.

По сочетанию этого показателя и средних температур за летние месяцы выделяются те же четыре градации условий трансформации поллютантов, что и для рек. В качестве показателя условий разбавления загрязняющих веществ для озер используется их объем (шесть градаций).

По сочетанию условий трансформации и разбавления поллютантов для озер выделяются те же шесть градаций интегральных условий самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно хорошие, средние, плохие, очень плохие.Градации, выделяемые по указанным признакам, относятся к довольно крупным регионам, что позволяет решать задачи мелкомасштабного картографирования.

Для передачи указанных характеристик самоочищения применяют линейные знаки (для рек) и ареалы (для водоемов), с использованием на многокрасочных картах «принципа светофора»: оттенков зеленого, желтого и красного цветов, сменяющих друг друга по мере ухудшения условий. На черно-белых картах используются штриховки, густота которых увеличивается по мере ухудшения условий.

Количественное картографирование самоочищения выполняется при крупномасштабных работах и базируется на прогнозе на основе известных зависимостей скоростей трансформации конкретных веществ от температуры среды.

При количественном картографировании предметом изображения являются не параметры самоочищения (их перевод из табличной формы в картографическую, с учетом температурных характеристик, возможен, но обычно нецелесообразен), а прогнозируемые результаты процессов самоочищения. Рассчитывается распространение веществ от мест их поступления в реку к опреде­ленным датам и ожидаемые концентрации по створам.

Наиболее эффективным средством решения такой задачи является математическое моделирование потоков загрязнений с визуализацией результатов методом графической визуализации.

Экологическое состояние водоемов складывается в результате взаимодействия факторов самоочищения и техногенной нагрузки и определяется, главным образом, путем стационарных и экспедиционных исследований. Показатели экологического состояния водоемов включают значительное число гидрохимических и гидробиологических характеристик. Для водоемов, используемых в хозяйственно-питьевых и рекреационных целях, установлено 11 основных показателей состава и свойств воды (содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и привкусы, окраска, температура, рН, минерализация, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание бактерий, содержание токсичных веществ),в том числе ПДК для 420 веществ.

Для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, установлено девять основных показателей состава и свойств воды (содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и при­вкусы, окраска, температура, рН, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание токсичных веществ),в том числе ПДК для 72 веществ.

В биоэкологических исследованиях используются характеристики видового разнообразия, наличия и доли индикаторных видов. Роль индикаторных организмов могут выполнять виды, наиболее чувствительные к загрязнению и (чаще) малочувствительные к нему — сапробионты.

Для целей картографирования чаще всего используется индекс загрязненности воды (ИЗВ). В качестве косвенных характеристик, относящихся к техногенной нагрузке на бассейны, используются данные об объемах и структуре сточных вод, в том числе отнесенные к единице площади бассейна или к объему стока воды.

Информационные источники и методы картографирования за­грязнения поверхностных вод различны для карт разных масштабов. Для создания обзорных мелкомасштабных карт линейными знаками (для рек) и ареалами (для озер и водохранилищ, выражающихся в масштабе карты) характеризуются классы качества воды для протяженных участков крупных рек и озер, структурными знаками — уровни и состав загрязнения, объемы и состав сбросов, картограммами — техногенная нагрузка на речные бассейны. При более детальном картографировании линейные знаки, характеризующие качество воды, дифференцируются по веществам.

При средне- и крупномасштабных исследованиях данные, заимствованные из статистических источников, целесообразно дополнять расчетными характеристиками диффузного загрязнения от сельскохозяйственных источников и сельских населенных пунктов, с использованием коэффициентов разбавления (КР).

При изучении диффузного загрязнения от источников в сельской местности картографируемая территория подразделяется на водосборные бассейны определенного порядка, в зависимости от масштаба исследования. Так, при картографировании масштаба 1:200 000 целесообразно выделение бассейнов третьего порядка(по Стралеру-Философову), а также оконтуриваемых ими межбассейновых пространств(территорий, относящихся непосредственно к бассейну основной реки или к бассейнам более низкого порядка, чем рассматриваемый). В пределах каждого бассейна путем анализа картографических источников и статистических данных определяют все действующиеисточники загрязнения поверхностных вод: населенные пункты, животноводческие комплексы и фермы, промышленные и коммунально-бытовые предприятия, места размещения сельскохозяйственной и транспортной техники.

Отдельно учитываются и обозначаются на карте потенциально опасные объекты: нефтепромыслы, трубопроводы, хранилища пестицидов, удобрений, горючего и др. Объемы и состав сточных вод от действующих источников определяются по укрупненным нормативам водоотведения. Для потенциально опасных источников может быть указана территория, подвергавшаяся их воздействию в прошлом (при наличии данных об имев­ших место авариях) либо могущая быть загрязненной (при наличии соответствующих расчетов).

Для определения коэффициентов разбавления объемы сточных вод от всех источни­ков в пределах бассейна делят на сток воды в замыкающем створе за ту же единицу времени. Сведения о стоке воды могут быть получены из данных Государственного водного кадастра (Многолетние дан­ные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши; Ресурсы поверх­ностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики), а при их отсутствии — из данных региональных гидрологических исследований либо расчетно-графическим путем на основе региональных зависимостей между гидрологическими и морфологическими параметрами. Показатели разбавления могут определяться, исходя из разных величин расходов воды в замыкающем створе: среднегодовых, характерных для определенных фаз водного режима; 95% обеспеченности, как того требуют нормативные документы по установлению предельно допустимых сбросов.

При картографировании показателей разбавления по водосбор­ным бассейнам целесообразно учитывать и отображать на карте с

помощью знаков, картограмм, картодиаграмм не только общий объем, но и состав сточных вод по их происхождению:

─ от промышленных предприятий (с подразделением по отраслям);

─ животноводческих комплексов и ферм;

─ жилищно-коммунального хозяйства;

─ транспортной и сельскохозяйственной техники.

Картографирование загрязнения поверхностных вод на основе данных натурных измерений при экспедиционных исследованиях распространения не получило в силу высокой подвижности водной среды и, соответственно, быстрой изменчивости показателей загрязнения.

3 Картографирование физического загрязнения. К физическим факторам окружающей среды, подверженным трансформации в результате деятельности человека и являющимся предметами гигиенической регламентации, относятся: шумовое загрязнение, электромагнитные и радиационные поля.

Картографирование физических факторов, с одной стороны, облегчается возможностью их непосредственного измерения с помощью соответствующих приборов, с другой — осложняется вследствие высокой пространственной и временной изменчивости. Поэтому физические факторы среды становятся предметами картографирования там, где существуют устойчивые источники соответствующих влияний: в районах радиоактивного загрязнения; в зонах воздействия автомагистралей, аэропортов и других источников шума; вблизи излучателей радиоволн и ЛЭП. Вследствие высокой временной и пространственной изменчивости определяемые и картографируемые параметры относят к некоторым условным моментам (конкретные даты для уровней радиации; утренние часы «пик» для характеристики шумовой нагрузки) и элементам местности (трассы ЛЭП для электрических полей; линии в 7,5 м от оси ближайшей полосы движения при характеристике автотранспортного шума).

Картографирование радиационной обстановки

Карты радиационной обстановки получили широкое распространение после Чернобыльской катастрофы. При этом была использована приборная и методическая база, сложившаяся за долгие годы радиометрических съемок при геологических исследованиях, а также в атомной промышленности и энергетике.

При изучении радиационной обстановки используют полевые и дистанционные методы. Измерение уровней гамма-фона проводится с помощью радиометров (дозиметров), при выполнении наземных маршрутов с заданной густотой расположения точек, либо дистанционно (с летательных аппаратов, оборудованных со­ответствующими приборами).

Единицы измерения радиоактивности. Исходной величиной в системе СИ является беккерель (Бк) — 1 распад в секунду.

Дозой облучения называется количество энергии излучения, переданной тканям организма.

Поглощенные дозы измеряются в греях (Гр), 1 грей равен 1 джоулю на килограмм массы. Однако при одинаковой поглощенной дозе α-излучение в 20 раз опаснее, чем β- и γ-излучение. Скорректированная с учетом этого доза называется эквивалентной дозой, измеряемой в зивертах (Зв).

Широко используются также внесистемные единицы, такие как кюри, бэр, рад.

В кюри (Ки) измеряется количество предстоящих радиоактивных распадов, с учетом количества и изотопного состава радиоактивных веществ, 1 кюри соответствует числу распадов в 1 грамме ²²⁶Ra, равняющееся 3,7-10¹⁰ Бк.

Рад — единица поглощенной дозы: 1 рад = 0,01 Гр.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) — единица эквивалентной дозы: 1 бэр = 0,01 Зв. Безопасной дозой для взрослого человека, подверженного воздействию излучений в связи с профессиональной деятельностью, считается 50 миллизивертов (мЗв) в год. Уровень радиоактивного загрязнения измеряется в Ки/км².

Загрязненной считается территория, содержащая 1 Ки/км² и более.

Рентген — внесистемная единица измерения энергии экспози­ционной дозы ионизирующих излучений, определяемой по иони­зирующему воздействию на воздух. Дозе в один рентген соответ­ствует образование 2,08-10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха при нормаль­ных условиях. Интенсивность излучения чаще всего измеряется в рентгенах в час.

Измерение уровней радиоактивности. В отличие от выбора представительных точек при других видах полевых исследований, измерения гамма-фона обычно проводят в узлах геометрически правильных сеток. В результате выявляется общий уровень радиационного фона (обычно в мкр/ч), обусловленный как естественнымипричинами, так и техногенным загрязнением: выпадением аэрозолей, образовавшихся при ядерных испытаниях и авариях; аномалиями от локальных источников. В пределах выявленных участков повышенного фона для определения их происхождения и степени опасности определяется (на основе отбора и анализа проб) содержание отдельных радионуклидов в поверхностном слое почв, донных отложениях, растительных тканях.

Картографическое представление результатов. Радиационная обстановка обычно характеризуется на картах с использованием способа изолиний. Изолиниями могут передаваться уровни гамма-фона, содержание отдельных радионуклидов, мощность дозы облучения за определенный период. Аномалии, не выражающиеся в масштабе карты, обозначаются значками. В результате исследований изотопного состава радионуклидов создаются карты радиационного загрязнения, на которых характеризуется общее содержание радионуклидов в почвах и донных отложениях, обычно в кюри на км². На упрощенных картах, ориентированных на массовую аудиторию, иногда изображаются ареалы радиационного загрязнения, в том числе без количественной характеристики.

Картографирование шумового загрязнения может проводиться по результатам натурных измерений, на основе расчетных данных либо с использованием сочетаний того и другого. В первом случае используют результаты инструментальных измерений уровней шума шумомерами I или II класса. При этом, поскольку шумы с разными частотами при одинаковой интенсивности оказывают неодинако­вое физиологическое воздействие, измеряют в дБ, нормируют и картографируют эквивалентные уровни звука, т.е. скорректированные с учетом частотных характеристик.

Во втором случае картографирование ведется на основе дан­ных о величине автотранспортной нагрузки, структуре потока, дорожных условиях и характере застройки. Для получения этих данных проводятся наблюдения за напряженностью и структурой транспортных потоков в часы «пик» в рабочие дни недели; при этом фиксируются также дорожные условия, характер застройки и озеленения.

При оценочных работах может использоваться расчетная методика, которая позволяет определить приближенные значения уровней шума в зависимости от численности населения горо­да, уровня автомобилизации (число автомобилей на тысячу жителей) и значимости улиц (магистрали общегородского значения, районного значения и т.д.), с внесением поправок для учета особенностей планировки города, уклона улиц, доли грузового и об­щественного транспорта в потоке. Аналогичными табличными методами определяется шум вблизи железнодорожных и трамвайных линий, аэродромов, судоходных путей.

Сочетание инструментальных и расчетных определений уровней шума включает использование того и другого, в том числе в одних и тех же контрольных точках, в количестве, достаточном для получения статистически значимой выборки. Для учета местных особенностей городской среды проводится расчет уравнений регрессии, связывающих измеренные и расчетные значения уровней шума, и корректировка последних.

Методика создания карт шума при разработке генеральных планов и проектов детальной планировки предусматривает использование линейных знаков и соответственно характеристику только в пределах улично-дорожной сети. Однако расчетная методика предусматривает возможность приближенной характери­стики и внутриквартальных пространств. В этом случае оправдано применение изолиний. На основе изолинейных карт выделяют зоны шумового дискомфорта, в пределах которых превышаются гигие­нические стандарты.

Хотя уровни напряженности электрических и электромагнитных полей являются предметом гигиенической регламентации, публикации по методике составления соответствующих карт единичны. Практикуется способом линейных знаков изображать примерные значения электромагнитных полей вдоль городских улиц, т.е. на оце­ночном уровне охарактеризовать лишь воздействие воздушных ли­ний электропередач. Для локальных источников электромаг­нитных полей (радио- и телепередатчики, локаторы) показывается окружающая зона (сектор), в пределах которой при работе источни­ков превышаются гигиенические стандарты и иногда коли­чественные характеристики напряженности.

Характеристики физического загрязнения на специализирован­ных картах принято изображать в соответствующих единицах изме­рения: дБ, В/м², мкр/ч, Ки/км². При интеграции физических харак­теристик в суммарные показатели антропогенной нагрузки требует­ся нормирование фактических уровней на предельно допустимые, т.е. переход к долям соответствующих ПДУ. Объединение в одном показателе разных видов физических полей не практикуется.

4 Картографирование загрязнения почв и других депонирующих сред. Загрязняющие веще­ства способны сохраняться в почвах многие годы и десятилетия, создавая непосредственную угрозу здоровью населения. Наличие остаточного загрязнения на месте старых промышленных зон, скла­дов, свалок часто становится причиной конфликтных ситуаций при жилищном строительстве и рекреационном освоении территорий, при сделках с недвижимостью. Поэтому в настоящее время в нормативных документах по инженерно-экологическим изысканиям предусмотрено обязательное определение показателей загрязнения почв тяжелыми металлами, ввиду их индикационного значения. В случаях когда их концентрации не превышают фоновых, исследования на предмет других видов загрязнения не проводят.

Загрязнение почв исследуется в двух аспектах:

─ как самостоятельная экологическая проблема;

─ как индикатор общего экологического неблагополучия территорий.

Загрязнение почв как самостоятельная экологическая проблема изучается выборочно, где имеются основания ожидать высоких уровней содержания тех или иных специфических веществ, как правило, высоких классов опасности (радионуклидов, пестицидов, ПАУ и др.). Такие исследования обычно проводятся на ограниченных площадях, они отличаются высокой детальностью (масштабы от 1:10 000 до 1:500) и имеют целью удаление и захоронение выявленных скоплений веществ, представляющих непосредственную опасность. По окончании работ по очистке организуют повторные обследования в целях контроля.

Исследования загрязнения почв, направленные на сравнительную оценку общего уровня экологического неблагополучия территорий (эколого-геохимические съемки), проводятся в крупных и средних масштабах (от 1:200 000 до 1:10 000) и охватывают территории городов и их частей, а в отдельных случаях целых регионов.

Изучение загрязняющих веществ, содержащихся в снеге, позволяет охарактеризовать атмосферные выпадения за конкретный сезон. Отбор снеговых проб целесообразно проводить в конце зимы, чтобы охарактеризовать по возможности более длительный период, но до начала снеготаяния, чтобы избежать выщелачивания растворимых компонентов.

Пробы снега отбирают из шурфов; в состав пробы включается весь извлеченный снег, на всю мощность снежного покрова. Для достоверности результатов важно исключить попадание в пробу частиц подстилающего грунта, мусора и т.п. Поэтому места отбора выбираются вне дорог, троп и других мест, где вероятно попадание механических примесей. При отборе необходимо фиксировать дату и площадь шурфа.

Для получения характеристик интенсивности атмосферных выпадений важно определить абсолютное содержание твердых и растворимых примесей в пробе. Поэтому при обработке проб анализируется весь объем полученной воды и твердого нерастворимого материала. По известной массе твердых (пылевых) частиц определяют величину пылевой нагрузки Р_n (в мг/м² в сут.) по формуле:

, (5)

где Р_о — масса пыли в пробе (мг); S — площадь шурфа (м²); t — время от установления устойчивого снежного покрова (сут.). Аналогичным образом по массе растворенных веществ в пробе определяют интенсивность их выпадения.

Интерпретацию результатов анализа снеговых проб проводят аналогично с почвенными пробами, путем сравнения с фоновыми показателями, с определением поэлементных показателей К_с и суммарных Z_c. Размах колебаний результатов при снеговой съемке значительно выше, чем при почвенной. Поэтому оценочная шкала для снега имеет иные градации:

─ допустимому уровню загрязнения соответствуют значения Z до 64;

─ умеренно опасному — от 64 до 128;

─ опасному — от 128 до 256;

─ чрезвычайно опасному — более 256.

Состав донных отложений отражает геологическое строение, рельеф и экологическое состояние водосборного бассейна. В формировании загрязнения донных отложений велика перераспределяющая роль водного потока. Загрязняющие вещества неодинаково концентрируются в отложениях разного гранулометрического состава. Поэтому при опробовании донных отложений необходимо учитывать фациальные особенности.

Для объективной характеристики водотоков и водоемов рекомендуется отбирать осредненные пробы, состоящие из нескольких частных проб. На небольших и неглубоких водотоках, русло которых слагается однородным материалом, отбирают осредненные по поперечному профилю пробы. На крупных водоемах и водотоках пробы отбирают вблизи уреза воды, в местах видимой ак­кумуляции наносов. При наличии илистых отложений отбирают вертикальные колонки илов, по возможности на всю мощность. При значительных мощностях илов может проводиться изучение их вертикального разреза.

Загрязнение донных отложений оценивается путем сравнения с природным фоном, с определением К_с и Z_c, аналогично оценке загрязнения почв и снега. Важнейшее условие объективности оценок — однотипность фациального состава сравниваемых отложений.

5 Составление эколого-геохимических карт. В результате эколого-геохимических съемок создают моноэлементные карты и карты суммарных показателей загрязнения Z_c. Карты составляются с использованием способа изолиний с послойной окраской или штриховкой (рис. 24). Интерполяция между значениями выполняется с учетом пространственных закономерностей (географическая интерполяция). При этом необходимо учитывать, что в условиях городов и горнопромышленных зон широко распространены поверхности,- которые не могут быть охарактеризованы данными опробования (застройка, асфальтированные поверхности). Во многих случаях такие объекты — источники загрязнения. При расположении вблизи от них точек с высокими значениями К_с соответствующий контур высокого загрязнения распространяют на весь вероятный источник (промышленное предприятие, магистральную улицу) или часть его, но чтобы это не противоречило другим точкам.

Обязательные требования при выполнении интерполяции расположение всех точек, охарактеризованных количественными данными, в пределах контуров соответствующих градаций, а также последовательная смена градаций.Изолинии уровней загрязнения, как и любые другие изолинии, не должны соприкасаться, пересекаться, прерываться. Исключением из этого правила является резкая смена искусственных (преобразованных) и естественных грунтов, с резко различающимися уровнями загрязнения. Участки распространения таких грунтов могут выделяться особо, с использованием способа ареалов. Мелкие аномалии, не выражающиеся в масштабе карты, обозначают значками.

Цветовая гамма послойной окраски подбирается согласно «принципу светофора».

6 Анализ эколого-геохимических карт. На картах загрязнения почв, снежного покрова, донных отложений выделяются техногенные геохимические аномалии различного происхождения, территориального охвата, степени выраженности и опасности. Важнейшая задача анализа эколого-геохимических карт — выявление причин образования аномалий, что служит предпосылкой целенаправленной, адресной разработки планов природоохранных мероприятий. Эта работа должна опираться на сбор и анализ имеющихся в природоохранных органах материалов о технологии производства на предприятиях, составе используемого сырья и отходов.

При анализе эколого-геохимических карт может применяться весь арсенал средств картографического метода исследования:

─ визуальный;

─ графический;

─ картометрический;

─ математико-статистический метод анализа;

─ математическое моделирование;

─ использование приемов теории информации.

Хорошие результаты дает сопоставление эколого-геохимических карт с геологическими, гидрогеологическими и тектоническими, геоморфологическими, микроклиматическими, геоботаническими, ландшафтными, а также картами землепользования. При совместном использовании карт разной тематики определяют и сравнивают эколого-геохимические параметры (средние значения К_с и Z_c, показатели изменчивости) для представленных на картах выделов различного характера. Их сопоставление между собой и с характеристиками, снимаемыми с соответствующих карт, позволяет качественно и количественно оценивать роль различных факторов в формировании техногенных геохимических аномалий.

Наибольшим разнообразием происхождения отличаются педо-геохимические аномалии. Среди них различают: аэрогенные (обусловленные осаждением пылегазовых выбросов), гидрогенные (сформированные загрязненными водами), агрогенные (образовавшиеся вследствие агротехнических воздействий) и вейстогенные (связанные с твердыми отходами).

Для аэрогенных аномалий характерны следующие признаки: поверхностный характер, относительно значительные размеры, постепенность изменения элементного состава и концентраций. При этом максимумы концентраций могут отстоять от источника на расстояние до нескольких километров (от 10 до 40 высот в случае высоких источников горячих выбросов).

В составе аэрогенных аномалий обычно преобладают элементы, отражающие специфику производства на предприятии — источнике загрязнения (легирующие добавки вблизи предприя­тий черной металлургии, профилирующие элементы вблизи предприятий по производству и переработке цветных металлов, ванадий и никель в зонах воздействия тепловых электростанций). На урбанизированных территориях, вне зависимости от производственной специализации, обычно наблюдаются повышенные концентрации элементов, характерных для автотранспортного загрязнения и общераспространенных технофильных (свинец, цинк, медь, марганец).

Гидрогенные аномалии выделяются приуроченностью к поймам рек, днищам оврагов и балок. Для них обычно свойственно значи­тельное участие элементов, характерных для стоков гальванических производств и очистных сооружений (серебро, никель, хром).

Агрогенные аномалии приурочиваются к сельскохозяйственным землям. Для них характерно присутствие фосфора и элементов-примесей, содержащихся в апатитах и фосфоритах (фтор, стронций, иногда также мышьяк, свинец, цинк, редкоземельные) [34].

Вейстогенные аномалии отличаются резкими перепадами состава и концентраций. При их детальном изучении нередко удается выявить частицы — носители загрязнения.

Сопоставление карт загрязнения почв и снежного покрова по­зволяет выявлять характер динамики аномалий. Различают аномалии: реликтовые (выявляются по почвам, но не обнаруживаются по снегу), растущие (выявляются как по почвам, так и по снегу), формирующиеся (выражены в снегу, но отсутствуют в почвах).

Эколого-геохимические параметры многообразны, сложны и далеко не всегда поддаются однозначному объяснению. Анализ эколого-геохимических карт должен не усложнять, а упрощать понимание причин формирования территориальных различий в уровнях загрязненности, указывать на пути решения существующих проблем. Показатель эффективности эколого-геохимического исследования — четкие и конкретные выводы о наличии (или отсутствии) и характере связи между загрязнением и определенными природными и техногенными факторами, с соответствующи­ми практическими предложениями.

Картографирование геолого-геоморфологического загрязнения

Становлению картографирования геолого-геоморфологического загрязнения препятствует и междисциплинарная разобщенность практических работ по изучению процессов на поверхности и в недрах. Между тем очевидна и хорошо известна тесная связь тех и других, выражающаяся в явлениях геоморфогенной изостазии и тектонического предопределения геоэкологических ситуаций [109]. Однако внутреннее единство явления, выражающееся в тесной взаимосвязанности его разнообразных проявлений, не исключает его структурированности. В данном случае элементами структури­рованности являются:

─ лито- и геодинамические процессы (с дальнейшим многоступенчатым подразделением);

─ вещественные результаты геодинамических процессов (отложения, жидкие и твердые включения, нарушения сплошности пород);

─ внешние влияния (последствия) геолого-геоморфологического загрязнения. Ключевая проблема в картографировании всех проявлений геолого-геоморфологического загрязнения — выделение антропогенной составляющей.

7 Картографирование геодинамических процессов. Практические вопросы картографирования процессов современной геодинамики решаются без их подразделения на естественную и техногенную составляющие. Считают, что имеются достаточные основания сопоставлять основной период проявления современных процессов с временем научно-технической революции, начавшейся еще в конце XIX в. Картографирование интенсивности и результатов развития процессов может проводиться на основе специально разработанных классификаций, показателей и способов изображения либо путем показа состояний явлений в разные интервалы времени, т.е. на качественном или количественном уровне изучения.

Качественное картографирование включает выявление факта протекания процесса, его локализацию и (иногда) балльную оцен­ку интенсивности.

Процессы современной геодинамики затрагивают рельеф, почвы, растительность, поверхностные и подземные воды; каждое изменение геокомпонентов может рассматриваться как дешифровочный признак. Поэтому выявление и локализация геодинамических процессов и их последствий наиболее эффективнее применения методов дистанционного зондирования в разных спектральных диапазонах. Дешифровочные признаки, представляющие собой взаимосвязи между содержанием геодинамических процессов и их внешними проявлениями в фотоизображениях, имеют локальный или региональный характер распространения. Поэтому общепри­нятая методика картографирования процессов геодинамики включает выборочное полевое дешифрирование съемочных материалов на ключевых участках в целях выявления дешифровочных признаков и последующее сплошное дешифрирование в камеральных условиях. Выявлению техногенной составляющей процессов, а также характеристики их динамики способствует сопоставление разновременных снимков. Отдешифрированные контуры могут характеризоваться наличием одного ведущего и ряда сопутствующих либо двух и более равнозначных процессов.

Существует два возможных подхода к качественному картографированию геодинамических процессов:

─ характеристика отдешифрированных контуров (перечень процессов, выделение среди них ведущих, оценка интенсивности);

─ прослеживание контуров проявления процессов, иногда с выделением участков их наиболее активного протекания.

Первый подход отвечает задачам комплексных исследований, второй предпочтительнее при выполнении специализированных работ по изучению одного или нескольких процессов. При картографировании по контурам наиболее употребителен способ качественного фона; при прослеживании контуров проявления процессов используются ареалы.

Количественное картографирование может опираться на натурные измерения проявлений процессов за определенные интервалы времени, проводимые при экспедиционных, стационарных и полевых экспериментальных исследованиях.

В очень редких случаях предметом исследования становится комплекс процессов, преобладающая же часть исследований посвящена эрозионно-аккумулятивным процессам в речных бассейнах. Характеристиками их интенсивности служат:

─ объем смытого материала (определяемый с помощью метода шпилек при изучении плоскостного смыва, путем наблюдений за продвижением вершин оврагов и денудационных уступов);

─ интенсивность транспорта наносов и растворенного вещества (определяется через показатели твердого и/или ионного стока, на основе регулярного опробования водотоков);

─ объем и/или мощность новообразованных отложений (определяется по накоплению илистых образований в прудах, руслах, на поймах и в искусственных ямах — ловушках);

─ остаточное содержание гумуса (определяется по результатам почвенных исследований).

─ Важнейшее условие сопоставимости результатов — нормиро­вание их на интервалы времени с определением соответствующих количественных характеристик, таких как модули твердого стока, в т/км² в год.

При наличии больших объемов эмпирических данных о факторах развития и интенсивности геодинамических процессов становится возможным их прогнозирование. Так, получило распространение использование уравнения почвенной эрозии, которое связывает величину смыва с единицы площади за единицу времени с рядом климатических, геоморфологических, почвенных и хозяйственно-агрономических характеристик. Имеются подобные уравнения для характеристики дефляции. При создании прогнозных количествен­ных карт геодинамических процессов вначале составляют серию факторных карт, характеризующих распределение всех параметров и эмпирических коэффициентов, а затем путем их наложения делят территорию на выделы и рассчитывают для них количественные характеристики интенсивности процессов.

Картографирование интенсивности геодинамических процес­сов проводится с использованием способа изолиний, как обобще­ние результатов многолетних стационарных и экспедиционных исследований (рис. 25). Выделение антропогенной составляющей эрозионно-аккумулятивных процессов основывается на сопостав­лении современных и доагрикультурных показателей либо на сравнении характеристик, относящихся к территориям с разными уровнями хозяйственной освоенности (прием подстановки времени пространством).

Характеристики первого типа фрагментарны, во втором случае всегда присутствует проблема сопоставимости ландшафтов-аналогов. Поэтому характеристики антропогенной активизации геодинамических процессов даются в глобальных обобщениях и относятся к природным зонам и крупным регионам, уровня при­родных зон и физико-географических стран, что соответствует мелкомасштабному картографированию. На крупномасштабных картах интенсивность процессов характеризуется без подразделе­ния на природную и техногенную составляющие.