Воздействие на почвы

Почвы

В последние столетия важным фактором почвообразования стала деятельность человека. На урбанизированных территориях, по сравнению с природными, антропогенный фактор в почвообразовании можно считать ведущим. Для городов характерны так называемые техноземы – почвы, создаваемые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов или хозяйственного освоения участков земли. Техноземы частично наследуют свойства зональных нарушенных почв и горных пород, частично формируются под влиянием мощной техники, используемой при укладке почвенного слоя. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, зачастую мозаичный характер окраски, повышенная плотность и, соответственно, меньшая пористость.

Полнопрофильные почвы, близкие к естественным, могут сохраняться в городе в зоне лесопарков и старых парковых насаждений.

Вне зависимости от типа почв основным свойством, по которому проводится их оценка, является плодородие. Плодородие почв обусловлено наличием в их составе органических и минеральных питательных веществ, определенными параметрами структуры, поддерживающими нормальный газообмен и водообмен, физико-химическими характеристиками (концентрацией водородных ионов и солевым режимом), поддерживающими нормальное протекание физиологических процессов в растениях. В настоящее время почва подвергается сильному антропогенному воздействию, поскольку является первым от поверхности земли литосферным слоем. Проявляется оно в загрязнении и захламлении, «запечатывании», развитии эрозионных процессов, отчуждении (изъятии) и др.

Загрязнение почв. На территории городов почвы подвергаются загрязнению, которое можно подразделить на механическое, химическое и биологическое.

· Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломочным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства почв.

· Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ, изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня, превышающего норму, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распростра­ненным, долговременным и опасным.

· Биологическое загрязнение связано с привнесением в почвенную среду и размножением в ней опасных для человека организмов. Бактериологические, гельминтологические и энтомологические показатели состояния почв городских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности. Эти виды загрязнения подлежат контролю прежде всего на территории селитебных и рекреационных зон.

Рассмотрим более детально процессы химического загрязнения почв.

На урбанизированных территориях загрязнение почв обычно происходи: в результате выбросов промышленных предприятий, транспорта, предприятий теплоэнергетики, утечек из канализации и отстойников, воздействия промышленных и бытовых отходов, а также в определенной мере за счет использования удобрений и пестицидов.

Выбросы промышленных предприятий являются источником загрязнения почв городских территорий тяжелыми металлами, канцерогенными веществами, соединениями азота и серы.

Иловые осадки станций биологической очистки сточных вод и компост из городских бытовых отходов содержат большое количество органических и питательных для растений минеральных веществ, поэтому их используют как удобрение. Однако они, как правило, содержат многие металлы в концентрациях, которые являются токсичными.

Для городских условий загрязненные почвы рассматривают прежде всего как источник вторичного загрязнения атмосферного воздуха. На основе сопряженных геохимических и гигиенических исследований установлена возможность использования уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагополучного состояния атмосферы и оценки степени опасности загрязнения территории для здоровья населения. Базой для оценки уровня загрязнения почв в этом случае является значение фоновой концентрации рассматриваемого вещества в почвах региона. Обычно такие подходы используют при анализе загрязнения территории тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.

Отрицательное влияние на состояние почвы в городе оказывает использование поваренной и других солей для борьбы с гололедом в зимний период и утечки высокоминерализованных технологических растворов. Это приводит к возрастанию количества фитотоксичных соединений в составе почв. Известно, что хлориды натрия и кальция разрушительно действуют на почвенные коллоиды и вызывают при определенных концентрациях гибель растений. В талой снеговой воде крупного промышленного города может содержаться хлор-иона в 150 раз больше, чем в природной речной воде.

Запечатывание почв, т.е. покрытие их асфальтом и цементными плитами, достигает 80-95% городских территорий. Запечатанные почвы практически не участвуют как в малом биогеохимическом, так и в большом (геологическом) круговороте веществ, деградируют и переходят в разряд биосферно-инертных почв. Экосистемы теряют важнейший природный фильтр и универсальный адсорбент, каким является почва. К тому же запечатывание почвы, нарушая влажностной режим застроенных территорий, способствуют развитию подтопления.

Эрозия почв. Разрушение и снос верхнего плодородного слоя ветром или водным потоком называют эрозией. Если этот процесс развивается в период строительства, его называют строительной эрозией.

Строительная эрозия способствует развитию промоин, рытвин, оврагов и других отрицательных форм рельефа, лишает поверхность растительного покрова, приводит к заиливанию водоемов и к заносу действующих дорог. Например, отсутствие подъездных и внутриплощаных дорог с твердым покрытием на территории строек ускоряет развитие водной эрозии, а разработка грунта строительными машинами – ветровой.

Отчуждение земель.

Почвенный покров агроэкосистем необратимо нарушается при отчуждении земель под строительство промышленных объектов, городов в целом, для прокладки дорог, трубопроводов, линий связи, при открытой разработке месторождений естественных строительных материалов и т.д. Наибольший экологический ущерб при строительстве наносится окружающей природной среде именно тем, что для сооружения объектов и коммуникаций отводятся в постоянное и временное пользование значительные земельные территории. При проведении работ, связанных с нарушением почвенного покрова, предусматривается снятие, сохранение и нанесение почвенного плодородного слоя на нарушенные земли – т.е. восстановительные работы.

Механическое воздействие.

Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с развитием в их массивах трещиноватости.

Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементированных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их роль дренирующих или водовмешающих элементов в осадочном комплексе.

Показателем водопроницаемости породы является коэффициент фильтрации, величина которого зависит от пористости породы и структуры порового пространства. Пористость обломочных пород колеблется обычно в пределах 20-45%. Эти характеристики, в свою очередь, определяются диаметром и окатанностью слагающих породу частиц, а также однородностью зернового состава. С увеличением среднего диаметра породообразующих частиц и их окатанности при неоднородном зерновом составе водопроницаемость породы возрастает.

Движение фильтрационного потока в несвязной дисперсной породе создает гидродинамическое давление и может вызвать фильтрационные деформации, которые носят название суффозионных явлений.

Фильтрационные деформации будут развиваться в рыхлой обломочной породе в том случае, если в ней имеются частицы, диаметр которых меньше наибольшего фильтрационного хода, и если скорости фильтрационного потока достаточны для перемещения этих частиц.

Собственно суффозия, или механическая суффозия, – явление выноса фильтрационным потоком из толщи породы мелких частиц. При этом увеличивается пористость пород и размеры пор.

В случае, если фильтрационный поток выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в пригружающий его слой более крупнозернистого материала происходит контактный выпор. Задерживаясь в этом материале, мелкозернистые частицы формируют слой, отличный по составу и свойствам от исходных пород. В итоге это приводит к разрыхлению части породы, увеличению пористости и размеров пор.

Негативные последствия суффозионных деформаций проявляется в формировании зон ослабленной прочности, трещин в связи с изменением гранулометрического состава, плотности и пористости пород, нарушении кровли перекрывающих пород. Следствием изменения водопроницаемости пород является увеличение водопритоков в подземные выработки, выход из строя дренажей, водопонижающих устройств, обратных фильтров и, как следствие, подтопление городских территорий.

Серьезные проблемы при строительстве создает просадочность пород, т.е. их способность к осадке при замачивании под действием собственного веса или совместного действия собственного веса и внешней нагрузки. В результате просадок происходит опускание поверхности земли на величину до нескольких десятков сантиметров. Это приводит к деформациям зданий и сооружений, построенных на просадочных породах. Морфологическими признаками, указывающими на возможность просадочных явлений на данной территории, являются такие формы рельефа, как промоины, просадочные воронки вдоль берегов рек, просадочные блюдца на террасах и водоразделах. Количественная оценка просадочности характеризуется величиной начального просадочного давления и относительной просадочностью пород.

Начальное просадочное давление Р_пр –это минимальное давление, при котором проявляется просадочность породы в условиях ее полного водонасыщения. Относительная просадочность породы – отношение дополнительной осадки(или просадки породы после замачивания) к первоначальной высоте образца или слоя в его природно-напряженном состоянии. К просадочным относят породы, у которых величина относительной просадочности d_пр ³ 0,01.

Просадки на территории городов могут происходить при отсутствии регулирования поверхностного стока, при утечках из подземных коммуникаций и подтоплении грунтовыми водами. На просадочность пород влияет инфильтрация из каналов, водохранилищ, подпор рек при их зарегулировании.

Современные техногенные отложения являются характерным и требующим внимания элементом геологической среды города. Источниками этих отложений могут быть хозяйственная и строительная деятельность, твердые отходы промышленности и горнодобывающих производств. Общим для них является широкое площадное распространение, рыхлое сложение и неоднородный качественный и зерновой состав. Наибольший объем и площадь распространения имеют отходы горнодобывающей промышленности. Например, под влиянием преобразования рельефа, регулирования поверхностного стока, утечек из водонесущих коммуникаций происходит изменение гидрогеологического режима городской территории. Следствием является повышение уровня грунтовых вод, а нередко и подтопление определенных участков города. Связанное с этим водонасыщение пород снижает их прочность и приводит к деформации и разрушению зданий и сооружений.

Физическое воздействие

Физическое воздействие крупного города с развитой транспортной сетью, большим промышленным и энергетическим потенциалом проявляется в местном изменении температурного, электрического и магнитного полей. Возникают вибрационные поля. Создается так называемое физическое загрязнение геологической среды города.

Техногенное воздействие сообщает геологической среде дополнительное количество энергии через статические (вес сооружений), динамические (вибрация), температурные и электрические поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит основанием фундаментов или вмещает инженерные сооружения и коммуникации, несет в себе опасность ухудшения качества этой среды.

Статистические нагрузки. Это наиболее распространенный вид строительных воздействий на горные породы. Под действием статических нагрузок от зданий и сооружений, составляющих 0,2 МПа и более, образуется зона активного изменения горных пород, достигающая глубин 70-100 м. наибольшие изменения наблюдаются:

1. в вечномерзлых льдистых породах, на участках залегания которых часто наблюдается оттаивание, пучение и другие неблагоприятные процессы;

2. в сильносжимаемых породах, например, насыпных, заторфованных и т.д.

Динамические нагрузки. Воздействие вибрационногополя на литогенную основу городской среды различно в зависимости от типа пород, на которые воздействует вибрация. Скальные и полускальные грунты, обладающие упругими свойствами, передают вибрацию от источника к объекту воздействия без значительного поглощения энергии колебаний. При вибрационном воздействии на дисперсные породы зачастую происходят необратимые изменения их структуры, следствием чего является уменьшение прочности, неравномерное уплотнение и т.п. При предрасположении массива пород к проявлению таких геологических процессов, как оползни, обвалы, карст, плывунные явления, воздействие вибрации может вызвать подвижки пород и тем самым значительно усилить интенсивность и отрицательные последствия этих явлений.

Основным источником вибрации по отношению к литогенной основе территории и инженерным объектам, находящимся в ней, являются транспортные магистрали. В качестве верхнего предела допустимого вибрационного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соответствует скорости перемещения частиц породы примерно 225*10^-6 м/с. Эти условия создаются, когда наряду с автомобильным транспортом или независимо от него функционирует рельсовый транспорт с регулярным движением.

Стимулирует проявление обвально-оползневых процессов в сочетании с вибрацией подрезка склонов при прокладке транспортных магистралей, выемка большого количества породы при строительстве и другие изменения равновесия в пределах массивов пород и грунтов.

Тепловое загрязнение геологической среды в городах представляет собой повышение ее температуры относительно естественных значений. На территории большого города нарушение температурного режима может наблюдаться до глубины 100-150 м и более. При этом на горизонтах 10-30 м наблюдается тенденция к расширению по площади геотермических аномалий с повышением на 2-6°С фоновых значений температуры горных пород и подземных вод.

Под влиянием избыточного тепла может происходить локальное просушивание пород с изменением их прочности. С повышением температуры грунтовых вод возрастает скорость химических реакций в зоне их контакта с материалами подземных сооружений. Установлено, что скорость коррозии строительных марок стали линейно возрастает при изменении температуры от 0 до 80° С. Увеличение температуры пород и подземных вод активизирует деятельность микроорганизмов, являющихся агентами биокоррозии. Наиболее распространенными источниками теплового загрязнения геологической среды городских территорий являются магистральные теплопроводы и сети горячего водоснабжения.

На участках промораживания грунтов при строительстве котлованов в обводненных условиях и прокладке трасс метрополитена в сложных инженерно-геологических условиях под воздействием хладоносителя с температурой от -10 до -26° С существенно меняются свойства водонасыщенных пород, нарушаются сложившиеся режимы водо-, массо- и теплообмена, микробиоценозов.

Электрическое поле блуждающих токов в земле связано с рельсовым электротранспортом. Воздействие его выражается в повышении коррозионной активности среды. Опасность коррозии возникает при плотности блуждающих токов 5*10^-2 А/м², тогда как реально наблюдаемая их плотность в городах в 200 раз выше. При высоком уровне электрического воздействия скорость коррозии стали составляет до 2 мм в год, а сроки безаварийной службы трубопроводов сокращаются вдвое. Утечки из трубопроводов в свою очередь служат новыми источниками загрязнения геологической среды городов.

Для избежания критических ситуаций, представляющих угрозу для жизни людей и приводящих к деформации и разрушению зданий и сооружений, важна достоверная оценка современного состояния геологических объектов

Горные породы являются одним из естественных источников облучения жителей городов. От содержания в породах радионуклидов радия, тория и калия зависит как внешнее, так и внутреннее облучение людей. Внутреннее облучение в наибольшей степени связано с поступлением через органы дыхания газа радона, который является продуктом радиоактивного превращения элементов урановой цепи. Этот газ обладает способностью эманировать из пород, проникать через отверстия в полу и стенах, через стыки элементов конструкций в помещения и накапливаться на первых этажах зданий.

Непосредственным источником выделения радона является радий-226. По содержанию этого изотопа горные породы сильно различаются. Особенно высокие содержания радия могут быть в некоторых разновидностях гранитов, а из осадочных пород – в глинистых сланцах, обогащенных органическим веществом. Уровень радоновыделения зависит не только от концентрации в них радиоизотопов, но и от структурно-тектонических особенностей территории. В зонах тектонических разломов и повышенной трещиноватости пород выделение радона происходит более интенсивно.