Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям  

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Конец XX-го начало XXI-го века - время, когда экология проходит красной нитью развития, как отдельных городов и стран, так и континентов в целом. Человечество достигло того уровня развития, когда игнорирование последствий техногенеза стало чрезвычайно опасным. В конечном итоге лесли воздухом нельзя дышать, воду нельзя пить, а пищу нельзя есть, то все социальные проблемы теряют свой смысл. Человек - единственное существо на Земле, чьи отходы хозяйственной деятельности природа не способна переработать без ущерба для экосистемы. На урбанизированных территориях существенно и не в лучшую сторону изменены все природные оболочки среды обитания. Атмосфера, поверхностные и подземные воды, почва, растения - на всем лежит печать бурной деятельности человека. Мы изменяем среду обитания, хотя декларируем, что природа знает лучше среда обитания изменяет нас, поскольку ничто не дается даром. Нежелание человечества платить по счетам по отношению к природе приводит к многочисленным катаклизмам, уносящим тысячи жизней. Рост онкозаболеваний и болезней органов дыхания, рождение детей с хромосомными аберрациями и врожденными пороками развития, рост числа инвалидов-детства вот далеко не полный перечень последствий игнорирования отдачи долгов природе. По данным РАН, в России здоровыми являются меньше четверти новорожденных, у 30 % выявлены генетические нарушения. 

В России не так много курортов федерального значения, всего около 40. Один из них - Кисловодск, входящий в состав особо охраняемого эколого-курортного региона РФ - Кавказские Минеральные Воды (КМВ). Согласно принятой в 2002 году в России экологической доктрине, в  связи с постоянно растущими темпами антропогенного воздействия на природные комплексы, требуется совершенствование системы показателей, создание методологии экологического мониторинга, включая комплексную оценку состояния окружающей среды.

Несмотря на режим особой охраны, в последние годы по ряду причин, экологическая ситуация на курорте существенно ухудшилась. На сегодняшний день, в городе контроль состояния окружающей среды заключается в разрозненном, недостаточно полном санитарно-гигиеническом мониторинге почв, атмосферы и минеральных вод.

С целью объективной оценки состояния окружающей среды необходимо проведение системного анализа экологического состояния зоны гипергенеза курорта.

Зона гипергенеза - зона сочленения литосферы, гидросферы, атмосферы, в пределах которой  сформировалась биосфера в условиях относительно низких температур, давления, наличия свободной воды и кислорода, что необходимо для существования сложных белковых молекул, составляющих основу жизни.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является:

- системный анализ экологического состояния зоны гипергенеза включающий экологическую оценку воздушного бассейна, поверхностных водотоков, грунтов и подземных вод г. Кисловодска;

- изучение динамики эколого-зависимых заболеваний населения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Эколого-аналитическая оценка состояния воздушного бассейна, почв, поверхностных и подземных вод г. Кисловодска.
• Совершенствование методики мониторинга малых рек и грунтов с учетом специфики города-курорта.
• Изучение экологического состояния функциональных зон города, выявление ксенобиотиков в воздухе, реках, грунтах и подземных водах.
• Изучение процессов геофильтрации и миграции загрязняющих веществ в грунтовых водах.
• Оценка лответной реакции населения на антропогенное загрязнение среды обитания. Анализ влияния поллютантов присутствующих в зоне гипергенеза города на здоровье населения.
• Составление кадастра источников антропогенного загрязнения среды. Разработка мероприятий по стабилизации  экологической обстановки на курорте.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

В работе применялись  наземные методы экологического мониторинга: физико-химические методы, биоиндикация, методы статистической и математической обработки данных, математическое моделирование.

Достоверность полученных результатов подтверждена аккредитациями лабораторий на данные виды исследований, сходимостью полученных результатов.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту: 

1. Совершенствование методики системного подхода к оценке экологической ситуации объекта исследования по всем средам.
2. Оценка ответной реакции населения на экологическую ситуацию, сложившуюся на курорте.
3. Разработка математической модели геофильтрации и миграции подземных вод верхней гидродинамической зоны. Оценка масштабов площадного загрязнения грунтовых вод.
4. Обоснование критериев выбора ПДК для отдельных сред (атмосфера, поверхностные и грунтовые воды) зоны гипергенеза.
5. Разработка комплекса мероприятий способствующих улучшению экологической ситуации в г. Кисловодске.

Научная новизна работы

1. Впервые в г. Кисловодске осуществлен системный анализ включающий исследование антропогенного загрязнения всех природных сред зоны гипергенеза с выявлением источников поступления в них поллютантов.
2. Обоснованы критерии выбора предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ для города-курорта федерального значения.
3. Усовершенствованы  методики проведения мониторинга воздушного бассейна,  рек и грунтов курортного региона, определены индексы загрязнения атмосферы (ИЗА), вод горных рек (ИЗВ), рассчитаны лимитирующие показатели вредности (ЛПВ) и суммарные показатели загрязнения грунтов (Zc) курорта.
4. На основе выполненных  анализов природных сред оценена острота экологической ситуации каждой из сред зоны гипергенеза и степень экологического риска для населения.
5. Построена математическая модель геофильтрации и миграции загрязнённых грунтовых вод.
6. Обоснован комплекс приоритетных мер по оздоровлению городской среды и улучшению качества основных курортообразующих факторов.

Практическая и научная значимость, и реализация результатов работы.

Полученные в результате проведенных работ данные представляют интерес с точки зрения методик комплексного мониторинга урбанизированных территорий и могут лечь в основу экологического паспорта курорта. Результаты  исследований могут быть использованы природоохранными службами на других аналогичных курортных регионах, при проведении мероприятий по улучшению качества городской среды обитания, а также в процессе разработки генерального плана города с целью снижения экологического риска для населения. Разработанные подходы могут быть использованы природоохранными ведомствами при изучении условий и факторов формирования участков экологического риска других населенных пунктов.

Апробация работы, публикации 

Результаты работы использовались при оценке эксплуатационных запасов минеральных вод Березовского и  Центрального участков Кисловодского месторождения лечебных минеральных углекислых вод (протокол Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых РФ № 827 от 20.04.2002 г., протокол ГКЗ РФ № 1442 от 31.08.2007 г.).  Результаты работ докладывались на научно-технических конференциях:

1. I Всероссийская научно - практическая конференция с международным участием Наука-основа инновационного развития современного общества (Тольятти, 2010);
2. IV Всероссийская научно - практическая конференция Стратегия устойчивого развития регионов России (Новосибирск, 2011);
3. II Международная научно - практическая конференция Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды (Махачкала, 2011);
4. Национальный научный форум Нарзан-2011 Техногенные процессы в гидролитосфере (Кисловодск, 2011);
5. IV Международная научная конференция Системный синтез и прикладная синергетика (Пятигорск, 2011);
6. Международная молодежная научная конференция Математическая физика и ее приложения (МФП-2012) (Пятигорск, 2012).

По теме работы опубликовано 13 научных статей, в том числе 7 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 179 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического указателя, включающего 178  источников, в том числе 3 иностранных автора и шести приложений. Диссертация иллюстрирована 33 таблицами и 68 рисунками.

Содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность системного анализа экологического состояния зоны гипергенеза урбанизированных территорий, поставлены цели и задачи исследования, выделены объект и предмет исследования, научная новизна, практическая ценность работы и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе Сущность проблемы и состояние изученности рассматриваются экологические проблемы городов-курортов - низкий уровень благоустройства, отсутствие городской канализации, высокая роль жилищно-коммунального комплекса в выбросах отходов в окружающую среду, обширный автопарк и т.д. В городах курортах призванных возвращать здоровье, заболеваемость коренного населения, в том числе и детей, порой превосходит средний по РФ уровень. При этом среди заболеваний горожан превалируют именно те, которые призван лечить данный курорт. Целью проводимого на курортах мониторинга в ряде случаев является демонстрация полнейшего благополучия территории, для чего посты наблюдений оборудуют как можно дальше от источников загрязнения, а перечень поллютантов определяемых в той или иной среде сведён к минимуму. К минимуму сведен и перечень природных сред охваченных системой мониторинга. 

Проблему чистоты окружающей среды на курорте можно решить тремя путями. Путь первый - создание нормативно-правовой базы разработанной специально для курортных регионов, проведение регулярного системного анализа экологического состояния сред зоны гипергенеза, биомониторинг здоровья населения, особенно детского с автоматическим занесением полученных результатов в экологический паспорт города и принятием превентивных мер. Второй путь - минимизирование информации путем сворачивания наблюдательной сети, уменьшения количества отбираемых проб и определяемых в них компонентов. Действительно, зачем пугать рекреантов? Курорт - значит всё чисто! Третий путь - вывести курорты и лечебно-оздоровительные земли из статуса особо охраняемых территорий. Нет статуса, нет проблемы грязных курортов! Таким образом, курортный статус города является скорее карой, чем привилегией.

На сегодняшний день нормативы допустимых концентраций поллютантов в природных средах (исключая атмосферу) на курортах ничем не отличаются от нормативов любых других городов. Едина, для всех населенных пунктов, и методика проведения экологического мониторинга. Кроме того, для курортов недостаточно традиционных методов анализа окружающей среды, поскольку физико-химические методы указывают лишь на содержание определенных загрязнителей  и не могут дать ответа на вопрос о качестве окружающей среды и её пригодности для обитания человека. Необходимо использование методов биологического мониторинга, позволяющих получить интегральную оценку последствий воздействия комплекса всех внешних факторов на представителей живой природы. Учитывая специфику и народнохозяйственное значение территории в качестве ПДК на курорте должны применяться наиболее жесткие из разработанных нормативов, либо разрабатываться новые, конкретно для особо охраняемых курортных регионов.

Несмотря на наличие различных подходов в изучении среды, методологические и методические основы геоэкологической оценки городов-курортов  разработаны недостаточно. Здесь следует упомянуть работы таких авторов как, Л.В. Алексеева, М.Е. Берлянд, Н.С. Буренин, Н.П. Поволоцкая, Н.Ф. Реймерс. 

Во второй главе Описание района работ дана характеристика города-курорта Кисловодск. Приведены данные об административном положении, геоморфологических, гидрографических, климатических, геологических и гидрогеологических условиях района работ.

В третьей главе Системный анализ экологического состояния зоны гипергенеза автором для системного анализа  всего природного комплекса были изучены, как среды-накопители (почвы), так и среды-переносчики (атмосфера, поверхностные и подземные воды) загрязняющих веществ. Только в данном случае можно получить достоверную информацию о сложившейся на исследуемой территории экологической ситуации. Отражены объекты и методика исследований. Дана оценка экологической ситуации каждой из сред зоны гипергенеза.

Анализ экологического состояния воздушного бассейна. Для экологической оценки состояния воздушного бассейна города, проводился сбор и анализ данных о замеренной концентрации поллютантов в атмосфере и данных по выбросам загрязняющих веществ (ЗВ) в период с 1994 по 2011 годы. После чего определялись вещества, регулярно превышающие ПДК, анализировались возможные пути их поступления в атмосферу. Для определения качества воздуха в работе применялся комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) который рассчитывался по формуле:

 

где  q срi - среднегодовая концентрация загрязняющего вещества; ПДКссi - его среднесуточная предельно допустимая концентрация; Сi Цбезразмерный коэффициент, позволяющий привести степень вредности i Цого загрязняющего вещества к степени вредности диоксида серы.

Результатом проведенных исследований явилось усовершенствование методик по ведению мониторинга атмосферы и разработка мероприятий по улучшению качества воздушного бассейна курорта. Территория Кисловодска характеризуется повышенным потенциалом загрязнения атмосферы. Застойный режим, который устанавливается в котловине при низкой аэрации (отсутствии ветров), приземных инверсиях и хаотичной застройке способствует накоплению загрязнителей в атмосфере г. Кисловодска.

По итогам исследований можно сделать следующие выводы:

• Суммарные выбросы ЗВ за период 1994-2011 гг. увеличились на 10,9 тыс.т. (в 4 раза) за счет выбросов от автотранспорта. Тренд, построенный по выбросам от автотранспорта за данный период показывает, что темпы роста составляют 0,73 тыс.т. в год (рис. 1).
• На каждый квадратный километр города в 2011 г. было выброшено 200,6 тонн загрязняющих веществ, что в 4 раза больше показателя за 1994 год (48,7 тонны). Выбросы вредных веществ на душу населения выросли с 30 кг (1994 г.) до 106,5 кг (2011г.).
• Концентрации З.В. в воздухе  селитебной зоны в 2Ц 3 раза превосходят показатели, зафиксированные в парке, и не удовлетворяют нормативам по взвешенным веществам (В.В), NO2, NO, бенз(а)пирену (БП). 
• Уровень загрязнения атмосферного воздуха в Кисловодске классифицируется как повышенный (ИЗА > 5). За период 1994 - 2011 гг., максимум загрязнения воздуха комплексом примесей зафиксирован в 1996 г. (ИЗА = 7,3), минимум в 2000 г. (ИЗА = 4,0).

Таким образом, на сегодняшний день, состояние воздушного бассейна свидетельствует о напряженной экологической ситуации сложившейся на курорте.

  Рис. 1. Выбросы ЗВ от предприятий и автотранспорта в г. Кисловодске.

Анализ экологического  состояния грунтов. В рамках изучения объекта исследования на территории города методом ключевых участков были отобраны 14 проб грунта с глубины 0,1 м. Опробовался максимально трансформированный слой, непосредственно контактирующий с поверхностью.  Отбор проб осуществлялся методом конверта. Размер конверта принимался 33 м. С каждого объекта отбиралась

одна объединённая проба, составленная из 5 точечных. Пробы отбирались на регламентируемых функциональных зонах. За фон принимались параметры грунта отобранного в  курортном парке, на водоразделе с высотной отметкой 1200 метров. Такая территория получает минимальное антропогенное воздействие и является автономной. Химический анализ грунтов, выполнялся по 21 показателю, критерии отбора которых обосновывались рядом факторов. Это  вещества 1-2 класса опасности (Pb, Hg, Cd, Zn, Ni, Be, Cu, As, F); вещества с повышенным природным содержанием (Ba, Sr); индикаторы различных видов загрязнений (нефтепродукты (НФ), фосфаты (Ф), Al, NH4+, NO3-, Se, Mn); показатели радиоактивности пород зоны аэрации (цезий-137, стронций-90); кислотность среды (рН). Всего было выполнено 546 химических анализов.

Оценка уровня загрязнения почв проводилась по суммарному показателю загрязнения - Zc, отдельно для каждой исследуемой функциональной зоны:

где Кс - коэффициент концентрации вещества (Kc = Ci / Cфi); Сi - фактическое, Сфi - фоновое содержание элемента; n - число суммируемых элементов.

Анализируя уровень загрязнения грунтов по суммарному показателю загрязнения Zc можно сделать следующие выводы:

• наиболее загрязненными являются грунты промзоны и территории прилегающей к железнодорожному полотну, Zc которых составляет 38-108, что соответствует опасной категории загрязнения почв. При таком уровнезагрязнения почв  увеличивается как общая заболеваемость населения, так и число детей с хроническими заболеваниями и нарушениями сердечно-сосудистой системы.
• наименьший показатель загрязнения (Zc = 11) выявлен в пробе грунта отобранного на детской площадке в селитебной зоне. Только данная функциональная зона, по показателю загрязнения грунтов, относится к категории - допустимая.
• остальные пробы, относятся к умеренно опасной категории загрязнения почв. Суммарный показатель загрязнения Zc для них варьирует от 16 до 32. Такое загрязнение ведет к увеличению общей заболеваемости коренного населения.

Содержание тяжелых металлов 1 класса опасности (Cd, As, Hg, Pb, Zn) в грунтах превышает природные значения в 2-4 раза. По результатам мониторинга установлено, что на территории курорта имеются участки, где концентрация Cd превышает установленные санитарно-гигиенические нормативы. Среднее валовое содержание Cd в грунтах Кисловодска составляет 1,65 мг/кг, что в 3 раза превышает среднекраевые значения и в 2,5 раза показатели  г. Москвы. Среднее содержание ТМ в почвах города превышает среднекраевые значения в 2-3 раза и практически соответствует их концентрации на территории г. Москвы.

Почвенный покров в городе не отвечает гигиеническим нормам по микробиологическим показателям. Доля неблагополучных проб достигает 77 %.

Роль антропогенной нагрузки в деградации грунтов на территории города приведена в табл.1.

Таблица 1.

Роль антропогенной нагрузки в трансформации качества грунтов

№ п/п	Компонент (З.В.)	Фоновая концентрация, мг/кг	Средняя по городу концентрация, мг/кг	Превышение над фоном, %
1	Фосфаты	1,11	15,72	92,9
2	Нефтепродукты	11,8	75,25	84,3
3	Ртуть	0,02	0,08	75,0
4	Свинец	10,0	24,4	59,0
5	Цинк	52,5	92,04	43,0
6	Мышьяк	2,2	3,61	39,1
7	Кадмий	1,0	1,65	39,4

Приуроченность места отбора пробы грунта к той или иной функциональной зоне, четко коррелирует с появлением конкретного, сопутствующего данному виду антропогенной нагрузки  загрязнению (табл. 2). По полученным данным отмечается наличие сильной положительной корреляционной связи между концентрациями Cd и Sr (r = 0,83), Al и F (r = 0,75). Наличие средней положительной связи выявлено между концентрациями в грунтах  Pb и Zn (r = 0,58), Zn и НФ (r = 0,58), Cu и Zn (r = 0,54). Максимум концентраций Cd и Sr фиксируется вблизи АЗС и крупных автомагистралей. Пик концентраций  Al и F в почвах, четко коррелирует с зонами сельскохозяйственного назначения.

Таблица 2.

Распределение поллютантов в  грунтах функциональных зон

Функциональная зона	Величина Zc	Категория загрязнения	Основные поллютанты
Промышленная зона +АЗС	37,7-108,1	Опасная	Pb, Hg, Zn, Ni, НФ
Железная дорога	36	Опасная	Cd, Ni, Cu, Hg, Sr, Ф
Авто и ж/дороги, АЗС	22-30	Умеренно опасная	НФ, Hg, Pb, Sr, Cu, Cd, Zn
Селитебная зона, зона сан-охраны реки	19-21	Умеренно опасная	NH4+, Ba, Pb, Sr, As, NO3-, НФ, Ф
Почвы с/х	16-17	Умеренно опасная	Cd, Al, Mn, As, F, Sr, Ф
Детская площадка	10,5	Допустимая	NO3-

Анализ экологического состояния поверхностных водотоков. Поскольку гидрометрических постов на реках Кисловодска нет, отсутствует и информация о санитарно-химическом и микробиологическом состоянии речных вод. На первом этапе исследования был составлен кадастр основных антропогенных источников загрязнения рек в черте города. В него вошли семь возможных источников загрязнения. Мониторинг речных вод осуществлялся в течение двух лет (2011Ц2012 гг.). Определив возможные источники загрязнения каждой реки, были заложены 13 постов наблюдения. Для того чтобы оценить влияние той или иной антропогенной нагрузки на качество речной воды посты располагались соответственно: до возможного источника загрязнения речных вод и ниже по течению. Мониторинг проводился по рекам Белая, Березовая, Ольховка и Аликоновка. Пробы воды отбиралась в стрежневой части реки. Замеры проводились 1-2 раза в сезон с обязательным отбором проб в паводок, межень и в половодье. Всего было выполнено 1886 химических анализов. Химический анализ каждой пробы воды включал определение 34 компонентов.  Их выбор  был обусловлен рядом признаков: основные ионы речных вод (K+, Ca2+, Na+, Mg2+, HCO3-, Cl-); индикаторы, характеризующие способность воды к самоочищению (БПКполн, растворенный кислород, pH, перманганатная окисляемость); тяжелые металлы (Pb-, Hg2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Mn2+, Cu2+ , Cr+6); индикаторы различных видов загрязнений (NH4+, NO2-, NO3-, НФ, фосфаты, SO42-, Al, Se); компоненты с повышенным на КМВ фоном (Ba2+, Sr2+, Fe); неорганические ядовитые вещества (Be2+, Br-, F-, As, фенолы); показатели радиационной безопасности (суммарная и -активность).

Учитывая статус города, в качестве ПДК принимались наиболее жесткие нормативы. Интегральная оценка загрязнения рек по гидрохимическим показателям осуществлялась по индексу загрязнения вод (ИЗВ). Расчет ИЗВ выполнялся по 6 показателям согласно формуле:

,

где Ci - концентрация компонента; N - количество показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi - предельно допустимая концентрация для соответствующего типа водного объекта.

Согласно нормативным требованиям при одновременном присутствии в воде двух или более веществ 1-2 классов опасности, характеризующихся однонаправленным механизмом токсического действия, рассчитывается лимитирующий показатель вредности (ЛПВ). Влияние антропогенной нагрузки на изменение химического состава поверхностных вод г. Кисловодска приведено в табл. 3.

  Таблица 3.

Роль антропогенной нагрузки в ухудшении качества речных вод

№ п/п	Компонент (З.В.)	Концентрация на истоке, мг/дм3	Концентрация на устье, мг/дм3	Превышение над фоном, %
1	Мышьяк	0,001	0,05	98,0
2	Нефтепродукты	0,01	0,25	96,0
3	Стронций	0,4	7	94,3
4	Нитриты	0,02	0,29	93,1
5	Кадмий	0,001	0,005	80,0
6	Цинк	0,01	0,04	75,0
7	Свинец	0,004	0,01	60,0

Появление в воде ряда веществ может быть связано с преобладающим источником питания реки в тот или иной период (табл. 4).

• Наиболее грязные пробы речных вод зафиксированы в пик межени (январь). Самой грязной рекой г. Кисловодска является р. Белая.
• В истоках рек, воды соответствуют II классу качества (чистые) и удовлетворяет самым жестким нормативным требованиям.
• Речная вода на устьях соответствует IV классу качества - загрязненные. Вода непригодна для рыбохозяйственного и культурно- бытового водопользования.
• В реках обнаружены вещества 1Ц2 класса опасности. Во всех реках города в тот или иной период выявлены суперэкотоксиканты - NO2, Pb, As, Cd.
• Причинами появления поллютантов в речных водах, являются антропогенные и природные факторы.
• Наличие антропогенной нагрузки четко коррелируют с появлением конкретного, сопутствующего ему вида загрязнения в реках ниже по течению (рис. 2).

 

Таблица 4.

Взаимосвязь преобладающего источника питания с появлением в реках ЗВ

Взаимосвязь источника питания с ЗВ в реках	Источники питания рек г. Кисловодска
	снеговое 22 %	дождевое 49 %	подземное 29 %
Наименование ЗВ	БПКполн, NO2 - Se, НФ	Ni, Fe, НФ, Ф	Mn, Zn, Ni, Cu, Pb, As, Cd

• Речные воды не отвечают гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям. Доля неблагополучных проб варьирует в зависимости, от сезона года достигая 94 %.
• По лимитирующему показателю вредности ЛПВ 64 % проб не отвечают требуемым нормативам. 

Экологическая ситуация в городе по санитарно-химическим  показателям состояния поверхностных водотоков может быть оценена как напряженная.

Анализ экологического состояния грунтовых вод. Поскольку сеть скважин на грунтовые воды была уничтожена в 80-е годы, анализировалась информация по инженерно-геологическим изысканиям под строительство за тридцатилетний срок (1967-1998 гг.). Были собраны данные по 93 площадкам в различных районах г. Кисловодска. Полученная информация свидетельствует  о подтоплении большинства районов города. Кроме того существенную трансформацию претерпел и химический состав грунтовых вод (увеличение общей минерализации в 2 раза). Можно отметить, что юго-западные, западные и северо-западные районы города сегодня могут быть отнесены к техногенно подтопленным участкам (УГВ > 2 м). Мощность зоны аэрации за 30 лет в ряде районов города сократилась в 3 раза.  При зонировании территории за основу была принята градация предложенная И.К. Гавич:

1. Зона гидравлической связи (критическая) УГВ - 0-3 м. Это селитебная зона смешанной и одноэтажной застройки на юго-западе и северо-западе города. Площадь зоны за 30 лет увеличилась на 18,4 % (рис. 3).

2. Зона гидравлической связи (опасная) УГВ - 3-5 м в центре и на западе города с промышленными объектами и многоэтажной застройкой, а также курортная зона в юго-восточной части города. Площадь зоны за 30 лет увеличилась на 2,8 %.

3. Капиллярно-инфильтрационная зона (умеренно опасная) УГВ - 5-10 м на востоке и северо-востоке города. На этой территории располагаются промышленные здания, одноэтажная и многоэтажная застройка. Площадь зоны за 30 лет уменьшилась на 3,7 %.

4. Инфильтрационная зона (допустимая) УГВ > 10 м. занимает примерно 16,1% городской территории. На северо-востоке города это селитебная и промышленная зоны с многоэтажной и смешанной застройкой. Площадь зоны за 30 лет уменьшилась на 17,4 %.

В настоящее время грунтовые воды на территории курорта сильно загрязнены по причинам как антропогенного, так и природного характера. Антропогенное загрязнение грунтовых вод связано в первую очередь с неканализованным жилым фондом (10800 м3/сут.) и изношенностью коммуникаций (потери до 30800 м3/сут.).

Полученные результаты свидетельствуют о наличии  ТМ в грунтовых водах в концентрациях от 1 до 49 ПДК. Основными поллютантами  являются железо, стронций, барий, алюминий, селен, марганец, фосфаты и аммоний. Грунтовые воды содержат такой опасный суперэкотоксикант, как мышьяк (до 2 ПДК).

Рис. 3. Карты динамики грунтовых вод в Кисловодске в период с 1968 по 1998 гг.

По данным экологического состояния грунтов, рек и грунтовых вод была построена карта районирования территории города Кисловодска по степени и характеру антропогенной нагрузки (рис. 4).

По активности процессов гидродинамики уровней и концентраций загрязняющих веществ ситуацию с грунтовыми водами на курорте следует рассматривать как критическую.

Анализ экологического состояния артезианских минеральных вод. Минеральная вода на курорте приурочена к верхнемеловому валанжинскому горизонту, который в Кисловодске подразделяется на два подгоризонта: верхневаланжинский подгоризонт каптируемый ист. Нарзан; нижневаланжинский подгоризонт, обеспечивающий курорт Доломитным Нарзаном.  Сульфатный Нарзан приурочен к титонским отложениям верхней юры.

Данные мониторинга по ист. Нарзан за многолетний период (с 1936 г.) свидетельствуют о санитарно-бактериологическом неблагополучии дренируемых им подземных вод. Количество таких анализов постепенно увеличивалось и в 90-х годах прошлого века составляло до 90 % от общего их количества за год, в настоящее время доля неудовлетворительных проб выросла до 98 %. Вода источника загрязнена соединениями азота, что указывает на антропогенное загрязнение. Данное загрязнение связано с наличием опасной зоны восточнее источника, где уровни валанжина ниже поверхности земли и имеет гидравлический характер связи. Время прохождения фронта подземных вод менее 400 суток, жилой фонд канализован частично. В паводковый период, когда положение уровня в грунтовом горизонте повышается, с одновременным ухудшением бактериологической обстановки, ситуация еще более обостряется. Таким образом, на сегодняшний день вода  ист. Нарзан идёт, после санирования сернокислым серебром, только на ванны и  не используется для питья в силу бактериологической загрязненности.

 

Рис. 4. Карта районирования Кисловодска по степени антропогенной нагрузки

Доломитный Нарзан, представлен на курорте водой скважин 5/0 и 7, которая на сегодняшний день из-за разубоживания и неграмотной эксплуатации  не удовлетворяет кондициям ГОСТ 13273-88 и Национальному стандарту на минеральные воды.

Сульфатный Нарзан также не выдерживает нормативные кондиции и является достаточно уязвимым с бактериологической точки зрения. Причина кроется в том, что основная область питания титон-валанжинского комплекса находится в южной части Кисловодска, где данные отложения выходят на поверхность, либо перекрыты маломощными четвертичными отложениями. Именно здесь расположены жилые поселки без городской канализации и животноводческие фермы, в результате чего, происходит гидравлическое взаимодействие между грунтовыми водами и поверхностными источниками загрязнения. Поллютанты не успевают сорбироваться породами либо окислиться, и попадают в нижележащие водоносные горизонты.

Таким образом, по характеру и устойчивости бактериального загрязнения  минеральных вод верхнего валанжина, по степени разубоживания вод нижневаланжинского водоносного подгоризонта, по степени риска загрязнения титонского водоносного горизонта ситуацию с гидроминеральной базой на курорте следует рассматривать как критическую.

Четвертая глава Математическая модель геофильтрации и миграции загрязненных грунтовых вод. Необходимость математического моделирования объясняется относительно высоким уровнем влияния грунтовых вод на общую экологическую ситуацию. Задачей моделирования являлся прогноз и динамика развития ореолов распространения загрязняющих веществ, возникающих в области повышенной антропогенной нагрузки. Учитывая особенности гидрогеологического строения объекта, рассматривалась однослойная плановая модель, процессы массопереноса в которой учитывали гидравлическую дисперсию и диффузию. Система дифференциальных уравнений, описывающих плоско-пространственную фильтрацию и массоперенос, имеет вид:

  (1),

где  Н - положение статического уровня; k, h - соответственно коэффициент фильтрации и статический напор (мощность) грунтового горизонта;  х, у - пространственные координаты по соответствующим осям; Ц  гравитационная водоотдача; n - активная пористость горных пород; С - текущая концентрация минеральных солей или загрязняющих веществ в горизонте; Сk - концентрация веществ, поступающих с инфильтрацией; Dx, Dy - суммарный коэффициент гидродинамической дисперсии и молекулярной диффузии;  Vx,Vy - скорость фильтрации по плановым координатам; Wk - величина инфильтрационного питания;  t - текущее время; Rw - член, суммарно описывающий ионный обмен и химические реакции, происходящие в системе горная порода-вода, может использоваться для учета био- или геохимических реакций.

Уравнение (1) дополняется условиями однозначности, или совокупностью начальных и граничных условий, определяемых конкретным объектом.

Решение выполнялось численными методами. Задача решалась в два этапа. На первом выстраивалась естественная поверхность зеркала грунтовых вод при нулевых значениях техногенных утечек. Искомой величиной являлась активность инфильтрационного питания в каждом блоке модели. Если инфильтрация рассчитана корректно, то прогонка на нестационарной модели должна (независимо от времени) показать нулевые изменения уровня подземных вод. На втором этапе решалась задача массопереноса с заданными техногенными нагрузками.

Этап 1. Учитывая, что естественный режим фильтрации является стационарным, для первого уравнения системы (1), можно записать: 

  (2),

где Wk - величина инфильтрационного питания.

1. Вся область фильтрации разбивалась равномерной сеткой с шагом по плановым координатам Δх  = Δу = 100 м. На сетку была нанесена гидрографическая сеть, и принятые условия на границах модели.

2. По данным опытно-фильтрационных исследований определялись параметры, характеризующие емкостные и фильтрационные свойства отложений.

3. Полученные расчетным путем значения Wk вводились в модель в каждый блок, и  производилось моделирование при достаточно большом времени (t = 10 лет).

Проверка результатов расчетов показала, что расхождения уровней подземных вод на момент времени t = 0 и t = 10 лет не превышают  5 см, что можно рассматривать как хороший результат. 

Этап 2. Далее решалась задача массопереноса. Моделировалась миграция загрязняющих веществ, поступающих в подземные воды при антропогенном воздействии. Для решения уравнения массопереноса требуется знать скорости фильтрации в каждом блоке модели. Поэтому транспортная модель связана с фильтрационной, и пространственная дискретизация транспортной модели должна точно соответствовать фильтрационной модели.

Рассматривалась модель конвективно-диффузионного массопереноса. Процессы сорбции-десорбции не учитывались (Rw= 0). Такое допущение дает несколько завышенные расчетные значения зоны миграции, но значительно упрощает процедуру расчета. Причем, учитывая особенности гидрогеологического строения объекта, в частности относительно большие скорости фильтрационного потока, процессы дисперсии и диффузии в данном случае имеют подчиненное значение. В этой связи параметры, характеризующие дисперсию и диффузию - коэффициент гидравлической дисперсии, может быть принят по табличным данным без ущерба для точности.

Постановка задачи следующая. Начальное распределение изучаемого З.В. по площади модели принималось равным нулю. Далее, в блоках интенсивного технического воздействия задавались расчетные значения утечек и концентрация вещества равная 1,0. На интересующие моменты времени определялись ореолы распространения загрязняющих веществ. Рассматривались участки расположения заправочных станций, а также городские жилые массивы, не имеющие городской канализации. Схема расположения их представлена на рис. 5. Величина фактических утечек распределялась равномерно по площадям неканализованных жилых районов. Средняя величина их составляет 41,9 м3/сут./гектар. Результаты миграции З.В. на t = 20 лет представлены на рис. 6. Как следует из расчетов, за 20-летний период ореолы распространения поллютантов увеличиваются более чем в два раза в сравнении с площадями неканализованных участков.  Движение поллютантов соответствует направлению потока подземных вод на северо-восток. Особенности геолого-гидрогеологического строения указывают, что особенно опасными являются неканализованные участки, расположенные в южной зоне города, где грунтовые воды находятся в гидравлической связи с водоносными горизонтами, содержащими минеральные воды. Этим в частности объясняется стабильное бактериологическое загрязнение источника Нарзан. Существенного улучшения экологического состояния подземных вод можно достичь путем создания систематической дренажной системы с глубиной заложения коллектора на глубину 3,0 - 5,0 м.

   

Рис. 5. Схема расположения зон интенсивной  Рис. 6. Результаты моделирования 

антропогенной нагрузки процессов миграции ЗВ

Пятая глава Анализ воздействия антропогенного загрязнения на здоровье населения. По данным ВОЗ состояние здоровья населения на 25 - 30 % зависит от качества окружающей среды. Причинами эколого-зависимых заболеваний являются - загрязнители окружающей среды, ксенобиотики, вредные профессии родителей, демографические и национальные аспекты. В тесной связи с загрязнением окружающей среды находятся врожденные пороки развития (ВПР), хромосомные аномалии, злокачественные новообразования, болезни органов дыхания, аллергические заболевания и ряд других.

В настоящее время установлено, что среди различных загрязняющих окружающую среду веществ свойствами нарушать эмбриогенное развитие обладают: а) бенз(а)пирен; б) ТМ (свинец, кадмий, никель); в) пыль и сажа; г) оксиды углерода, серы и азота. Повышение частоты онкологических заболеваний связывают с повышенным уровнем As, Cd, Ni, Cu, Mn, Sr и сульфатов.

Все перечисленные вещества определяется в воздушном бассейне, почвах и реках города, в концентрациях превышающих ПДК. Суперэкотоксиканты накапливаются в живых организмах и, передаваясь по трофическим цепям, представляют опасность не только для настоящего, но и для будущих поколений. Для данных веществ  в качестве ПДК  должны приниматься наиболее жесткие нормативы. На практике же ПДК наиболее опасных веществ для представителей флоры и фауны существенно (до 1000 раз) жестче нормативов разработанных для человека (табл. 5). В данной главе проанализированы особенности состояния здоровья коренного населения г. Кисловодска по эколого-зависимым заболеваниям в каждой возрастной группе. Получены следующие выводы:

• Помимо социально-экономических, биологических и природно-климатических факторов на общую заболеваемость населения оказывает влияние и постоянно увеличивающаяся антропогенная нагрузка на территорию курорта.
• Полученный коэффициент корреляции r = 0,78-0,86 свидетельствует о сильной положительной связи между концентрацией в атмосфере БП и заболеваемостью у детей НО, ВПР и отклонениями от нормы различного генезиса.
• При оценке влияния различных факторов на здоровье населения необходимо учитывать минимально возможные ПДК различных загрязняющих ОС веществ.

Таблица 5.

Сравнение нормативов ПДК в различных средах для человека 

и отдельных представителей флоры и фауны

Класс опасности	Примесь (в атмосфере)	Для древесных пород (ПДКл), мкг/м3	Для человека ГН 2.1.6.1338-03, мкг/м3	Разница концентраций, раз
II	Азота диоксид	20	40	2
III	Азота оксид	20	60	3
III	Взвешенные вещества	50	150	3
III	Серы диоксид	15	50	3,3
Класс опасности	Вещество (в воде)	Рыбохозяйственные нормативы, мг/л	Для человека ГН 2.1.5.1315-03*, мг/л	Разница концентраций,  раз
I	Свинец	0,006	0,01	1,7
	Цинк	0,01	1	100
II	Медь	0,001	1	1000
	Никель	0,01	0,02	2
	Стронций	0,4	7	17,5
Ц	Марганец	0,01	0,1	10
III	Железо	0,1	0,3	3
	Алюминий	0,04	0,2	5

ГН 2.1.5.1315-03* - нормативы распространяются на питьевую воду.

• Наблюдается рост эколого-зависимых заболеваний у всех возрастных групп населения г. Кисловодска. За последние 5 лет соматическая заболеваемость у детей выросла на 15,4 %, подростков - 13,0 %, взрослых - 17,6 %.
• За 5 лет в Кисловодске темпы роста заболеваемости детей ВПР и онкологическими заболеваниями составили (26,3 % и 73 % соответственно) (рис. 7.). Младенческая смертность в городе выше, чем в крупных индустриальных городах вошедших в приоритетный список по уровню загрязнения атмосферы.
• Ведущее место в структуре заболеваемости детей и подростков занимают болезни органов дыхания - 58,9 %. За последние 5 лет заболеваемость органов дыхания у детей выросла на 23,8 %.
• Частота врожденных аномалий и хромосомных аберраций увеличилась практически вдвое, с 16,1 на 1000 детей в возрасте до 1 года в 2001 году, до 28,0 в 2011 г.

Для интегральной оценки здоровья населения учитывались следующие показатели: рождаемость, общая смертность, младенческая смертность, общая заболеваемость, ВПР, болезни крови и щитовидной железы, психические заболевания и злокачественные новообразования. Интегральная оценка здоровья населения Кисловодска соответствует критической экологической ситуации (рис. 8).

Рис. 7. Динамика заболеваемости ВПР и новообразованиями  у детей

Шестая глава Разработка комплекса мероприятий по стабилизации экологической ситуации в Кисловодске. Разработаны мероприятия способствующие реанимации и стабилизации экологического состояния всех сред зоны гипергенеза. Даны рекомендации по обоснованию дренажного коллектора на грунтовые воды представляющего собой регулятор прямого действия.

В заключении к диссертации приводится перечень основных научных и прикладных результатов, полученных в процессе системного анализа и математического моделирования экологического состояния зоны гипергенеза.

Публикации по теме диссертации

Журналы ВАК:

1. Атмосфера курорта - noblesse oblige. Журнал Экология и жизнь № 6. - Москва, 2011 г. - С. 84-88.        
2. Проблемы современного состояния гидроминеральной базы курорта Кисловодск. Журнал Научная мысль Кавказа № 3 - Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2011 г. - С. 90-96.
3. Состояние поверхностных вод на урбанизированной территории (на примере курорта Кисловодск). Журнал Водное хозяйство России № 5 -  Екатеринбург, 2011 г. - С. 62-73.
4. Состояние гидроминеральной базы курорта федерального значения Кисловодска. Журнал Геология и разведка № 2 - М.:МГГРУ, 2012 г. - С. 29-37. (в соавторстве с Помеляйко В.И.)
5. Оценка эколого-геохимического состояния пород зоны аэрации курорта Кисловодск. Журнал Геология и разведка № 2 - М.:МГГРУ, 2012 г. - С. 42-48.
6. Оценка экологической ситуации на курорте Кисловодск. Журнал Научное обозрение № 2 - Москва, 2012 г. - С. 147-158. (в соавторстве с Помеляйко В.И.)
7. Состояние рек как индикатор экологической ситуации на курорте Кисловодск. Журнал Вода: химия и экология № 7 - Москва, 2012 г. - С. 103-110.

Статьи, тезисы:

8. Экологическая обстановка на курорте Кисловодск. Наука - основа инновационного развития современного общества// I Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. Тольятти. Сборник докладов. -  Изд-во НОУ ВПО ТФИКиП, 2010 г.- С. 281-287
9. Стратегия устойчивого развития регионов России // VI Всероссийская научно-практическая конференция. Новосибирск. Сборник докладов. Изд-во НГТУ, 2011.- С. 127-133
10. Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды (экологические и правовые аспекты) // II Международная научно-практическая конференция 15.06-17.06.2011 г. Махачкала. Сборник докладов. - М.; Махачкала: РПА Минюста России, 2011 г. - С. 272-279.
11. Комплексная оценка состояния окружающей среды курорта Федерального значения Кисловодск. Техногенные процессы в гидролитосфере // Национальный научный форум Нарзан-2011 25.09 -28.09.2011 г. Кисловодск. Сборник докладов. - Пятигорск: РИА-КМВ,  2011 г. С. 75-94.
12. Экологическое состояние почв и рек на территории курорта Кисловодск. Системный синтез и прикладная синергетика (ССПС-2011) // 4-я Международная научная конференция 11.10-13.10.2011 г. Таганрог. Сборник докладов. Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011 г.- С.273-280.
13. Математическая модель геофильтрации и миграции загрязненных грунтовых вод с целью оценки площадей загрязнения. Математическая физика и её приложения (МФПЦ2012) // Международная молодежная научная конференция 28.06-30.06.2012 г. Пятигорск. Сборник докладов. Изд-во СКФУ, 2012 г.-Т 3.- С.141-148. (В пяти томах).

Рис. 8. Ответная реакция детского населения г. Кисловодска на деградацию окружающей среды

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям