Геохимическая опасность и риск на урбанизированных территориях: анализ, прогноз, управление

Вид материала

Автореферат

Содержание Глава 6. Прогноз риска загрязнения подземных вод подольско-мячковского водоносного горизонта в районе бывших Люблинских полей фи Моделирование миграции и прогноз риска загрязнения подземных вод через литологические окна Глава 7. Обоснование управляющих решений по минимизации риска, связанного с загрязнением подземных вод, на участке размещения по Заключение и выводы Публикации по теме диссертации

Подобный материал:

• Верещагин В. В, 216.25kb.
• На правах рукописи, 372.38kb.
• Календарный план учебных занятий по дисциплине «Техногенные системы и экологический, 322.76kb.
• Учебно-тематический план «управление рисками предприятия» Целевая аудитория, 66.64kb.
• Вопросы к экзамену по курсу «Банковский риск-менеджмент» для студентов 2 курса магистратуры, 27.97kb.
• 1. Анализ среды окружения. Рынок угрозы, шансы, риск, 412.61kb.
• Реферат Дипломный проект содержит 157 страниц, 11 рисунков, 40 таблиц, 25 источников,, 57.74kb.
• Валтарс Риск Менеджмент Система управления рисками. Принципы построения, внутренние, 43.81kb.
• Вопрос 21 раздел 2, 58.2kb.
• Рабочая программа по дисциплине Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана, 4335.45kb.

Глава 6. Прогноз риска загрязнения подземных вод подольско-мячковского водоносного горизонта в районе бывших Люблинских полей фильтрации

Люблинские поля фильтрации были устроены в 1892-1898 гг. как первые очистные сооружения города, занимавшие площадь до 1000 га. С 1985 г. началась их частичная, а с 1994 г. полная рекультивация, которая заключалась в выемке и вывозе илового осадка, замещении его суглинком и песком, но значительная доля илов оставалась на дне карт. Сточные воды полей фильтрации содержали значительное количество органического вещества, тяжелых металлов, нефтепродуктов и азота, что привело к загрязнению подземных вод и пород.

Территория исследований имеет ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать при создании модели геологической среды – основы для построения геофильтрационной и миграционной моделей. На территории были обнаружены участки, где мощность юрских глин, разделяющих основные водоносные горизонты на рассматриваемой территории- надъюрский и подольско-мячковский, сокращена или юрские глины отсутствуют – участки литологических окон в разделяющем слое. На этих участках абсолютные отметки уровней надъюрского водоносного горизонта устанавливается выше, чем в более глубоких горизонтах и существует предпосылка перетекания загрязненных вод надъюрского водоносного горизонта в подольско-мячковский. Несмотря на большое количество пробуренных на территории скважин, положение, размеры и конфигурации гидрогеологических окон точно не известны.

Моделирование миграции и прогноз риска загрязнения подземных вод через литологические окна

На основании анализа ситуации предположили, что в качестве детерминированных событий можно принять: воздействие источника загрязнения (загрязненная зона аэрации) (Fi), расположение объекта в зоне влияния источника (S/Fi) так как водозабор (объект опасности) расположен по пути миграции загрязняющих веществ, проявление неустойчивости (V/Fr) потому что физико-химическое взаимодействие рассматриваемого загрязняющего вещества нитратов – с водовмещающими породами (известняками) незначителен и процесс дисперсии (в нашем случае основной процесс) рассматривается как детерминированный. Вероятностным процессом является формирование результирующего воздействия (Fr/Fi&S), так как концентрация загрязняющего вещества, поступающего в эксплуатируемый водоносный горизонт зависит от литологических окон, количество, расположение и размер которых точно неизвестен.

Основными задачами являлись: оценка вероятностей формирования в эксплуатируемом водоносном горизонте концентрации нитратов > ПДК и прихода загрязнения к водозаборной скважине, расположенной на противоположном берегу Москва-реки, а также исследование влияния гидрогеологических окон на загрязнение эксплуатируемого водоносного горизонта. Для решения поставленных задач были разработаны две модели: модель без гидрогеологических окон в разделяющем слое, чтобы смоделировать ситуацию, когда информация об окнах отсутствует и модель с использованием условного стохастического моделирования литологических окон в разделяющем слое. Для обеих моделей было выполнено моделирование переноса нитратов с использованием программы MODFLOW/MT3DMS (Chiang, Kinzelbach, 2001). В моделях был задан источник загрязнения - поля фильтрации, при помощи дополнительного инфильтрационного питания и относительной концентрации загрязнения равной 1. Для модели с окнами выполнено условное стохастическое моделирование загрязняющего вещества с оценкой вероятности загрязнения через гидрогеологические окна.

Для условного стохастического моделирования “литологических окон” была использована индикаторная функция I(x):



Статистические свойства индикаторной функции I(x) (математическое ожидание E{I(x)} и пространственная корреляция индикаторной функции в виде индикаторной вариограммы были рассчитаны с использованием данных по 254 скважинам. Математическое ожидание E{I(x)} или вероятность появления гидрогеологического окна - 0.3.

Методика, используемая для моделирования вероятности загрязнения эксплуатируемого водоносного комплекса, включала следующие шаги:

- условное стохастическое моделирование 50 вариантов расположения гидрогеологических окон при помощи SISIM программы GSLIB (Deutsch, Journel,1997);

- переход от каждого результата стохастического моделирования к карте коэффициентов фильтрации разделяющего слоя, используя условие:




- получение решения фильтрационной и миграционной задач при помощи программ MODFLOW/MT3DMS для каждого поля коэффициента фильтрации разделяющего слоя (Chiang Kinzelbach, 2001);

- вероятностный анализ полученных в результате моделирования полей концентраций.

Как показали результаты моделирования, максимальные модельные концентрации нитратов в эксплуатируемом водоносном горизонте в конце 100-летнего периода в обеих моделях превышают ПДК (рис.5). Сравнение поля концентраций нитратов надъюрского водоносного горизонта, полученное с использованием детерминистической модели без гидрогеологических окон, и поля осредненных концентраций, полученного при использовании стохастической модели с гидрогеологическими окнами, показало, что поля концентрации практически аналогичны. В отличие от этого, концентрации нитратов в подольско-мячковском водоносном горизонте значительно выше и область загрязнения больше в модели с гидрогеологическими окнами, что свидетельствует о существенном влиянии гидрогеологических окон на загрязнение эксплуатируемого водоносного горизонта, в том числе на миграцию загрязнения к водозабору.

Результаты вероятностного анализа модельных концентраций, полученных при стохастическом моделировании, показали следующее: во всех вариантах наблюдалось превышение концентрации выше ПДК, размер области загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте с вероятностью 90-95% попадает в интервал от 8.3 до 11 км²; осредненные по всем вариантам для каждого блока концентрации также в ряде блоках превышают ПДК; вероятность достижения загрязнения в эксплуатируемом водоносном горизонте с водозабора составляет 0.75-0.85. Величина ущерба определялась стоимостью очистных сооружений, которая по предварительным расчетам составляла около 1 млн. руб. Таким образом, величина риска в денежном выражении составила более 500 000 руб.




a) б)

Рис.5. Результаты моделирования распределения загрязнения в подольско-мячковском водоносном горизонте (ниже разделяющего слоя): a) модель без гидрогеологических окон, б) модель с гидрогеологическими окнами (осредненные по 50-ти вариантам концентрации)

Глава 7. Обоснование управляющих решений по минимизации риска, связанного с загрязнением подземных вод, на участке размещения полигона твердых бытовых отходов

Постановка исследований обусловлена серьезной экологической проблемой - загрязнением природных сред, особенно мезокайнозойских водоносных горизонтов, в районе полигона твердых бытовых отходов. Для научного обоснования управляющих решений по минимизации риска необходимо было выполнить прогноз вероятности загрязнения подземных вод на перспективу развития полигона ТБО. Цель проводимых нами исследований – схематизация физико-химических условий и процессов миграции загрязняющих веществ как одного из основных этапов прогнозных расчетов. Эпигнозный эколого-геохимический анализ изменения химического состава подземных вод, сопредельных сред и свалочного фильтрата с начала функционирования полигона, позволили 1) идентифицировать опасность свалочного тела, как источника загрязнения окружающей природной среды (состав отложений, перечень потенциальных загрязняющих веществ, стадию разложения отходов (в верхней части свалочного тела - ацетогенеза, в нижней - активного или стабильного метаногенеза); 2) установить пространственно- временную динамику изменения окислительно-восстановительных зон, в значительной мере влияющих на состав и концентрацию загрязняющих веществ в подземных водах; 3) определить современный этап развития окислительно- восстановительной зональности (формирование: зоны восстановления природных или природно-техногенных соединений железа, содержащихся в твердой фазе водовмещающих пород, сопровождающегося выходом никеля и кобальта, ранее сорбированных на гидрооксидах), 4) выяснить особенности миграции загрязняющих веществ в свалочном теле и в подземных водах на различных этапах жизненного цикла полигона, 5) оценить возможность загрязнения подземных вод после рекультивации действующего и эксплуатации нового полигона ТБО.

Слабая прогнозируемость ситуации и наличие многих факторов неопределенности (в основном, связанных с отсутствием информации о содержании в породах соединений железа (III) и марганца (IV) и сложностью пространственно-временного прогноза изменения окислительно-восстановительных условий в водоносных горизонтах) определило необходимость проведения системно-ситуационного мониторинга, основными задачами которого являлись наблюдение и контроль за изменением: состояния свалочного тела и состава фильтрата и подземных вод, водовмещающих и перекрывающих отложений, обоснование на основе анализа информации рекомендаций по предотвращению, уменьшению или ликвидации техногенного влияния на подземные воды, наблюдение, анализ и оценка эффективности защитных мероприятий. Проведено обоснование выбора микробиологических и химических индикаторов контроля, позволяющих установить стадии разложения органического вещества в вертикальном разрезе, этапы развития окислительно-восстановительной зональности в водоносных горизонтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научным обобщением теоретических, методологических и методических исследований автора. Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы и наметить пути дальнейшего развития направления.

1. Разработка теории и методологии обеспечения безопасности населения и территорий в условиях активизации формирования и воздействия техноприродных геохимических опасностей - одна из наиболее актуальных проблем в современный период, решение которой должно основываться на результатах анализа и прогноза риска. Междисциплинарный характер проблемы обусловил проведение исследований в различных предметных областях науки, что определило вполне закономерное наличие разных подходов к классифицированию рисков (по среде развития опасностей, по реципиентам опасных воздействий), методологии и методов их оценки. Результаты анализа и обобщения исследований в области техноприродных рисков, связанных с загрязнением и агрессивными свойствами компонентов природной среды, показали необходимость дальнейшего развития и совершенствования теории и методологии анализа, прогноза и управления данными рисками.

2. Сформулированы понятия «геохимическая опасность» (как опасное геохимическое состояние компонентов природной среды) и «геохимический риск», классифицирующий риск по среде формирования опасности и учитывающий вероятности как формирования геохимической опасности, так и реализации опасной геохимической ситуации.

3. На основании синтеза различных теоретических представлений и опыта многолетних исследований разработана обобщенная концептуальная модель формирования техноприродной геохимической опасности и возникновения риска в социоприроднотехнической системе. Концептуальная модель позволяет представить: основные этапы, факторы и процессы формирования геохимической опасности и риска, основные составляющие геохимического риска, характер взаимосвязи в системе «ЛПР –техногенные источники – природная среда- человек»». Разработанные концептуальные представления положены в основу методологии прогноза и управления геохимическим риском на урбанизированных территориях.

4. Разработаны теоретические и методологические основы вероятностного подхода к прогнозу и управлению техноприродным геохимическим риском на урбанизированных территориях на единой концептуальной основе, заключающейся в рассмотрении возникновения риска как результата вероятностных событий в социоприроднотехнической системе.

Методология прогноза техноприродного геохимического риска основана на следующей концепции: наступление «конечного» неблагоприятного события рассматривается как сложное событие, являющееся результатом последовательно обусловленных более простых событий - воздействия техногенного источника, нахождения природного объекта в зоне воздействия техногенного источника, формирования опасного результирующего воздействия на природный объект, проявления неустойчивости природным объектом, контакта объекта опасности (реципиента) с природным объектом, проявления объектом опасности (реципиентом) уязвимости. Прогноз риска выполняется с точностью и достоверностью, соответствующих стадии проектирования, и зависящих от уровня ответственности объекта опасности, интенсивности потенциальных техногенных воздействий, восприимчивости природной среды и объекта опасности к воздействиям, величины предполагаемого риска. На прединвестиционной стадии рекомендуется использование экспертных методов или метода аналогии, на стадии обоснования инвестиций - аналитического метода с использованием упрощенных статистических распределений, на стадии проекта – стохастическое моделирование. Предложения по выбору методов прогноза риска на разных стадиях проектирования носят рекомендательный характер и могут корректироваться в зависимости от задач исследований. В работе представлены основные стадии прогноза техноприродного геохимического риска.

5. Вероятностный прогноз риска загрязнения подольско-мячковского водоносного комплекса на территории бывших Люблинских полей фильтрации в Москве, выполненный с использованием условного стохастического моделирования «гидрогеологических окон» в перекрывающих водоносный горизонт келловей-оксфордских глинах, позволил установить высокую вероятность (0.75-0.85) достижения загрязнением водозаборного участка на конец расчетного периода, а также с учетом ущерба оценить величину «денежного» риска.

6. На основании анализа существующих подходов к оценке геохимического состояния компонентов природной среды с позиций опасности их воздействия на различные объекты выделено и рассмотрено два подхода: вероятностный, при котором геохимическая опасность выражается в единицах риска в зависимости от типа ущерба, и детерминированный, использующий разные системы санитарно-гигиенических норм и геохимических показателей.

На основании многолетнего опыта и анализа литературных и фондовых данных обоснован вывод о необходимости учета специфики объекта сравнения при выборе «реперных» параметров для оценки опасности загрязнения почв, пород и техногенных отложений. Разработан подход для оценки геохимической опасности зоны аэрации как вторичного источника загрязнения подземных вод тяжелыми металлами. Апробация отдельных методических положений проведена на объектах Москвы и Московской области.

7. При постановке, проведении и интерпретации экспериментальных лабораторных исследований межфазных физико-химических процессов в системе «подземная вода-порода» и определении миграционных параметров необходимо учитывать возможность значительной трансформации ионно-солевого комплекса пород в зависимости от способов отбора, хранения и подготовки образцов. Проведенные экспериментальные лабораторные исследования в фильтрующих образцах пород позволили развить представления о: а) возможности использования для моделирования формирования химического состава растворов при фильтрации через породы различного генезиса; установления межфазных физико-химических процессов, выяснения развития микробиологических процессов, которые обычно не принимаются во внимание и недооценка влияния которых на условия поступления компонентов в фильтрат приводит к ошибкам при определении параметров; б) подходам к выбору теоретической модели, описывающей миграционный процесс в образце и определению параметров.

8. Экспериментальные исследования сорбции свинца, меди, никеля, ртути, цинка различными литологическими разностями отложений, обработка результатов экспериментальных исследований с использованием методических приемов (Hinz, 2001) и расчет параметров сорбции с использованием программы SorbFit, позволили расширить представления о виде изотерм сорбции. Выяснено, что в большинстве случаев уравнения изотерм имели более сложный вид по сравнению с использующимися в программах расчета сорбции загрязняющих веществ в зоне аэрации и водоносных горизонтах уравнениями Генри, Ленгмюра и Фрейндлиха, что определяет необходимость включения в данные программы реальных изотерм.

9. Разработанный методологический системно-ситуационный подход к управлению геохимическим риском предполагает создание трех взаимодействующих подсистем управления: техногенными источниками, компонентами природной среды и объектами опасности, деятельность которых координируется единым центром. Оптимальными уровнями системы управления геохимическим риском являются объектный и муниципальный, так как на более высоких уровнях решение проблемы координации представляет значительную сложность. Обоснование и выбор управляющих решений осуществляется на основе прогноза геохимического риска при сценарном подходе к развитию событий. При использовании синергетического подхода к управлению риском, в основе которого необходимость следования законам самоорганизации (антиэнтропийным процессам, идущим в открытой системе против равновесия) необходимо перейти от декларации намерений к выяснению закономерностей процессов самоорганизации и организации в конкретных сложных системах и разработать методологию управления риском с учетом тенденций саморазвития СПТС.

10. Разработаны методологические и методические подходы к районированию урбанизированных территорий по степени геохимической опасности различных компонентов природной среды. Подходы реализованы на примере построения карты геохимической опасности территории г. Москвы масштаба 1:50 000. На основе анализа данных по геохимическому состоянию природных сред, которое обусловливает социальный риск проживания на данной территории и экономический риск при хозяйственном использовании территории, выделены категории геохимической опасности (по сочетанию уровней загрязненности природных сред, защищенности подземных вод от загрязнения, агрессивности грунтовых вод) и проведено районирование территории по категориям опасности. Результаты районирования послужили основанием для разработки комплекса управляющих решений по минимизации рисков, связанных с опасным геохимическим состоянием природных сред.

10. Разработан методический подход к созданию системы мониторинга при управлении геохимическим риском на основе принципов целенаправленности, модельной ориентированности, системности, ситуационности, стадийности. Разработка программ мониторинга должна выполняться на основе анализа сценариев развития событий при наибольшей детальности проработки наиболее вероятного варианта. Обоснована важность контролирования не только параметров, которые позволяют установить соответствие состояния среды действующим нормативам, так и показателей, необходимых для уточнения условий формирования и изменения геохимического состояния среды и их изменение, а также контролирования изменение сценариев развития ситуации.

11. Методология оценки и прогноза техноприродных рисков является сравнительно молодым научным направлением, интенсивно развиваемым в различных областях научных знаний, в связи с чем закономерен поиск новых и совершенствование разработанных путей решения проблемы анализа и оценки и управления рисками, как основы обеспечения безопасности населения

К основным задачам при дальнейшем развитии теории геохимического риска относятся:

1) Совершенствование методологии прогноза и управления техноприродным геохимическим риском на основе интеграции подходов, разрабатываемых специалистами различных областей знаний.

2) Разработка методологии и методик построения крупномасштабных карт геохимической опасности и геохимического риска на урбанизированных территориях.

3) Разработка методических документов, регламентирующих порядок и проведение прогноза геохимического риска на различных этапах освоения урбанизированных территорий.


Публикации по теме диссертации

1. Геохимические аномалии в зоне аэрации и подземных водах на территории крупного промышленного комплекса // Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территории городов и городских агломераций. М.: Наука, 1987. С.77-79 (совместно с Сорокиной Н.П., Чаплиным В.А., Кезиным В.С.).
   
2. Оценка взаимосвязи загрязнения минеральных вод и поверхностных водотоков на месторождении, расположенном в зоне влияния урбанизированной территории крупного города-курорта // Современные проблемы инженерной геологии и гидрогеологии территории городов и городских агломераций. М.: Наука, 1987. С.206-208 (совместно с Саетом Ю.Е.).
   
3. Экспериментальное определение параметров массообмена при фильтрации растворов через засоленные грунты зоны аэрации // Тезисы докладов на I Всесоюзном съезде инженер-геологов, гидрогеологов и геокриологов, Киев, «Наукова Думка», 1989, ч.5.
   
4. Гидрохимическая оценка загрязнения месторождения при обосновании качества минеральных вод //. Тр. НИИ курортологии и физиотерапии. Минеральные воды и лечебные грязи. Условия их формирования и ресурсы. М.: 1987. С. 93-100 (совместно с Саетом Ю.Е., Чесаловым С.М., Рыбаковым В.С.).
   
5. Влияние сельскохозяйственной и коммунально-бытовой деятельности на состояние водных систем в районе месторождений углекислых минеральных вод // Эколого-геохимический анализ техногенного загрязнения. М.: ИМГРЭ, 1992. C. 42-49 (совместно с Кашиной Л.И., Саетом Ю.Е., Яниным Е.П., Бахаревой Т.В.).
   
6. Conception model and experience in assessing the impact of technical and technological disasters on the geological environment // Hydrological Science and Technology. V.9 N.1-4, 1993. American Institute of Hydrology. P. 96-100 (совместно с Осиповым В.И., Зверевым В.П., Чесаловым С.М. и др.).