Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 2. Геологическая среда города

местности почва также неоднородна и характеризуется дифференциацией про-

филя на более или менее четко выраженные генетические горизонты. Пример

дифференцированного почвенного профиля представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема строения почвенного профиля:

A j — гумусово-аккумулятивный горизонт; А

— элювиальный горизонт;

В — элювиально-иллювиальный горизонт; В — иллювиальный горизонт;

С — материнская порода

На формирование определенного типа почвы и почвенного профиля вли-

яют климат, материнские горные породы, которые ее подстилают, рельеф,

характер водообменных процессов, тип природной растительности, харак-

терной для данной климатической зоны, животные и микроорганизмы, оби-

тающие в почве. Типичными для Украины являются черноземы, серые и бу-

рые лесные, каштановые и дерново-подзолистые почвы.

В последние столетия важным фактором почвообразования стала дея-

тельность человека. На урбанизированных территориях, по сравнению с при-

родными, антропогенный фактор в почвообразовании можно считать веду-

щим. Для городов характерны так называемые техноземы — почвы, создава-

емые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов или

хозяйственного освоения участков земли. Техноземы частично наследуют

свойства зональных нарушенных почв и горных пород, частично формиру-

ются под влиянием мощной техники, используемой при укладке почвенного

слоя. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, зачас-

тую 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 прово-

дится их оценка, является плодородие. Плодородие почв обусловлено наличи-

ем в их составе органических и минеральных питательных веществ, определен-

ными параметрами структуры, поддерживающими нормальный газообмен и

Экология города

водообмен, физико-химическими характеристиками (концентрацией водород

ных ионов и солевым режимом), поддерживающими нормальное протекани<

физиологических процессов в растениях. Плодородие почвы обеспечивает оп

ределенную биологическую продуктивность природной растительности и уро

жай сельскохозяйственных культур. Являясь важнейшим звеном биологичес

кого круговорота веществ, почва продуцирует основной пищевой и энергети

ческий материал для остальных обитателей планеты. При этом она выполняет

функции регулятора, поддерживающего естественный состав атмосферы за счет

преобразования отмирающей биоты и продуктов производственной деятель-

ности человека. Именно эта сторона участия почвы в биологическом кругово-

роте веществ делает ее важнейшей составляющей экосистем городов. Исполь-

зование почв в городах, как правило, имеет несельскохозяйственный характер

Важнейшее направление их использования — создание парков, скверов, газо-

нов, покрытий для спортивных сооружений. Дерновый слой почвенного про-

филя используют для крепления откосов при строительстве транспортных вы-

емок, насыпей и т.п. Неплодородные почвы наряду с суглинками и другими

грунтовыми материалами применяют для оснований при строительстве зда-

ний. Благодаря высокой поглотительной способности почва выполняет роль

фильтра для очистки поверхностного стока. Глины и суглинки используют для

противофильтрационных экранов полигонов захоронения бытовых и произ-

водственных отходов.

Загрязнение почв. На территории городов почвы подвергаются загрязне-

нию, которое можно подразделить на механическое, химическое и биологи-

ческое.

Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломоч-

ным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и

других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное вли-

яние 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-хими-

ческих свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распростра-

ненным, 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 город-

ских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности. Эти

виды загрязнения подлежат контролю прежде всего на территории селитеб-

ных и рекреационных зон.

Рассмотрим более детально процессы химического загрязнения почв.

На урбанизированных территориях загрязнение почв обычно происходит

в результате выбросов промышленных предприятий, транспорта, предприя-

тий теплоэнергетики, утечек из канализации и отстойников, воздействия про-

мышленных и бытовых отходов, а также в определенной мере за счет исполь-

зования удобрений и пестицидов.

Раздел 2. Геологическая среда города 33

Выбросы промышленных предприятий являются источником загрязне-

ния почв городских территорий тяжелыми металлами, канцерогенными ве-

ществами, соединениями азота и серы. Однако данных, позволяющих оце-

нить корреляционные связи между содержанием химических элементов в

выбросах, их концентрацией в атмосферном воздухе, в выпадениях на поверх-

ность земли и степенью загрязнения почв, недостаточно. Поэтому оценить

зависимость распределения химических элементов в выбросах и выпадениях

из воздушных потоков можно лишь приближенно.

График на рис. 2.2 отражает количественную связь между концентрацией

свинца в составе выброса предприятия цветной металлургии, в пыли, осаж-

денной снегом из атмосферного воздуха, и в почве.

Рис. 2.2. Зависимость между содержанием свинца в атмосферном воздухе

(х, мг/м

), в снежном покрове (у , мг/м

) и в почве (у

, мг/м

) (по Саету, 1990)

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 концентра-

циях, которые являются токсичными (табл. 2.1).

При внесении в почвы иловых осадков и компоста в дозах, определяемых

по их удобрительной ценности, можно прогнозировать увеличение содержа-

ния токсичных элементов в почвах в несколько раз.

Внесение отходов с повышенным содержанием токсичных элементов как

удобрений приводит к концентрации металлов в растениях. На рис. 2.3 показан

уровень накопления химических элементов в салате при выращивании его на

участках с использованием компоста из городских бытовых отходов.

Более предпочтительным является использование удобрений, получен-

ных на основе городских отходов, для повышения плодородия почв город-

ских зеленых насаждений.

Поступление загрязняющих химических веществ из почвы в организм

человека связано с процессом их миграции по биологическим цепям: почва

Экология города

— растение — человек, почва — растение — животное — человек; почва

вода — человек; почва — атмосферный воздух — человек.

Таблица 2.1. Содержание химических элементов в иловых осадках городских

сточных вод очистных сооружений (по Саету, 1990)

Элемент

Иловые осадки Иловые осадки

в промышленных городах

в малопромышленных города

Средняя концент-

Коэффициент Средняя концен-

Коэффициен

рация, мг/кг

концентрации трация, мг/кг

концентраци]

Ртуть

1,29-1,7 129-177

0,75 75

Кадмий

33,64-60 112-165 3,25

Серебро

13,42-36,23 134-362 13,03

130

Хром

792,14-1260,39

17-27

423,78

Молибден

28,2-29,9

28-29 14,79 15

Цинк

258,6-1818,0 5-35

117,3

2,3

Медь

503,5-518,3

18-19

220-240

8-83

Вольфрам

22,7-25,9

23-26

22,8 23

Олово

45,29-58,26

9-12 30,98

Никель

91,2-210,5 5-11

391

Свинец

191,57-235,8

7-9

201,3

Стронций

145,2-184,1

5,2-6,6 42,4

1,5

Кобальт

2,1-15,0

0,3-2,2 4,8

0,7

Бор

44,0-76,3 1,2-2,0

43,0

1,2

Фтор

450,0

— —

Барий

147,4-302,6

0,6-1,3

227,9 0,9

Висмут

2,5

— —

Суммарный показа-

тель загрязнения

(без учета серебра)

— 370-610

— 190

Рис. 2.3. Избыточное накопление химических элементов в салате, выращенном на участках

с компостом (в процентах относительно контрольного участка)

Раздел 2. Геологическая среда города

Для почв сельскохозяйственного использования оценку уровня загрязне-

ния вредными веществами ведут на базе предельно допустимых концентра-

ций, причем приоритетным является транслокационный показатель вредно-

сти, учитывающий поступление в организм человека вредных веществ из почвы

через растения. *

Для городских условий загрязненные почвы рассматривают прежде всего

как источник вторичного загрязнения атмосферного воздуха. На основе со-

пряженных геохимических и гигиенических исследований установлена воз-

можность использования уровня химического загрязнения почв как индика-

тора 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 исполь-

зуют при анализе загрязнения территории тяжелыми металлами и другими

токсичными элементами.

Геохимическим фоном называют среднее содержание химического эле-

мента в почвах по данным изучения статистических параметров его распре-

деления. Геохимический фон является региональной или местной характе-

ристикой почв и пород.

Участок территории, в пределах которого статистические параметры рас-

пределения химического элемента достоверно отличаются от геохимического

фона, называется геохимической аномалией. Геохимические аномалии, в пре-

делах которых содержание загрязняющих веществ достигает концентраций,

оказывающих неблагоприятное влияние на здоровье человека, называют зона-

ми загрязнения. Уровень загрязнения характеризуется величиной коэффици-

ента концентрации К

, которую определяют из соотношения: К

— С./С

где С — концентрация загрязняющего вещества в почве; С

— фоновая кон-

центрация загрязняющего вещества, мг/кг почвы.

Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчи-

тывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную

сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:

Z= X К

— (п — 1), где К

— коэффициент концентрации элемента; п — чис-

С С/

v 7

ло элементов с К

> 1.

Химические элементы, условно называемые тяжелыми металлами (сви-

нец, цинк, медь, кадмий, ванадий и др.), не только сами являются опасными

для здоровья человека, но и служат индикаторами присутствия более широ-

кого спектра загрязняющих веществ (газов, органических соединений). Ве-

личину суммарного показателя загрязнения почв используют для оценки уровня

опасности загрязнения территории города. Значения суммарного показателя

загрязнения до 16 соответствуют допустимому уровню опасности для здоро-

вья населения; от 16 до 32 — умеренно опасному; от 32 до 128 — опасному;

более 128 — чрезвычайно опасному.

Экология города

Геохимическое изучение почв в городе на регулярной основе позволяе

получить пространственную структуру загрязнения селитебных территорий

выявить участки, проживание на которых сопряжено с наибольшим риско!

для здоровья населения.

Отрицательное влияние на состояние почвы в городе оказывает исполь

зование поваренной и других солей для борьбы с гололедом в зимний перио

и утечки высокоминерализованных технологических растворов. Это приво

дит к возрастанию количества фитотоксичных соединений в составе ПОЧЕ

Известно, что хлориды натрия и кальция разрушительно действуют на поч

венные коллоиды и вызывают при определенных концентрациях гибель рас

тений. В талой снеговой воде крупного промышленного города может содер

жаться хлор-иона в 150 раз больше, чем в природной речной воде.

Аналогичные последствия может иметь использование сточных вод с вы

соким солесодержанием для полива зеленых насаждений. Поэтому предельна)

величина минерализации воды, используемой для полива, не должна превы-

шать 2—3 г/дм

, а концентрация бикарбоната натрия в воде — 2, 5 мг • экв/дм

Во избежание осолонцевания почв необходимо поддерживать оптималь-

ное соотношение катионов в составе солевого комплекса. Критерием являет-

ся показатель SAR, который рассчитывают по формуле Ричардсона:

SAR = Na

/^l(Ca

+ Mg

) /2.

Предельно допустимая величина SAR составляет 10 при минерализации вод

до 1 г/дм

и снижается до 4 при повышении минерализации до 3 г/дм

Сохранение почвенного слоя при инженерно-строительной деятельности. Не-

обходимым условием создания в городе благоприятной среды проживания

человека с достаточным количеством зеленых насаждений (по нормам Укра-

ины — от 16 до 23 м

на человека для разных климатических зон) является

бережное отношение к плодородному слою почвы.

Интенсивная инженерно-строительная деятельность в пределах городских

агломераций включает большой объем земляных работ (прокладка дорог, ком-

муникаций, рытье котлованов под фундаменты, мелиоративные работы и

т.д.), при выполнении которых страдает почвенный слой. Для его сохранения

необходимо проводить обязательное снятие плодородного и потенциально

плодородного слоя почвы отдельно от подстилающих слоев на всех категори-

ях земель.

К плодородным почвам относят такие, у которых содержание гумуса на

нижней границе слоя составляет не менее 1,5—2%, величина рН водной вы-

тяжки не выходит за пределы интервала 5,5—8,2, гидролитическая кислот-

ность по АР

не превышает 3 мг • экв на 100 г почвы, а содержание Na

обменном комплексе — не более 5%. Количество#токсичных солей в почвах

должно быть не более 0,25%, а в гранулометрическом составе почв количе-

ство частиц размером менее 0,01 мм должно быть в пределах 10—75%. Если

количество гумуса снижается до 1%, почвы относят к потенциально плодо-

родным.

Раздел 2. Геологическая среда города 37

Мощность снимаемого слоя почвы определяется уровнем плодородия ма-

лопродуктивных угодий, подлежащих землеванию в данном районе. Если

снятый плодородный слой не используется сразу же для землевания или ре-

культивационных работ, проводят его селективное складирование в виде бур-

тов, откосы и поверхность которых при длительном хранении (сроком более

2 лет) засевают травами.

Если санитарные показатели плодородного слоя соответствуют требова-

ниям, предъявляемым к почвам сельскохозяйственных территорий, снятый

плодородный слой почвы может быть использован для восстановления эро-

дированных почв сельскохозяйственной зоны.

Поскольку почвы в городе часто загрязнены токсикантами, необходимо

производить закрепление их поверхности посевом трав во избежание вторич-

ного загрязнения атмосферы.

Мелиорация загрязненных почв. Для восстановления почв, сильно за-

грязненных тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, нет

универсальной методики. Действие каждого метода обработки зависит от

особенностей почвы и специфики произрастающих на ней растений. По-

этому для каждого случая необходимы специальные исследования. Самы-

ми распространенными методами восстановления почв, загрязненных ме-

таллами, является выщелачивание легкоподвижных элементов из почв пу-

тем их промывки и перевод катионов тяжелых металлов и микроэлементов

в трудноподвижные формы внесением извести и фосфатов с добавкой

органических веществ. Однако иммобилизация микроэлементов при этом

достигается не всегда, так как металлы, присутствующие в почве в форме

сложных органических комплексов, даже после сильного известкования могут

сохранять подвижность.

Кроме способов физико-химической обработки загрязненных металлами

почв, используют перемешивание верхнего слоя с незагрязненной почвой

или снятие верхнего загрязненного слоя и засыпку привозным незагрязнен-

ным грунтом.

Для восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, ис-

пользуют методы микробиологической очистки и обработку почв негашеной

известью с поверхностно-активными веществами.

Для предотвращения загрязнения почв необходимо сокращать выбросы в

атмосферу от транспортных средств и промышленных предприятий, ликви-

дировать на территории города неорганизованные свалки бытового мусора, а

захоронение отходов проводить в соответствии с существующими экологи-

ческими нормами.

Рекультивация земель промышленных агломераций. Городские агломера-

ции крупных промышленных центров нередко включают участки техноген-

ного ландшафта, т.е. территорий, основные особенности которых, выражен-

ные прежде всего в рельефе, связаны с добычей и переработкой полезных

ископаемых. Пространственно техногенный ландшафт часто сочетается с ур-

боландшафтом. Примерами городов с элементами техногенного ландшафта

Экология города

являются промышленные центры Донбасса, Кривой Рог, Марганец, Нико-

поль. При разработке полезных ископаемых и строительстве промышленных

комплексов нарушается растительный и почвенный покров, литологический

разрез толщи и гидрогеологический режим, изменяются рельеф и животный

мир, загрязняются поверхностные воды и атмосферный воздух. После завер-

шения строительства или отработки участка месторождения необходимо про-

вести рекультивацию земель, т.е. комплекс работ, направленных на восста-

новление их продуктивности и улучшение условий окружающей среды в со-

ответствии с интересами общества. Ценность рекультивированных земель и

почв должна быть не ниже той, что была до их нарушения.

Рекультивация земель должна являться завершающим этапом тех произ-

водственных процессов, которые приводят к нарушению почвенного покро-

ва или литогенной основы территории. Составление проектов рекультивации

следует проводить одновременно с проектированием основного производ-

ственного объекта и учитывать весь комплекс природных, хозяйственных,

экономических, социальных и санитарно-гигиенических факторов. Они оп-

ределяют выбор направления рекультивационных работ, например, рекреа-

ционного (создание зон отдыха и спорта с парками, водоемами для оздоро-

вительных целей, туристических баз и др.), водохозяйственного, строитель-

ного и др.

Многостороннее воздействие техногенеза на природные ландшафты и раз-

личная ответная реакция экосистем не позволяют однозначно подходить к

решению вопроса о рекультивации какой-либо территории. Не всегда оказы-

вается целесообразным восстановление прежних комплексов, которые были

до нарушения природной среды. Однако рекультивируемые земли и прилега-

ющие к ним территории после завершения всего комплекса работ должны

представлять собой организованный и устойчивый к техногенному воздей-

ствию ландшафт.

2.3. Литогенная основа городских территорий

Литосфера, включающая материки и ложе океанов, не является сплош-

ной твердой оболочкой. Она состоит из ряда литосферных плит, которые

медленно, но непрерывно перемещаются относительно друг друга. Так, пли-

ты, граница между которыми проходит вдоль Западного побережья США по

разлому Сан-Андреас, движутся во встречных направлениях со скоростью

5 см в год, так что города Лос-Анджелес и Сан-Франциско через 10—12 мил-

лионов лет могут оказаться рядом.

Граница между Евразийской, Африканской и Австралийской плитами

проходит через Альпы, Кавказ, Гималаи, включая в пограничную полосу

Карпаты и горный Крым. Зоны контакта между плитами характеризуются

активным тектоническим режимом, т.е. высокой частотой землетрясений,

проявлением вулканической деятельности, современными вертикальными

движениями большой амплитуды. Это находит отражение в особенностях быта,

строительства и других видов практической деятельности жителей городов,

Раздел 2. Геологическая среда города

расположенных в этих зонах. В срединной части плит тектонический режим

в современную геологическую эпоху более спокойный, так называемый плат-

форменный.

Основная час1ъ территории Украины относится к структурам платфор-

менного типа. Их геологическое строение в схематическом виде можно пред-

ставить как трехслойное: поверхностный покров современных и четвертич-

ных отложений залегает на складчатом осадочном основании, которое бази-

руется на кристаллическом фундаменте, представляющем собой массивную

толщу магматических и метаморфических пород (рис. 2.4). Основная инже-

нерно-строительная деятельность в пределах городских территорий связана с

верхним осадочным чехлом, но в зависимости от урболандшафтных условий

и специфики производственной деятельности жизненно важную роль в фор-

мировании условий городской среды могут играть и породы более глубоко

залегающих структурных ярусов.

Рис. 2.4. Схема геологического строения территории:

I — чехол современных отложений; II — складчатое основание;

III — кристаллический фундамент

Все горные породы применительно к строительной деятельности можно

рассматривать как основание для строительства здания или сооружения, как

материал для строительства или как среду, в которой размещается сооруже-

ние. Горные породы, а также современные отложения естественного и техно-

генного происхождения, используемые в строительных целях, называются

грунтами.

С инженерно-геологических позиций все горные породы подразделяют

на два класса — скальные и нескальные. Среди нескальных пород выделяют

песчаные и крупнообломочные породы, взаимодействие между частицами

которых определяется лишь трением и зацеплением, и пылевато-глинистые,

или связные, породы. Взаимодействие между частицами связных пород обус-

ловлено наличием водно-коллоидных связей. Различный характер связей, при-

сущий этим породам, определяет различие в их свойствах и поведении в го-

родской среде.

Скальные породы залегают чаще на значительной глубине от поверхности

земли и относительно редко, по сравнению с рыхлыми осадочными породами,

Экология города

служат основанием городских сооружений. Они являются средой, в которой

осуществляется подземное строительство (шахты по добыче полезных ископа-

емых, тоннели метро, подземные выработки другого назначения). Обнажения

таких пород в черте города можно видеть, например, в Запорожье, Изюме,

Севастополе, в городах предгорной зоны. Характерной особенностью скаль-

ных пород является их монолитность, обусловленная прочными связями меж-

ду частицами. Связи эти носят кристаллизационный или цементационный ха-

рактер и определяют высокую плотность, малую пористость и высокую проч-

ность пород как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Показатели плотности и пористости некоторых видов твердых пород

Наименование

породы

Плотность, г/см

Пористость, %

Наименование

породы

породы сухой породы

частиц

Пористость, %

Габбро

2,87-2,95 2,86-2,95 2,99-3,92

0,08-4,5

Мрамор

2,70

2,71

0,1

Доломит

2,68

2,68 2,83 3,4-12,4

Мел

1,35

—

2,68

—

Опока

1,71

1,42 2,35

Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с

развитием в их массивах трещиноватости. Влияние степени трещиноватости

на водопроницаемость пород иллюстрируют данные табл. 2.3.

Таблица 2.3. Показатели водопроницаемости для пород различной степени

трещиноватости

Степень трещиноватости пород

Коэффициент

фильтрации, м/сут

Удельное

водопоглощение, л/мин

Нетрещиноватые

0,01 0,005

Слаботрещиноватые

0,01-10,0

0,005-5,0

Трещиноватые

10-30

5-15

Сильнотрещиноватые 30-100

15-50

При величине пористости пород более 5% их прочностные показатели

значительно ухудшаются и их классифицируют как полускальные породы.

Под воздействием движущегося потока воды трещиноватые и пористые по-

роды карбонатного или сульфатного состава могут выщелачиваться с образо-

ванием карстовых пустот. Скальные и полускальные ^ороды в условиях воз-

действия строительных нагрузок ведут себя как упругие твердые тела.

Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементиро-

ванных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их

роль дренирующих или водовмещающих элементов в осадочном комплексе.