Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов в условиях природного и техногенного воздействия

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Методика интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов в условиях природного и техногенного воздействия"

На правах рукописи

Соколова Татьяна Владимировна

МЕТОДИКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННО СОЗДАННЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

а ш? гш5

005568244

Воронеж - 2015

005568244

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Косинова Ирина Ивановна

доктор геолого-минералогических наук, профессор.

Лисецкий Федор Николаевич

доктор географических наук, профессор. ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», профессор кафедры природопользования и земельного кадастра.

Кумани Михаил Владимирович

доктор сельскохозяйственных наук, кандидат географических наук, профессор. ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», профессор кафедры физической географии и геоэкологии.

Ведущая организация

ФГАОУ ВПО университет».

«Южный федеральный

Защита состоится 09 июня 2015 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 215.007.01 при ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) по адресу: 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54-а, аудитория 621.

С диссертацией можно ознакомиться в учебной библиотеке ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А.Гагарина» (г. Воронеж) и на сайте http://mil.ru.

Автореферат разослан «//» апреля 2015 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Создание искусственных водных объектов (ИСВО) в мире и в России исторически привязано ко второй половине прошлого столетия. Именно в это время на государственном уровне реализовались программы строительства крупных водохранилищ различного назначения и прудов. Проектирование данных объектов учитывало их целевое назначение, обосновывало технические характеристики. Однако экологические проблемы, связанные с включением в природную окружающую среду крупного искусственного объекта, практически не прорабатывались. В результате в районах размещения искусственно созданных водных объектов начали формироваться патогенные эколого-геохимические аномалии, имеющие как природное, так и техногенное происхождение. Их возникновение стало результатом отсутствия научно обоснованной системы поддержки экологического состояния искусственно созданного водного объекта, которая должна включать широкий комплекс мероприятий: от механических, химических, биологических до градостроительных. Разработка подобных систем является сложной методологической задачей, решение которой производится силами специалистов различных направлений как естественного, так и технического профилей. Среди них: А.Б. Авакян, Г.А. Анциферова, В.Ф. Бре-ховских, Е.С. Гришаева, В.А. Даувальтер, В.А. Королев, И.И. Косинова, С.А. Куролап, Ю.Е. Сает, Н.С. Сафронова, B.C. Стародубцев, В.Т.Трофимов и др.

В настоящее время при изучении экологического состояния искусственно созданных водных объектов необходима интегральная геохимическая оценка донных отложений, которые являются долговременными накопителями загрязняющих веществ, поступающих из поверхностных вод. Данная оценка позволяет определить источники их поступления и локализации, разработать комплекс реабилитационных природоохранных мероприятий на основе принципа постоянных улучшений качества окружающей среды в системе экологического менеджмента акваторий и прилегающих территорий. Существующие методики оценки эколого-геохимического состояния водных объектов не учитывают динамику накопления загрязняющих веществ и гранулометрический состав донных отложений.

В этой связи, научной задачей исследования является разработка научно-методического аппарата регулирования экологического состояния искусственно созданных водных объектов.

Объект исследований - донные отложения искусственно созданных водных объектов.

Предметом исследований являются закономерности формирования вещественно-пространственной структуры донных отложений и связанных с ними эколого-геохимических аномалий в акватории искусственно созданных водных объектов.

Цель работы - улучшение эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов в системе экологического менеджмента акваторий и прилегающих территорий.

Задачи исследования:

1. Проанализировать существующие методические подходы к эколого-геохимической оценке донных отложений.

2. Построить модель накопления тяжелых металлов в донных отложениях.

3. Разработать методику интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов.

4. Произвести идентификацию экологических аспектов, формирующихся при эксплуатации искусственно созданных водных объектов в условиях природного и техногенного воздействия.

5. Разработать основные принципы построения системы экологического менеджмента эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов.

6. Провести апробирование разработанного научно-методического аппарата на основе интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений Воронежского водохранилища. Построить карту загрязнения донных отложений Воронежского водохранилища для выявления участков максимального экологического неблагополучия.

7. Разработать систему экологического менеджмента для улучшения эколого-геохимического состояния искусственных водных объектов. Обосновать систему геоэкологического мониторинга акватории Воронежского водохранилища.

Фактический материал. Исходными материалами при решении поставленных задач явились данные многолетнего мониторинга акватории Воронежского водохранилища, в которых автор принимал непосредственное участие. Они включают около 2000 показателей химического, бактериологического, паразитологиче-ского анализов поверхностных вод водоема; более 800 показателей содержания тяжелых металлов в донных отложениях. Также в работе использованы результаты 530 определений гранулометрического состава донных отложений. Также в качестве исходных материалов использовались результаты аналитических исследований проб сточных вод, поступающих в водоем в период с 2009 по 2014 гг. Общее число отобранных и исследованных проб превышает 3000 определений.

Научная новизна работы:

1. Построена модель процесса накопления тяжелых металлов в донных отложениях, базирующаяся на расчете циклов рекомбинаций молекул в донном осадке, отличающаяся возможностями прогнозирования эколого-геохимической ситуации в процессе накопления различного типа твердых наносов.

2. Разработана методика интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов, отличающаяся учетом их гранулометрического состава, степени загрязнения, анализом природных и техногенных факторов, анализом характера миграции и накопления загрязняющих веществ. Предложено использование ориентировочно фоновых концентраций в качестве эффективных показателей для оценки уровней загрязнения донных отложений, а также введен модифицированный суммарный показатель загрязнения для донных осадков.

3. Проведена идентификация экологических аспектов, формирующихся при эксплуатации водохранилищ как искусственно созданных водных объектов. Предложены принципы построения системы экологического менеджмента, базирующиеся на экологических приоритетах реабилитационных мероприятий и этапности их внедрения для формирования тренда постоянного улучшения эко-лого-геохимической ситуации.

4. На базе разработанного научно-методического аппарата и выработанных принципов предложена система экологического менеджмента Воронежского водохранилища. Получена интегральная эколого-геохимическая оценка состояния донных отложений, учитывающая уровни накопления загрязняющих веществ в зависимости от их гранулометрического состава. Обоснована система поэтапной реализации реабилитационных мероприятий, подтвердившая возможность улучшения эколого-геохимического состояния искусственно созданного водного объекта.

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке научно-методического аппарата интегральной оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов, которая базируется на моделировании процесса накопления тяжелых металлов, введении их ориентировочно фоновых концентраций и модификации суммарного показателя загрязнения донных отложений при синергетическом взаимодействии природных и техногенных факторов.

Практическая значимость работы определяется возможностью применения разработанного научно-методического аппарата для оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов. Разработанная система экологического менеджмента (СЭМ) и алгоритм геоэкологического мониторинга могут быть основой стабилизации и

улучшения состояния окружающей среды в пределах акватории искусственно созданных водных объектов, в том числе Воронежского водохранилища.

Построенная модель процесса накопления тяжелых металлов в донных отложениях может использоваться предприятиями-водопользователями и органами государственной власти в области охраны окружающей среды для экспресс-прогноза экологического состояния донных отложений в районе сброса сточных вод.

Методология и методы исследования. Методология исследования базируется на системном подходе к моделированию процессу накопления тяжелых металлов в донных отложениях. В работе применялись методы эколого-геохимических, геофизических, биоиндикационных, геоинформационных исследований. Интегрирующим инструментом для интегральной оценки и картографирования экологической ситуации служат методы вероятностно-статистического анализа в MS EXCEL и STADIA, а также геоинформационно-аналитические технологии (картографирование - в среде Maplnfo Professional,Golden Software Surfer).

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных положений и выводов обеспечиваются значительным объемом обработанного фактического материала натурных и лабораторных исследований; подтверждается данными экспериментальных исследований, полученными при использовании современного оборудования и средств измерений, методик количественного химического анализа с применением высокочувствительных инструментальных методов.

Соответствие диссертации паспорту специальности: Результаты научного исследования соответствуют п. 1.8 «Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека: химическое и радиоактивное загрязнение почв, пород, поверхностных и подземных вод и сокращение их ресурсов, наведенные физические поля, изменение криоли-тозоны», п. 1.14 «Моделирование геоэкологических процессов», п. 1.17 «Геоэкологическая оценка территорий. Современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии» паспорта специальности.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях: общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2013 - 2014 г.г.); международной конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» (Воронеж, 2010 г., 2012 г., 2013 г.); международной конференции «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2008-

2014г.г.); семнадцатых Сергеевских чтениях «Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы городских агломераций» (Москва, 2015 г.).

Защищаемые положения:

1. Модель процесса накопления тяжёлых металлов в донных отложениях.

2. Методика интегральной оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов.

3. Принципы экологического менеджмента эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов.

4. Система экологического менеджмента Воронежского водохранилища, эксплуатируемого в условиях природного и техногенного воздействия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи (в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ).

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников (122 наименования, в том числе 7 источников на иностранном языке), 42 рисунков, 15 таблиц. Объем 154 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Существующие методы оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов» проведен обзор основных существующих методов оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов. К основным рассмотренным методам оценки донных отложений относятся: использование индекса антропогенной нагрузки (Wilson J. G), фактора загрязнения (Кленкин А.А), индекса загрязнения донных осадков (грунтов) - ИЗГ (Л.А. Беспалова), коэффициентов концентраций. В качестве фоновых при расчете используются различные параметры (Фокин Д.П., Зубарев В .А., Виноградов А.П. и др). Используется суммарный показатель загрязнения (Сает Ю.Е.), индекс геоаккумуляции Igeo (Muller G.), нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга и др. Показаны методические особенности изучения донных отложений Воронежского водохранилища.

Выявлено, что использование кларковых значений и почвенных характеристик не позволяют дать достоверную оценку экологического состояния искусственно созданного водного объекта. Использование почвенных оценок является некорректным, в связи с различием генезиса и физико-химических характеристик донных и почвенных отложений. Применение кларков как величин с высоким уровнем осреднения позволяет выявить только зоны концентрирования за-

грязняющих веществ, при этом, зачастую, не отражает наличие эколого-геохимической аномалии в водоеме.

Большая часть существующих методических подходов оценки донных отложений не учитывает их гранулометрический состав. При этом на равнинных искусственно созданных водных объектах выделяется четкая дифференциация зон аккумуляции иловых и песчаных частиц, накопление загрязняющих веществ в которых происходит с различной интенсивностью.

Методики, базирующиеся на использовании региональных фоновых значений, при применении в иных регионах дают необъективную оценку. В связи с этим расчет индекса геоаккумуляции Igeo для внутригородских водохранилищ с замедленным водообменом признан малоэффективным, не дает объективной оценки ситуации.

Таким образом, проведенный анализ подтвердил, что разработка новых методических подходов должна базироваться на выработке четких градаций эколого-геохимических оценок ДО, систематизирующих группы используемых параметров, среди которых: гранулометрический состав, уточненный суммарный показатель загрязнения, использование ориентировочно фоновых значений.

В главе 2 «Методические особенности интегральной оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов» построена модель накопления тяжелых металлов в донных отложениях. Разработан метод интегральной оценки эколого-геохимического состояния донных отложений искусственно созданных водных объектов.

Предлагаемая нами интегральная эколого-геохимическая оценка состояния донных отложений ИСВО базируется на особенностях их гранулометрического состава. Концентрирование загрязняющих элементов в различных гранулометрических разностях происходит под воздействием основных геополей, а также в зависимости от гидрологии водоема и наличия источников загрязнения. Для определения степени прочности образующихся связей составлена модель накопления тяжелых металлов в донных отложениях (рисунок 1).

На первом этапе образования донных отложений происходит накопление толщи песчаных донных отложений с плотностью р2. Далее оседают иловые частицы с плотностью р,. При этом р, >р2, в результате образуется скачок плотности, и ионы в поверхностном слое приобретают дополнительную свободную энергию, за счет которой в поверхностном слое усиливается процесс рекомбинации ионов с превращением их в нейтральные молекулы.

9 Е=1 Ё

© ® «=» <=» «« е> © Ра © ©

II >- Ж -'1 '

ж® ®е ве Р. В

е'^^— е —>—------

Рисунок 1 - Модель формирования эколого-геохимических аномалий в донных

отложениях

Процесс рекомбинации молекул заключается в следующем: под воздействием поля Е0 начинается процесс разделения свободных зарядов в придонном слое электролита. При этом, положительные заряды скапливаются на нижней границе поверхностного слоя, а отрицательные - на верхней. Процесс разделения продолжается до тех пор, пока поле, создаваемое разделенными зарядами, и направленное противоположно полю Е0, не станет равным по величине напряженности Е0. В этот момент поле в поверхностном слое толщиной г отсутствует, и происходит частичное объединение разделенных зарядов в молекулы с вероятностью Р. При этом электрическое поле ионосферы в электролите ориентирует молекулы положительным зарядом в направлении вектора напряженности Е0. За счет частичного отбора зарядов при образовании молекул в поверхностном слое возникает двойной электрический слой с напряженностью поля Е. Оцененная величина поля Е1, оказалась очень мала (0,25 В/м).

После образования нейтральных молекул и поля двойного слоя Е происходит втягивание положительных ионов из раствора в поверхностный слой на место ионов, ушедших на образование молекул. Здесь опять наблюдается разделение зарядов до тех пор, пока поле в поверхностном слое не станет равным нулю и не возникнет следующий цикл рекомбинации ионов в нейтральные молекулы. Время циклов преобразования ионов в нейтральные молекулы определяется временем прохода положительных ионов через поверхностный слой на нижнюю границу раздела. Зная время циклов преобразования молекул и их количество, можно рассчитать коэффициент накопления, который показывает, сколько циклов рекомбинации ионов должно произойти, чтобы достичь определенной концентрации тяжелого металла в донных отложениях. На основе ука-

занной модели возможен прогноз накопления тяжелых металлов в донных отложениях искусственно созданных водных объектов. Зная состав поступающих сточных вод, поверхностного стока и поступления из атмосферы, влияющих на химический состав донных отложений, можно сделать выводы о возможном накоплении загрязняющих элементов в течение определённого периода.

Одним из экологически важных результатов создания модели является утверждение о прочности связи загрязняющих элементов в донном осадке, что дает возможность консервирования загрязненных илов в водоеме до момента возможности применения технологий, при помощи которых они будут извлечены с минимальным ущербом для водных экосистем.

Теоретические основы модели заложены в основу разработанной методики интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений искусственно созданных водных объектов. Основой предлагаемого метода является использование ориентировочно фоновых содержаний загрязняющих веществ при расчете уточненного суммарного показателя концентрации, соответствующих основным гранулометрическим фракциям: иловой и песчаной.

Алгоритм методики базируется на следующем-

А) производится пробоотбор донных отложений с последующей их дифференциацией по гранулометрическому составу с выделением участков потенциального накопления загрязняющих веществ. Учет гранулометрического состава позволяет определить характер миграции и накопления тяжелых металлов в донных отложениях. Наличие глинистых частиц в иловых отложениях приводит к адсорбированию тяжелых металлов, что приводит к их накоплению. Песчаные донные отложения не обладают подобными свойствами, что приводит к резкому сокращению содержания тяжелых металлов в донных отложениях относительно иловой фракции ДО;

Б) расчет уточненного суммарного показателя концентраций загрязняющих веществ относительно ориентировочно фоновых значений с последующим картированием полученной ситуации:

¿=1

где Кк - коэффициент концентрации, рассчитанный относительно ориентировочно фоновых концентраций для различных гранулометрических разностей донных отложений; п - число учитываемых элементов.

Ранее показатель 2не использовался при эколого-геохимических оценках донных отложений искусственно созданных водных объектов.

В) интегральная эколого-геохимическая оценка состояния донных отложений ИСВО по рассчитанному показателю 2у согласно таблице 1:

Таблица 1 - Интегральная оценка состояния донных отложений ИСВО

А Категория донных отложений

До 5 Чистые донные отложения, соответствующие природному содержанию

5-10 Донные отложения со слабым уровнем загрязнения

10-30 Донные отложения со средним уровнем загрязнения

30 до 100 Донные отложения с сильным уровнем загрязнения

Более 100 Донные отложения с очень сильным уровнем загрязнения

Помимо различных уровней загрязнения, нами выделена градация «чистые донные отложения», соответствующая природному содержанию, где концентрации загрязняющих веществ в донных отложениях находятся на уровне 0,5-1,5 фоновых значений.

Г) классификация донных отложений в целях их дальнейшего использования при проведении дноуглубительных работ и любых работ, направленных на изменение ложа ИСВО, в том числе работ по расчистке русла с последующим намывом территорий для последующего строительного освоения акватории водоема (таблица 2).

Таблица 2 - Классификация извлекаемых донных отложений

Класс Значение Классификация ДО Возможное использование ДО

0 До 5 Чистые Использование без ограничений для намыва территорий, отвала в водные объекты и других целей

Целевой уровень

I 5-10 Слабо загрязненные Использование для намыва территорий

Предельный уровень

II 10-30 Умеренно загрязненные Использование для намыва территорий только под строительство транспортных и коммунальных зон

Проверочный уровень

III 30-100 Сильно загрязненные В случае выемки ДО необходимо хранить только в специально оборудованном отвале. В противном случае они подлежат переработке с выполнением комплекса защитных мероприятий, направленных на предотвращение вымывания ЗВ в окружающ>то среду

Уровень вмешательства

IV Более 100 Опасно загрязненные

Таким образом, предлагаемая нами методика характеризуется следующими достоинствами: позволяет дать интегральную эколого-геохимическую оценку донных отложений искусственно созданных водных объектов; учитывает гранулометрический состав донных отложений. Уже на первом этапе применения она позволяет выявить зоны максимального накопления загрязняющих веществ в донных отложениях; учитывает синергетическое взаимодействие загрязняющих веществ, содержание которых невелико и находится на уровне 0,5-1,5 фоновых значений. Позволяет дать оценку донным отложениям с точки зрения возможности их использования после проведения дноуглубительных работ в ИСВО.

В главе 3 «Принципы экологического менеджмента эколого-геохштческого состояния искусственно созданных водных объектов» проводится идентификация экологических аспектов искусственно созданных водных объектов, позволившая выделить основные принципы экологического менеджмента для обеспечения эффективного функционирования искусственно созданных водных объектов.

Экологический менеджмент эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов представляет собой комплекс последовательных действий, направленных на реабилитацию искусственно созданного водоема.

Выделяется ряд экологических аспектов, определяющих возможности формирования и внедрения системы экологического менеджмента. Среди них: влияние водохранилищ на русловой режим водотока за счет перераспределения во времени стока воды и задержки твердого стока; формирование микроклимата района акватории водоема; изменение качественного состояния атмосферного воздуха; повышение уровня подземных вод; усиление волнового и теплового воздействия на береговую часть и ложе водохранилища; сброс сточных вод; изменения в гидробиологическом режиме, ущербе растительности; усиление эрозионных процессов; изменения в сельскохозяйственной и рекреационной деятельности.

Идентификация экологических аспектов функционирования искусственно созданных водных объектов легла в основу выделения принципов разработки системы экологического менеджмента (рисунок 2).

(Притопы раэраьоти системы экологического' _менеджмента ИСВО___

Принцип икглграклшмоглх! лостояммо дпхтмующей щмздепи смстгмы утлаг ынгогегр —-мгдшмгттю ИСВО

Г

Принцип

| Принцип зффектпианоюфумонецрочпяг» и прмавыо обесгкчаям

Рисунок 2 - Основные принципы разработки СЭМ ИСВО

В главе 4 «Интегральная эколого-геохштческая оценка донных отложений и экологический менеджмент Воронежского водохранилища» посвящена адаптации разработанного научно - методического аппарата на примере крупного водохранилища, расположенного в пределах техногенно нагруженной территории.

Район исследования расположен в зоне умеренно-континентального климата с оптимальным количеством осадков, в месте распространения мощной

толщи четвертичных аллювиальных отложений, перекрытых современными техногенными грунтами. Наличие большого количества водоносных горизонтов является благоприятным с точки зрения существования биоты и водоснабжения городских поселений.

По гидродинамическим, морфометрическим, гидрологическим и техногенным характеристикам выделяется 3 зоны Воронежского водохранилища: северная, центральная и южная.

Наибольших глубин Воронежское водохранилище достигает в бывшем русле реки Воронеж и в нижней части вдоль правого берега водоема. Левый берег в основном характеризуется наличием обширных мелководных зон. Отражается зависимость морфометрии дна от процесса накопления наносов в водохранилище. Более 80 % наносов приходится на песчаные крупнозернистые частицы, большая часть из которых оседает в верхней части водоема и в зонах развития мелководий. Приводятся схемы гранулометрического состава донных отложений. Выявлено, что современный гранулометрический состав донных отложений изменился в сторону увеличения площади распространения песчаных отложений в верхней части и иловых отложений - в нижней. Схема гранулометрического состава донных отложений Воронежского водохранилища представлена на рисунке 3.

Полученная схема является первым этапом интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений Воронежского водохранилища и позволяет выявить основные зоны аккумуляции загрязняющих веществ. К ним относятся участки накопления иловой фракции в верхней, центральной и преимущественно южной частях водохранилища. Это потенциально опасные с эколого-геохимической точки зрения территории, требующие детального исследования.

На втором этапе применения методики интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений дан анализ содержания за-Рисунок 3- Схема грануломет- грязняющих веществ, среди которых выявле-рического состава донных отло- ны основные: медь, цинк, кадмий, никель, жений Воронежского водохра- свинец. Именно по данным веществам далее нилища производится расчет

На следующем этапе выделены ориентировочно фоновые концентрации тяжелых металлов в донных отложениях различных гранулометрических фракций, посчитаны коэффициенты концентраций относительно полученных данных и построены схемы пространственного распространения эколого-геохимических аномалий тяжелых металлов. Фактические данные подтвердили, что донные отложения Воронежского водохранилища загрязнены неравномерно. Большая часть геохимических аномалий связана с поступлением сточных вод предприятий и поверхностного стока с городских территорий. Основная аккумуляция загрязняющих веществ приурочена к нижней части Воронежского водохранилища, где помимо природных особенностей, особую роль играет наличие выпусков сточных вод от ООО «ЛОС» и предприятий Масловского промышленного кластера.

Интегральная эколого-геохимическая оценка донных отложений Воронежского водохранилища представлена в виде карты (рисунок 4). В результате проведенной оценки выявлено, что верховье водоема относится к слабому и среднему уровню загрязнения. В местах сбросов стоков и прохождения мостов уровень загрязнения увеличивается относительно фоновых показателей.

К категории чистых донных отложений относятся участки, расположенные в верховье водоема, а также в проточных зонах. Здесь их концентрация сопоставима с природными и фоновыми значениями. Это относится к створам наблюдений, расположенным в верховье водоема, в районе сбросов сточных вод МУЛ «Горкомхоз», ОАО «ВАСО» и др. В данных зонах либо отсутствуют источники техногенного воздействия, либо их воздействие минимально.

Использование разработанной методики показало, что применение двух ориентировочно фоновых проб позволяет объективно оценить нижнюю часть Воронежского водохранилища. Здесь в глубоководной и проточной части водоема уточненный суммарный показатель концентрации находится на уровне слабого загрязнения, однако в застойных зонах, подверженных значительному техногенному прессингу, являющихся приемником сточных вод от Масловской промышленной зоны и п. Таврово уровень загрязнения доходит до сильного и очень сильного.

Рисунок 4 - Карта-схема эко-лого-геохимического состояния донных отложений Воронежского водохранилища

Полученные результаты позволяют использовать интегральную эколого-геохимическую оценку донных отложений для разработки единых мероприятий при проведении дноуглубительных работ и работ по расчистке русла с последующим намывом территорий для застройки акватории водоема. Так, около 30 % акватории Воронежского водохранилища находится в зоне слабого загрязнения донных отложений, около 30 % - в зоне сильно и опасно загрязненных донных отложений. При этом опасно загрязнённые донные отложения расположены в нижней части водоема. Указанная зона является наиболее техногенно нагруженной. Работы по выемке грунта могут привести к аварийным ситуациям и массовой гибели бентоса и замору рыб.

Таким образом, разработанный научно-методический аппарат на основе интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений апробирован на примере Воронежского водохранилища. Разработанные уровни загрязнения позволяют сделать выводы о целесообразности проведения дноуглубительных работ и возможности вторичного использования донных отложений для отсыпки искусственных территорий на акватории водоема. В нижней части Воронежского водохранилища в местах выявленных сильно и опасно загрязненных донных отложений необходима разработка дополнительных мероприятий, направленных на ликвидацию последствий накопления тяжелых металлов.

На основе полученных данных приводится разработанная система экологического менеджмента для улучшения эколого-геохимического состояния Воронежского водохранилища, которая представляет собой комплекс реабилитационных мероприятий, направленных на постоянное улучшение экологической ситуации в акватории ИСВО. Основным принципом его построения является принцип экологической значимости, который позволяет выстроить иерархию отдельных комплексов природоохранных мероприятий в зависимости от уровня их приоритетности.

Выделяется 3 элемента системы экологического менеджмента (СЭМ) для отдельных зон водохранилища: северной, центральной и южной.

Схема экологического менеджмента для северной части водоема представлена на рисунке 5.

По степени экологической значимости наиболее приоритетным направлением в северной зоне Воронежского водохранилища является внедрение системы обращения с донными отложениями и ликвидация источников загрязнения.

Успмньсобоммшп

»а ■ржытотЬ'П'ы рбт с мааоеаув -аодкагс ЯГСГЫСаи» ДОН ШЯ наш гкрггр*

&в хиик (о«гк«« нкь'>ы -глгх*: м

сб/стрсги ячиэдски ю*

м рюжч/ «она с- в.те» юрчм рстгмс» способом

ш »хрии »«I гимн»: а-«'» гсшм« щ/гфтм

ИМИ Ибо! ЖИЫ 1РМЬИЙ »

«пет*** бцкгсш х» [вшт ¡6здэ«ы

такччогомк«

ва,цп игсчнишл »лев в сгпншш

У «те чмьчшж с№коа г«ы ки *>м эштюог: уочих**)

Рисунок 5 - Схема экологического менеджмента северного элемента

Воронежского водохранилища В центральной части Воронежского водохранилища (рисунок 6) основным направлением работ ЭМ является сохранение его существующего гидродинамического режима. Проведенные исследования показали, что указанная зона, несмотря на наличие наибольшего количества водовыпусков сточных и поверхностных (ливневых и талых) вод, соответствует благоприятной эколого-геохимической обстановке. Активному гидродинамическому режиму в данной зоне способствует выпрямленное ложе водохранилища без существенных изгибов, наличие которых приводит к аккумуляции донных отложений. В связи с этим в данной зоне необходимо очень осторожно производить любые работы по созданию намывных территорий.

Вторым приоритетным направлением в данной зоне является доведение качества очистки сточных вод, поступающих в Воронежское водохранилище, до норм ПДК. Сквозным направлением СЭМ является контроль за состоянием водоохранных зон Воронежского водохранилища. Необходим вынос всех автозаправочных станций и стоянок автотранспорта за их пределы.

«зоищобзим»!»:

КЖЧДО« ДГР пНА II СГХ&1& тш&х* ш

■ *>а юугмн«! '«(УН» [ лхм/ацр йр&стм ¡яф&янс* юь Щ м щи мг* гщвдюпнк вд кплчзт' мгхы

Щ юшкюмимпм чюог*> 7 га» яфявдга

ттдаш

■ »у мси вида»*« хш 1 гаое подеа** I« чед'а апжлиы Его** й: ■данч каи/г е га®Й«П

/«илЛлинябгтэжв-яимтлимшага

Рисунок 6 — Схема экологического менеджмента центрального элемента Воронежского водохранилища СЭМ для южного элемента Воронежского водохранилища представлена на рисунке 7. В данной зоне основными направлениями работ являются: увеличение гидродинамики потока водохранилища с проведением дноуглубительных работ в районе мелководной зоны ниже Вогрессовского моста; работа со сбросами сточных вод, включая модернизацию очистных сооружений ООО «ЛОС» и создание кластера очистных сооружений Масловской промышленной зоны; создание зоны консервации в районе распространения очень сильно загрязненных донных отложений до поиска наиболее эффективных технологий по их обезвреживанию; создание насыпной территории в Масловском затоне для ликвидации геохимического механического барьера, способствующего значительной аккумуляции донных отложений, поступающих со всей акватории Воронежского водохранилища; повсеместная очистка поверхностных вод водоема с помощью биологических методов очистки.

На втором этапе экологического менеджмента предлагается создание геоэкологического мониторинга, который представляет собой систему наблюдений за состоянием геоэкологической системы, прогноза ее развития. Основные точки мониторинга состояния донных отложений представлены на рисунках 4-6 и приурочены либо к зонам современного концентрирования тяжелых металлов в донных отложениях, либо к потенциальным зонам их накопления.

Услм-ы* обоакхш

■ к*» ■р:«лни ЭвдобйПАию : кмллнх-ц) оослслчыг: яяиъхння rpf*nм ¿и» ^ма* цхм'чи*

■ вш стаи мр яэг^гмн**« чш>ы кдо-срт с тоачдошм Ц »*> чролавч« -омрког-ш ад с*;г»л1»чо><ии мгиим<

■ хм рг*ам кэмш о- 1*с<пы жг«-«п»вгя рг+ш сгох&ж

■ *>» »>:гр1ал* ошинм с нгсета* -рлцв«» д-сг^тм»-««

мбот аюмм с с*мфа ам

>ц».-ге*л 6«<хгс«у «и» дт сазе*-» а£еал»:н-м1

нфпюнапсоцкся

■ губ,<щм »»спи юах«ф#«чм км» > мащця обдется » м Ч*а«и1 игр(ш»мм Всхьм там» РС л«»»» «Ц)их< шо»»«оио тагов и г.'и»'«!

Ластю чвбюим гвйог п: ажв-мс 1»«1»а стчх»ы ш х ДО «ш;в«ся :%*хжа*»гч*мхт> ни***»* мбопяшоммсбпсп 7ии жлдочккгв жмите*«»»

Рисунок 7 - Схема экологического менеджмента южной части Воронежского

водохранилища Выводы

В ходе проведенной работы решена научная задача и разработан научно-методический аппарат регулирования экологического состояния искусственно созданных водных объектов. Последовательно решены поставленные задачи:

1. Построена модель накопления тяжелых металлов в донных отложениях, соответствующая полученным экспериментальным данным. Выявлено, что процесс образования нейтральных молекул в донных отложениях из растворенных ионов электролита происходит под воздействием электростатического поля ионосферы с учетом скачка плотностей на границе раздела электролит - донные отложения. Время циклов преобразования ионов в нейтральные молекулы определяется временем прохода положительных ионов через поверхностный слой на нижнюю границу раздела. Построенная модель позволяет произвести расчет процесса накопления тяжелых металлов в донных отложениях и дать прогноз направленности процесса. Зная состав поступающих сточных вод, поверхностного стока и поступления из атмосферы, влияющих на химический состав донных отложений, можно сделать выводы о возможном накоплении загрязняющих элементов в течение определённого периода.

Подтверждена возможность консервирования высоко загрязненных донных отложений в акватории искусственно созданных водных объектов. Обоснована необходимость разработки специализированных технологий дноуглубления на данных участках с применением концентрированного метода илоотсасывания.

2. Определены основные показатели, определяющие пространственные особенности распределения эколого-геохимических аномалий в искусственно созданных водных объектах. На их основе разработана методика интегральной эколого-геохимической оценки донных отложений ИСВО, отличающаяся учетом их гранулометрического состава. В основу методики положен расчет уровней загрязнения на основе уточненного суммарного показателя концентраций, базирующегося на ориентировочно фоновых значениях элементов для песчаных и иловых разностей.

3. Предложены принципы экологического менеджмента для улучшения эколого-геохимического состояния искусственно созданных водных объектов. В основе структуры СЭМ лежат: принцип экологических приоритетов при формировании этапности реализации элементов СЭМ; принцип дифференциации, учитывающий различное эколого-геохимическое состояние акватории в пределах одного ИСВО; принцип комплексности использования искусственно созданного водного объекта и техногенного воздействия на его акваторию; принцип интерактивности постоянно действующей модели системы экологического менеджмента, основанный на внедрении системы геоэкологического мониторинга, позволяющей регулярно получать достоверную информацию об эколого-геохимическом состоянии ИСВО. Принцип эффективного финансирования и правового обеспечения является основой эффективного распределения финансовых ресурсов, законодательно закрепляет решения, принимаемые на различных этапах внедрения системы экологического менеджмента. Использование предложенных принципов рекомендовано для реабилитации акваторий искусственно созданных водных объектов в пределах техногенно нагруженных территорий.

4. Разработанный научно-методический аппарат, выработанные принципы экологического менеджмента адаптированы на примере Воронежского водохранилища. Получена интегральная эколого-геохимическая оценка состояния донных отложений, учитывающая уровни накопления загрязняющих веществ в зависимости от гранулометрического состава донных осадков. Произведена дифференциация акватории с последующей разработкой систем поэтапной реализации реабилитационных мероприятий.

5. По результатам интегральной оценки эколого-геохимического состояния донных отложений Воронежского водохранилища и всей его акватории определены его характерные геоэкологические особенности:

- ведущие загрязняющие элементы донных отложений: кадмий, медь, цинк, свинец и хром. Также в местах сбросов сточных вод отмечается накопление железа и марганца.

- около 30 % акватории Воронежского водохранилища находится в зоне слабого загрязнения донных отложений, около 30 % - в зоне сильно и опасно загрязненных донных отложений. Сильнозагрязнённые донные отложения расположены в нижней части водоема. Указанная зона является наиболее экологически неблагополучной.

Интегральная оценка эколого-геохимического состояния донных отложений легла в основу формирования системы экологического менеджмента и схемы геоэкологического мониторинга Воронежского водохранилища.

6. В основе разработанной системы экологического менеджмента акватории Воронежского водохранилища лежат: принцип экологических приоритетов при формировании этапности реализации элементов СЭМ; анализ трансформации компонентов природной среды; формирование системы геоэкологического мониторинга; разработка природоохранных мероприятий.

Разработана система геоэкологического мониторинга акватории Воронежского водохранилища, которая базируется на комплексном подходе при осуществлении наблюдений за состоянием донных отложений, поверхностных вод, развитием жёсткой растительности, активизации эрозионных и абразионных процессов, анализе морфологии дна водоема. Выделено 18 точек наблюдения, отражающих характер накопления поступающих загрязнений в акваторию.

Данная информация представляет собой базовый цикл системы экологического менеджмента, который должен быть положен в основу постоянно действующей модели Воронежского водохранилища.

Таким образом, предложенный научно-методический аппарат регулирования экологического состояния искусственно созданного водного объекта позволяет фиксировать границы ореола загрязнения, оценивать эффективность внедренных мероприятий, принимать экологически грамотные природоохранные меры в рамках системы экологического менеджмента, оценивать целесообразность финансовых вложений в ее реализацию, совершенствовать экологическое законодательство в рамках Водного кодекса. И, как результат, это - инструмент формирования благоприятной экологической обстановки в районах искусственно созданных водных объектов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Косинова, И.И. Методологические особенности оценки экологического состояния донных отложений / И.И. Косинова, Т.В. Соколова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология .— Воронеж, 2015 .— № 2. - С. 190-198 .— 0,6 п.л.

2. Бударина, В.А. Анализ влияния геологических факторов на сферу жизнедеятельности населения Воронежской области / В.А. Бударина, Т.В. Соколова (Т.В. Повалюхина), В.В. Петруновский // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология .— Воронеж, 2012 .— № 2. -С. 190-198 .— ISSN 0234-5439 .— ISSN 1609-0691 .— 0,6 п.л.

3. И.И. Косинова. Роль песчано-глинистых и карбонатных пород Воронежской области в развитии экзогенных процессов / И.И. Косинова, В.А. Бударина, Т.В. Соколова, В.В. Петруновский // Проблемы региональной экологии .— Москва, 2013 .— № 1. - С. 40-45 .— 0,3 п.л.

4. Соколова, Т.В. Гранулометрический состав донных отложений как фактор формирования эколого-геохимических аномалий / Т.В. Соколова, И.И. Косинова // Семнадцатые Сергеевские чтения. «Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы городских агломераций» 23-24 марта 2015 г. Москва, 2015. — С. 414-418.

5. Сейдайлиев, Г.С. Донные отложения как индикатор экологического стояния Воронежского водохранилища / Г.С. Сейдайлиев, И.И. Косинова, Т.В. Соколова // Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы : материалы 3-й международной научно-практической конференции, 20-22 нояб. 2013 г. —Воронеж, 2013 .— С. 198-204 .— 0,4 п.л.

6. Косинова, И.И. Особенности формирования донных отложений искусственных водоемов и методика их эколого-геологической оценки / И.И. Косинова, Т.В. Соколова, Г.С. Сейдалиев // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации : ОАО "ПНИИИС" - 50 лет : материалы 9-й общероссийской конференции изыскательских организаций, 28-29 нояб. 2013 г. —Москва, 2013 —С. 126-129 —0,3 п.л.

7. Косинова, И.И. Инженерно-экологические изыскания на водохранилищах / И.И. Косинова, Т.В. Соколова, Г.С. Сейдалиев // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации : ОАО "ПНИИИС" - 50 лет : материалы 9-й общероссийской конференции изыскательских организаций, 28-29 нояб. 2013 г. —Москва, 2013 .— С. 164-167 .— 0,3 п.л.

8. Соколова, Т.В. Методологические аспекты оценки экологического состояния донных отложений при проведении дноуглубительных работ / Т.В. Со-

клова, И.И. Косинова // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч. - практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. Ч.Ш. 256 с.

9. Соколова, Т.В. Анализ существующих методических подходов при инженерных изысканиях на искусственных водохранилищах / Т.В. Соколова, И.И. Косинова // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации : материалы 10 общероссийской конференции изыскательских организаций, 3-5 декабря 2014 г. — Москва, 2014 .— С. 117-123 .— 0,4 п.л.

10. Соколова, Т.В. Анализ влияния сточных и ливневых вод на акваторию Воронежского водохранилища / Т.В. Соколова, И.И. Косинова // Приоритетные направления экологической реабилитации Воронежского водохранилища : материалы всероссийской научно-практической конференции, 21 нояб. 2012 г. — Воронеж, 2012 .— С. 174-181 .— 0,5 п.л.

11. Соколова Т.В. (Повалюхина Т.В.) Методические особенности расчетов нормативов допустимых сбросов веществ для закрытых водоемов и речных систем / Т.В. Соколова (Т.В. Повалюхина) // Геологи 21 века : материалы 10-й Всерос. науч.конф. студ., аспирантов и молодых специалистов, г. Саратов, 8-10 апр. 2009 г. — Саратов, 2009,— С. 94-96,— 0,2 п.л.

12. Соколова Т.В. (Повалюхина Т.В.) Сравнительный анализ показателей нормативов допустимого сброса веществ в поверхностные водоемы для рекреационного объекта г. Липецка / Т.В. Соколова (Т.В. Повалюхина) // Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты : материалы междунар. науч.-практ. конф., 6-10 окт. 2009 г. — Воронеж, 2009.— С. 397-398.

13. Соколова Т.В. (Повалюхина Т.В.) Роль сбросов очистных сооружений в формировании качества вод реки Воронеж / Т.В. Соколова (Т.В. Повалюхина), И.И. Косинова // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 6-й Междунар. науч.-практ. конф., г. Воронеж, 10 дек. 2010 г, — Воронеж, 2010 .— Ч. 2. - С. 161-167 .— 0,4 п.л.

14. Косинова, И.И. Региональные особенности проведения инженерных изысканий в Воронежской области / И.И. Косинова, Т.В Соколова (Т.В. Повалюхина) // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации : материалы 8-ой общероссийской конференции изыскательских организаций, Москва, 13-14 декабря 2012 г. — Москва, 2012 .— С. 27-32 .— 0,4 п.л.

Статьи 1-3 опубликованы в ведущих рецензируемых журналах перечня ВАК РФ.

Подписано в печать «06» апреля 2015 г. Формат 60 х 84/16. Усл. печ. л. 1,28. Тираж 100 экз. Заказ 100. Отпечатано в типографии ООО ИПЦ «Научная книга» 394026, г. Воронеж, Московский пр-т, 11 б Тел. +7 (473) 200-81-02, 220-57-15 http://vvww.n-kniga.ru. E-mail: zakaz@n-kniga.ru