Трансформация придорожных техногеосистем на территории Смоленской области

Бышевская, Анастасия Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Трансформация придорожных техногеосистем на территории Смоленской области
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Трансформация придорожных техногеосистем на территории Смоленской области"

На правах рукописи

Бышевская Анастасия Владимировна

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИДОРОЖНЫХ ТЕХНОГЕОСИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ СМОЛЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

25.00.36 - геоэкология (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

005549874

Калининград - 2014

005549874

Работа выполнена в негосударственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Смоленский гуманитарный университет»

Научный Шкаликов Виктор Андреевич

руководитель: доктор географических наук, профессор

Научный Краснов Евгений Васильевич

консультант: доктор геолого-минералогических наук, профессор

Официальные Рудский Виктор Валентинович

оппоненты: доктор географических наук, профессор, Федеральное

государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем комплексного освоения недр РАН, отдел горной экологии, ведущий научный сотрудник Сладкопевцев Сергей Андреевич доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет геодезии и картографии, кафедра физической географии и ландшафтного дешифрирования, профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Защита состоится 16 июля 2014 г. в 12-00 ч. на заседании диссертационного совета Д212.084.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Балтийский федеральный университет им. И.Канта» по адресу: 236041, г. Калининград, ул. А.Невского, 14, ауд. 202. e-mail: ecogeographv@rambler.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского федерального университета им. И.Канта (ул. Университетская, 2) и на сайте http://www.kantiana.ru/postgraduate/dis-list/134084/

Автореферат разослан /(¿¿Jf 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Баринова Галина Михайловна

Актуальность исследования. Рост автопарка и интенсивности движения транспортных средств по дорогам России повсеместно сопровождается увеличением выбросов поллютантов в атмосферный воздух, гидросферу и почвы придорожных земель. В результате перенасыщения: тяжелыми металлами, нефтяными углеводородами и др. токсичными веществами происходит трансформация экосистем - нарушаются естественный обмен веществ, энергетика и информационные связи их компонентов. Всё это проводит к возрастанию опасности (риску) деградации и даже к полному исчезновению придорожных сообществ. Возрастает заболеваемость населения, вызванная загрязнением атмосферного воздуха. Поэтому исследования динамики, факторов и выявление пространственно-временных закономерностей развития опасных природных и техноприродных процессов в придорожных техногеосистемах Смоленской области (с ее развитой автотранспортной сетью) безусловно актуальны как и для многих других регионов Европейской России.

Степень разработанности проблемы. Наиболее ранняя информация (с XVI в.) о дорогах Смоленщины содержится в архивных документах канцелярии губернатора этого региона. История формирования, современное состояние и проблемы дорожной сети подробно освещены в монографии Э.И. Яшкевича (2004). Геоэкологические аспекты проектирования, строительства и эксплуатации дорог Смоленской области многие годы исследовал В.А. Шкаликов (2000-2013). Т.А. Ватлина и A.B. Бышевская (2011) выявили пространственные связи между плотностью автодорог и детской заболеваемостью органов дыхания, на основашш которых разработали типологическую классификацию территории Смоленской области по этим показателям.

На сопредельной территории Республики Беларусь детально исследовано воздействие автотранспорта на изменения в составе и структуре лесных сообществ придорожной полосы магистрали Минск-Москва. Установлено, что придорожные леса на отдельных участках трассы находятся в стадии дигрессии, в них появились адвентивные и агрессивные рудеральные виды, дестабилизирующие естественный растительный покров (Вознячук, Пугачевский, Судник, 2006). Сезонная гибель земноводных на путях миграции (через дороги) за пять лет наблюдений возросла на 20% (Новицкий, 2004, 2007). А.Ф. Мирончик (2007) определил диапазон радиоактивного загрязнения придорожных почв изотопами ""Sr и 137Cs,указав на реальную возможность их концентрирования в кормах животных, а в дальнейшем и в продуктах сельскохозяйственного производства.

Автором, начиная с 2006 г. по 2013 г. под руководством проф. В.А. Шкаликова выполнялись комплексные мониторинговые исследования с оценкой прямых и обратных связей в системе «автотранспорт - окружающая среда». На ландшафтной основе составлена серия карт, отражающих не только влияние природных условий на состояние автодорог Смоленской области, но и трансформацию природных геосистем.

Объект исследования - придорожные техногеосистемы на территории Смоленской области.

Предмет - трансформация придорожных техногеосистем, пути минимизации и предотвращения негативных геоэкологических последствий.

Цель - выявить пространственно-временные закономерности трансформации придорожных техногеосистем на территории Смоленской области.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обоснование методологии, принятой терминологии и методики исследования.

2. Обобщение результатов предшествующих разработок проблемы трансформации придорожных техногеосистем.

3. Обзор природных факторов и историко-культурных предпосылок формирования автотранспортной сети на территории Смоленской области.

4. Комплексная оценка и сравнительный анализ трансформационных процессов, в придорожных техногеосистемах Смоленской области (на ключевых участках).

5. Разработка практических рекомендаций по повышению экологической безопасности автотранспорта и оптимизации функционирования придорожных техногеосистем.

Материалы, методология и методы. В основу исследования положены многолетние фактические данные, собранные автором в 2006-2012 г.г. во время полевых и камеральных работ на пяти ключевых придорожных участках. Наряду с результатами собственных исследований в диссертации использованы данные ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Смоленской области», проанализированы сведения из многочисленных опубликованных и фондовых источников.

Методология исследования базируется на геосистемном подходе — по В.В. Докучаеву, В.И. Вернадскому, Л.С. Бергу, В.Б. Сочаве и др., согласно которому любой природный, либо антропогенный объект/процесс следует рассматривать не изолированно, а во взаимных связях и отношениях. Системность выдерживалась в той или иной степени в зависимости от полноты данных. Наиболее интегрирующий метод - картографирование геоситуаций на ландшафтной (геосистемной) основе. Определенные перспективы связываются также с моделированием и интегральной оценкой информационной энтропии, вызываемой в придорожных геосистемах поллютантами.

В ходе полевого комплексного мониторинга геоситуаций и камеральной обработки данных применялись: сравнительно-географический, эмпирико-статистический, экспертный химико-аналитический и ряд других оценочных методов. Интегрирование полученных результатов осуществлялось картографически на ландшафтной основе. Картографические продукты создавались в векторном графическом редакторе CorelDraw с учетом принципов содержательности, комплексности и избирательности. Для построения блок-диаграмм использовалась программа Microsoft Visio.

На ключевых участках придорожной полосы автотрассы Москва-Минск и некоторых других изучалась степень загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами. С использованием стандартных методик на атомном спектрофотометре С115-М1 в лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Смоленской области» определяли содержание валовых и подвижных форм металлов (1100 элементоопределений). Воспроизводимость результатов в среднем составила 7,5%, коэффициенты вариации содержания поллютантов - 30%.

Результаты химико-аналитических исследований статистически обрабатывались с использованием программного пакета Mathcad 2003 методом наименьших квадратов. Информационную энтропию рассчитывали как меру разнообразия (неопределенности) геоэкологической ситуации, используя коэффициенты концентрации и доли каждого поллютанта (по К. Шеннону).

Биоиндикацию состояния атмосферного воздуха проводили по изменениям морфологических признаков растений. Образцы растений отбирали на расстоянии 150 м от бровки дорожного полотна. В каждой точке на одинаковой высоте выбирали

листья 15-20 растений массовых видов (свыше 1000 проб). На листовых пластинках отмечались следы некроза, нарушения симметрии, появление галлов и других новообразований, свидетельствующих об ухудшении условий среды обитания.

Научная новизна работы. Впервые на геосистемном уровне, осуществлена комплексная оценка трансформации придорожных техногеосистем Смоленской области, выявлены прямые и обратные связи компонентов, установлена направленность изменений в почвенно-растителыгом покрове, водных объектах, миграционных путях животных, состоянии здоровья населения. Составлена серия карт, отражающих усиление опасных техногенных процессов ослабляющих устойчивость придорожных техногеосистем.

Основные защищаемые положения.

1. Придорожные техногеосистемы Смоленской области - исторически сложившаяся совокупность пространственно сопряженных (взаимодействующих между собой) природных геосистем (ландшафтов) и автотранспортной сети с ее инженерными коммуникациями и сервисной (АЗС и др.) инфраструктурой, испытывающих возрастающую трансформацию.

2. Направленность трансформационных процессов в исследованных придорожных геосистемах определяется распространением протяженных и локальных экогеохимических аномалий в воздушной среде, поверхностных водных объектах и почвогрунтах, сокращении разнообразия местной фауны и флоры, увеличении количества миграционных барьеров для животных, адвентивных и рудеральных видов растений, усилении общей геоэкологической напряженности на федеральных и региональных автотрассах Смоленской области.

3. Автотранспортный комплекс по мере своего распространения и разветвления по территории Смоленской области предстает в виде системы (АТС) с возрастающим количеством неопределенностей (в виде пучения грунта, оползней, эрозии почв, подтопления, заболачивания и др.), обусловленных мелкоячеистой структурой ландшафтов и деформацией их литогенной основы.

4. Основные социально-экономические последствия трансформации придорожных техногеосистем связаны с ростом дорожно-транспортных происшествий, сопровождающихся гибелью людей и животных, увеличением заболеваемости верхних дыхательных путей у детей, расширением площадей и объемов несанкционированных свалок бытовых и промышленных отходов.

5. Оптимизация придорожных техногеосистем - комплексная проблема, решение которой возможно на путях государственно-частного партнерства и интеграции научных, образовательных и производственных организаций в проведении систематического мониторинга состояния автотрасс и придорожных ландшафтов.

Практическое значение. Результаты и выводы диссертации представляют интерес для эколого-геохимического прогнозирования и нормирования нагрузок, связанных с движением автотранспорта и концентрированием токсичных соединений (прежде всего свинца, цинка и кадмия) в придорожных почвогрунтах. Программный продукт «Мониторинг бытовых и промышленных отходов», внедрен в работу Управления Росприроднадзора и образовательных учреждений Смоленской области, используется в ходе мониторинга придорожных свалок и в процессе освоения студентами практических навыков работы с ГИС (акт внедрения).

Достоверность и апробация результатов. Достоверность выводов обеспечена использованием современного геоэкологического подхода и нескольких методов

исследования, обобщением и систематизацией обширных полевых материалов, эмпирпко-статпстнчсской обработкой экспериментальных данных с 5% уровнем значимости (критерий Стыодента t=1.98). соответствующим обеспеченности 95%, а главное, картографическим синтезом всей полученной информацией.

Публикации. Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в 18 статьях, включая 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора определен его непосредственным участием в нолевых и камеральных работах (2006-2012 г.г.), сборе, систематизации и обобщении результатов экогеохимических, биоморфологических, биоцснотических анализов, а также в разработке программного продукта «Мониторинг бытовых и промышленных отходов».

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,4-х глав и заключения. Список литературы включает 179 наименований, включая 24 на иностранных языках. Общий объем работы - 132 стр, в ней 30 рисунков, 14 таблиц, 7 текстовых приложений.

Автор глубоко благодарен за постоянную помощь п поддержку своему научному руководителю В.А. Шкаликову, научному консультанту Е.В. Краснову, а также своим родителям О.М. и В.В. Бузыкиным

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Глава I. Теоретико-методологические основания и методика исследовании

Концептуальные подходы. Автомобильные трассы (дорожное полотно, инженерная и др. инфраструктура) неразрывно связаны с природио-территориальными комплексами (ландшафтами, геосистемами), поэтому в процессе мониторинга приходится оценивать не только прямые, но и обратные связи между сопряженными компонентами. Для их интегральной оценки Д.II. Кавтарадзе (1997) предложил конструктивно-экологический подход, к которому концептуально близок принятый в данной работе геосистемный подход, а критерии оценки состояния придорожных техногсосистем и допустимых нагрузок на них отвечают ранее обоснованным Т.Н. Монсеенко и др. (2006), В.II. Башкпным и U.C. Касимовым (2004). При этом учитывались такие свойства систем как их целостность, устойчивость (инвариантность), способность к саморегуляции, наличие положительных и отрицательных прямых и обратных связей, многокомпонентное^ и др. что позволило вслед за В.Б. Сочавон, А.Д. Армандом и B.C. Преображенским рассматривать придорожные техногеосистемы не только с вещественно-энергетической, но и с информационной точки зрения, ибо во взаимодействии блоков и подсистем действуют сигнальные формы связи (Арманд, 1975). Степень воздействия автотранспортной системы на природные комплексы исследовалось во всем диапазоне - от минимальных (не нарушающих равновесия в системе) до критических, кризисных и катастрофических. Общий характер техногенного воздействия определялся не только по составу, интенсивности и токсичности воздействующих факторов, но и по способности системы возвращаться в исходное состояние.

Для оценки антропогенного воздействия на придорожные геосистемы учитывались: аккумуляция тяжелых металлов в почвах, загрязнение атмосферного

воздуха и почв нефтепродуктами, динамика количества свалок отходов, лесные пожары и палы травы, ДТП с гибелью людей и животных, изменения видового состава растительности, количество и состав химических реагентов, используемых в зимние сезоны года.

На основе фактических данных о влиянии одних компонентов на другие, стало возможным создание картографических и эмпирико-статистических моделей, отображающих реакции на те, или иные внешние воздействия, что позволило акцентировать внимание на наиболее важных факторах и особенностях поведения исследуемой техногеосистемы.

Методика исследования. Работа выполнялась в летние месяцы (июнь-июль) с 2006 г. по 2012 г. Для этого, в Смоленской области были выделены пять типичных (ключевых) участков, на которых закладывались почвенные разрезы, осуществлялся отбор проб почвогрунтов на геохимический анализ, характерных видов травянистых растений, велись наблюдения за переходами животных, за изменениями состояния автодорожного полотна под воздействием подъема уровня грунтовых вод, пучения грунта и др (рис. 3).

Основные аналитические методы исследования - атомно-абсорбционный и биоиндикационный. Наряду с расчетными и инструментальными методами для оценки геоэкологических ситуаций применялся экспертный метод (основанный на учете мнений группы водителей автотранспортных средств). С использованием ГИС-технологии был создан программный продукт «Смоленская область. Мониторинг бытовых и промышленных отходов».

Использование традиционных методов в совокупности с новыми геоинформационными и логико-математическими технологиями было направлено на разработку многофакторного системного анализа трансформационных процессов в природных системах.

Обзор предшествующих исследований. Наиболее обсуждаемые проблемы -влияние на АТС погодно-климатических условий, опасности, связанные с гололедицей и пучинистостью грунтов, а также рекомендации по проектированию, строительству и содержанию автодорог (Беер, 1966; Бегма, Кисляков, 1969; Бялобжеский, 1981, 1986; Смирнов, 1995; Евгеньев, Каримов, 1997; Васильев, Ушакова, 2003; Привалова и др., 2008; Немчинов и др., 2005, 2008). К наиболее перспективным способам защиты АТС от воздействия опасных природных факторов относят придорожные лесопарки (Юхимчук, 1964; Якубовский, 1979; Harper-Lori, 1990; Самодурова, 2003).

В самом конце XX в. появились более комплексные исследования связей автодорог с пересекаемыми ими водотоками, рельефом и литогенной основой (Артыхов и др., 1999; Wemple и др., 2001).

Экологические аспекты функционирования АТС привлекли внимание в связи с гибелью людей и животных в автодорожных ДТП (Staffer, Jaterbock. 1994, Vos, Chardon, 1998; Новицкий, 2004, 2007, и др.), отравлениями солями противогололедных реагентов (Николаева и др., 1998; Rosenberry et al., 1999; Подольский и др., 2000). К самым острым геоэкологическим проблемам относятся негативные последствия выбросов токсичных выхлопных газов автотранспорта (Артюхов и др., 1999; Батурин, 2003; Бумарсков, Гусакова, 2001; Аргучинцева и др., 2009). Установлено, что техногенная трансформация придорожных ландшафтов, экотоксикация воздушной сферы вдоль автотрасс и в локальных очагах вблизи населенных пунктов приводят не только к региональным, но и к

глобальным изменениям биосферы (Jager. Fahrig, 2001; Ильина, 2004: Моиссснко и др.. 2006; Мирончнк, 2007; Wemple et al.. 2005; Немчинов и др.. 2005). Особенно тревожно ухудшение геоэкологической ситуации в узлах пересечения автомагистралей с интенсивным движением транспортных средств (Кавтарадзе, 1999: Atkinson, 2000; Привалова и др., 2008).

Получают развитие экодиагностика и бпоиндикапия придорожных ландшафтов (Allen. 1990: Ortega. Capen, 1999: Forman, 2000; Вознячук и др., 2006). Все более осознается необходимость экологизации автотранспорта (Евгеньев, 1997; Tsunokawa. Holen, 1997), включая методы и модели необходимые для оценки состояния придорожных полос и прогнозирования (Павлова, 2000; Хотунцев, 2004; Абрамов и др., 2005). К этой группе работ примыкают исследования по классификации видов воздействия на придорожные экосистемы и техногеоспстемы (Кавтарадзе, 1999; Гурьев и др., 1999; Klein, 2000; Артамонова, Петрищев, 2010). Экологическую безопасность и устойчивое развитие на транспорте всё больше увязывают с «наилучшей практикой управления» (Евгениев, Каримов, 1997; Kavtaradze. 2000: Keller. Sherar. 2002: Ryan. Turton, 2007; Данилов-Данильян и др., 2007: Kliucinininkas. 2012). Вместе с тем в ряде работ отмечается, что интегральные оценки состояния придорожных земель возможны лишь на основе конструктивно-экологического (системного) подхода (Кавтарадзе, 1999) и геоэкологического картографирования (Фадеев, Шлихтер, 1987; Прохорова, Шлихтер, 1991; Стурман, 2003; Прохорова, 2004; Кочуров и др.. 2012).

Учитывая исключительную сложность интегральных оценок и формализации взаимодействия компонентов техногенного и природного происхождения предлагается рассчитывать меру неопределенности в виде информационной энтропии (Jlcyc. 2003; Дулесов и др., 2010).

Глава II. Природные условия и историко-культурные предпосылки развития придорожных техногсоснстсм

Геолого-гсоморфологнческие условия. Смоленская область располагается в западной части Российской Федерации - в центре Восточно-Европейской платформы на Смоленско-Московской возвышенности. Площадь ее составляет 49786 км2, протяженность с запада на восток 250 км. Геологическое строение территории определяется залеганием под комплексом рыхлых четвертичных отложений верхнемеловых пород, повсеместно распространенных на юге области и фрагментарно, на севере. Четвертичные отложения распространены повсеместно (Шкаликов, 2001).

Гидрологические факторы. Основные водные артерии, принадлежат бассейнам Балтийского, Черного и Каспийского морей. В области протекает 1149 рек суммарной протяженностью 16,7 тыс. км. Густота гидрографической сети 0,3-0,7 км/км" -значительно выше, чем в среднем по России, глубина вреза достигает десятков метров (Евдокимов, 1997). На территории Смоленской области расположены верхние участки водоразделов Волги, Днепра и Зап. Двины. Помимо рек насчитывается более 700 водных объектов, из них 150 крупных и малых озер, общей нлощадыо 70 тыс. га, площадь искусственных водоемов и прудов - 3556 га (Бобров, 2006).

Климатические условия. Умеренно-континентальный климат. Регион расположен в области с достаточным увлажнением: среднее количество осадков

500 - 650 мм, величина испарения 300 - 420 мм. Две трети годовой суммы осадков выпадает в виде дождя, одна треть - в виде снега. Период с положительной среднесуточной температурой воздуха продолжается в среднем 213-243 дня. Многолетняя средняя продолжительность безморозного периода 125-145 дней. Среднемесячная температура самого теплого месяца (июль) 17-18°С, самого холодного (январь) - от - 8°С до -10°С (Шкаликов, 2001). Снежные заносы имеют наибольшие масштабы в Демидовском и Велмжском районах, среднее количество осадков в виде снега достигает здесь 250 мм. Ежегодно на автотрассах фиксируется от 45 до 75 случаев образования гололедицы, некоторое увеличение (в среднем па 2%) их числа в последние годы связано с частым переходом температуры через 0°С, в зимние месяцы.

Растительность и жшштнмй мир. Лесной фонд Смоленской облает составляет 896,59 тыс. га, в том числе покрытые лесной растительностью - 827.4 тыс.га. Распределение лесов по районам области неравномерное. Средняя лесистость по области составляет 36%, в северной части более 50% (Евдокимов, 1997). На территории встречается около 270 видов птиц, относящихся к 17 отрядам. В лесных массивах обитают бурый медведь, лесная куница, кабан, лось, косуля.

Совокупность природно-климатических факторов играет важнейшую роль в процессе трансформации придорожных техпогеосистем. Снегопады и метели, резкие колебания температуры, образование снежного наката и гололедицы, нередко прерывают движение транспортных средств.

Уклоны рельефа, выемки н высокие насыпи предопределяют возможность или невозможность прокладки дорог, затраты на их строительство, показатели аварийности и т.д. Лесные массивы задерживают экотокенканты поступающие в придорожные почвы н воздух. Вырубка лесных массивов вдоль придорожной полосы способствуют се осушению, более глубокому промерзанию грунта зимой и более быстрому оттаиванию весной, что ведет не только к сокращению биоразпообразия на придорожных территориях, по п разрушению техногенных сооружений - структурных элементов АТК. Загрязнение почв, атмосферного воздуха распространяются до 100 м, а в отдельные периоды и на более значительное расстояние от автотрасс. Ухудшается вблизи дороги и качество поверхностных вод.

Историко-культурные предпосылки. История развития сети автодорог на территории Смоленской области продолжалось в течение длительного времени. В результате их анализа автором выделено четыре основных этапа развития АТК. различающиеся по воздействию на природные комплексы.

На первом этапе (с древности до начала XVI в.) вдоль р. Днепр были проложены самый сложный участок пути «из варяг в греки», а в XV в. - гужевой Смоленский тракт, впоследствии одна из главных торговых и дипломатических линий связи России с остальной Европой. Воздействие транспорта на природные ландшафты минимально (корчевание деревьев, уплотнение почв, редкие «малы» травостоя).

На втором этапе (XVII- XIX вв.) - строительство стратегически важной Старой Смоленской дороги, плавучих мостов через р. Днепр. К началу XIX в. сформирована разветвленная сеть грунтовых дорог. Придорожные ландшафты подвергались значительному антропогенному воздействию в период Отечественной войны (1812-1814).

Третий этап (XX в.) характеризует масштабное воздействие дорожного строительства па литогенпуто основу ландшафта - почво-грунты, а также рельеф,

водоемы и водотоки. Возрастание интенсивности движения и количества автотранспорта привело к широкому распространению экотоксикантов в воздушной среде, почвенно-растительном покрове и водных объектах.

В 30-е годы XX в. на Смоленщине обозначился новый этап в формировании дорожной сети, что было вызвано появлением автомобильного транспорта и ростом его численности. В целях снижения расхода топлива, сокращения времени на перевозку грузов возникла необходимость реконструкции, в том числе и спрямления многих старых дорог с наибольшей интенсивностью движения. Спрямляются на отдельных участках старая Смоленская дорога, дороги Смоленск - Рославль, Смоленск — Рудня — Витебск, Вязьма - Сычёвка, Смоленск — Монастырщина и др.

Первой, наиболее крупной магистралью, проложенной с учётом новых требований к дорожному строительству, была дорога Москва - Минск, построенная накануне начала Великой Отечественной войны. Она проходит через Можайск, Гжатск (Гагарин), Вязьму, Дорогобуж, Ярцево, Смоленск, до Брестской крепости.

Четвертый этап (начало XXI в.) - автомагистраль Москва-Минск превращается в международный коридор между Россией и странами Балтийского макрорегиона с напряженным графиком движения. Широкий спектр экотоксикантов проникает в подземные воды. Сокращается биоразнообразие, нарушается целостность и структура биогеоценозов, ареалов обитания особо охраняемых видов. Негативные последствия техногенной трансформации придорожных геосистем углубляются и расширяются.

Географическое положение Смоленщины во все времена предопределяло прохождение по её территории важных транзитных путей сообщения. Здесь находится наиболее сложный участок пути «из варяг в греки». Многие участки приречных дорог того периода сохранились до настоящего времени вдоль наиболее крупных рек.

На начало 2012 г. протяженность автомобильных дорог общего пользования регионального и межмуниципального значения Смоленской области достигла 10117 км. Область занимает 32-е место по обеспеченности автодорогами среди субъектов РФ. Общее количество дорог — 1028. В составе сети более 350 мостов протяженностью 20 км; 200 км ограждений; 1500 автобусных остановок 19 тысяч дорожных знаков. Количество лесополос недостаточное, составляет 56% от потребности. Практически все местные дороги повторяют профиль рельефа, что приводит к сокращению затрат на их строительство, однако они плохо снивелированы, что увеличивает вероятность пучения грунта.

Глава III. Трансформация придорожных техногеосистем Смоленской области

Деформации литогенной основы - рельефа и почвогрунтов. На основе ландшафтной карты В.А. Шкаликова (2002) автором была осуществлена картографическая градация территории области по уклонам рельефа с учетом литогенетических особенностей и риска эрозии почвогрунтов (рис.1).

Наибольшей деформацией и чувствительностью к сезонным изменениям отличаются дороги на равнинах, особенно в условиях слабой дренированности суглинистых почвогрунтов. Их свойства (просадочность, удельное сопротивление, влагонасыщаемость) негативно влияют на состояние придорожных

техногеосистем, провоцируют (особенно зимой) образование продольных и поперечных трещин на дорожном полотне и пучинистость грунта. Деформации дорожного покрытия по-разному проявляются в зависимости от литогенных условий, уклонов местности, степени обводненности грунтов.

Рисунок I Картографическая оценка риска водно-эрозионных процессов на территории Смоленской области

Анализы проб грунта на откосах автотрассы Москва - Минск, отобранных автором 10.06.2008 г.. показали, что плотность его во всех случаях в целом соответствует норме, а влажность - во всех точках превышает оптимальный показатель (табл. 1).

Таблица 1 - Плотность и влажность грунта откоса насыпи автодороги «Москва - Минск»

Место отбора проб Глубина отбора пробы,м Плотность грунта г/смЗ Влажность грунта

г. Сафоново 10 1.89 17.3

г. Ярцево 10 1.76 12.8

д. Комиссарово 10 1.83 15.7

Обследование состояния трасс в весенние периоды 2008 2012 гг. выявили отчетливую приуроченность пучинистости грунтов и разрушений дорожного покрытия к моренным равнинам, сложенных лессовидными суглинками, на

участках Вяземской и Смоленско-Краснинской возвышенностей. В лучшем состоянии покрытие дороги от г. Ярцево до г. Сафоново, где поверхностные четвертичные отложения представлены на большей части песками и супесями. Подобная закономерность проявляется и в других районах. Локальные места с более заметными повреждениями нередко можно наблюдать на хорошо выраженных участках вогнутого рельефа, где нагрузка на полотно автотрассы, особенно при большой скорости движения, существенно возрастает. Обычно это участки на пересечениях балок, оврагов, небольших, но глубоких долин рек. По трассе Москва - Минск таких участков больше в пределах Смоленской и Вяземской возвышенностей (возле д. Смогири в пределах пойм рек Вязьма, Новосёлки и др.).

Такие повреждения лучше выражены на дорогах значительной ширины, и особенно на отдельных участках автотрассы Москва - Минск, приуроченных преимущественно к моренным равнинам. Характерны они и для многих других дорог (Смоленск - Рославль, Смоленск - Витебск, Вязьма - Сычёвка, Красный -Гусино и др.).

Водная эрозия почв и сплывы часты на придорожных склонах, образовавшихся в результате выемки грунта при крутизне склонов от 2° и более. С ростом крутизны склонов смыв почвогрунтов значительно увеличивается. В отдельных местах этот процесс можно наблюдать ежегодно, например, в пределах краевых образований ледника на дороге Смоленск - Самолюбово. Подверженные эрозии почв участки придорожных полос составляют 4% от их общей площади. Меньше всего пучинистость грунта и эрозионные процессы проявлены в Руднянском районе. На песчаных грунтах Ляльковской зандровой равнины более 20 лет дороги находятся в хорошем состоянии.

Гидрохимические и гидроэкологические процессы .Индекс загрязнения воды (ИЗВ) в местах пересечения автодорог и водных объектов по данным областного Департамента природных ресурсов Смоленской области варьирует в пределах от 1,01 до 2,95, а средний - 2,06 и относится к 3 классу, вода «умеренно-загрязненная». Превышения ПДК на всех участках (табл. 2) пересечения рек автодорогами варьируют в диапазоне от 1,1 (по хрому) до 4,4 (по никелю). Эти показатели указывают на относительно слабое загрязнение речной воды, но даже оно может вызвать негативные изменения в водных геосистемах.

В 2011-2012 г. автором была выполнена геохимическая оценка состояния природных и сточных вод (по 135 пробам), подвергающихся воздействию АТС. Бихроматная окисляемость (ХПК) превышала ПДК повсеместно в 2-2,5 раза и составляла 45-52 мг 02/дмЗ.

Таблица 2 — Превышения ПДК тяжелых металлов в речной воде

Место отбора проб Превышения ПДК

р. Днепр (г. Смоленск) № =2,5; гп=2,3; Си=1,3; 0=1,7;

р. Днепр (п. Костенки) N1 =4,2; гп=3,3; Си=2,8; Сг=1,9;

р.Сож (п. Хиславичи) № =4,4; гп=2,3; Си=1,7; Сг=1,1;

р. Вопь (п. Соловьево) N1 =2,4; гп=3,7; Си=1,1; 0=1,7;

р. Вержа (п. Храмцево) № =2,4; 2п=3,3; Си=1,6; Сг=1,1;

Содержание нефтепродуктов во всех исследованных пробах превышало ПДК в 1,5-10,0 раз. Максимальное превышение по нефтепродуктам наблюдалось в пробах на АЗС при въезде в г.Смоленск и г. Ярцево. Сухой остаток в 100% проб был меньше ПДК в 4-5 раз, а водородный показатель (рН) был близок к верхнему допустимому пределу.

С подтоплением связано заболачивание нескольких сотен гектаров леса в Сычевском, Духовщинском, Смоленском районах. Из полутора сотен придорожных прудов области только одна треть находится в удовлетворительном состоянии.

Геохимическая трансформация почвенного покрова. Негативное воздействие автотранспорта на почвы придорожных геосистем трех ключевых участков определялось по концентрации в почвах разнообразных химических веществ. Особое значение имела оценка загрязнения почв тяжелыми металлами.

Общий размах аккумуляции валовых форм тяжелых металлов в придорожных почвогрунтах составил: по свинцу - от 24 до 180 мг/кг, по цинку - от 27 до 120 мг/кг, по меди - от 10 до 177 мг/кг, а по кадмию - от 0,23 до 1,9 мг/кг. На ключевых участках максимальными значениями содержаний свинца (до 50,0 мг/кг), меди (до 12,0 мг/кг) и кадмия (1,9 мг/кг) выделяется 453-й км автотрассы М-1 у д. Комиссарове, а по цинку (52,6 мг/кг) - 350-й км - у г. Ярцево.

На всем протяжении автотрассы М-1 между 155-м км (г. Гагарин) и 359-м километрами (пос. Гнездово) вблизи АЗС правая придорожная полоса загрязнена свинцом и цинком значительно сильнее, чем левая полоса. Вдвое ниже средний уровень загрязнения вблизи АЗС между 384-м и 453-м километрами. Однако вблизи российско-белорусской границы у д. Комиссарово этот уровень вновь повышается (табл. 3). Загрязнение придорожных почвогрунтов весной (март-апрель) возрастает после таяния снега, в летние месяцы снижается в результате биоконцентрирования поллютантов растительностью, а осенью вновь возрастает, вследствие листопада.

Таблица 3 - Средние концентрации загрязняющих веществ в почвогрунтах придорожных зон федеральных автодорог, мг/кг

Определяемые показатели а/м (А-141) Брянск -Смоленск 359 км (п. Гнездово) а/м (М - 1) Москва-Минск 350 км (г. Ярцево) а/м (М - 1) Москва -Минск 453 км (д. Комиссарове.) ПДК

правая сторона левая сторона правая сторона левая сторона правая сторона левая сторона

Свинец (валовая) 35,8 ±0,24 29,5 ±0,32 41,8±0,13 39,5 ±0,18 39,2±0,1 37,0±0,2 32,0

Кадмий (валовая) 0,6 ±0,003 0,7 ±0,018 0,62±0,004 0,4 ±0,002 1,2±0,3 0,2±0,1 0,5

Медь (подвижная) 3,1±0,19 3,18 ±0,12 3,7 ±0,11 2,1 ±0,12 2,7±0,6 0,52±0,14 3,0

Цинк (подвижная) 50±0,014 32,6±0,012 52,6 ±0,21 26,7±0,016 32,6±0,4 6,7±0,13 23,0

Никель (подвижная) 0,9 ±0,002 0,6 ±0,001 0,8 ±0,017 0,6 ±0,001 0,9±0,03 0,7±0,1 4,0

Ртуть 0,004 ±0,01 0,004±0,01 0,005 ±0,01 0,004±0,02 0,017±0,1 0,09±0,3 2,1

рн 7,96 ±0,03 6,5 ±0,02 7,2 ±0,02 7,79±0,001 6,6±0,13 7,06±0,1 6,5

Анализ средних значений тяжелых металлов в придорожных почвогрунтах выявил превышения ПДК в 1,5-2,3 раза по цинку и в 1,1 -1.2 раза по кадмию, а по свинцу в 1,1-1,3 раза на ключевых участках Ярцево и Гнездово. Средние содержания свинца, цинка и никеля на правой стороне автодорог М-1 и А-141 почти всегда выше, чем на противоположной левой стороне. Среднее содержание ртути (в отличие от остальных исследованных металлов) варьирует в почвогрунтах незначительно, в диапазоне 0,4-0.5 мг/кг. Значения рН практически повсеместно сдвинуты в щелочную сторону. По мере удаления от бровки дороги на 50 м и 100 м содержание тяжелых металлов на исследованных участках снижается до фоновых значений и далее, как правило, остается неизменным.

Э.мпирико-статистичсская связь между исследуемыми величинами (расстояние от дороги - величина не случайная и количество поллютанта в почве) не всегда оказывалась линейной (в нашем случае рассматривался вариант обратной пропорциональной зависимости), хотя для отдельных участков возможна линейная аппроксимация. Мерой разнообразия (неопределенности) гсоситуаций может выступать информационная энтропия, поскольку процессы антропогенного воздействия на экосистемы всегда энтропийны (Реймерс, 1990).

Если за границу неопределенности геоэкологической ситуации вслед за рядом авторов принять значение энтропии равное 1,5 (Дулесов, 2009; Лсус, 2003; Швец, 2010), то очевиден вывод, что по правой стороне магистрали Москва - Минск-энтропия превысила допустимый порог по свинцу, цинку, никелю и кадмию, а по рН находится ниже допустимой границы. По левой стороне автотрассы М-1 энтропия превысила допустимый порог только по свинцу и рН, а по цинку уровень энтропии был ниже предельно допустимой границы. Выявленные различия распределений тяжелых металлов возможно объяснить влиянием доминирующих направлений ветра, а распределение рН - спецификой кислотно-щелочного баланса в придорожных почвогрунтах.

В связи с тем, что не существует единого норматива ПДК загрязнения почв углеводородами, в ходе исследования концентрации нефтепродуктов сравнивались с фоновыми и ориентировочно допустимыми значениями (ПДК/ОДК). За фоновые значения в почвогрунтах принимались содержания, обнаруживаемые за контуром границ полосы отвода (95,2 - 104.5 мг/кг). В непосредственной близости от бровки дорожного полотна содержание нефтяных углеводородов повсеместно превышало фон, достигая вблизи некоторых АЗС 126,1 - 133.6 мг/кг (участок Гагарип-Ярцсво). Ежегодно возрастают масштабы зимнего засоления придорожных грунтов хлоридами натрия и кальция. С 2006 г. по 201 1 г. их объемы возросли в четыре раза и достигли 68,0 тыс. тонн.

Трансформация растительного покрова. Во всех придорожных геосистемах наблюдается уменьшение количества видов растений. На обследованных нами придорожных участках трассы Москва - Минск (Смоленский район) на расстоянии 15-20 м от полотна общее число видов дикорастущих травянистых цветковых растений, включая редкие виды, колебалось от 41 до 18. По мере приближения к полотну дороги, количество видов уменьшалось, более чем в два раза, а численность каждого вида сокращалась в 4-5 в раз.

Виды растений, типичные для исходного биотопа, замешаются в придорожных геосистемах па характерные для нарушенных мест обитания. Наиболее часто встречаются в придорожных геосистемах сложноцветные, розоцветные, гречишные и злаки. Постоянные доминанты в придорожных полосах отсутствуют. Но в одних и

тех же типах урочищ на открытых участках у давно эксплуатируемых дорог сохраняется относительная стабильность видового разнообразия и отсутствует видимая связь этого показателя с транспортной нагрузкой.

Вдоль дорог на отдельных участках встречались и адвентивные виды -пришельцы, разным путём попадающие на придорожные полосы. Типичный адвентивный элемент - борщевик Сосновского (его коренные местообитания известны на Кавказе). На участке трассы д. Олына - г. Велиж нами было выявлено 12 биотопов этого вида.

У многих видов травянистых растений вблизи автомобильных дорог Смоленской области снижено содержание протеина и повышены количества свинца, кадмия и никеля. При скармливании сельскохозяйственным животным сена, заготовленного вблизи автодорог, тяжелые металлы переходят в мясо и молоко, что очевидно указывает на недопустимость продолжения подобной практики и необходимость нормативного ее запрещения.

У всех изученных видов наблюдалось уменьшение площади листа по сравнению с площадью листьев в условиях контроля. У вейника и овсяницы данный показатель составляет 11 %, у лозы - 14 %. Для василька лугового, тысячелистника и севца лугового было отмечено меньшее количество листьев на побеге на 10-15 %, по сравнению с растениями на контрольном участке. У единичных растений был отмечен некроз листьев.

У древесной растительности - липы сердцевидной (Tilia cordata), березы повислой (Betula pendula Roth), клена остролистного (Acer platanoides) и тополя бальзамического (Populus balsamiferal) наблюдали: появление ослабленных деревьев и сухостоев; уменьшение длины, ширины и площади листовых пластинок, количества жилок первого порядка (у березы и тополя) (в среднем на 5%, по сравнению с эталонной площадкой); замедление прироста по высоте и диаметру деревьев; возрастание повреждений деревьев паразитическими грибами и насекомыми (в среднем на 8-9%, по сравнению с фоновой площадкой). При этом наибольший эффект воздействия газопылевых выбросов в пределах придорожных геосистем проявляется на листьях клена, наименьший -на листьях березы.

Изменения среды обитания диких животных. Негативное воздействие АТС повсеместно проявляется в изменении условий обитания и гибели млекопитающих, в нарушении путей миграции и мест гнездования птиц, гибели беспозвоночных в результате дорожно-транспортных происшествий (рис.2). Однако наиболее велик риск дам обитателей небольших лесов Краснинского, Монастырщинского и Кардымовского районов, пересекаемых трассой с интенсивным движением транспорта.

В местах пересечения автомагистралей с путями миграции животных нередко возникают аварийные ситуации в результате столкновения легковых автомобилей с крупными особями. Встречи на дорогах с лосями и кабанами происходят ежегодно, особенно часто в марте-мае. За весенний период 2004 - 2011 гг. на территории области зафиксировано более 1000 случаев ДТП с участием животных, ежегодно их количество увеличивается на 1-2%.

Через восемь районов Смоленской области, расположенных в ее северозападной, центральной и юго-западной частях, проходят 120 выявленных нами коридоров миграции промысловых животных - лосей, кабанов, оленей. Это связано с сосредоточением здесь лесных массивов, в том числе комплекса старовозрастных

елово-широколиственных заповедных особо охраняемых лесов в национальном парке «Смоленское Поозерье» на территории Демидовского и Духовщинского районов.

Рисунок 2 - Динамика ДТП с гибелью животных на автодорогах Смоленской области с 2004 по 2010 гг.

В июне 2009 г. был обследован участок автомагистрали Москва Минск, протяженностью 80 км (от г. Смоленска до границы с Республикой Беларусь) и участок Смоленск - Русилово - Монастырщина, протяженностью 49 км. На первом участке обнаружились 25 мертвых особей, из которых 78% составили млекопитающие (5 видов). 13% -птицы (2 вида), 9% пресмыкающиеся и земноводные (3 вида). На втором участке насчитали 28 погибших животных. По численности преобладали птицы 55% (4 вида), земноводные и пресмыкающиеся -26% (2 вида), млекопитающие - 19% (2 вида). Наибольшее количество земноводных и птиц гибнет в летние месяцы (июль-август), а минимальное - в декабре и январе.

По данным опроса водителей наиболее часто риск ДТП при встрече с крупными животными (лоси, кабаны) возникает на участках дорог Москва-Минск (от с. Издешково до границы с Республикой Беларусь), Демидов-Пржевальское, Духовщина-Нелидово. В последние годы, чаще всего под колесами автомобилей погибали не только лоси - 25%. по также лягушки - 18%. ужи - 17%. Наибольшее количество ДТП с гибелью животных на автодорогах области зафиксировано в июле 2004 г.. хотя и в настоящее время оно остается достаточно высоким (15-20 случаев в год).

Глава IV. Основные геоэкологические проблемы и пути оптимизации придорожных техногеосистем

Загрязнение воздуха и заболеваемость населения. Загрязненность атмосферного воздуха оценивалась по концентрации СО и С02. Анализируя данные ежегодного отчета Ростехнадзора за 2010-2011 гг. выявили связи между их концентрациями в атмосферном воздухе и интенсивностью движения автомобилей. Составленная автором картосхема (рис.3) даст представление не только о распре-

Условные обозначения

Интенсивность движения |авт/сут.) Концентрация оксида углерод; (ПДК 5 мг/м3)

■ Международные автотрассы Фолее 11ДЮи) Щ (золе?25

■» Федеральные аыофассы <5000-10000) Щ 23 -25

АзтоАоро'и областного значения (15С0-5000) ДД 21 23

— Азтодоро'и районного значения (менее 15С0} \ I 13-Г1

Административный центр | 15-18

П менеа I ь

Рисунок 3 Интенсивность движения автотранспорта и зоны концентрации окислов углерода на территории Смоленской области (среднее за 2010-2011 гг.)

делении транспортного потока по основным магистралям, но и о том, что количество выбросов возрастает прямо пропорционально интенсивности движения автотранспорта. Максимальные концентрации СО приурочены к - г. Смоленску и автотрассе Смоленск-Гагарин (23 и более мг/м3), в центрах административных районов этот показатель колеблется в пределах 21-32 мг/м3 при ПДК 5 мг/м3.

Линейно-очаговый тип распределения повышенных концентраций С02 в зонах, прилегающих к автотрассам, отражает не только пространственную специфику техногенной трансформации придорожных геосистем, но и эколого-географические особенности заболеваемости населения. Вдоль автотрассы Москва - Минск городским очагам наиболее высокого загрязнения воздушной среды соответствуют и очаги заболеваемости верхних дыхательных путей у детей (Бышевская, Ватлина, 2011 г.)

Дорожно-транспортные происшествия и аварийные ситуации. На автотрассе Москва - Минск в 2008-2010 гг. произошло наибольшее количество аварий с трагическими последствиями - 934, в которых погибло 224 чел., тяжкие физические последствия получили 100 человек, а менее тяжкие - 270 чел.

Наибольшее количество ДТП зафиксировано в Краснинском и Монастырщинском районах с максимальной плотностью автодорог, вблизи границы с Республикой Беларусь (455 и 456 км). На этом участке зафиксирована 151 авария. Заметна приуроченность аварий к населённым пунктам - Вязьме, Сафоново, Ярцево и Смоленску.

Прослежена зависимость затрат на строительство и реконструкцию автодорог в зависимости от природных условий. Так, в озерных котловинах и долинах рек сооружение автомагистралей экономически невыгодно. Наименее затратно проведение дорожно-строительных работ в зонах распространения волнистых, полого-волнистых и моренных равнин.

Придорожные свалки бытовых и промышленных отходов. Мониторинг мест складирования и захоронения ТБО показал, что 92% их свалок расположены в непосредственной близости от автодорог. Более 43% от общего числа свалок -несанкционированные. Свалки с максимальным объемом отходов (25 и более тыс.м.куб.) расположены вдоль федеральных автотрасс. На придорожных свалках преобладают отходы 2, 3, 4, 5 классов опасности.

В процессе инвентаризации и паспортизации мест складирования и хранения ТБО на территории Смоленской области выявлено свыше 100 несанкционированных придорожных свалок, содержащих отходы II и IV классов опасности общим объемом около 260,0 тыс.т. (рис. 4). Наибольшая концентрация свалочных экотоксикантов фиксируется в летний период, когда средняя дневная температура воздуха увеличивается до 20° и выше.

Автором совместно с инженерами Смоленского промышленно-экономического колледжа был создан программный продукт «Смоленская область. Мониторинг бытовых и промышленных отходов», который позволяет в режиме реального времени получать информацию о количестве и составе придорожных свалок ТБО, определять статус места складирования, удалять и добавлять объекты, ранжировать желаемые территории по различным параметрам. По результатам мониторинга и опроса водителей выявлены многочисленные участки придорожных полос в экологически неудовлетворительном состоянии (захламленных, с гибнущими лесополосами). Даже на федеральной трассе Москва-Минск чрезмерно загрязнены стоянки большегрузного транспорта на выезде из Смоленска и других городов. По

Условные обозначения

Ф Несанкционированные -валки Ф Санкционированные свалки Классы опасности отходов

Объем складируемых отходов в тыс м С 0-10 О 10-25 О °т 25

Рисунок 4 - Объемы и классы опасности ТБО на придорожных свалках Смоленской области (среднее за 2010-2011г.г.)

данным мониторинга механического, химического и биологического загрязнения территории области и опросам водителей к наиболее загрязненным бытовыми и промышленными отходами отнесены Смоленский, Вяземский, Сафоновский и Рославльский районы, в которых с 1995 г. по 2011 г. происходили максимальный прирост автотранспорта. Тёмкинский и Починковский районы с неразвитой сетью дорог характеризуются по свалкам ТБО как самые благополучные.

Пути оптимизации придорожных техногеосистем. Один из ключевых элементов экологизации АТК области - выстраивание системы частно-государственного партнерства, представляющей собой четкую и скоординированную структуру, состоящую из областных, муниципальных органов власти, хозяйствующих субъектов (к примеру, ОАО «Смоленск Автодор», ДРСУ, ФГУ ДЕП-4, ФГУ ДЕП-12), представителей научных, образовательных структур, гражданского общества (экологических организаций) и др., создание постоянно действующей площадки для обсуждения насущных проблем АТК, предложений по внедрению мер, направленных на стабилизацию геоэкологической ситуации в реальном времени.

Еще один необходимый элемент алгоритма экологизации - совершенствование организации автодорожного движения на основе геомониторинга, навигационных средств связи и информирования водителей. Создание эффективной системы управления движением (СУД) - задача, успешно решаемая во многих зарубежных странах (Швеция, Германия, Япония и др.). В условиях России достижение положительных результатов в сфере управления техногеосистемами возможно лишь при объединении усилий научных, образовательных, производственных структур с финансовым обеспечением за счет бизнес-сообщества и государства.

Выводы

1. Многофакторная оценка состояния придорожных техногеосистем Смоленской области на основе комплексного мониторинга с использованием картографических и эмпирико-статистических моделей выявила существенный рост техногенной трансформации. В пределах моренных равнин разрушения дорожного полотна более заметны, чем на зандровых равнинах. Водная и ветровая эрозия почвогрунтов, их морозная пучинистость, подтопление и заболачивание понижений местности наиболее характерны для отложений краевых морен в зонах расчлененного холмистого рельефа.

2. Воды рек в местах пересечения дорогами с интенсивным движением транспорта загрязнены нефтепродуктами, фенолами, пестицидами. Среднегодовые концентрации поллютантов здесь превышают ПДК от 1,5 до 13,0 раз. Это, в первую очередь, обусловлено сбросом промышленных и хозяйственно-бытовых стоков городов и населенных пунктов, а также смывом с автодорог.

3. Почвогрунты на правой стороне придорожных полос загрязнены свинцом, цинком и другими металлами значительно сильнее, чем на левой стороне. На это указывают и расчеты информационной энтропии. Сходная геоситуация выявлена по загрязнению почв углеводородами нефтяного ряда. По долям рН ситуация противоположная - энтропия выше на левой стороне автотрасс.

4. У всех изученных придорожных видов трав наблюдалось уменьшение площади листа на 10-15 % по сравнению с контрольными образцами. У древесной растительности выявлены ослабленный рост деревьев и сухостои, замедление

приростов, возрастание повреждений паразитическими грибами и насекомыми (в среднем на 8-9%).

5. Придорожные геосистемы испытывают интенсивный рекреационный пресс (свалки отходов на туристских тропах в места отдыха водителей и др.). Это приводит к радикальному сокращению в прилегающих лесах количества коренных видов растений, увеличению злаков, усилению роли нитрофильных видов растений сорно-рудерального комплекса.

6. В местах пересечения магистралей с путями миграции животных нередко возникают столкновения автомобилей с лосями и кабанами, особенно в марте-мае. В целях предотвращения аварийных ситуаций необходимо обустройство специальных проходов (по долинам рек, под мостами) в местах миграции животных.

7. Для защиты автодорожных трасс от оползней и размывов склонов целесообразно значительно расширить лесопосадки, посевы многолетних трав, деревьев и кустарников. Для уменьшения риска следует установить ряд пунктов по оказанию скорой медицинской помощи пострадавшим: у г. Ярцево, г. Вязьмы, пос. Красное и др. Создание и внедрение региональной АСУ придорожными техногеосистемами будет способствовать более безопасной работе автотранспорта и повышению его экологичности.

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Влияние рельефа на строительство, обустройство и отдельные характеристики автодорог на территории Смоленской области// Известия Смоленского государственного университета. 2010. №4(12). С. 52-60.

2. Бышевская A.B., Ватлина Т.В. Влияние автотранспорта на здоровье населения Смоленской области// Известия Смоленского государственного университета. 2011. №5(7). С. 30-36.

3. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. О влиянии литогенных условий на состояние дорог Смоленской области// Вестник Балтийского федерального университета имени И.Канта. 2013. №1. С. 8-13.

4. Бышевская A.B. Трансформащи придорожных геосистем Смоленской области под воздействием автотранспортного комплекса// Вестник Балтийского федерального университета имени И.Канта. 2013. Вып. 1. С. 7-13.

5. Шкаликов В. А., Бышевская A.B. Воздействия водотоков на состояние автомобильных дорог (на примере Смоленской области)// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. №2 (171). С. 277 - 281.

6. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Автомобильные дороги и фауна: результаты взаимодействия (на примере Смоленской области)// Безопасность жизнедеятельности. 2013. №12. С. 48-51.

В иных изданиях:

1. Бышевская A.B. К вопросу о гибели животных на дорогах Смоленской области// Актуальные проблемы экологии: материалы VI междунар. науч,-практ. конф., Гродно, 21-23 окт. 2010 г. / ГрГУ им.Я.Купалы. Гродно: ГРГУ, 2010. С. 93-94.

2. Бышевская A.B. Анализ загрязнения придорожных территорий Смоленской области // Актуальные проблемы экологии: материалы VIII междунар. науч,-практ. конф., Гродно, 24-26 окт. 2012 г. / ГрГУ им. Я. Купалы. Гродно: ГРГУ, 2012. С. 12-15.

3. Бышевская A.B. Геоэкологический мониторинг земель автомобильного транспорта// Актуальные вопросы обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия и охраны здоровья населения : материалы X Всерос. конф. сан. врачей ЦФО. Смоленск, 2012. С.43-45.

4. Бышевская A.B. Повышение безопасности функционирования автотранспортного комплекса Смоленской области// Материалы работ победителей и лауреатов конкурса «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых». СПб: СПбГПУ, 2012. С. 287-298.

5. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Ландшафтный подход к оценке состояния автодорог и их влияние на природную среду // Вестник Харьковского Национального Университета им. В.Н. Каразина. Серия Экология. 2007. №758. С. 84-89.

6. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Этапы формирования современной системы автомобильных дорог Смоленской области // Актуальные проблемы современной географии. Вып.5: сб. науч. ст. Смоленск: Универсум, 2007. С. 80-84.

7. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. История развития сети автодорог на территории Смоленщины// Смоленщина: триста лет перемен (к 300-летию образования Смоленской губернии): сб. науч. ст.- Смоленск: Универсум, 2008. С. 164-168.

8. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Основные особенности природных условий Смоленской области и их влияние на состояние дорог// Актуальные проблемы экологии: материалы V междунар. науч.-практ. конф., Гродно, 2123 окт. 2009 г. / ГрГУ им.Я.Купалы. - Гродно: ГРГУ, 2009. С. 308-310.

9. Бышевская A.B. Трансформация придорожных техногеосистем на территории Смоленской области//Сб. науч. Ст. ФГОУ ВПО Смоленской гос. академии физ. культуры, спорта и туризма. Смоленск, 2013. С.3-9.

10. Шкаликов В.А., Бышевская A.B. Влияние опасных и неблагоприятных явлений погоды на состояние дорог Смоленской области//Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения П.К.Козлова. Смоленск: Изд-во «Смоленская типография», 2013. С. 118 - 125.

11. Шкаликов В. А., Бышевская A.B. Негативные воздействия водотоков на состояние автомобильных дорог (на примере Смоленской области)// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. №2 (171). С. 277 - 281.

12. Бышевская A.B. Проблемы и перспективы развития зеленых насаждений в г. Смоленске// XIX Кирилло-Мефодиевские чтения: материалы науч.-практ. конф. Смоленск: Унивесум, 2013. С.280-284.

Бышевская Анастасия Владимировна

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИДОРОЖНЫХ ТЕХНОГЕОСИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ СМОЛЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 12.05.2014 г. Бумага для множительных аппаратов. Формат 60x90 1/16 Гарнитура «тайме». Ризограф. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 321.

Издательство «Универсум» 214014, г. Смоленск, ул. Герцена, д.2. Тел. /факс: 8-903-890-82-40 E-mail: universum-print@mail.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Бышевская, Анастасия Владимировна, Смоленск

. НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СМОЛЕНСКИЙ

ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201460024

Бышевская Анастасия Владимировна

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИДОРОЖНЫХ ТЕХНОГЕОСИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ СМОЛЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 25.00.36 - геоэкология (Науки о Земле)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: Шкаликов Виктор Андреевич

доктор географических наук, профессор Научный консультант: Краснов Евгений Васильевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Смоленск - 2014

Введение......................................................................................................................................................................................3

Глава I. Теоретико-методологические основания и методика

исследования ....................................................................................................................................8

1.1. Ко нце птуальный подход..................................................................................................8

1.2. Методика исследования....................................................................................................12

1.3 .Обзор исследований по проблеме............................................................................18

Глава П. Природные условия и историко-культурные предпосылки

развития придорожных техногеосистем..............................................................28

2.1 .Природные условия региона..........................................................................................28

2.2.Историко-культурные предпосылки развития

............................................................................................................................................................................40

Глава Ш. Трансформация придорожных техногеосистем............................................49

3.1 .Деформации литогенной основы (рельефа и почвогрунтов).... 49

3.2.Гидрохимические и гидроэкологические процессы................................57

3.3.Геохимическая трансформация почвогрунтов..............................................62

3.4.Трансформация растительного покрова............................................................72

3.5.Изменения среды обитания животных................................................................79

Глава IV. Основные геоэкологические проблемы и пути оптимизации

придорожных техногеосистем..........................................................................................86

4.1 .Загрязнение атмосферного воздуха и заболеваемость ^

населения.........................................................................

4.2. Дорожно-транспортные происшествия и аварийные

ситуации................................................................................................................................................................................................94

4.3.Придорожные свалки твердых бытовых и промышленных

отходов......................................................................................................................................................99

4.4.Оценка состояния придорожных техногеосистем по

результатам анкетирования водителей........................................................................103

4.5.Пути оптимизации придорожных

техноге о сис тем....................................................................................................................................104

Заключение..........................................................................................................................................................................106

Список литературы..........................................................................................................................................................109

Приложения 1-7..............................................................................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Рост количества и интенсивности движения транспортных средств по дорогам России сопровождается увеличением выбросов поллютантов в атмосферный воздух, гидросферу и почвы придорожных земель. В результате происходит трансформация экосистем -нарушаются естественный обмен веществ, энергетика и информационные связи их компонентов, возрастает опасность (риск) деградации и даже полного исчезновения придорожных сообществ. В свою очередь, транспортные системы испытывают воздействие и трансформируются под влиянием природных факторов. Поэтому исследования динамики, факторов и выявление пространственно-временных закономерностей развития опасных природных и техноприродных процессов в придорожных техногеосистемах Смоленской области (с ее развитой автотранспортной сетыо) безусловно актуальны, как и для многих других регионов Европейской России.

Степень разработанности проблемы. Наиболее ранняя информация (с XVI в.) о дорогах Смоленщины содержится в архивных документах канцелярии губернатора региона. История формирования, современное состояние и проблемы дорожной сети подробно освещены Э.И. Яшкевичем (2004). Геоэкологические аспекты проектирования, строительства и эксплуатации дорог Смоленской области многие годы исследует В.А. Шкаликов (2000-2013). Т.А. Ватлина и АВ.Бышевская (2011) выявили пространственные связи между плотностью автодорог и детской заболеваемостью органов дыхания.

На сопредельной территории Республики Беларусь установлено, что придорожные леса на отдельных участках трассы Минск-Москва находятся в стад™ дигрессии, в них появились адвентивные и агрессивные рудеральные виды (Вознячук, Пугачевский, Судник, 2006). Сезонная гибель земноводных на путях миграции (через дороги) за пять лет наблюдений возросла на 20% (Новицкий, 2004, 2007). А.Ф. Мирончик (2007) определил диапазон радиоактивного загрязнения придорожных почв изотопами - 908г и 137С8,указав на реальную возможность их концентрирования в кормах животных, а в дальнейшем и в пищевых продуктах.

Автором, начиная с 2006 г. под руководством проф. В.А. Шкаликова

комплексные исследования прямых и обратных связей в системе

«автотранспорт - окружающая среда». На ландшафтной основе составлена серия карт, отражающих не только влияние природных условий на состояние автодорог Смоленской области, но и трансформацию природных геосистем под воздействием АТК

Объект исследования: придорожпые техногеосистемы на территории Смоленской области.

Предмет исследования: трансформация придорожных техногеосистем, способы минимизации и предотвращения негативных геоэкологических последствий.

Цель работы: выявить пространственно-временные закономерности трансформации придорожных техногеосистем на территории Смоленской области.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Обоснование методологии, терминологии и методики исследования.

2. Обобщение результатов предшествующих разработок проблемы трансформации придорожных техногеосистем.

4. Комплексная оценка и сравнительный анализ трансформационных процессов в придорожных техногеосистемах на ключевых участках.

5. Разработка практических рекомендаций по повышению экологической безопасности автотранспорта и оптимизации функционирования в придорожных техногеосистемах.

Методология исследования базируется на геосистемном подходе - по

В.В. Докучаеву, В.И. Вернадскому, Л.С. Бергу, В.Б. Сочаве и др., согласно

которому любой природный либо антропогенный объект/процесс следует

рассматривать не изолированно, а во взаимных связях и отношениях.

Системность выдерживалась в той или иной степени в зависимости от

полноты данных. Наиболее интегрирующий метод -картографирование

геоситуаций на ландшафтной (геосистемной) основе. Определенные перспективы связываются также с моделированием и интегральной оценкой информационной энтропии, вызываемой в придорожных геосистемах поллютантами.

На ключевых участках изучалась степень загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами. С использованием стандартных методик на атомном спектрофотометре С115-М1 в лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Смоленской облаете» определяли содержание валовых и подвижных форм металлов (1100 элементоопределений). Воспроизводимость результатов в среднем составила 7,5%, коэффициенты вариации содержания поллютантов -30%.

Биоиндикацию состояния атмосферного воздуха проводили по изменениям морфологических признаков растений. Образцы растений отбирали на расстоянии 1-50 м от бровки дорожного полотна. В каждой точке на одинаковой высоте выбирали листья 15-20 растений массовых видов (свыше 1000 проб). На листовых пластинках отмечались следы некроза, нарушения симметрии, появление галлов и других новообразований, свидетельствующих об ухудшении условий среды обитания.

Научная новизна работы. Впервые на геосистемном уровне, осуществлена комплексная оценка трансформации придорожных техногеосистем Смоленской области, выявлены их прямые и обратные связи, установлена направленность техногенных изменений в почвенно-растительном покрове, водных обьектах, миграционных путях животных, состоянии здоровья населения. Составлена серия карт, отражающих усиление опасных процессов ослабляющих устойчивость придорожных техногеосистем.

Основные защищаемые положения

1. Придорожные техногеосистемы Смоленской области -исторически сложившаяся совокупность пространственно сопряженных (взаимодействующих между собой) природных геосистем (ландшафтов) и автотранспортной сети с ее инженерными коммуникациями и сервисной (АЗС и др.) инфраструктурой, подверженных возрастающей трансформации.

2. Направленность трансформационных процессов в

исследованных придорожных геосистемах определяется распространением

протяженных и локальных экогеохимических аномалий в воздушной среде,

поверхностных водных объектах и почвогрунтах, сокращении разнообразия местной фауны и флоры, увеличении количества миграционных барьеров для животных, адвентивных и рудеральных видов растений, усилении общей геоэкологической напряженное™ на федеральных и региональных автотрассах Смоленской области.

3. Автотранспортный комплекс по мере своего распространения и разветвления по территории Смоленской области предстает в виде системы с возрастающим количеством неопределенностей (в виде пучения грунта, оползней, эрозии почв, подюпления, заболачивания и др.), обусловленных мелкоячеистой структурой ландшафтов и деформацией их лиюгенной основы под воздействием обводнения.

4. Основные социально-экономические последствия трансформации придорожных техпогеосистем связаны с ростом дорожно-транспортпых происшествий, сопровождающихся гибелью людей и животных, увеличением заболеваемости верхних дыхательных путей у детей, расширением площадей и объемов несанкционированных свалок бытовых и промышленных отходов.

5. Оптимизация придорожных техногеосистем -комплексная проблема, решение которой возможно на путях государственно-частного партнерства и интеграции научных, образовательных и производственных организаций, проведения систематического мониторинга состояния автотрасс и придорожных ландшафтов.

Практическое значение. Результаты и выводы диссертации представляют интерес для эко л ого-геохимического прогнозирования и нормирования нагрузок, связанных с движением автотранспорта и концентрированием токсичных соединений (прежде всего свинца, цинка и кадмия) в придорожных почвогрунтах. Программный продукт «Мониторинг бытовых и промышленных отходов» внедрен в работу Управления Росприднадзора по Смоленской области и образовательных учреждений, используется в ходе мониторинга придорожных свалок и в процессе освоения студентами практических навыков работы с ГИС (акты внедрения).

Достоверность и апробация результатов. Достоверность выводов обеспечена использованием современного геоэкологического подхода и совокупностью независимых методов исследования, обобщением и систематизацией обширных полевых материалов, эмпирико-статистической

обработкой экспериментальных данных с 5% уровнем значимости (критерий

Стыодеита t= 1,98), соответствующим обеспеченности 95%, а главное, картографической визуализацией и синтезом всей полученной информации.

Публикации. Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в 18 статьях, включая 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора определен его непосредственным участием в полевых и камеральных работах (2006-2012 г.г.), сборе, систематизации и обобщении результатов экогеохимических, биоморфологических, биоценотических анализов, а также в разработке программного продукта «Мониторинг бытовых и промышленных отходов» Смоленской области.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,4-х глав и заключения. Список литературы включает 179 наименований, включая 23 на иностранных языках. Общий объем работы - 132 стр, в ней 30 рисунков, 14 таблиц, 5 приложений.

За постоянную помощь в поддержку автор благодарен своему научному руководителю - професору В.А. Шкаликову, научному консультанту - профессору Е.В. Краснову, а также своим родителям - О.М. и В.В. Бузыкиным.

Базовые понятия, используемые в работе

Придорожная техно reo система - целостная совокупность пространственно-сопряженных природных геосистем с управляемыми автотранспортной сетыо, инженерными коммуникациями и сервисной инфраструктурой.

Защитная полоса - территория вдоль а/д (до 300 м) на которой концентрации вредных веществ могут превысить ПДК

Трансформация техно reo системы - негативные изменения автотранспортной системы и природной геосистемы в результате их взаимодействия.

Устойчивость техно reo системы - её способность восстанавливать или сохранять структуру и другие свойства при резком изменении внешних воздействий

Восстанавливаемость техно reo системы - её способность возвращаться в исходное состояние после внешнего воздействия.

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Проблема взаимоотношений автотранспортной системы (АТС) с природными геосистемами (ПГС) берет начало в XIII-XV веках, когда па территории нынешней Смоленской области начала формироваться развернутая сеть сухопутных транспортных путей и с этого времени длительная и масштабная техногенная трансформация придорожных геосистем лишь усиливалась. Особенно остро проблемы взаимовлияния её компонентов проявлялись в периоды военных кампаний (1812 г., 1941 г.), а 70-80 годы XX в. они оказались связанными с увеличением площадей отчуждения земель под объекты автотранспорта, резким ростом количества и интенсивности его движения по международным и федеральным трассам.

До середины XX в. природные факторы (рельеф, грунты и др.) оказывали ключевое влияние на состояние АТС, определяли саму возможность строительства дорог. Изменения погодно-климатических условий влияли на пропускную способность и скорость движения на автомагистралях. Во второй половине XX в. подъем уровня развития науки и техники позволил уменьшить влияние природной составляющей в системе взаимосвязей АТС - ПГС, что стимулировало ее прогрессивное развитие, однако при этом увеличилась техногенная нагрузка на все компоненты придорожных техногеосистем (Прил. 1,2).

1.1. Концептуальный подход

Автомобильные трассы (полотно, инженерная инфраструктура) неразрывно связаны с природно-территориальными комплексами (ландшафтами, геосистемами), поэтому в процессе мониторинга приходится оценивать не только прямые, но и обратные связи между компонентами техногеосистем (рис. 1). Д.Н. Кавтарадзе (1997) предложил использование для их интегральной оценки конструктивно-экологический подход.

Рисунок 1 - Основные взаимосвязи в системе АТС - ПГС (по Д.Н.

Кавтарадзе, 1999; с дополнениями автора)

Концептуально близок к тому принятый в настоящей работе геосистемный подход (рис.2), а критерии оценки состояния придорожных техногеосистем и допустимых нагрузок на них - к ранее предложенным Т.И. Моисеенко и др. (2006), В.Н. Башкиным и Н.С. Касимовым (2004) подходам идентификации негативных воздействий, выявления пространственной и временной динамики процессов воздействия и их направленности, частоты и значимости воздействующих факторов для биотических (наиболее уязвимых) компонентов, разработке оптимизационного алгоритма, рекомендаций по экологизации управления техногеосистемами (табл.1).

При этом учитывались такие свойства геосистем (ландшафтов) как их целостность, способность к саморегуляции, многокомпонентность и др. Степень воздействия АТС на ПГС исследовалась в диапазоне от минимальных (не нарушающих равновесие в системе) до критических,

кризисных и катастрофических. Общий характер техногенного воздействия определялся по составу, интенсивности и токсичности воздействующих факторов.

пгс

1 I 1 I

*_)

Биота

Рисунок 2 - Основные функциональные связи в придорожной

геосистеме (ПГС) Таблица 1 - Методологические подходы к определению критических нагрузок на экосис�

Информация о работе