Анализ геоэкологических проблем при строительстве городов (на примере Санкт-Петербурга)

-

Экология

УДК 574.91

М.П. Федоров, В.Н. Уманец

АНАЛИЗ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОРОДОВ

В России широкое использование термина «геоэкология» началось с 1970-х гг. после упоминания его известным советским географом В.Б. Сочавой (1905—1978). Как отдельная наука геоэкология окончательно сложилась в начале 1990-х гг. [1, 2]. Но, как это ни парадоксально, четкого и общепринятого определения названный термин до сих пор не получил, хотя и используется в экологии, географии, геологии, горном деле, а также для обозначения междисциплинарной науки. По определению Н.Ф. Реймерса (1990) «Геоэкология — раздел экологии (по другим воззрениям — географии, геологии), исследующий экосистемы (геосистемы) высоких иерархических уровней — до биосферы включительно». В.И. Осипов определяет геоэкологию «как междисциплинарную науку об экологических проблемах геосфер Земли. Объектами ее исследования являются все геосферы (оболочки) Земли: атмосфера, гидросфера, литосфера, биосфера. По уровню структурной организации она рассматривается как наука, образующая вместе с экологией, геологией и географией взаимосвязанный триумвират наук о Земле» (1993). Имеется множество определений термина «геоэкология» и содержания соответствующей науки, вот одно из последних: геоэкология — комплексное междисциплинарное научное направление, которое изучает закономерности функционирования антропогенно измененных геосфер Земли в процессе их интеграции с обществом и возникающие геоэкологические проблемы (Комарова Н.Г., 2007).

Высшая аттестационная комиссия России дает следующее определение: «Геоэкология — междисциплинарное научное направление,

объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей геосфер Земли как среды обитания человека и других организмов. Основной задачей геоэкологии является изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды».

Таким образом, одна из главных задач геоэкологии — оценка взаимовлияния природных и антропогенных факторов на геосферы Земли как среду обитания человека, и в первую очередь на литосферу.

Под экологическими функциями литосферы или ее верхней части (геологической среды) — по мнению В.Т. Трофимова (1997, 2000), они состоят из ресурсной, геодинамической, геохимической и геофизической (медико-санитарной) функций [3] — понимают роль и значение литосферы, включая протекающие в ней геологические процессы и подземные воды, необходимые для жизнеобеспечения биоты и человеческого сообщества.

Более кратко геоэкология может быть определена как наука об изменениях геосфер под влиянием экологических факторов, включая антропогенные.

Исходя из специфики городской среды и строительной деятельности человека, выделим среди ресурсной функции роль минеральных ресурсов как сырья для строительной индустрии, а также запасов поверхностных и подземных вод, используемых для жилищно-коммунального комплекса. Геодинамиче-

ская составляющая экологической функции литосферы определяет влияние ее изменений (вследствие природных и антропогенных геологических процессов и явлений) на условия жизнеобитания и дискомфортность проживания человечества. Влияние геофизических и геохимических полей литосферы природного и техногенного происхождения, а также их аномалий на состояние здоровья человека определяет геофизико-геохимическую, или медико-санитарную, составляющую экологической функции.

Каково же воздействие строительного комплекса на изменения «продуктивной природной среды»? Как природные и антропогенные факторы влияют на экологические функции геосфер, и прежде всего литосферы, а те, в свою очередь, — на антропогенную деятельность, в частности на строительство?

Попытаемся ответить на эти вопросы путем анализа геоэкологических проблем города Санкт-Петербурга, огромного мегаполиса с развитым строительным комплексом и жилищно-коммунальным хозяйством (ЖКХ).

Проведенный анализ позволил построить обобщенную схему (см. рис. на с. 196) взаимовлияния природных и антропогенных факторов, которое обусловливает возникновение геоэкологических проблем в строительстве и ЖКХ; эта схема является интерпретацией природно-тех-нической системы (ПТС), принципы формирования и управления которой исследованы в [4].

Геоэкологическая ситуация Петербурга очень непроста. Город возводился на 101 острове, а сегодня их осталось всего 41. Некоторые реки и болота, ручьи и озера были засыпаны, но при этом они не исчезли. На месте погребенной гидросети и сегодня находятся обводненные песчано-гра-вийные отложения. По-прежнему опасны древние русла Невы — палеодолины, представляющие собой толщи песчано-гравийных отложений мощностью до 100 м, содержащие большой объем подземных вод [5]. Такие образования, как правило, обладают избыточным внутренним давлением. При вскрытии кровли отложений уровни подземных вод устанавливаются около поверхности земли, а иногда и выше.

Эти участки очень опасны при строительстве метрополитена (например, авария у площади Мужества) и жилых домов (обрушение на улице Двинской).

Погребенные под городскими улицами болота тоже живы и продолжают оказывать свое негативное влияние [5]. Почти весь исторический центр Санкт-Петербурга возведен на таком основании. Это Исаакиевская и Дворцовая площади, Гостиный Двор и Александро-Нев-ская лавра, Суворовский и Лиговский проспекты, Стрелка Васильевского острова и чуть ли не треть самого острова.

По причине зыбкости грунтов стоящий на дубовых сваях Исаакиевский собор получил легкий крен, а его купол отклонился от вертикали на несколько десятков сантиметров. Это было зафиксировано еще в 30-е гг. прошлого века. В 1970-е гг. навстречу друг другу и в сторону Невы начали «падать» Ростральные колоны. Под их фундаменты сначала закачали бетон. Но это только ускорило процесс «падения», поэтому тяжелые подушки пришлось извлечь и засыпать более легкие — песок и гравий.

Трещины от деформаций, вызванных неустойчивостью грунтов, можно обнаружить на многих питерских зданиях — Биржи, Адмиралтейства, Эрмитажа, Кунсткамеры, Петропавловской крепости.

Болота коварны еще и тем, что в них вырабатывается метан [5]. Газы, поднимаясь вверх, не находя естественного выхода, разрушая асфальт и бетон, вырываются в виде газо-грязе-вых фонтанов. Такие выбросы наблюдались в Невском, Фрунзенском, Красносельском районах. Случалось, что метан накапливался в помещениях — подвалах зданий, гаражах, и в них гремели взрывы. Сейчас с выбросами метана город справляется с помощью газоотводя-щих скважин, являющихся весьма эффективным методом.

В целом, по данным Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности администрации Санкт-Петербурга, погребенная гидросеть нашего города занимает 3,7 % городских площадей, что составляет 5300 га. Эти территории представляют собой зону риска и нуждаются в постоянном контроле.

Однако корень всех геоэкологических проблем в том, что город был построен на стыке гигантских геологических структур — Скандинавского (Балтийского) кристаллического щита и равнинной Русской плиты. Карельский перешеек, включая Выборгский и Приозерский

Геосферы Земли

Поверхн гилпос остная <Ьеоа Литосфера (геологическая среда, включая педосферу и подземные воды) Ат! лосфера

1 г + 1 г

Экологические функции геосфер

Преобразование земной поверхности, формирование рельефа (абразия и эрозионная деятельность); перенос веществ и химических соединений; аккумуляция осадочного материала; наводнения; изменения свойств грунтов

тт

Снабжение подземными водами городов; применение их в сельском хозяйстве и промышленности

зз:

1.Ресурсная функция литосферы — возможность жизнедеятельности и благополучного развития человеческого общества.

2. Геодинамическая функция литосферы — проявления и динамика природных экзогенных, эндогенных и антропогенных геологических процессов, которые влияют на условия жизнеобитания и жизнедеятельности человеческого общества.

3. Геохимическая и геофизическая (медико-санитарная) функции — воздействие на состояние здоровья человека разнообразных природных и техногенных геохимических аномалий и геофизических полей

Обеспечение условий: для жизнедеятельности организмов; функционирования гидросферы, литосферы и почвы; формирования климата; возникновения экстремальных явлений и стихийных бедствий; развития человечества

г

Истощение запасов поверхностных и подземных вод, изменение их качества; термическое загрязнение и обмеление водоемов; возбужденная сейсмическая активность в районах возведения водохранилищ; истощение биологической продуктивности водоемов; антропогенные изменения рек.

Загрязнение атмосферы пылью, химическими элементами и соединениями (возникновение аэрозолей, смога и кислотных дождей, парниковый эффект).

Антропогенное воздействие на геологическую среду: техногенное разрушение (дезинтеграция) пород; перемещение дезинтегрированного материала; накопление и создание новых горных пород; активизация естественных геологических процессов, создание антропогенного рельефа и антропогенных (в т.ч. селитебных) ландшафтов; изъятие и загрязнение земель свалками строительных и коммунальных отходов

Нарушение устойчивости зданий и сооружений в результате геодинамической (сейсмической) активности. Изменение конфигурации, подтопление и осушение береговой зоны в результате абразии, возникновение нагонных наводнений, разрушительная деятельность волн-цунами.

Воздействие грунтовых, подземных и поверхностных вод на физическое состояние грунтов и устойчивость зданий и сооружений (карст, суффозия, плывуны, подтопление зданий, затопление и заболочивание территорий, просадочные явления).

Разрушение сооружений, трубопроводов, дамб и насыпей в результате дефляции и коррозии, заносы их песком. Плоскостной смыв и линейная эрозия склонов, разрушение сооружений селевыми потоками. Разрушение и осложнение строительства зданий, сооружений и коммуникаций осыпями, обвалами, оползнями

Промышленное строительство

А

Транспортное строительство

Жилищно-гражданское строительство (жилые дома, общественные

здания) +

Гидротехническое (плотины, дамбы, каналы, берегоукрепительные сооружения и устройства, водохранилища) *

I идромелио-ративное

А

Коммунально-бытовые

отходы

Строительство и жилищно-коммунальное хозяйство

Техносфера

Экологические функции геосфер Земли и виды строительства. Их взаимовлияние как предмет геоэкологии в строительстве и ЖКХ

районы Ленинградской области с их бесчисленными озерами, выходами гранитных пород, находятся как раз на окончании Скандинавского щита. Курортный же район Петербурга, а также и весь город — на северной окраине Русской плиты, покрытой чехлом осадочных пород мощностью от 15 до 300 м. Зоны стыка геологических структур традиционно считаются самыми нестабильными, особенно в силу того, что они еще и перемещаются друг относительно друга. Если щит имеет тенденцию к поднятию, то плита — к опусканию. Это микрокосмические перемещения, измеряющиеся несколькими миллиметрами в год, но они происходят.

Поэтому в Петербурге могут случаться и землетрясения. Территория города, по мнению ряда ученых [6, 7], сейсмоактивна. Санкт-Петербургский регион на общей карте сейсмо-районирования отнесен к 5-7-балльным зонам по шкале Рихтера.

Следует вспомнить и о процессе карстооб-разования — возникновении подземных пустот, которым особенно подвержены Красносельский и Пушкинский районы; о радоноопас-ности, актуальной для более чем 6 % городской территории; об эрозии берегов рек и Финского залива, в результате которой ежегодно теряется около 70 га городской территории. Если гипотеза глобального потепления климата, пишет Е.Н. Беллендир и др. [8], реализуется, Санкт-Петербург окажется не только катастрофически подтопленным, но и затопленным, поскольку существующий комплекс защитных сооружений от наводнений может оказаться недостаточным.

Согласно оценкам Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности администрации Санкт-Петербурга, почти 12 % территории города находится в зоне высокого геологического риска, т. е. более 170 км2 территории Петербурга таят в себе ту или иную опасность. А 2400 строений находятся в районах, где неблагоприятна геологическая среда.

Новейшие данные свидетельствуют о том, что состояние здоровья человека в значительной степени определяется патогенным, отрицательным влиянием таких геологических факторов, как геоактивные зоны (ГАЗ), контролируемые геодинамически активными

разломами (ГДАР), что стало основанием для выделения их в качестве геопатогенных зон (ГПЗ) [9]. ГДАР представляют собой расколы в литосфере мощностью до нескольких метров и протяженностью от сотен метров до десятков километров в дочетвертичных породах. Группы субпараллельных, сближенных ГДАР образуют геоактивные зоны, простирание которых можно проследить на сотни и тысячи километров при общей ширине от метров до 10 км. Особенно важно при строительстве то, что молодые активные разломы достаточно четко проявляются в форме ослабленных зон и в разрезе четвертичных отложений, представляющих основу для различных инженерных сооружений.

Исследование в районе прорыва воды в тоннеле метрополитена на участке «Лесная» — «Площадь Мужества» приблизило к пониманию природы патогенного воздействия ГАЗ. Геологическими методами были установлены зоны повышенной трещиноватости и неоднородности в разрезе четвертичных отложений.

Спектро-сейсморазведочное и гравиметрическое профилирование выявило наличие микровибраций, возникающих при прохождении наземного транспорта, а электромагнитные исследования в диапазоне частот 10—20, 250—300 и 900—1100 кГц показали существование импульсного электромагнитного излучения. Эма-национная съемка установила диссипацию по АР, что, собственно, и определило формирование рассматриваемой ГАЗ (радон и гелий, метан, углекислый и другие газы).

Качество окружающей среды в Санкт-Петербурге определяется структурой и культурой производства, особенностями размещения производительных сил, а также географическим положением и климатическими условиями.

К сожалению, как производственные, так и социально-бытовые объекты, расположенные на территории города, отличаются высокой ресурсо- и энергоемкостью, что отрицательно сказывается на экологической обстановке. Кроме того, располагаясь в устье Невы, город вынужден пропускать через свою главную водную артерию часть сточных вод, поступающих из других субъектов РФ. На экологическую обстановку влияет также трансграничный воздушный перенос загрязняющих веществ с сопредельных территорий.

Качество окружающей среды в городе определяется загрязнением воздушного и водного бассейнов, использованием городских земель, утилизацией отходов производства и потребления, состоянием зеленых насаждений и многими другими факторами.

Выделяющиеся в геоактивных зонах подземные газы приводят к созданию газо-атомо-химических ореолов и изменению характера почвенно-приземной атмосферы. В составе подобных ореолов, помимо Rd, Лг, Не, Н, участвуют многокомпонентные смеси из углекислого газа и метана, алканов и алкенов, ртути и летучих соединений тяжелых металлов, сернистых и разных углеводородных соединений, в том числе предельно-ароматических углеводородов и даже бензапиренов и цианидов. Возможно, подобное выделение газов определяет плохой климат Петербурга. Жители его дышат атмосферой, на состав которой влияют газы, выделяющиеся по густой системе АР и создающие газово-эндогенный «купол», «накрывающий» город. Опасность этих ореолов не только и не столько в прямом воздействии через приземную атмосферу на человека, сколько в попадании газов и разных соединений в подземные воды, почвы и растительность.

Загрязнение воздушной среды формируется, как сказано выше, под влиянием переноса загрязняющих веществ с сопредельных территорий, а также под влиянием выбросов передвижных и стационарных источников. В Санкт-Петербурге основную часть загрязнений воздушной среды дает автотранспорт, поэтому особенно сильно загрязнен воздух вблизи магистралей с интенсивным движением автомашин. Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха города вносят диоксид азота, формальдегид и фенол. Уровень загрязнения воздуха в Санкт-Петербурге в целом определяется как «высокий» (значение ИЗА составило 11,1).

Состояние водных объектов города характеризуется как «загрязненные» и «умеренно загрязненные». Основной источник загрязнения поверхностных вод — сброс сточных и ливневых вод без очистки. На территории Санкт-Петербурга и его окрестностей подземные воды распространены повсеместно. Недра города содержат не только пресные питьевые воды, но и минерализованные, которые используются

для розлива в качестве минеральных столовых и лечебных, а также для бальнеологических целей в санаториях Курортного и Петродворцово-го районов. Подземные воды, расположенные в недрах города, относительно чистые.

Состояние почв, грунтов имеет важнейшее значение для оценки геоэкологического состояния той или иной территории, так как это, во-первых, интегральный показатель экологического состояния окружающей среды, а во-вторых, источник вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы, поверхностных и грунтовых вод. По заказу Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности администрации Санкт-Петербурга выполняются работы по оценке уровней загрязнения почв и грунтов города тяжелыми металлами. Уже получена оценка всех основных районов города, а с 2005 г начата оценка пригородных районов, представляющих наибольший интерес с точки зрения размещения новых инвестиционных объектов, новых зон промышленного и жилого строительства.

Для Санкт-Петербурга наиболее остро стоит проблема загрязнения почв свинцом, цинком и кадмием, по которым из года в год выявляется соответственно 70, 60 и 50 % проб с превышением нормативов [10].

Наиболее крупные ореолы комплексного чрезвычайно опасного загрязнения приурочены к трем группам объектов:

к старым промышленным зонам; наиболее крупные из них — протянувшаяся субширотной полосой южнее Обводного канала; в южной части Васильевского острова; в районе р. Карповки; в районе р. Большая Охта; пром-зона в Усть-Славянке; промзона г. Кронштадта;

к жилым зонам старой застройки (вдоль Невского проспекта и Среднего проспекта Васильевского острова, в районе Большой Охты);

к закрытым и действующим полигонам твердых бытовых отходов и несанкционированным свалкам (бывшие Купчинская, Яблоновская и Приморская свалки; полигон ТБО «Новоселки»; несанкционированные свалки в районе Усть-Славянки, Конной Лахты, на берегу залива в районе Сосновой Поляны).

Таким образом, приведенные данные дают картину достаточно напряженного геоэкологического состояния Санкт-Петербурга. При

этом обращает на себя внимание то, что все публикации на эту тему рассматривают проблему односторонне. Отмечается влияние природных факторов или геосфер Земли на техносферу, т. е. на строительный комплекс, коммунальное хозяйство, здоровье людей и комфортность их проживания, но совершенно не рассматривается обратное влияние инженерной деятельности людей на состояние геосфер. В то же время инженерная и строительная деятельность довольно часто приводят к нарушению природных экологических функций литосферы и других геосфер Земли.

В заключение обобщим научно-практические задачи и выделим наиболее важные, на наш взгляд, проблемы, которые целесообразно решать в области строительной геоэкологии:

изучение изменений литосферы (геологической среды) при активизации природных эндо- и экзогенных процессов в результате строительной деятельности;

оценка устойчивости урбанизированных территорий к природным и техногенным воздействиям;

обоснование инженерной защиты городских агломераций от антропогенных и активизированных в результате строительных работ природных геологических процессов;

оценка защищенности почвы и вод от техногенного загрязнения коммунально-бытовыми отходами;

обоснование захоронений (изоляции в литосфере) токсичных строительных и коммунальных отходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козловский, Е.А. Геоэкология — новое научное направление [Текст]: доклад / Е.А. Козловский // Междунар. геолог. конгресс. Докл. сов. геологов. — Геоэколог. исслед. в СССР. — М., 1989.

2. Клубов, С.В. Геоэкология: история, понятия, современное состояние [Текст] / С.В. Клубов, Л.Л. Прозоров. — М., 1993.

3. Экологические функции литосферы [Текст] / Под ред. В.Т. Трофимова. — М., 2000.

4. Экологические основы управления при-родно-техническими системами [Текст] / под ред. М.П. Федорова. — СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. — 506 с.

5. Захарова, Е.Г. Анализ и оценка негативных последствий захоронения болот в пределах мегаполисов (на примере Санкт-Петербурга) [Текст] / Е.Г. Захарова; ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева // Город и геологические опасности. Ч. II. — СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. — С. 174-181.

6. Рудник, В.А. О геологической опасности городских агломераций [Текст] / В.А. Рудник, Е.К. Мельников // Город и геологические опасности. Ч. II. — СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. — С. 280-294.

7. Миндель, И.Г. Сейсмическая опасность для высотных зданий, строящихся в Санкт-Петербурге и Москве [Текст] / И.Г. Миндель // Город и геологические опасности. Ч. II. — СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. — С. 252-257.

8. Беллендир, Е.Н. Геологические опасности на территории Санкт-Петербурга [Текст] / Е.Н. Беллендир, А.А. Каган, Н.Ф. Кривоного-ва // Город и геологические опасности. Ч. II. — СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. — С. 159-163.

9. Мельников, Е.К. Влияние геодинамиче-ски активных зон разломов на здоровье населения города Санкт-Петербурга и Ленинградской области [Текст] / Е.К. Мельников, А.Н. Шаба-ров, Е.И. Петров [и др.] // Город и геологические опасности. Ч. II. — СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2006. — С. 236-247.

10. Горький, А.В. Загрязнение почв Санкт-Петербурга тяжелыми металлами / А.В. Горький, Е.А. Петрова; Рос. геоэколог. центр — филиал ФГУГП «Урангео» МПР РФ. — 2007. — 18 с.