Типы техногенных отложений на территории г. Томска и их геоэкологические аспекты

Н.В. Осинцева, Н.С. Евсеева

ТИПЫ ТЕХНОГЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ г. ТОМСКА И ИХ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта «Оценка экологических рисков при освоении инвестиционно-привлекательных территорий» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятие № 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» по направлению «География и гидрология суши»).

Рассмотрены техногенные отложения и созданные ими формы рельефа на территории города Томска. Выделены виды техногенных отложений по условиям формирования и залегания. Получены количественные характеристики пространственного распространения, вертикальной мощности и объема техногенных отложений урбанизированной территории г. Томска: измененных в условиях естественного залегания, перемещенных с мест естественного залегания, техногенных новообразований.

На примере г. Томска охарактеризованы экологические свойства техногенных отложений урбанизированных территорий. Ключевые слова: техногенные отложения; геоморфология урбанизированных территорий; геоэкология; антропогенный литогенез.

Процесс формирования и накопления техногенных отложений с наибольшей интенсивностью происходит в городах и промышленных центрах. Объем техногенных отложений значителен и постоянно возрастает. К началу XXI в. мировой объем всех разновидностей техногенных осадков достиг 1 500 млрд м3 [1]. Не является исключением территория г. Томска - крупного промышленного города (численность населения 512 тыс. человек), областного центра, расположенного в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины в долине нижнего течения р. Томи. По региональной оценке, выполненной М.И. Ха-зановым (1975), техногенные отложения в промышленно развитых районах юга Западной Сибири встречаются повсеместно, их объем составляет в среднем 100 м3/км2.

На территории г. Томска распространены следующие виды техногенных отложений [2,3]: 1) природные отложения, техногенно измененные в условиях есте-

ственного залегания; 2) природные отложения, перемещенные с мест естественного залегания; 3) техногенные образования (табл. 1, рис. 1).

К природным отложениям, измененным в местах естественного залегания, относятся горные породы, подвергшиеся физическому, физико-химическому, химическому, биологическому воздействиям в процессе хозяйственной деятельности человека. Техногенно-измененными являются все отложения, расположенные в зоне промышленного и гражданского строительства, поскольку при подготовке площадок и при последующей эксплуатации зданий и сооружений они испытывают уплотнение, цементацию, битумизацию, обводнение и др. На территории г. Томска техногенно измененные горные породы занимают площадь 9,9 тыс. га, или 36%, городской территории [5] - это площади, отведенные под жилую и производственную застройку.

Т а б л и ц а 1

Распространение техногенных отложений на территории г. Томска

Подтип техногенных отложений Количественные показатели распространения

Показатель Значение

Природные отложения, техногенно измененные в условиях естественного залегания

| Площадь земель, занятых под застройку 9 900,00 га

Природные отложения, перемещенные с мест естественного залегания:

Дамба Протяженность земляной защитной дамбы р. Томи 11,60 км

Ширина по гребню дамбы 4,50 м

Протяженность магистральных улиц и дорог 343,00 км

Насыпи Густота дорожной сети в пределах городской застройки 2,20 км/км2

Территория, занятая улицами, дорогами, площадями 2 400,00 га

Площадь засыпанных оврагов в микрорайоне «Каштак» 14,00 га

Максимальная мощность отложений засыпанных оврагов 20,00 м

Засыпанные отрицательные формы рельефа в микрорайоне «Каштак»

Объем отложений засыпанных оврагов в микрорайоне «Каштак» 955,00 тыс. м3

Площадь засыпанных озер Сухое, Источное 40,00 га

Техногенные образования

Объем промышленных и бытовых отходов за 2010 г. 398895,23 т

Отложения полигона токсичных отходов Площадь полигона 37,04 га

Объем отходов 22 078,00 т

Твердые отходы ООО «Томскнефтехим» Площадь накопителя отходов 3,51 га

Объем отходов 15 347,00 т

Золоотвал ГРЭС-2 Площадь 77,50 га

Объем отходов 3 863 719,00 т

Илы очистных сооружений Площадь илонакопителя ЗАО «Г ородские очистные сооружения» 28,50 га

Объем илов 11 393,00 т

Площадь полигона ТБО 141,57 га

Твердые бытовые отходы Объем отходов на полигоне ТБО 6 002 328,00 т

Площадь несанкционированных свалок 2,93 га

Объем отходов в несанкционированных свалках 8 930,20 т

Рис. 1. Схема распространения техногенных отложений на территории г. Томска [6]:

1-5 - мощность техногенных отложений: 1 - 0 м; 2 - менее 2 м; 3 - от 2 до 5 м; 4 - от 5 до 7 м; 5 - более 7 м; 6 - понижения рельефа; 7 - дамба; 8 - железнодорожная насыпь.

Цифры в кружках - номера надпойменных террас

Площадь застроенных земель постоянно увеличивается: в г. Томске за 200 лет территория, занятая строениями, увеличилась более чем в 9 000 раз [7]. Возрастает не только площадь воздействия на геологическую среду, но и его интенсивность. Так, согласно Генераль-

ному плану развития г. Томска, к 2025 г. при некотором сокращении общей территории, занятой под жилую застройку, произойдет значительное увеличение площади многоэтажного и среднеэтажного строительства (табл. 2).

План изменения площади жилой застройки Муниципального образования «Город Томск» [4]

Т а б л и ц а 2

Показатели Площадь, га

2007 г. 2015 г. 2025 г.

Жилые зоны всего, из них: 5 309 5 220 5 067

зона многоэтажных жилых домов 841 880 1407

зона среднеэтажных жилых домов 373 390 590

зона индивидуальных жилых домов с участками 2 563 2 450 2 400

зона садово-дачных участков 1 532 1 500 670

Природные отложения, перемещенные с мест естественного залегания, - это насыпные и засыпные отложения. К насыпным отложениям относятся насыпи транспортных трасс и дамб, засыпные отложения представлены погребенными оврагами, болотами, ручьями.

Распространение отложений дорожных насыпей увеличивается с развитием транспортной инфраструктуры города. Общая протяженность улиц в г. Томске за последние 100 лет увеличилась в 5 раз и составила 526 км [7], из них магистральных улиц и дорог - 343 км [4].

Средняя плотность дорожной сети в пределах городской застройки составляет 2,2 км/км2. Увеличение объема насыпных грунтов будет происходить и в дальнейшем в связи со строительством новых объектов транспортной инфраструктуры: пешеходно-транспортной набережной вдоль р. Томь, путепроводов через железнодорожные линии, магистралей, дублирующих наиболее напряженные участки дорог. Таким образом, к 2025 г. общая протяженность магистральных улиц и дорог превысит 413 км, а их плотность увеличится до 2,3 км/км2.

Отложения засыпанных отрицательных форм рельефа занимают на территории г. Томска значительные площади. Засыпка болот, ручьев, мелких озер началась еще в XVII в. Были погребены пойменные озера, сохранившиеся в настоящее время лишь в топонимах (оз. Сухое площадью 30 га, оз. Источное площадью 10 га). Засыпные грунты распространены также на склонах надпойменных террас р. Томи, пораженных оврагами: площадка второй надпойменной террасы под зданиями комплекса Томского государственного университета, Томского политехнического университета, Томского электромеханического завода, ТУСУРа и др.

Наибольшее распространение засыпные отложения имеют на склоне третьей надпойменной террасы

В настоящее время активно застраивается долина р. Ушайки в районе ул. Алтайской, расположенной на второй надпойменной террасе этой речки. Застройка ведется на склоне и присклоновом участке долины, где развиты балки, а также микроформы антропогенного рельефа. В геологическом разрезе с поверхности до глубины 20 м здесь развит комплекс современных техногенных отложений - суглинков и насыпного гравий-но-галечникового грунта мощностью до 1 м, который подстилается бурыми суглинками и супесями террасового аллювия (см. рис. 3).

Пойма р. Ушайки засыпается в районе Академгородка и пр. Комсомольского, где ведется активная застройка. Мощность насыпных грунтов в районе моста через р. Ушайку у Академгородка, по данным полевых исследований, составляет до 10-12 м.

К техногенным образованиям относятся промышленные и бытовые отходы. Они размещаются на специально организованных полигонах, хранилищах, свалках. Общая площадь объектов размещения отходов на территории г. Томска составляет 288,12 га, из них менее половины (49%) приходится на бытовые отходы и 51% - промышленные (см. табл. 4). Объем бытовых отходов, накопленный на свалках, значительно превышает промышленные, однако последние отличаются более высокой токсичностью. Кроме того, большой объем бытовых отходов накапливается на

р. Томи в северной части города (см. рис. 2). На этом участке в 1993 г. располагалось 34 крупных оврага, морфометрические характеристики которых были определены методом полевого картографирования [8]. По данным полевых наблюдений авторов, к 2001 г. 10 оврагов на участке были засыпаны, так как на склоне началось интенсивное строительство многоэтажных домов. В период с 2001 по 2007 г. на исследуемом участке были засыпаны еще 7 крупных оврагов. Исходя из морфометрических параметров засыпанных оврагов (табл. 3), можно заключить, что засыпные техногенные отложения сформировались на площади 14 га, их суммарный объем составил 955 тыс. м3, а максимальная мощность - 20 м.

несанкционированных свалках. Только за 2010 г. сотрудниками Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области на территории областного центра обнаружено 160 несанкционированных свалок общей площадью 2,93 га и массой около 9 тыс. т [5].

Техногенные отложения отличаются пестротой и неоднородностью состава. В их составе Ф.В. Котлов [10] выделил три группы фаций: грунтовую, искусственно созданную и бытовые отходы. Он отмечал, что необходимо дифференцированно подходить к оценке свойств техногенных грунтов. Так, среди них встречаются отложения с высокими прочностными характеристиками (уплотненные земляные насыпи, погребенная каменная кладка, наземные минеральные покрытия дорог) и с крайне низкой прочностью (свалки бытового мусора, стихийно засыпанные овраги, илы антропогенных водоемов); относительно однородные по составу (грунтовые отвалы, производственные шлаки) и неоднородные (культурные слои, несанкционированные свалки); менее и более токсичные. Например, А.В. Ма-нанковым и В.П. Парначевым [11] проведено исследование минералого-химического состава техногенных месторождений, включая промышленные отходы г. Томска. В химическом составе угольной золы из зо-лоотвала ГРЭС-2, расположенного в долине р. Ушайки, главным литофильным компонентом оказался кремне-

Т а б л и ц а 3

Морфометрические параметры засыпанных оврагов на третьей надпойменной террасе р. Томь

№ оврага на схеме Длина, м Ширина, м Глубина, м Площадь, га Объем, м3

1 250 90 12 2,28 135 720

2 90 40 5 0,20 13 572

3 240 36 9 1,26 52 116

4 120 40 4 0,66 25 334

5 280 110 13 1,82 255 455

6 200 26 15 1,98 35 287

7 60 20 16 0,14 5 881

8 140 60 8 0,38 19 001

9 150 64 13 0,78 65 146

10 200 28 6 0,61 35 890

11 140 20 5 0,30 13 723

12 160 15 5 0,32 12 667

13 170 20 9 0,44 19 227

14 200 40 5 0,50 45 240

15 150 36 5 0,40 30 537

22 120 20 8 0,21 21 715

23 240 60 20 1,70 168 293

Сумма - - - 13,98 954 804

зем. Содержание редких и редкоземельных металлов (655,6 мг/кг) с резким преобладанием лантана позволяет считать эти золы рудным суперконцентратом. В зависимости от форм связи с литофильными элементами, органическими соединениями и положением в ряду относительной электроотрицательности эти редкие и

редкоземельные металлы экологически опасны для населения и биоты в целом.

Ваграночные шлаки ОАО «Сибэлектромотор» в экологическом плане также представляют большую опасность, так как содержат практически все металлы в количестве, превышающем ПДК от 1-3 до 2 000 раз.

Рис. 2. Схема расположения оврагов на поверхности третьей надпойменной террасы р. Томи (микрорайон «Каштак», г. Томск), 2009 г.

/V 1 У / <м 3 ч \

< / У . *4,

с-388 . . 5 • 6 ( 7 Ч"^ I

Рис. 3. Инженерно-геологический разрез склона террасы в долине р. Ушайки [9]:

1 - суглинок; 2 - супесь; 3 - техногенный грунт; 4 - уровень грунтовых вод; 5 - скважина и ее номер;

6 - место отбора образца породы; 7 - траншея; 8 - предполагаемые поверхности смещения

Т а б л и ц а 4

Объекты размещения отходов производства и потребления в г. Томске [5]

Виды отходов и места размещения Количество объектов размещения Занимаемая площадь, га Объем накопленных отходов, т

Полигон токсичных отходов г. Томска 1 37,04 22 078

Накопитель твердых отходов ООО «Томскнефтехим» (объект № 1535) 1 3,51 15 347

Золошлаковые накопители ГРЭС-2 2 77,5 3 863 719

Илонакопитель ЗАО «Городские очистные сооружения» г. Томска 1 28,5 11 393

Полигон твердых бытовых отходов г. Томска 2 141,57 6 002 328

Итого 7 288,12 9 914 865

Среди токсичных металлов 1-Ш классов опасности наблюдается аномально высокое содержание ртути (более 850 ПДК), хрома (более 130 ПДК), титана, бария (55 ПДК), меди (более 30 ПДК) и др. Источником загрязнения являются отходы завода «Электроцентро-лит», входящего в ОАО, и т.д.

Кроме того, на территории города развивается техногенное подтопление, что также влияет на изменение инженерно-геологических свойств горных пород. Д.С. Покровский и К.И. Кузеванов [12] указывают на развитие техногенного подтопления под влиянием бар-ражного эффекта (на примере микрорайона «Солнечный»). Водоносный горизонт водораздела здесь приурочен к пескам в нижней части разреза (рис. 4). Приповерхностные породы до начала строительства были безводными. Под влиянием строительных работ и при непродолжительной эксплуатации в горизонте супесей верхней части разреза сформировалась верховодка, в дальнейшем превратившаяся в типичный водоносный горизонт. Воды этого горизонта разгружаются на склонах и приводят к потере устойчивости зданий. Подоб-

ные негативные процессы отмечены на участках сочленения геоморфологических элементов (в основном - надпойменных террас) и на участках разгрузки подземных вод на склонах речных долин.

В целом антропогенные отложения относят к наиболее сложным и малоблагоприятным для строительства типам геологических образований.

Л.В. Передельский [1] выделил следующие специфические особенности техногенных грунтов, определяющие их низкую инженерно-геологическую оценку:

1. Неоднородность по составу и неравномерную сжимаемость.

2. Возможность самоуплотнения от собственного веса.

3. Повышенное содержание органического вещества в бытовых отходах и связанный с этим риск образования токсичных газов (например, метана).

4. Распад, разложение и другие физико-химические преобразования в промышленных отходах (шлаки, золы).

Рис. 4. Типовые условия развития техногенной верховодки [12]:

1 - глины; 2 - пески; 3 - суглинки; 4 - супеси; 5 - насыпные грунты; 6 - оползневые массы; 7 - источники; 8 - уровень подземных вод; 9 - направления водных потоков;

10 - инженерные сооружения на свайных основаниях

Все эти особенности характерны для техногенных отложений, распространенных на территории г. Томска. В условиях дефицита земельных ресурсов, когда районы нового освоения развиваются внутри городской территории, а не за счет расширения ее площади, строительство все чаще производится на техно-

генных грунтах. В связи с этим распространение, мощность, состав и свойства техногенных грунтов на урбанизированных территориях требуют дальнейшего тщательного изучения специалистами разного профиля на основе детальной геолого-геоморфоло-гической съемки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Инженерная геология. Ростов н/Д : Феникс, 2009. 456 с.

2. Чистяков А.А., МакароваН.В., Макаров В.И. Четвертичная геология. М. : ГЕОС, 2000. 303 с.

3. ЕвсееваН.С., ОкишевП.А. Экзогенные процессы рельефообразования и четвертичные отложения суши : учеб. пособие. Томск : Изд-во НТЛ,

2010. Ч. 1. 300 с.

4. Генеральный план г. Томска: Приложение №1 к решению Думы г. Томска от 27.11.2007 № 687. Томск, 2007. 72 с.

5. Экологический мониторинг: Состояние окружающей среды Томской области в 2010 году / гл. ред. A.M. Адам. Томск : Графика DTP, 2011.

144 с.

6. КосоваЛ.С. Рельеф и антропогенные отложения в черте г. Томска // География и природные ресурсы. 1992. № 1. С. 156-160.

7. ШакироваА.Р. Геоэкологический анализ урбанизированных территорий (на примере г. Томска) : автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Томск :

Том. гос. ун-т, 2007. 24 с.

8. Осинцева Н.В. Природные условия развития овражной эрозии на территории г. Томска // География и природопользование Сибири : сб. ст.

Барнаул : Изд-во Алтайск. гос. ун-та, 2002. С. 126-137.

9. Кривошеев А.В., Емельянова Т.Я. Прогнозирование оползнеопасных участков г. Томска // Обский вестник. 1999. № 1-2. С. 128-132.

10. Котлов Ф.В. Антропогенные геологические процессы и явления на территории города. М. : Наука, 1977. 171 с.

11. Мананков А.В., Парначев В.П. Геоэкологические аспекты состояния поверхностных и подземных вод г. Томска // Обский вестник. 1999. № 1-2. С. 105-116.

12. Покровский Д.С., Кузеванов К.И. Гидрогеологические проблемы строительного освоения территории г. Томска // Обский вестник. 1999. № 1-2. С. 96-104.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 4 мая 2012 г.