Классификация типов загрязнений

ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ НА ВОДОСБОРАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ РОССИИ

В.В. Шабанов, Н.П. Бунина

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва Россия

Общие положения

Миграция основных биогенов (N, Р, K) за пределы геосистем происходит главным образом через отчуждение биомассы (урожая). В условиях сезоннопромывного режима, который характерен для Нечерноземной зоны РФ, большинство макроэлементов с пахотных почв выносится за пределы геосистем преимущественно водными потоками (поверхностным и грунтовым), следствием чего является загрязнение водных объектов.

Снижение уровня загрязнения водоемов возможно лишь путем прекращения поступления в них биогенных элементов. Это достигается либо за счет снижения концентрации биогенных элементов в стоковых водах, либо путем уменьшения поступления в водоемы поверхностного стока. И первое, и второе можно осуществить перехватом поверхностного и подземного стока биогеохимическими барьерами, например, лесными насаждениями или осушительной системой, или специальными сооружениями, собирающими, транспортирующими и концентрирующими сток около биологических утилизаторов.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что для предотвращения загрязнения окружающей среды необходимо создание искусственных геохимических барьеров. А для введения биогенов в биологический круговорот необходимо наличие биологического концентратора (в первую очередь, растения), таким образом, барьер становится биогеохимическим. Функционирование его интенсифицируется при оптимизация водного, теплового и пищевого режимов почв.

Для разработки принципов проектирования искусственных биогеохимических барьеров целесообразно применить ландшафтный подход и использовать такие классификации ландшафтов, которые наиболее подходят для данного случая. Представляется, что можно использовать классификацию Глазовской – Полынова [4], которые классифицируют ландшафты по типам геохимических сопряжений [6].

По Полынову Б.Б выделяются следующие группы ландшафтов: элювиальный, супераквальный, субаквальный. На рисунке 1 выделены три типа ландшафтов, которые для зоны осушения хорошо корреспондируются с типами водного питания.

Элювиальный ландшафт формируется при атмосферном типе водного питания, трансэлювиальный – при склоновом, а супераквальный (гидроморфный) – при грунтовом.

Фундаментальная зависимость между типами ландшафтов и типами водного питания подтверждается и связями между элементарными ландшафтами (рис.2)

.

Элементарные ландшафты, распределяясь с учетом рельефа (рис.3), позволяют еще более дифференцировать их по условиям миграции водно-химического потока.

В элювиальной группе ландшафтов выделяются четыре типа миграции геохимических элементов: элювиальный (плоские вершины, хорошо дренированные равнины); трансэлювиальные (верхние части склонов); элювиально-аккумулятивные (нижние части склонов и сухие ложбины); аккумулятивно-элювиальные (местные замкнутые понижения с глубоким уровнем грунтовых вод). В супераквальной группе ландшафтов выделяются два типа миграции химических элементов: транссупераквальные (трансгидроморфные); супераквальные (замкнутые понижения со слабым водообменом).

В субаквальной группе ландшафтов также выделяются два типа миграции химических элементов: трансаквальный (реки, проточные озера); аквальный (непроточные озера). Наиболее ярко связь между ландшафтами и типом водного питания проявляется при анализе вертикальных профилей содержания химических элементов в почвах разных элементов ландшафтов. На рис. 4 и 5 показано распределение свинца и меди по профилю.

Анализ данных показывает, что в зависимости от расположения элементарного ландшафта меняется и профиль содержания загрязняющего вещества. Форма профиля типична для определенной группы химических веществ. Так, например, профили свинца, цинка и марганца аналогичны, а профили распределения никеля по глубине корреспондируются с профилями распределения меди [7]. Таким образом, наблюдается устойчивая связь между ландшафтным элементом и процессом поступления загрязняющих веществ. Учитывая связь между ландшафтом и типом водного питания можно полагать, что существует связь между типом водного питания, и типом загрязнения, если под типом загрязнения понимать источник и направленность загрязняющего потока.

По-видимому, целесообразно выделить определенные типы загрязнений для облегчения разработки методов управления загрязняющим потоком.

Классификация типов загрязнений

Под типом загрязнения будем понимать основное направление поступления на территорию загрязняющих потоков, под воздействием которых формируется режим загрязнения. Тип загрязнения зависит не только от характера загрязняющего вещества, но и от ландшафтных, климатических, гидрогеологических, геологических, геоморфологических, почвенно-литологических и других природных условий конкретной территории.

В соответствии с классификацией ландшафтов и типов водного питания можно выделить следующие типы загрязнения в зависимости от основного направления движения и трансформации потока загрязняющего вещества. По классификации А.Д. Брудастова выделяются пять типов водного питания земель: атмосферный, грунтовый (бассейн грунтовых вод и поток грунтовых вод), грунтово-напорный, склоновый (делювиальный), намывной (аллювиальный). Если с потоком воды на рассматриваемый массив будут поступать и загрязняющие вещества, то каждый тип водного питания может характеризовать направление загрязняющего потока.

В зависимости от того, на какой из элементарных ландшафтов приходит загрязняющий поток, типы загрязнения могут быть следующими: атмосферный (атмосферный – элювиальный; атмосферный – трансэлювиальный; атмосферный – супераквальный; атмосферный – аквальный); грунтовый (грунтовый – супераквальный; грунтовый – аквальный); грунтово-напорный (грунтово-напорный – элювиальный; грунтово-напорный – трансэлювиальный; грунтово-напорный – супераквальный; грунтово-напорный – аквальный); склоновый (склоновый – трансэлювиальный); намывной (намывной – супераквальный). Такая классификация дает возможность каждому типу загрязнения поставить в соответствие свой метод управления качеством природных водных и почвенных объектов. Покажем это на примере.

Атмосферный тип загрязнения преобладает на повышенных водоразделах и равнинах, сложенных глинистыми и суглинистыми грунтами с малыми уклонами поверхности и имеющими на глубине 30…70 см практически водонепроницаемые глеевые горизонты. Как говорилось выше, основным источником загрязнения являются атмосферные осадки, загрязненные кислотами, тяжелыми металлами и другими веществами. При выпадении большого количества осадков, небольшом уклоне и слабой водопроницаемости загрязняющие вещества накапливаются на поверхности почвы. При этом могут загрязняться верховые болота и минеральные земли, которые имеют атмосферный тип водного питания.

При грунтовом типе загрязнения загрязняющие вещества в основном переносятся грунтовыми водами, формирующимися в пределах массива за счет инфильтрации загрязненных атмосферных осадков и притока загрязненных поверхностных вод со стороны (бассейн грунтовых вод) или за счет притока загрязненных грунтовых вод со стороны (поток грунтовых вод). Этот тип загрязнения преобладает в низинах и понижениях нижней части склона, сложенных хорошо проницаемыми грунтами. Глубина залегания грунтовых вод в весенний период колеблется от 0 до 1,2 м.

При грунтово-напорном типе загрязнения принос загрязняющих веществ осуществляется подземными водами, которые могут быть загрязнены на значительном расстоянии от охраняемого объекта. Загрязненные подземные воды находятся во втором от поверхности водоносном горизонте, отделенном от грунтовых вод слабопроницаемым пластом. Восходящий поток загрязненных подземных вод проходит через «окна» в водоупоре – тектонические трещины, карстовые воронки и другие более проницаемые места в водоупоре. Уровни грунтовых вод и вертикальные потоки обычно стабильны, интенсивность загрязнения зависит от концентрации загрязняющих веществ и интенсивности вертикального потока. Этот тип загрязнения может проявиться на болотах или отдельных участках болот, расположенных в глубоких понижениях. В местах выхода напорных вод наблюдаются загрязнения природного происхождения: кальциевые (наличие известкового туфа), железистые, солевые (осолонение грунтовых вод).

При склоновом (делювиальном) типе загрязняющие вещества переносятся водами, стекающими со склонов. Этот тип загрязнения проявляется на склонах, сложенных тяжелыми почвами, или у их подножья. Изначально загрязняющие вещества могут поступать с атмосферными осадками или с поверхностным стоком с вышележащей площади.

В поймах или долинах рек и озер возможно загрязнение намывного типа. Загрязнения этого типа наблюдаются при выходе вод из берегов во время половодий и паводков. В пределах одного массива может быть несколько типов загрязнения. Если под влиянием загрязнения каждого типа находятся значительные площади, то проектируется сеть очистных сооружений в виде искусственных биогеохимических барьеров, соответствующая каждому типу загрязнения. Либо определяется тип загрязнения, под влиянием которого находится большая часть массива, подлежащего охране или восстановлению, и проектируется природоохранная система, ориентированная на этот тип загрязнения.

Количественной характеристикой типа загрязнения, необходимой для определения параметров природоохранной системы, является воднохимический баланс. Он определяет соотношение между приходом и расходом влаги и загрязняющих веществ за определенный период времени.

Для определения типа загрязнения можно пользоваться приближенным соотношением Э = (0.15-0.20) Пр, где Э - основной элемент вводно-химического баланса (приток загрязняющих веществ с грунтовыми водами, напорными, склоновыми или аллювиальными), определяющий соответствующий тип загрязнения (грунтовый, напорный, склоновый или намывной); Пр - приходная часть баланса, то есть сумма приходных элементов баланса.

Для экспертных оценок типа загрязнения можно использовать качественный метод, заключающийся в сравнении природных условий с характерным признаком каждого типа загрязнения (табл. 1). На основании анализа природных условий и табл. 1 определяется тип загрязнения (или ряд типов) для участка, подлежащего охране.