Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 3, стр. 82-96

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая безопасность является областью стратегических интересов государства^11,22. Создание и поддержание национальной системы экологической безопасности – обязательное условие реализации государственной политики устойчивого социально-экономического развития страны. Поэтому геоэкологическая безопасность, как составная часть экологической безопасности, является важным элементом в обеспечении общегосударственных интересов, что особенно актуально для городов, где сосредоточено 75% населения РФ.

Первостепенная задача экологической безопасности в городах – обеспечение стабильной жизнедеятельности человека в условиях повышенной техногенной нагрузки. Для ее решения необходимо знать не только природные, но и техногенные источники проявления различных негативных процессов, в том числе и геоэкологических.

На основе изучения сложных взаимосвязей между природными и техногенными опасностями обосновано понятие геоэкологических процессов. Геоэкологические процессы формируются в результате взаимодействия природных и социально-производственных сил, изменяют динамику естественных процессов и развитие природных систем, а также условия жизнедеятельности человека. На городской территории природные процессы, взаимодействуя с техногенными процессами, могут активизироваться и оказывать негативное влияние на объекты экономики вплоть до возникновения ЧС и техногенных аварий. В таких случаях формируется их новый вид – геоэкологические процессы.

Под геоэкологическими процессами авторы понимают природно-техногенные процессы, возникающие при взаимодействии природных и техногенных факторов и прекращающие свое развитие при условии остановки одного из них.

До настоящего времени общепризнанный подход к комплексной оценке экологической безопасности городских пространств отсутствует. Экологическая безопасность определяется ограниченным числом показателей, отражаемых в официальной статистике: загрязнение атмосферного воздуха, водоемов, биосферной компоненты окружающей среды и т.п. В то же время значительный вклад в снижение безопасности городской территории вносят последствия природных процессов и явлений (землетрясения, наводнения, пожары, оползни, просадка лессовых пород, провалы земной поверхности в результате суффозионно-карстовых процессов, абразия, эрозия, наводнения и др.). Почти четверть населения России проживает в районах повышенной природной опасности [19].

К техногенным источникам опасностей относятся результаты деятельности человека, негативно влияющие на окружающую среду. Для города характерны последствия постоянного воздействия опасных объектов экономики, транспорта и др. Активное строительство в городах, сопровождается нарушением геологической среды. В местах приложения высокой статической нагрузки и при искусственном водопонижении происходит оседание поверхности. В России насчитывается около 12.5 тыс. потенциально опасных объектов [18]. В группу таких объектов, влияющих на устойчивость геологической среды, входят предприятия химической и нефтехимической, металлургической, теплоэнергетической промышленности и др. Последствия аварий могут распространяться на большие расстояния, несмотря на то, что сама авария имеет локальный характер.

Ежегодно в России происходит до 800 чрезвычайных ситуаций техногенного и природно-техногенного характера. Большая часть объектов экономики представляет потенциальную опасность, а масштаб последствий может многократно усиливаться в случае возникновения катастрофических природных явлений.

Все это указывает на необходимость выделения среди экологических факторов самостоятельного геоэкологического блока и разработки подходов к его оценке с целью учета в общем уровне экологической безопасности городов.

Цель настоящих исследований заключалась в разработке подходов к оценке опасности геоэкологических процессов (геоэкологической опасности) в городах и их апробация.

КОНЦЕПТУАЛЬНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ГОРОДА

Развитие и функционирование городских структур определяется не столько законами природы, сколько потребностью людей. Такие структуры представляют собой результат созидательной и деструктивной деятельности многих поколений. Природа реагирует на преобразования неоднозначно, активизируются негативные геологические процессы, снижается экологическая, включая и геоэкологическую, безопасность урбанизированной территории. Город – территория взаимодействия искусственной и природной сред, здесь нарушен природный экологический баланс, а существующее природно-техногенное взаимодействие весьма неустойчивое.

Важной частью устойчивости городского пространства является стабильность природных систем вообще и геологической среды в частности. Практически для каждого города в той или иной степени характерны различные опасные геоэкологические процессы и явления, развитие которых следует оценивать и, по возможности, прогнозировать. При этом необходимо предупреждение проявления опасных геоэкологических процессов на основе выполненного прогноза.

Для выполнения оценки геоэкологической опасности/безопасности города авторами предложен общий алгоритм действий в виде последовательности процедур, позволяющих получать необходимую информацию для последующих расчетов (рис. 1).

Первостепенной задачей является идентификация природных и техногенных опасностей, присущих тому или иному муниципальному образованию.

На основании анализа литературных источников, собственного опыта полевых работ, генеральных планов городов и городских округов (ГО), расположенных в различных регионах страны, были установлены основные виды возможных опасных природных и техногенных процессов, из большого числа которых отобраны 27 приоритетных – наиболее значимых по частоте встречаемости и масштабам возможных последствий. В каждом городе возможен их индивидуальный набор, а степень опасности будет зависеть от их распространения по территории города, вероятности проявления, сочетаний отдельных их видов и реципиентов в зоне поражения.

Анализ многочисленных классификаций неблагоприятных и опасных явлений, угроз, чрезвычайных ситуаций как природного, так и техногенного характера, их источников и последствий позволил выделить основные признаки для упорядочивания геоэкологических опасностей. Согласно проведенной систематизации [7], геоэкологические процессы были разделены на классы: природный, техногенный, природно-техногенный (геоэкологический).

Геоэкологические процессы по характеру воздействия могут быть разрушительными, парализующими, истощающими, ухудшающими, внезапными или продолжительными и т.д. Важным признаком является фактор времени. Многие из опасных процессов и явлений могут вызвать человеческие жертвы и огромный ущерб за короткий промежуток времени (наводнение или техногенная авария). Другие менее опасны с геоэкологической точки зрения и не представляют непосредственной угрозы жизни человека, их ощутимое воздействие накапливается за достаточно длительное время (загрязнение почв или донных отложений токсикантами). Кроме того, важным признаком в систематизации опасных геоэкологических процессов является вероятность их проявления.

Взаимодействие природных и техногенных факторов происходит, в основном, в пределах геологической среды (ГС), которая максимально изменяется при строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских объектов, прокладке подземных коммуникаций, а также в результате загрязнения и других видов негативного воздействия на нее. Таким образом, состояние ГС или ее компонентов может выступать индикаторами геоэкологической опасности.

Изучение и оценка изменений состояния ГС чаще всего осуществляется с разных позиций: либо с природной (например, прогноз затопления городской территории), либо с градостроительной (пригодность и защита территории для освоения). Однако даже относительно слабое природное воздействие может вызвать серьезную техногенную аварию (например, подвижки или деформация грунта часто приводят к разрывам нефтепроводов; постоянные утечки из водонесущих коммуникаций способствуют расширению подтопленных городских территорий). Многие опасности реализуются в виде генетически обусловленных цепочек, когда одни (первичные) вызывают другие (вторичные и т.д.). Пример этому применительно к почвам представлен на рис. 2.

Особенности формирования природно-техногенных групп геоэкологических опасностей в городах подробно рассматриваются в статье [8]. Предложенный в ней подход к возникновению геоэкологических опасностей позволит перейти от частных природных и техногенных индикаторов к комплексным природно-техногенным индикаторам геоэкологической оценки качества городской среды.

Геоэкологическая опасность определяется последствиями воздействия геоэкологических процессов на ГС. Количественная оценка одновременного проявления природных и техногенных процессов – основная задача настоящего исследования, решаемая впервые на большой выборке городов.

Воздействие геоэкологических процессов на состояние ГС может быть различным, а конечные результаты будут одинаковыми. Поэтому в качестве показателя оценки геоэкологической опасности принимаются возможные отклики городской среды на негативное воздействие, количественно выражаемые величиной экономического ущерба. За критерий оценки геоэкологической опасности предлагается принять минимально вероятный ущерб от проявления негативных природно-техногенных (геоэкологических) процессов [14]. При оценке ущерба от каждого из них необходимо соблюдать единый подход, основанный на:

• общем критерии оценки учитываемых природных, техногенных и природно-техногенных процессов и явлений;

• учете всех возможных сочетаний опасных геоэкологических процессов в их взаимодействии, поскольку уязвимость реципиентов к ним и последствия их реализации могут существенно отличаться от “суммы” значений показателей отдельных опасностей;

• учете временного фактора, так как причины и последствия проявления негативных воздействий могут быть длительными (накопленный ущерб) или внезапными (аварии);

• достоверности и открытости используемой для оценки исходной информации.

Сбор и соединение всей необходимой информации для оценки результата реализации всей цепочки событий “воздействие–реакция реципиента–последствие” – крайне трудоемкая задача. Исходная информация по территории города (база данных) должна включать перечни: источников негативного воздействия, видов геоэкологических процессов, возможных последствий при их реализации, а также площадей их распространения и реципиентов в этой зоне. Применительно к отдельным видам последствий определяются величины нормативных удельных ущербов и поправочных коэффициентов к ним, например, отражающих категорию опасности воздействия или вероятность события.

Следует учитывать, что источники необходимой информации для оценки природных процессов и техногенного воздействия будут различными. Так, для оценки последствий природных процессов можно использовать данные геологических мониторингов городов и результаты полевых наблюдений, сведения из генпланов городов, отчетов об экологическом состоянии территории и т.д. В расчетах участвуют показатели: вид геологического процесса, площадь поражения им, вероятность проявления, а также уязвимость реципиентов в зоне влияния.

Среди источников техногенного воздействия преобладают локальные объекты – опасные промышленные предприятия. Их негативное воздействие проявляется в выбросах загрязняющих веществ (ЗВ), накапливающихся в почвах, грунтах, донных отложениях; хранении промышленных опасных отходов и твердых коммунальных отходов (ТКО); нарушении естественного залегания грунтов и их свойств, а также гидродинамического режима подземных вод при строительстве (особенно подземном) и разработке полезных ископаемых и т.д. При расчете техногенного ущерба учитываются те источники, которые оказывают негативное воздействие на ГС. В этом случае источниками информации являются: данные Реестров опасных объектов, Генпланов, Паспортов и Программ социально-экономического развития городов и др. Сведения о характере и последствиях техногенного воздействия частично могут содержаться в данных экологических мониторингов и отчетах об экологическом состоянии городов и отдельных предприятий. Отсутствие необходимых сведений по городам обусловливает проведение промежуточных расчетов для пополнения базы.

На следующем этапе разрабатывается алгоритм оценки ожидаемого ущерба при проявлении конкретного сочетания геоэкологических процессов в городе. Оценивать их опасность можно по аналогии с уже происшедшим событием, приведшим к потерям, или путем моделирования воздействий процесса на определенные реципиенты. В настоящее время преобладают методики оценки опасности проявления либо природных [11, 14, 16, 17, 20 и др.], либо техногенных процессов [1, 2, 18 и др.], часто отражающие фактические события или выражаемые через численность населения [4 и др.]. Комплексный подход с учетом взаимодействия природных и техногенных факторов встречается довольно редко [10, 15].

Особенность предлагаемого подхода к геоэкологической опасности в пределах городских пространств заключается в рассмотрении природных и техногенных процессов во взаимосвязи при обеспечении количественного и сопоставимого результата через величину потенциального ущерба.

На основе существующих методик [12, 13 и др.] и собственного опыта исследований [6, 14, 15] можно рассчитать величину потенциального ущерба (B_y) для отдельно взятого города (или ГО) по обобщенной формуле:

где ${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{{\text{пр}}}}$, ${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{{\text{тх}}}}$ и ${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{{\text{пт}}}}$ – ущерб от проявления естественных природных, опасных техногенных и геоэкологических (природно-техногенных) процессов соответственно.

Поскольку на городских территориях природные процессы, как правило, развиваются по природным законам на весьма ограниченных площадях и не оказывают воздействие на объекты экономики, а негативное техногенное воздействие не всегда сказывается на ухудшении состояния ГС, то чаще всего рассчитывается приоритетный потенциальный геоэкологический ущерб. В нем учитывается величина ожидаемых последствий при вероятном проявлении природного процесса, спровоцированного человеком (например, потери земельных ресурсов при карстовых провалах) или при вероятной технологической аварии, приведшей к негативному изменению состояния природных компонентов (загрязнение ГС нефтепродуктами). В таком случае потенциальный геоэкологический ущерб представляет собой сумму природно-техногенных ущербов различных источников: природных (${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{\text{п}}}$) или техногенных (${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{\text{т}}}$) с прямыми или косвенными последствиями в ГС и городской среде.

Природные опасности в городах (чаще всего встречаются 3–5 видов) обусловлены определенными геологическими условиями. Они, как правило, учитываются при функциональном районировании территории и проектировании отдельных строительных объектов, поэтому расчет потенциального ущерба проводится применительно к территориям, не занятым застройкой. Оценка же техногенного ущерба осложняется обилием объектов негативного воздействия, их разнообразием и расположением на территории города. В целом по РФ наибольший объем выбросов ЗВ характерен для горнодобывающих предприятий – 28.7%, на долю металлургического производства приходится – 21.4%, энергетики – 17.4%, пищевой – 1.2% и деревообрабатывающей промышленности 0.7% [3]. При размещении опасных объектов в городе их выбросы могут распространяться далеко за пределы санитарно-защитной зоны (СЗЗ).

В городах с горнодобывающими, обогащающими, металлургическими предприятиями накапливается значительное количество твердых отходов, обусловленное существующим уровнем технологии переработки сырья и недостаточностью его комплексного использования. Основная часть токсичных отходов, образующихся на производствах, хранится на территории предприятий в отстойниках, при этом может происходить проникновение ЗВ в окружающую среду. Такие объекты, представляющие собой сложный технологический комплекс, относятся к числу опасных и потенциально аварийных. Пыление хвосто-, шламохранилищ, золоотвалов приводит к дополнительному загрязнению. Предприятия, вместе с перечисленными объектами, занимают значительные площади (более 1000 га). Кроме того, промышленные отходы, как и производственные здания, оказывают статическое давление на ГС.

Объем золошлаковых отходов от сжигания угля ТЭС практически равен объему ТКО. Из общего объема отходов только 10% идет на переработку, остальное складируется в окрестностях городов или в городской черте. Золошлаковые отходы заражают почву и воду мышьяком, свинцом, кадмием и другими тяжелыми металлами, занимают большие площади. Так, для захоронения массы отходов, получаемых за сутки работы ТЭЦ мощностью 1 млн кВт ч необходимо порядка 1 га при высоте отвала не более 8 м³³.

Для подобных объектов (при оценке учитывалось 40 их видов), являющихся источниками причинения вреда одновременно всем компонентам природы, расчет ущерба производится по каждому из них.

Техногенные угрозы также выражаются в виде аварий на производстве, ведущих к неблагоприятным изменениям городской среды. Наибольшую опасность представляют аварии на химических предприятиях, складах по хранению химически опасных веществ, радиационных объектах, газо- и нефтепроводах. По многолетним данным Ростехнадзора, ежегодное число аварий в основных отраслях может превышать 100. Средний ущерб от одной аварии в 2018 г. составил 34 млн руб. в основном из-за разрушения оборудования и различных технических устройств [18]. На долю же экологического ущерба приходится ориентировочно 3% этой суммы. Размеры ущербов от фактически произошедшей аварии могут изменяться от 10 млн руб. до нескольких сотен миллионов рублей. Такой разброс величин указывает на огромное разнообразие видов и масштабов аварий и соответствующих им параметров последствий.

Расчеты ущербов различного генезиса на одной территории, отличающейся в свою очередь огромной дифференциацией природных и социально-экономических условий, возможны только при условии приведения показателей ущерба к определенному моменту времени. Получаемые значения оценки ущербов являются комплексным индикатором геоэкологической опасности города. Его обратная величина будет отражать – геоэкологическую безопасность города.

По удельным (на единицу площади города) величинам ущерба можно сравнивать как города в целом, так и отдельные их участки между собой по степени геоэкологической опасности/безопасности. Привлечение стоимостных значений позволяет избежать проведения трудоемкой экспертной оценки и обеспечивает реальную сопоставимость получаемых результатов. При этом величины ущербов отражают не только степень геоэкологической опасности, но и позволяют обозначить значимость геоэкологических факторов в общей системе экологической безопасности города.

Обоснование выбора городов для апробации предлагаемого подхода и результаты оценки приводятся ниже в соответствующих разделах статьи.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

При выборе объектов исследований, во-первых, необходим отбор городов, представляющих достаточное разнообразие по природным и социально-экономическим условиям; во-вторых, в городах должно быть различное сочетание опасностей природного, техногенного и природно-техногенного характера.

Согласно вышеназванным условиям, было отобрано 139 городов с численностью населения более 100 тыс. человек для оценки природной опасности, из них 100 – для оценки техногенной опасности городских территорий. Из последней группы было выделено 20 модельных городов.

На основе разработанной классификации видов природной, техногенной и природно-техногенной опасностей и изучения материалов по отобранным объектам были выбраны 5 видов природных опасностей, наиболее характерных для большинства городов. По промышленной специализации отбирались города с приоритетом металлургических, химических и горнодобывающих предприятий.

Для апробации предлагаемого подхода выбран вид природно-техногенной опасности – загрязнение городских почв токсикантами, что обосновывается следующими причинами:

• загрязнение почв присуще всем городам, и оно имеет площадное распространение;

• в городских почвах развиваются негативные процессы, ухудшающие их качество и снижающие их возможность выполнения экологических функций, кроме того, они выступают в роли вторичного загрязнителя атмосферного воздуха (в результате распыления почв на незадернованных участках, отвалах, хвостохранилищах и т.п.), поверхностных и подземных вод, растительности (в результате вовлечения токсикантов в круговорот веществ);

• наличие открытых данных мониторинга загрязнения почв по некоторым городам;

• наличие “Методики исчисления размера вреда…” [13];

• потери государственного бюджета из-за недоучета этого фактора в налогообложении.

В настоящее время практически повсеместно в крупных городах имеет место проблема почвенного загрязнения. Универсальным индикатором техногенного прессинга на среду обитания служат тяжелые металлы (ТМ), концентрирующиеся в почвенном покрове в различных сочетаниях, зависящих от структуры промышленности и соблюдения природоохранных нормативов. Накопление ТМ в почвах происходит при распространении выбросов ЗВ, а также при складировании промотходов и производственных авариях. Специфика и сложность оценки этого загрязнения заключается не только в многофакторности проявления природных и техногенных опасностей, но и в ограниченности исходной информации, в частности по отдельным опасным объектам – главным “загрязнителям” среди стационарных источников. Поэтому предлагаемый подход к оценке опасности представляет собой совокупность методов, объединенных общей методологией.

Для оценки ущерба необходимо знать значения площадей распространения загрязненных почв выбросами ТМ с учетом степени их опасности, вероятности проявления аварий и размещения опасных отходов производства, а также требуются достоверные исходные данные, которые в настоящее время отсутствуют в официальной статистике. Это определяет необходимость привлечения различных методов: аналитико-сравнительного, статистического, эмпирических оценок и др., а также нормативных показателей.

Поскольку ущерб определяется применительно к известному набору опасных геоэкологических процессов, в городах-аналогах можно применять косвенный метод их оценки, основанный на экстраполяции выявленных закономерностей негативных последствий от основных ущербообразующих факторов на модельных объектах. Кроме того, для практической реализации стоящей задачи необходимо привлекать методы оценки удельного ущерба, основанные на затратном подходе, заключающемся в замещении потерь при проявлении конкретного негативного геоэкологического процесса.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ

Оценка ущербов от геоэкологических процессов производилась с соблюдением изложенных выше единых подходов в три этапа: 1) оценка природной опасности, 2) оценка техногенной опасности в 20-ти модельных городах на основании прямых расчетов, 3) оценка ${\text{B}}_{{\text{y}}}^{{{\text{пт}}}}$ в 100 городах с привлечением эмпирических зависимостей. В то же время существуют особенности оценки природных и техногенных процессов, так как степень каждого вида опасности зависит от многих причин. К основным параметрам поражающих факторов отнесены их сочетания, площадь распространения, вероятность реализации, временной фактор и др.

Результаты оценки природных опасностей в 139 городах подробно, рассмотренных в статье [14], показали большой разброс от >100 тыс. руб./га до <10 тыс. руб./га. В группу городов с высокими удельными значениями ущербов попали 14 городов в северо-западной и центральной Европейской части РФ и 5 городов в Сибири и на Дальнем Востоке.

Прямой связи между полученными значениями потенциального ущерба от проявления природных опасностей и численностью населения не было выявлено, что подтверждается присутствием городов-миллионников во всех градациях ущербов. Также не была установлена зависимость между удельными величинами ущерба и городскими площадями, несмотря на то, что расчеты базировались на распространенности процессов, а удельная оценка относилась к общей площади города.

Значения полученных оценок определяются, главным образом, существующим подтоплением обширных городских площадей; в горных районах увеличивается роль оползневой и сейсмической опасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные величины ущербов отражают не только степень геоэкологической опасности/безопасности городов, но и их значимость в общей системе экологической безопасности. На это указывает масштабность оцененных последствий проявления геоэкологических процессов, несмотря на то, что в расчетах учитывалось ограниченное число их видов.

Недоучет возможного ущерба от проявления потенциальных геоэкологических опасностей при принятии управленческих решений как на уровне отдельных городов, региональном и на национальном уровне может привести к необоснованным экономическим затратам и возникновению вторичных негативных последствий, обусловливающих снижение устойчивого развития городов и их безопасности.

Борьба за уменьшение ущерба от последствий стихийных бедствий и опасных процессов становится важным элементом государственной политики, в основу которой должны быть положены прогнозирование и своевременное предупреждение о грозящем бедствии. Международный опыт показал, что затраты на реализацию стратегии предотвращения до 15 раз меньше по сравнению с потерями, связанными с развитием опасных процессов. Реализация комплекса превентивных мероприятий позволит в 10–15 раз сократить затраты на ликвидацию последствий проявления негативных процессов и событий по сравнению с величиной предотвращенного ущерба [9].

Исследованиями установлено, что из всех рассмотренных видов негативного воздействия геоэкологических процессов налогообложению в настоящее время подлежат только промышленные отходы. Имеющаяся в Росстате информация о затратах предприятий на очистку почв от загрязнения и засорения, а также на мониторинговые мероприятия и управление природоохранной деятельностью, может служить основанием для расширения налогооблагаемой базы за счет включения загрязнения почв токсикантами.

Оценка ущерба в денежном выражении, причиняемого окружающей среде и человеку, оказалась достаточно сложной задачей из-за отсутствия необходимых статистических данных и общепризнанных методик проведения подобных расчетов. Наличие существующих нормативных документов в сфере оценки экологического вреда окружающей среде не решает проблему получения объективных значений стоимостных оценок экологического ущерба. Для практического внедрения предлагаемого методологического подхода необходимо:

− дополнить статистику Росстата отраслевыми экономическими показателями в разрезе городского округа или города;

− расширить общую нормативную базу планирования городской территории за счет разработки специальных геоэкологических нормативов;

− создать базу данных по городам РФ, обеспечивающую автоматизированную оценку геоэкологической опасности/безопасности, для ее использования при планировании городских территорий.

Для принятия эффективных управленческих решений, направленных на обеспечение социально-экономической и экологической безопасности городов РФ, необходима оценка экономического ущерба от последствий возможного проявления геоэкологических процессов на основе оперативной систематизированной геопространственной информации и их дифференциация по территориям городских округов и городов РФ.

Полученные результаты оценки ущербов от геоэкологических процессов являются основой для перехода к оценке геоэкологической безопасности, представляемой интегрированным показателем – индексом геоэкологической безопасности городов, применение которого будет содействовать эффективному управлению городскими территориями.

Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания ИГЭ РАН по теме НИР № г.р. 122022400104-2 “Техногенез и природа: геоэкологические проблемы”.