Текст книги "Инженерная геоэкология"

Артур Николаевич Голицын
Инженерная геоэкология
Учебник

Предисловие

В экологических средних профессиональных учебных заведениях подготовка специалистов-экологов связана с изучением таких дисциплин, как метеорология, почвоведение и гидрология. Эти дисциплины являются геоэкологическими, так как они изучают состав и строение трех основных экологических сред: атмосферы (метеорология), почвы (почвоведение) и гидросферы (гидрология).

В учебных планах экологических средних профессиональных учебных заведений по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (3201) на изучение этих предметов в сумме отводится около 250 учебных часов.

Для экологов объем необходимых знаний по названной специальности определяется Государственным образовательным стандартом. Настоящий учебник разработан в соответствии с учебным планом и примерными программами этого стандарта.

Перед автором стояла непростая задача – сжато и доступно изложить большой учебный материал (каждый из разделов достоин отдельного учебного пособия), не упустив при этом важных и принципиальных для будущих экологов вопросов.

Кроме того, спецификой подготовки специалистов среднего звена является постановка акцента на практическом применении знаний, что также было учтено автором.

Учебник состоит из трех глав: «Метеорология», «Почвоведение», «Гидрология». Во всех главах особое внимание уделяется экологическим особенностям рассматриваемых тем; кроме того, каждая глава включает в себя специальные экологические разделы («Метеорологические условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы», «Экология и почвоведение», «Экология и гидрология»).

Учебный материал связан с такими экологическими дисциплинами, как «Промышленная экология», «Мониторинг загрязнения природной среды», «Природоохранное законодательство».

При разработке учебника был обобщен многолетний опыт преподавания автором экологических дисциплин в учебных заведениях среднего профессионального образования.

Автор глубоко благодарен создателям учебников: по метеорологии – И.И. Гуральнику, С.П. Хромову, М.А. Петросянцу, М.С. Стернзату, В.В. Тарасову; по почвоведению – В.В. Добровольскому, А.В. Хабарову, А.А. Яскину, А.И. Горбылевой; по гидрологии – И.А. Соломенцеву, И.Ф. Карасеву, Б.С. Залогину, Д. Квасничковой.

Неоценимую помощь в создании учебника автору оказали академики Н.Н. Моисеев и А.Г. Назаров, разработчики Государственного образовательного стандарта по специальности 3201 Г.М. Яровая и К. Г. Калинина. Автор также выражает признательность Г.В. Липину, Е.И. Николаевой, А.В. Николаеву, М.Н. Бурлаковой, Т.Я. Голицыной – за помощь в подготовке рукописи.

Автор с благодарностью примет пожелания и замечания в адрес настоящего учебника.

Введение

Отрицательное антропогенное воздействие на природу стало настолько значительным, что в мире возникла опасность нарушения устойчивого равновесия. При этом отходами промышленности, коммунально-бытового и сельского хозяйства загрязняются все три основные геоприродные среды – атмосфера, почва и вода.

К глобальным экологическим проблемам относятся парниковый эффект, увеличение размеров озоновых дыр, кислотные дожди, а также обезвоживание, опустынивание, эрозия и засоление почв.

Атмосферными процессами занимается наука метеорология. На уровень загрязнения атмосферы влияют следующие условия погоды:

1. Инверсия (особенно приподнятая инверсия). Она возникает, когда массы теплого воздуха распространяются над регионом и препятствуют выносу загрязнителей в атмосферу. При этом температура почвы ниже температуры воздуха.

2. Ураганы. При ураганах скорость ветра превышает 30 метров в секунду. Они возникают в определенных местах Мирового океана при резком повышении температуры морской воды; при движении ураганы разрушают все на своем пути.

3. Туман (промышленный и фотохимический смог). Туман отрицательно воздействует на окружающую среду (в частности, приводит к выпадению кислотных дождей) и создает неблагоприятные условия для жизни человека.

4. Штиль. При отсутствии ветра (v_E = 0–0,5 м/с) над поверхностью земли создаются условия для застоя воздуха. Запирающий слой кислых газов и пыли при этом снижается над местностью. От высоких источников загрязнения (высоких дымовых труб) дым не поднимается столбом вверх. С низкими источниками загрязнения (выхлопные трубы автотранспорта) дело обстоит еще хуже: отходящим газам некуда деться, и это усугубляется плохим качеством сжигаемого в автомобилях бензина и дизельного топлива.

5. Осадки. При определенной метеорологической обстановке создаются условия для образования кислотных дождей, что отрицательно сказывается на здоровье человека, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и является причиной коррозии металлов.

6. Видимость в атмосфере. На состояние этого метеорологического фактора влияет наличие в воздухе взвешенных жидких и твердых частиц (капли воды, пыль).

7. Излучения. Электромагнитные излучения, в том числе инсоляция, магнитные и радиационные излучения, также в той или иной мере зависят от метеоусловий. Солнечная радиация инициирует магнитные бури; электромагнитные явления в атмосфере вызывают грозы; радиационные явления ионизирующего характера зависят от наличия в атмосфере частиц пыли с высоким уровнем радиации.

Основными веществами, загрязняющими атмосферу, являются окислы азота, серы и углерода, фенолы, аммиак, хлор, радиоактивная пыль и суперэкотоксиканты.

Другая важнейшая геонаука, связанная с экологией, – почвоведение. Почва – компонент природно-антропогенного комплекса; она взаимодействует с воздушной средой, водами, биотой и объектами техногенной среды. Почва испытывает не только антропогенную нагрузку, но и воздействия природных факторов, в первую очередь климатических. К их числу относятся воздействия температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, количества и качества осадков, уровня солнечной радиации, характера облачности. Экологические факторы влияют на протекание процессов почвообразования, развития и жизнедеятельности почвенных организмов, обмена энергией и массой, а следовательно, прямо и косвенно, на ее экологическое состояние.

Качество почвы определяет ее потребительские свойства и возможность использования человеком почв или территорий, а также необходимость проведения восстановительных мероприятий.

Экологическая оценка состояния почвы проводится с учетом следующих факторов:

– антропогенной нагрузки на почву и на все ее компоненты;

– нарушений почвы, ее взаимосвязей и взаимовлияний на другие компоненты природно-антропогенного комплекса, обусловленных антропогенной нагрузкой и природными явлениями;

– способности почвы к текущему и последующему воспроизводству питательных веществ, морфологических структур, биотических связей и др.;

– экологических проблем, связанных с ухудшением состояния почвы.

Почва – многофазная система, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов; при этом на нее оказывают постоянное влияние физические почвенные процессы (перенос влаги, испарение и т. д.).

Основными загрязнителями почв являются оксиды тяжелых металлов (железа, меди, цинка, кадмия и др.), нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, пестициды, радиоактивные вещества, кислоты.

Наука гидрология изучает океаны и поверхностные воды суши. Заметное место в гидрологии занимают исследования экологического направления. В настоящее время появились такие разделы гидрологии, как экология океанов и морей, рек и озер, болот и водохранилищ, снега и льда. С геоэкологической точки зрения изучаются водоемы суши. При этом рассматривается загрязнение и санитарное состояние вод, оцениваются их качество и влияние загрязнения на водные организмы. С учетом специфики тех или иных видов водоемов (реки, озера, болота и др.) при изучении каждого из них используются новые подходы, методологические приемы и т. п.

Значительное антропогенное воздействие связано с интенсификацией использования биологических, минеральных, энергетических и других ресурсов Мирового океана, с развитием судоходства и морских перевозок. Увеличилось использование воды в водоемах суши для хозяйственных нужд, мелиорации и гидротехнического строительства.

Вместе с осадками вредные вещества из атмосферы попадают или прямо в поверхностные воды, или в почву, а из нее – в воду. Кислотные дожди изменяют и рН (кислотность) поверхностных вод.

Значительное количество загрязнений поступает с промышленными и бытовыми сточными водами. Промышленные стоки содержат различные загрязнения, состав которых зависит от характера производства. Для воды особо опасными вредными веществами являются нефтепродукты, фенолы, различные соединения металлов, пестициды, поверхностно-активные и радиоактивные вещества, кислоты, а также такие сильные яды, как цианиды, ртуть и мышьяк. Бытовые сточные воды содержат большое количество органических веществ (остатки продуктов питания, испражнений) с различными микроорганизмами (в том числе болезнетворными).

Итак, экологу необходимо знать метеорологические данные и гидрологические особенности местности, характер почв и собственно экологические характеристики объекта (эти параметры изучаются в дисциплинах «Промышленная экология» и «Мониторинг загрязнения природной среды»).

Наряду с другими естественными науками эколог (в том числе выпускник учебного заведения системы среднего профессионального образования экологического профиля) должен владеть основами знаний по метеорологии, почвоведению и гидрологии; это существенно расширит его кругозор и природоведческую эрудицию, а также повысит уровень и качество профессиональной подготовки.

Глава 1
Метеорология

1.1. Организация метеорологических наблюдений и измерений

Метеорология – наука об атмосфере, ее составе, строении, свойствах, физических и химических процессах, протекающих в атмосфере. Эти процессы оказывают большое влияние на жизнь человека.

Человеку необходимо иметь представление о погодных условиях, которые были, есть и, что особенно важно, будут сопровождать его существование на Земле. Без знания метеоусловий невозможно правильно вести сельскохозяйственные работы, строить и эксплуатировать промышленные предприятия, обеспечивать нормальное функционирование транспорта, особенно авиационного и водного.

В настоящее время, когда на Земле сложилась неблагоприятная экологическая обстановка, без знания законов метеорологии немыслимо прогнозирование загрязнения природной среды, а неучет метеоусловий может привести к еще большему ее загрязнению. Современная урбанизация (стремление населения жить в крупных городах) приводит к возникновению новых, в том числе метеорологических, проблем: например, проветриваемость городов и местное повышение температуры воздуха в них. В свою очередь, учет метеоусловий позволяет снизить вредное воздействие загрязненного воздуха (а следовательно, воды и почвы, на которые эти вещества осаждаются из атмосферы) на организм человека.

Задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный момент времени, прогноз ее состояния на будущее, разработка экологических рекомендаций и, в конечном счете, обеспечение условий безопасного и комфортного существования человека.

Наряду с мониторингом загрязнения природной среды, метеорология является информационной системой, которая необходима для принятия научно обоснованных экологических решений.

В учреждениях среднего профессионального образования изучаются следующие разделы метеорологии:

1. Организация метеорологических наблюдений и измерений.

2. Состав и строение атмосферы.

3. Лучистая энергия в атмосфере и у поверхности Земли.

4. Тепловой режим почвы и водоемов.

5. Тепловой режим атмосферы.

6. Водяной пар в атмосфере.

7. Осадки, выпадающие из облаков.

8. Атмосферное давление и плотность воздуха.

9. Воздушные течения в атмосфере.

10. Атмосферные явления и метеорологическая дальность видимости.

11. Метеорологические условия, влияющие на уровень загрязнения атмосферы.

Метеорология тесно связана с другими науками. Главным ее инструментом является математика, особенно сейчас, при высоком уровне компьютеризации науки. Учеными-метеорологами разработан целый ряд математических моделей климатологии в масштабах Земли. Метеорология немыслима также без знания законов физики и химии, особенно в части приборного обеспечения метеонаблюдений.

Изучение такого раздела метеорологии, как климат, невозможно без географии, гидрологии и геодезии.

С метеорологией теснейшим образом связаны такие разделы экологии, как промышленная экология, мониторинг загрязнения природной среды, экологическое обследование территорий. Особенно это важно в настоящее время – время экологических катастроф (озоновых дыр, кислотных дождей, парниковых эффектов, ураганов, аварий на АЭС).

С учетом метеоусловий развиваются геология, экономика, медицина, функционируют основные отрасли народного хозяйства: промышленность, транспорт (главный загрязнитель крупных городов), строительство, сельское хозяйство.

Погода – это физическое состояние атмосферы у поверхности Земли и на высоте до 30–40 км в данный момент. Ее характеризуют метеорологические показатели (температура, давление, влажность воздуха, скорость и направление ветра, а также количество и характер атмосферных осадков) и атмосферные явления (гроза, туман, метель, буря).

Климат – это совокупность атмосферных условий за длительный период времени, характерная для данной местности и конкретной географической обстановки (широта, долгота и высота над уровнем моря, характер земной поверхности, почвенный покров и т. д.). Для климата характерны периодические изменения погоды в течение года от зимы к лету, а также в течение нескольких лет (межгодовая изменчивость атмосферных условий). На протяжении нескольких десятков лет климат обладает устойчивостью; он является одной из основных характеристик местности.

В настоящее время ввиду резкого увеличения объема антропогенного воздействия на природу появилась тенденция отрицательного необратимого изменения климата на Земле. Метеорология и мониторинг загрязнения природный среды (раздел экологии) тесно связаны между собой. В экологических постах наблюдения (АСКЗА, ПОСТ-1, «Атмосфера-2») наряду с экологическими параметрами измеряются и метеорологические характеристики, что позволяет прогнозировать природную ситуацию. Мониторинг загрязнения природной среды предусматривает оценку экологического состояния не только атмосферы (чем в основном занимается метеорология), но и воды, почвы, а также уровня электрических и радиационных полей.

Метеорологические показатели и приборы, используемые для их измерения

Температура воздуха (текущая, минимальная и максимальная), °С, – стандартный, минимальный и максимальный термометры.

Температура воды (текущая), °С, – стандартный термометр.

Температура почвы (текущая), °С, – угловой термометр.

Давление атмосферы, Па, мм рт. ст., – барометр (в том числе барометр-анероид).

Влажность воздуха: относительная влажность, %, – гигрометр и психрометр; парциальное давление водяного пара, мВ; точка росы, °С.

Ветер: скорость ветра (мгновенная, средняя и максимальная), м/с, – анемометр; направление ветра – в градусах дуги и румбах – флюгеры.

Осадки: количество (толщина слоя выпавшей воды на горизонтальную поверхность), мм, – осадкомер Третьякова, плювиограф; вид (твердые, жидкие); интенсивность, мм/мин; продолжительность (начало, конец), ч и мин.

Снежный покров: плотность, г/см³; запас воды (толщина слоя воды, образующаяся при полном таянии снега), мм, – снегомер; высота, см.

Облачность: количество – в баллах; высота нижней и верхней границ, м, – индикатор высоты облачности; форма – по Атласу облаков.

Видимость: прозрачность атмосферы, %; метеорологическая дальность видимости (экспертная оценка), м или км.

Солнечная радиация: продолжительность солнечного сияния, ч и мин; энергетическая освещенность, Вт/м²; доза облучения, Дж/см².

Экологические показатели

Радиоактивность: воздуха – в кюри или в микрорентген в час; воды – в кюри на кубический метр; поверхности почвы – в кюри на квадратный метр; снежного покрова – в рентгенах; осадков – в рентген в секунду – радиометры и дозиметры.

Загрязнение атмосферы: чаще всего оценивается в миллиграммах на кубический метр воздуха – хроматографы.

Содержание химических веществ в осадках, мг/л, – химические, физико-химические или физические анализаторы.

Содержание химических веществ в почве, мг/см³, – химические, физико-химические или физические анализаторы.

Знание законов метеорологии позволяет оценить такие экологические явления, как рассеяние загрязняющих веществ, образование смогов (ядовитых туманов), инверсия (способность нагретого загрязненного воздуха опускаться к охлажденной земле), образование шлейфа дыма от труб промышленных предприятий, проветриваемость жилых массивов; эти законы необходимо учитывать при составлении экологических прогнозов.

Метеорологическая площадка – требования к размещению.

Устройство и оборудование метеоплощадок

Метеорологическая площадка должна находиться на открытой местности на значительном расстоянии от леса и жилой застройки, особенно многоэтажной.

На метеоплощадках основного типа используются следующие приборы:

– термометры для измерения температуры воздуха (в том числе горизонтальные минимальные и горизонтальные максимальные) и почвы (они имеют наклон для удобства считывания показаний);

– барометры различного типа (чаще всего – барометры-анероиды для измерения давления воздуха). Они могут размещаться в помещении, а не на открытой площадке, так как давление воздуха одинаково и в помещении, и снаружи;

– психрометры и гигрометры для определения влажности атмосферы;

– анемометры для определения скорости ветра;

– флюгеры для определения направления ветра (иногда применяют анеморумбографы, совмещающие функции измерения и записи скорости и направления ветра);

– индикаторы высоты облаков (например, ИВО-1М); самопишущие приборы (термограф, гигрограф, плювиограф).

– осадкомеры и снегомеры; на метеостанциях чаще всего применяют осадкомеры Третьякова.

Размещение приборов вдали от зданий позволяет исключить ошибки измерений, связанные с переизлучением зданий или высоких предметов, правильно измерять скорость и направление ветра и обеспечить нормальный сбор осадков.

Кроме перечисленных показателей, на метеостанциях регистрируются облачность (степень покрытия неба облаками, тип облаков); наличие и интенсивность различных осадков (росы, инея, гололеда), а также тумана; горизонтальная видимость; продолжительность солнечного сияния; состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова. На метеостанции регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, бури, грозы, радуги.

Кроме метеостанций, в метеосеть входят метеопосты, на которых проводятся наблюдения только за осадками и снежным покровом.

В обсерваториях и на специальных станциях проводятся измерения экологических величин: содержание в воздухе пыли, химических и радиоактивных примесей. На современном этапе технического прогресса в метеорологии стали применять лазеры, спектрометры, а для обработки метеоинформации – компьютеры. Компьютерная техника широко применяется и при составлении синоптических карт. На практике применяются полуавтоматические (ПОСТ-1, ПОСТ-2, АСКЗА) и автоматические метеопосты, не требующие участия человека в измерениях.

Метеонаблюдения должны быть длительными и непрерывными и проводиться строго в соответствии с международными стандартами. Измерения метеопараметров для сравнимости во всем мире проводятся одновременно (т. е. синхронно): в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 и 21 ч по Гринвичскому времени (времени нулевого, Гринвичского, меридиана). Это так называемые синоптические сроки. Результаты измерений немедленно передаются в службу погоды по компьютерной связи, телефону, телеграфу или радио. Там составляются синоптические карты и разрабатываются метеопрогнозы.

Некоторые метеорологические измерения проводятся в собственные сроки: количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова – один раз в сутки, плотность снега – один раз в пять—десять дней.

При проведении метеоизмерений на судах каждый раз отмечаются координаты корабля.

На некоторых специальных метеопостах (например, в экологических лабораториях ПОСТ-1, ПОСТ-2, АСКЗА, «Атмосфера-2») измерения метеопараметров проводятся четыре раза в день в строго установленные часы (например, в 06, 12, 18 и 24 ч).