Геоэкологические проблемы городов

Геоэкологические проблемы городов весьма разнообразны и определяются, с одной стороны, природной обстановкой и с другой — планировочными решениями и их реализацией в застройке и эксплуатации городских территорий. Также правомерно говорить о некоторых общих тенденциях изменения геоэкологической обстановки природной территории по мере ее трансформации кварталами городской застройки и частными воздействиями, свойственных только тем или иным природным условиям застройки, тому или иному городу.

В качестве наиболее общих тенденций соблюдения и изменения геоэкологических условий можно рассмотреть следующие стадии. Проектировщики обязаны познакомиться с метеопараметрами застройки. Например, территория Ачинского глиноземного комбината (АГК) оказалась на нынешнем месте из-за игнорирования именно этого фактора.

50 лет из труб АГК выбрасывается по нескольку милионов тонн в год нефелинового шлама на очень красивый сибирский город. Из истории города Томска известно, что нынешнее место города пленило казаков Воскресенским холмом и плодородными ландшафтами под ним с редкими киргизскими юртами. Шли годы, столетия, но в 1942 г. произошла качественная инверсия в структуре Томска. Прибыло из европейской части более 30 предприятий, которые сходу должны были выдавать свою продукцию. Все они разместились в центральной части, и в храмах и в университетских корпусах. Ни о каких санитарно-защитных зонах предприятий не было и речи. Сибирские Афины задыхались, и только в конце XX в. проблему начали решать, появился северный промышленный узел, куда начали перевозить заводы.

Происходит изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами и подтопление кварталов. Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод, вызываемое двумя однонаправленными процессами. 1) заменой естественного почвенного покрова застроенными и заасфальтированными территориями, что практически исключает из водного баланса испарение с поверхности почвы и 2) протечки водопроводных и канализационных систем, круглогодично обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод. Оба эти обстоятельства в сочетании с планировкой территории, полной или частичной ликвидацией естественных дрен приводят к подъему зеркала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и сооружений, снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, деформации, а в критических ситуациях — разрушению зданий и сооружений, а также оползневым процессам, как, например, в Лагерном саду г. Томска. Здесь десятки лет строится штольня — дренажная горная выработка для сбора и сброса грунтовых, подземных вод в реку Томь. Установлена высокая арадиоактивность воды (эквивалентная равновесная активность А_Кп экв до 494 Бк/м³, а значения интегральной объемной активности радона достигает 988 Бк/м³) за счет аномальной концентрации радона нижнего водоносного горизонта.

В случаях, когда на территории города производится промышленная эксплуатация глубоких горизонтов подземных вод и возникает адекватная депрессионная воронка, при условии постоянного восполнения грунтового водоносного горизонта усиливается инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается развитием процессов суффозии (выноса тонкозернистого материала) или карста (растворения и выщелачивания карбонатного материала известняков с образованием карстовых полостей). Нечто подобное наблюдается, в частности, на северо-западе Москвы, где обнаружены новые горизонты карстования в карбонатных породах карбона, а карстовые полости распространились местами к самой застроенной поверхности города.

Изменение теплового баланса вызвается совокупностью многих причин, включая изменение альбедо подстилающей поверхности, представленной на преобладаюющей площади асфальтовыми покрытиями и кровлями зданий, степени ее освещенности и затененности в условиях многоэтажной застройки, сбросы тепла местными электростанциями и центральными электросетями, влияние транспорта, зданий, канализационных стоков и горячей воды при протечках в системах теплоснабжения. И, как следствие — изменение температурного режима подземного пространства в основании города вследствие изменения теплового баланса поверхности и непосредственного влияния зданий, сооружений и городских коммуникаций. В частности, геотермическая аномалия порядка +15 °С сформировалась в основании Москвы, а повышенная температура подземных вод в пределах этой аномалии способствует еще большей активизации глубинных карстовых процессов и усугубляет без того сложное положение с эксплуатацией зданий и сооружений на северо-западе столицы.

Наблюдается изменение геодинамической ситуации, вызванное дополнительной и притом неравномерной пригрузкой поверхности за счет привнесенных масс материалов строительных конструкций в пределах территории города. Этот фактор дополнительной пригрузки может сопровождаться также одновременной откачкой подземных вод, в случае их использования для питьевых или технических целей. Как следствие, на фоне общего опускания поверхности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города) активизируются местные, очаговые, оползневые и солифлюкционные процессы, способные в условиях городской застройки привести к деформации зданий и коммуникаций.

Происходит загрязнение подземного пространства и содержащихся там водоносных горизонтов за счет инфильтрации вод с поверхности улиц и дворов, протечек через неплотности конструкций дренажных канав и канализационных систем, просачивания атмосферных осадков через свалки твердого мусора.

Особого внимания заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологической ситуации урбанизированных зон, городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Криогенные геологические процессы, развивающиеся в подобных условиях, могут наносить серьезный ущерб и поселениям, и трубопроводам нефтегазовой отрасли. Необходим мониторинг и расчет вероятности рисков подобных событий.

В условиях переменных температур грунтов верхней части геологического разреза, а амплитуда их температур и в континентальной арктической широте приближается к 100 °C, минерализация воды в таких линзах не остается постоянной, она меняется, возрастая при ее охлаждении и понижаясь при повышении температуры воды. Адекватно меняются и объемы линзы криопэгов — часть воды при понижении ее температуры замерзает, отдавая часть растворенных солей остающейся влаге, для того чтобы при повышении температуры вновь произошло оттаивание очередных порций надмерзлотных вод или грунтового льда-цемента. В результате такой «гармоники» температур и объемов воды, линзы криопэгов мигрируют в подземном пространстве в направлениях более высоких относительных температур и более льдистых грунтов. Подобная миграция линз криопэгов в случае, если линза переместится в основание здания может привести к деформации фундамента и самого здания.

Физико-химическое выветривание — еще один важный реальный геологический процесс, существенно осложняющий эксплуатацию зданий и сооружений. Его суть в конкретных условиях северного города сводится к следующему. В результате недостаточной гидроизоляции от надмерзлотных вод стен зданий, построенных из кирпича, шлакоблоков и других подобных строительных материалов, происходит капиллярное подтягивание влаги к рантбалке и далее в материал стены. В результате понижения и повышения температур по сезонам года, в дневное и ночное время, происходит протаивание-промерзание этой воды, причем в области отрицательных температур. При замерзании капиллярной влаги часть растворенных в ней солей, в первую очередь — гидрокарбонатов кальция и магния, переходит в нерастворимый осадок. Агрессивность воды по отношению к бетону возрастает, что приводит к растворению уже новых порций материала конструкции. Этот процесс происходит на фоне непрерывного замерзания-оттаивания воды в порах конструкционных материалов, сопровождается эффектом отслоения какой-то их части, вплоть до полного разрушения стены, реже части рантбалки или свайного основания.

Однако геохимические процессы, в сочетании с промерзанием-протаиванием грунтов, воздействуют не только на здания и сооружения, но также и на подземные коммуникации — нефтегазопроводы, электрические и телефонные кабели, водопроводные и канализционные сети. Высочайшая агрессивность надмерзлотных вод по отношению к бетону и металлу вызывает коррозию железных и стальных труб, изоляции кабелей, а растягивающие усилия, возникающие в результате смерзания линейных подземных конструкций с грунтом и понижения температур последнего зимой, приводит к морозному растрескиванию грунтов и разрыву конструкций в зоне такого растрескивания.

Выпучивание деревянных свайных оснований старого города — еще один геологический процесс, существенно влияющий на состояние дорожного полотна и тротуаров, приводящий к нарушению балластной подушки и асфальтового покрытия. Его возникновение также связано с изменением водно-теплового баланса грунтов основания дороги.

Происходит осложнение геоэкологических условий развития города, эксплуатации жилых и промышленных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций по причине активизации и появления новых, не свойственных данной местности, инженерно-геологических и геоэкологических процессов.

Наблюдается рост масштабов загрязнения источников питьевой воды соседними городами, расположенными в верхней части долины одной реки. Предприятия г. Кемерово и Кемеровской области, например, уже в 1960;х гг. превратили воды р. Томь в сточную канаву. С 1972 г. томичи пьют воду из артезианского месторождения. Но негативный эффект не исчез полностью. Он выражается в отсутствии природных мест для купания и отдыха у реки. Экологическое законодательство для разрешения подобных проблем в стране есть, но нужна воля ответственных лиц, чтобы не лишать томичей и так короткого лета.

Над городом формируется купол тепла в 5—6° и высотой до 1—2 км. Изменение микроклиматической ситуации вызвано тем, что более теплый, в сравнении с пригородной зоной, и загрязненный воздух города образует устойчивый вертикальный воздушный поток. Поднявшийся над городом купол тепла растекается к его периферии, постепенно охлаждается, опускаясь к земле, и вновь возвращается в город.

Рост асфальтированных территорий и каменных улиц и зданий препятствует прохождению над городом влажных воздушных масс и тем самым создает дополнительные условия устойчивой засухи или сохранения купола тепла.

Происходит формирование антропогенных зооценозов (крысы, мыши, бродячие собаки и др.), преобразование городом биотической компоненты. Биота, помимо человека, включает в себя все виды зеленых насаждений, городские популяции животных — белок, голубей, воробьев, ворон, галок, водоплавающих птиц, зимующих на проталинах водных объектов, крыс и мышей, «одомашненных» насекомых, таких как комары, блохи, тараканы и клопы, наконец, микробиологическое и вирусное «население» многоэтажных зданий, городских квартир. Постоянными «лабораториями, производителями» микробного и вирусного заражения населения являются городские помойки, свалки, поля биологической очистки, откуда вторичные и измененные биологические продукты могут поступать обратно в город. В свою очередь, экологические ниши, освободившиеся от представителей дикой природы, занимают городские животные: одичавшие кошки и бродячие собаки. Стаи последних, при условии инфекции бешенства или генетической агрессивности становятся опасными для жителей, особенно — детей. Во многих городах Индии к этому списку прибавляются также священные коровы и обезьяны. В некоторых европейских городах появились популяции лисиц.

Наблюдается осложнение санитарно-гигиенической и эпидемиологической обстановки вследствие концентрации людей и снижения иммунитета за счет постоянного преодоления городскими жителями бактериологических и химических загрязнений в воздухе, воде и отнюдь не всегда экологически чистых продуктах питания. Все нежелательные биогенные составляющие городской среды способствуют переносу и распространению бактерий и вирусов, все более приспосабливающихся к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. В результате учащаются и, в условиях общей жилищной и транспортной скученности населения, усиливаются, порой выходя из-под контроля по своим последствиям, эпидемии различных заболеваний, в том числе венерических заболеваний и синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД). На этом фоне возникают пригородные зональные и парковые очаги клещевого энцефалита, провоцируются стрептококовые и иные инфекции внутри больниц и родильных домов, происходит адаптация возбудителей к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. Как ни парадоксально звучит, но повышенная комфортность городской жизни и привыкание к ней горожан, в сочетании с «лекарственным давлением» — постоянной пропагандой все новых и новых лекарственных средств, при повышении стоимости квалифицированной медицинской помощи, переходу все большего числа граждан на «самолечение» и использование лекарств без консультаций врача, еще более уменьшает природную адаптационную способность горожан.

Ускоренный рост городов как объективный процесс, с одной стороны, обеспечивает горожан максимумом удобств и жизненных благ, но, с другой, как бы мы этого не хотели, существенно осложняет геодинамическую, геоэкологическую и социально-демографическую ситуацию.