Верхняя часть литосферы, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. Человек, по гениальному предвидению В.И. Вернадского, стал “крупнейшей геологической силой”, под действием которой меняется лик Земли.
Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к предельно возможному. К настоящему времени из нее (данные на начало 90-хх гг.) извлечено 125 млрд. т. угля, 32 млрд. т. нефти, более 100 млрд. т. других полезных ископаемых. Распахано земель более 1500 млн. га., заболочено и засолено 20 млн. га. Эрозией за 100 лет уничтожено 2 млн. га., площадь оврагов более 25 млн. га. Терриконы достигают высоты 300 м., горные отвалы – 150 м., глубина золотодобывающих шахт превышает 4 км.(Южная Африка), нефтяных скважин – 6 км.
Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является “базовой подсистемой биосферы: образно говоря, вся континентальная и почти вся морская биота опирается на земную кору”. Литосфера – опорная часть экосистем. Рассмотрим техногенные изменения следующих основных составляющих литосферы: 1) почв; 2) горных пород и их массивов; 3) недр.
Деградация почвы – это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. как известно, почва один из важнейших компонентов окружающей природной среды, непосредственно связанный с приповерхностной частью литосферы. Ее образно называют “мостом между живой и неживой природой”. Почва обеспечивает существование биосферы, является ее основой, она – биологический адсорбент и нейтрализатор загрязнений. Без почвенного покрова невозможно воспроизводство биомассы, а следовательно, накопление колоссальных количеств энергии в процессе фотосинтеза растений.
Следует учитывать, что почва практически невозобновимый природный ресурс. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе – почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим последствиям дегумификации – потере гумуса. Дегумификация возрастает и за счет неумеренного внесения в почву минеральных удобрений. За последнее столетие почвы Черноземья потеряли от трети до половины содержания гумуса. Но даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т.е. ухудшать свои свойства.
К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера: эрозия, загрязнение, вторичное засоление, заболачивание, опустынивание. В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем, причина неустойчивого состояния которых в их упрощенном фитоценозе, не обеспечивающем оптимальную саморегуляцию.
Эрозия почв (от лат. Erosio – разъедание ) – разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.
По аналогии выделяют также промышленную эрозию (разрушение почв при строительстве и при разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.
Однако настоящим бичом земледелия у нас в стране и в мире остаются водная эрозия (ей подвержены 31% суши) и ветровая эрозия (дефляция), активно действующая на 34% поверхности суши. В засушливых районах мира эродировано 60% от общей площади, из них 20% - сильно эродированы.
Ветровая эрозия (дефляция). Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром.
Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизирует эрозионные процессы.
Различают местную ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра.
Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 20 – 30 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Они способны развеять за несколько часов до 500 т. почвы с 1 га. Пашни и безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв. Пыльные бури загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.
Водная эрозия почв (земель). Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают водную эрозию: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека: появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.
Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и в первую очередь почвам приносит овражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Они уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф. Оврагов только на территории Русской равнины 5 млн. га., и площадь их увеличивается: ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигает 100-200 га.
Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений – токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов и чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных – лишь в течении двух-трех суток.
Основные загрязнители почвы: 1)пестициды (ядохимикаты); 2)минеральные удобрения; 3)отходы и отбросы производства; 4)газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5)нефть и нефтепродукты.
Классификация отходов
Под отходами понимают, в общем случае, непригодные для производства данной продукции виды сырья, неупотребимые остатки или вещества и энергия. Ниже рассматривают лишь твердые отходы, которые подразделяются на промышленные (ТПрО) и бытовые (ТБО).
Промышленные отходы (или отходы производства) – это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично потребительские свойства. С некоторой долей условности к ТПрО можно отнести и отходы потребления – изделия и машины, утратившие свои потребительские свойства в результате физического или морального износа.
Бытовые (коммунальные) отходы – твердые вещества, не утилизируемые в быту, образующиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей. В последнее время к ТБО относят и твердую составляющую коммунально-бытовых сточных вод – их осадок.
За рубежом в последнее время из двух больших групп – ТПрО и ТБО – выделяют несколько специфических видов. Так ТБО можно подразделить на домашние, коммерческие, учрежденческие и другие городские отходы (трупы мертвых животных, отходы уборки улиц, осадки сточных вод). Из состава ТПрО ,кроме чисто промышленных, обычно выделяют медицинские, сельскохозяйственные, горные (металлургические) и др. Система сбора твердых отходов в РФ (особенно ТБО) пока не побуждает к раздельному изучению подобных видов, хотя в отношении выделения коммерческих, медицинских, радиоактивных отходов имеются определенные сдвиги в наиболее крупных городах.
Отходы производства и потребления – это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, образовавшиеся в процессе производства и потребления, а также продукции, которая утратила свои потребительские свойства. При этом вредные отходы должны подвергаться нейтрализации, а неиспользуемые – считаются отбросами. Количество бытовых отходов в расчете на одного человека увеличивается примерно на 1-4%, а по массе – на 0.2-0.4% в год, и в настоящее время составляет, кг/год: в благоустроенных зданиях – 160-190, в неблагоустроенных – 600-700. Проблема указанных отходов в настоящее время весьма остро стоит во многих странах мира. В частности, в городах США образуется ежегодно около 150 млн.т. отходов и ожидается к 2004 г. увеличение их количества еще на 20%. В значительно меньшей по размеру Японии количество образующих бытовых отходов превышает 72 млн.т. ежегодно.
Наибольшая часть из сотен миллионов тонн промышленных отходов образуется в угольной промышленности, предприятиями черной и цветной металлургии, тепловыми электростанциями, в промышленности строительных материалов.
В последние годы возросло количество опасных (токсичных) отходов, которые способны вызвать отравление или иное поражение живых существ. К ним относятся прежде всего различные ядохимикаты, не использованные в сельском хозяйстве, отходы промышленных производств, содержащие канцерогенные и мутагенные вещества и другие. В США 41% твердых бытовых отходов (ТБО) классифицируют как «особо опасные», в Венгрии – 33,5%; в то время, как во Франции – 6%, Великобритании – 3%, а в Италии и Японии – только 0.3%.
Полигоны для твердых бытовых отходов.
В мировой практике наибольшее распространение получили следующие методы обращения с ТБО: 1) строительство полигонов для захоронения и частичной их переработки; 2) компостирование с получением азотного удобрения или биотоплива; 3) сжигание отходов на мусоросжигающих заводах; 4) ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков); 5) предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов из отходов; 6) пиролиз ТБО – высокотемпературный (около 1700 ‘С) нагрев без доступа воздуха.
Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» в ст.12 установил требования к объектам размещения отходов. Создание таких объектов – специально оборудованных сооружений (полигонов, шламохранилищ, отвалов горных пород и др.), - допускается на основании разрешений, выданных специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти. При этом определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе геологических, гидрогеологических и иных исследований и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы.
В целях снижения загрязнения окружающей природной среды вместо неконтролируемых свалок строят полигоны для твердых отходов, которые эксплуатируются во многих городах России.
Для такого полигона выбирают место по возможности в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20-25 лет и более. Основание выбранной площади делают в виде огромного корыта (для средней полосы России, где за год выпадает около 600 мм. осадков) глубиной примерно 1,5 м. Фильтрат скапливается в нем,остается в пределах полигона и не загрязняет водоемы и подземные воды. При необходимости (большое количество осадков) фильтрат забирают со дна корыта насосными установками и разбрызгивают по поверхности укладываемых отходов. Одна часть фильтрата испаряется с поверхности, другая проникает вглубь, где вызывает медленный биотермический процесс с повышением температуры примерно до 30 ‘С. до дна доходит не более 5% перекачиваемой жидкости. Если глинистого грунта нет и основание для полигона приходится делать в водопроницаемых грунтах, дно корыта выстилают слоем привозной глины толщиной 0,5 м.(рис. 47).
В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и уплотняют бульдозерами послойно до 2-метровой высоты. На следующие сутки отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую обязательно укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0,25 м. Изоляция грунтом и его последующее уплотнение препятствует загрязнению наружной воздушной среды, а также распространению мух и грызунов. По мере загрузки полигона отходами из разровненных слоев извлекают металлолом.
Для сокращения площади полигон загружают многослойно. Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. При этом для устойчивой работы бульдозера необходимо устраивать пологий внешний откос, образующий с горизонтом угол в 15’. После заполнения полигона поверхность его покрывают растительным грунтом.
Полигоны могут иметь различное соотношение длины и ширины (рис. 22). Расход земельных площадей под полигоны зависит от численности и высоты складирования (табл. 5).
Таблица 5
Расход земельных площадей под полигоны
Численность обслуживаемых жителей в городе, тыс.чел.
Расход земельных площадей на 50 тыс. жителей, га/год
Оптимальная высота складирования, м
Менее 50
50-99
100-249
250-499
500-1000
Более 1000
0,3-0,35
0,22-0,25
0,18-0,2
0,14-0,16
0,09-0,12
0,05-0,08
10-15
15-20
20-25
25-35
30-40
35-60
Таблица 5 показывает зависимость расхода земельных площадей под полигоны твердых отходов от численности обслуживаемых жителей в городе и высоты складирования.
Рис. 23 Схематичный разрез полигона для твердых отходов
1-лесозащитные полосы; 2-промежуточный изолирующий слой; 3-отходы; 4-укрывающий наружный слой растительного грунта; 5-естественное или искусственное водоупорное основание (глина)
Рис.24 Примеры горизонтальной планировки полигонов
а-при соотношении длины и ширины менее 1:2; б-то же, более 1:3;
1-подъездная дорога; 2-хозяйственная зона; 3-нагорная канава; 4-забор; 5-зеленая зона; 6-грунт для изолирующих слоев; 7-площадки складирования отходов I,II и III очереди эксплуатации.
Рис.25 Ситуационный план хозяйственной зоны и моечной площадки полигона длительной эксплуатации (стрелками показано движение мусоровозов)
1-подъездная дорога; 2-забор полигона; 3-площадка складирования сборно-разборных элементов временных дорог; 4-трансформаторная подстанция; 5-производственно-бытовое здание; 6-окно диспетчера; 7-транспортный поток прибывающих мусоровозов; 8-то же, убывающих мусоровозов; 9-ворота полигона; 10-грязеотстойник; 11-площадка для мойки контейнеров; 12-противопожарный резервуар; 13-навес (помещение) для машин и механизмов; 14-ворота хозяйственной зоны; 15-ограда хозяйственной зоны; 16-склад ГСМ.
Для размещения полигонов твердых отходов можно использовать овраги и другие неудобные земли. При этом планировка и организация (порядок) загрузки полигонов отходами определяются конкретными (местными) условиями.
Участки под полигоны отводят на значительном расстоянии от других зданий и сооружений, поэтому на них необходимы бытовые помещения для эксплуатационного персонала и оборудование для простейших работ по обслуживанию техники (рис. 49). В составе хозяйственной зоны, где располагаются эти помещения и оборудование, проектируют производственно-бытовое здание, навес или гараж для машин и механизмов, склад горюче-смазочных материалов (ГСМ), трансформаторную подстанцию, площадку для складирования сборных плит для временных дорог. Степень капитальности этих сооружений зависит от мощности полигона и расчетного срока его эксплуатации.
После полной загрузки полигона и закрытия его растительным грунтом поверхность последнего можно использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и пр.
В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых промышленных отходах, находящихся в насыпях полигона, возникает анаэробный процесс, при этом выделяется биогаз (смесь метана и углекислого газа), который при определенных условиях можно использовать как топливо. Такой опыт имеется в Венгрии, где при высоте засыпки отходов 7 м. этот газ отбирают с помощью отсасывающих труб. Дополнительные устройства, связанные с этим, как показал опыт, в течение года окупаются многократно. Рассматриваемые полигоны твердых отходов предназначены в основном для отходов бытового происхождения, однако проведенными исследованиями установлено, что часть промышленных отходов (по номенклатуре более 10 тыс. видов) может быть принята при определенных условиях на полигоны твердых бытовых отходов для совместного захоронения. Определяется это гигиенической классификацией неутилизированных отходов (табл. 6).