Геохимическая классификация городских ландшафтов

 

Основные принципы геохимической классификации ландшафтов сформулированы А.И. Перельманом [41]: принцип дискретности и непрерывности; принцип систематических признаков; принцип подвижных компонентов; принцип централизации. Они имеют ведущее значение при выделении таксонов разного уровня, различающихся условиями миграции и концентрации химических элементов, в том числе техногенных. Рассмотрим суть каждого из них.

Принцип дискретности и непрерывности. Дискретность атомов проявляется в форме их существования, а для геохимических свойств ландшафта характерна непрерывность. Ландшафтные объекты сменяют друг друга в пространстве постепенно, образуя единый ряд, сопряженный потоками вещества и энергии. При картографировании распространения элементов мы говорим о геохимическом поле – земном пространстве, с определенным содержанием химических элементов и их соединений. Например, ряды элементарных ландшафтов с разной реакцией среды, минерализацией вод, содержанием макро- и микроэлементов.

В связи с непрерывностью геохимических полей их параметры показывают изолиниями. Дискретные единицы классификации в этом случае оказываются не адекватными природе классифицируемых объектов, что приводит к некоторой условности при выделении таксонов.

Принцип систематических признаков. В классификации важным является выявление систематических, общих для всех ландшафтов признаков. Однако в некоторых случаях индивидуальные признаки ландшафтов тоже оказываются важными для их геохимической характеристики и учитываются при районировании территории. К одному ландшафтно-геохимическому району могут относиться ландшафты, не сходные в систематическом отношении.

Принцип подвижных компонентов. Таксономическое значение того или иного элемента зависит от его распространенности в ландшафте, интенсивности миграции и способности к концентрации. Наибольшее таксономическое значение имеют элементы с высокими кларками и энергично мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте. К ним относятся типоморфные элементы, которые обычно используются при выделении класса водной миграции (Н-класс, Са-класс и др.)

Принцип централизации. Таксономическое значение элементов определяется положением в пространстве относительно центра ландшафтной системы. Чем ближе составная часть ландшафта расположена к его центру, тем большее таксономическое значение имеют особенности ее химического состава. Например, при классификации элементарных ландшафтов городов на уровне разделов систематическим признаком выступает содержание тяжелых металлов в верхнем горизонте почв.

Классификация городских ландшафтов с геохимических позиций предложена А.И. Перельманом и Н.С. Касимовым (1994). В ней используются подходы геохимии ландшафта и традиционного урболандшафтоведения. Классификация выполнена для двух масштабных уровней: систематика городов как целостных систем и классификация ландшафтов в пределах городской системы. Обе классификационные схемы разработаны на основе показателей, характеризующих природную и техногенную ситуации в городах.

Геохимическая систематика городов. Селитебные, в том числе и городские ландшафты, относятся к таксономическому уровню "отряд антропогенных ландшафтов". В основе его выделения лежит ведущая роль техногенной миграции веществ, наличие форм искусственного рельефа, концентрация населения. Дальнейшая дифференциация городов ведется по техногенным и природным особенностям происходящих в них миграционных процессов (табл. 21.2).

 

Таблица 21.2

Основные таксономические единицы геохимической систематики городов [106]

Наименование единицы	Критерии выделения
Отряд	ведущая роль техногенной миграции, искусственный рельеф, концентрация населения
Разряд	степень техногенного воздействия на население и городскую среду
Группа	группа природных геохимических ландшафтов
Тип	тип природного геохимического ландшафта
Семейство	особенности воздушной миграции продуктов техногенеза
Класс	класс водной миграции продуктов техногенеза
Род	геохимическая специализация литогенного субстрата

 

Важным признаком систематизации городов является степень техногенного воздействия на население и городскую среду. Он учитывается на уровне таксономической единицы – геохимического разряда городов, который обозначается буквенно-числовым индексом (табл. 21.3) и оценивается в баллах. Степень техногенного воздействия определяется совокупно по показателю суммарной эмиссионной нагрузки выбросов на одного жителя в год (E) и показателям состояния компонентов городской среды: суммарного показателя загрязнения депонирующих сред (Z_с) и пылевой нагрузки (Р), поскольку между интенсивностью техногенных выбросов, приходящихся на каждого жителя, и уровнями загрязнения снежного покрова и почв города нет прямой зависимости. Оценочная шкала по этому признаку эмпирическая, разработанная с учетом результатов эколого-геохимического обследования ряда городов.

По данным авторов классификации, в крупных городах с населением более 500 тыс. жителей показатель Е составляет 0,1-0,7 с максимальными значениями (>0,3) в городах с преобладанием химической и нефтехимической промышленности (Баку, Омск, Ярославль, Уфа, Тольятти) и тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула). Для Москвы он составляет 0,12 т/чел. в год, Минска – 0,08. В малых и средних промышленных городах Е изменяется от 0,2-0,3 до более 10. Среди наиболее загрязненных явно преобладают города с черной и цветной металлургией. По величине коэффициента Е введены градации городов, обозначенные буквенными индексами (табл. 21.3).

 

Таблица 21.3

Геохимические разряды городов [104]

Уровни загрязнения (Zc), пылевая нагрузка (Р)	Количество выбросов на 1 жителя (т/чел. в год)
Е<0,3	Е=0,3-1	Е = 1-2	E=2-3	Е = 3-5
1.Низкий (Zc =16, Р=200)	L1		M1		N1		P1		R1
2.Средний умеренно опасный (Zc: почвы 16-32, снега 64-128, Р=250-450)	L2		M2		N2		P2		R2
3.Высокий опасный (Zc: почвы 32—128, снега 128-256, Р=450-800)	L3		M3		N3		P3		R3
4.Очень высокий, чрезвычайно опасный (Zc: почвы > 128, снега > 256; Р>800)	L4		M4		N4		P4		R4

Z_c - суммарный показатель загрязнения, Р - величина пылевой нагрузки, кг/км² в сутки, числа в клетках – баллы, характеризующие опасность загрязнения

 

Важной эколого-геохимической характеристикой городов является структура загрязнения. Она может быть основанием для выделения подразрядов городов и учитываться отдельно для макрополлютантов (оксиды и диоксиды азота, серы, углерода, пыль), на долю которых приходится более 90-95% от общего объема выбросов, и микрополлютантов, объемы выбросов которых малы, но велики уровни аномальности и токсичности (тяжелые металлы, хлорорганические соединения, углеводороды и др.). Так, среди крупных городов мира выделяются "серные" города - Тбилиси, Тегеран, Милан, Сеул, Новополоцк и др.; "азотные" - Донецк, Ташкент, Тель-Авив, Одесса, Москва и др.; "углеродные" - Париж, Сантьяго, Ереван, Мадрид, Минск и др.

Подобная геохимическая специализация существует и для микропримесей вредных веществ, особенно в депонирующих средах - почвах, растениях и донных отложениях. Наиболее высокие уровни концентрации в загрязненных почвах городов СНГ характерны для кадмия, свинца, цинка и меди, а наиболее контрастные локальные техногенные аномалии образуют никель, кадмий, цинк, меда и ртуть. Их максимальные содержания достигают десятков и даже сотен фоновых конценграций (кадмий, свинец). При этом каждый промышленный город имеет свою геохимическую специализацию. Наряду с "серными" и "азотными" можно выделять "медные" и другие города, отображая геохимическую специализацию и уровень их загрязнения на эколого-геохимических картах в виде формул из символов приоритетных загрязнителей, например, коэффициенты аномальности в атмосферных выпадениях, снеге (числитель) и почвах (знаменатель), если необходимо и растениях (рядом с дробью), а также суммарные показатели загрязнения (перед дробью).

Далее систематика городов предусматривает их детальную природную характеристику. Группы и типы городов выделяются по группам и типам природных ландшафтов, в пределах которых сформировались урбанизированные территории. Таксономический признак, учитываемый на этом уровне - зональные геохимические особенности ландшафтов городов. Семейства городов определяются особенностями воздушной миграции продуктов техногенеза, положением города в бассейнах атмосферного переноса и региональными особенностями загрязнения и самоочищения атмосферы. Важное значение имеет соотношение сильных и штилевых ветров, наличие инверсий, определяющих появление смога, рельеф и т.д. Многие из этих факторов отражены в геоморфологическом положении города. Поэтому выделяются семейства: равнинное (Москва, Минск), горно-котловинное и горно-долинное (Улан-Батор, Тбилиси), предгорное (Алма-Ата), приморское (Санкт-Петербург) и др. Среди крупных промышленных городов мира к семейству приморских относятся Копенгаген, Токио, Нью-Йорк, Ванкувер, Мельбурн, Торонто. Известно, что приморские города характеризуются высокой самоочищаемостью атмосферного воздуха от загрязнителей и отличаются наименьшими средними концентрациями взвешенных в воздухе частиц. И, наоборот, горно-котловинные и предгорные города при прочих равных факторах имеют самые высокие показатели загрязнения.

Классы городов выделяются по условиям водной миграции продуктов техногенеза и положению в каскадных ландшафтно-геохимических системах. Как и в природных ландшафтах, выделяются глеевые, кальциевые и прочие классы, отличающиеся интенсивностью миграции и характером разложения техногенных веществ. Для города в целом целесообразно указывать пространственную структуру преобладающих по площади классов в автономных и подчиненных позициях, что определяет особенности концентрации загрязняющих веществ на геохимических барьерах. По существу это классы наиболее типичных почвенно-геохимических катен.

Род городов определяется геохимической специализацией литогенного субстрата. Все города по уровням содержания токсичных элементов и соединений в коренных, почвообразующих породах и почвах можно разделить на три рода: I - фоновые ландшафты с околокларковыми содержаниями большинства элементов (многие города на четвертичных рыхлых отложениях); II – субаномалъные ландшафты с повышенными содержаниями отдельных элементов в литогенной основе; III - города с природно-аномальными литогеохимическими условиями, т.е. построенные на участках рудных, угольных, нефтяных и газовых месторождений, где высокие природно-обусловленные концентрации токсичных элементов создают достаточно высокий уровень загрязнения городского ландшафта. Примерами последних могут служить города на хром-никелевом месторождении (Моа на Кубе) и в нефтеносных районах (Баку) и др. Добыча и переработка полезных ископаемых в этих случаях вносит дополнительную техногенную нагрузку, что увеличивает опасность экологической ситуации.

Геохимическая классификация городских ландшафтов. В географии существует несколько подходов к созданию классификации городских ландшафтов: 1) комплексный подход, основанный на выделении внутри города территорий с близкими результатами взаимодействия природных и техногенных факторов ландшафтообразования, близкой степенью нарушенности природных процессов и т.п.; 2) геоструктурный подход, в основу которого положен учет сочетания природных и антропогенных компонентов в ландшафтах; 3) экологический подход, основанный на зонировании городов по уровню антропогенного воздействия. Геохимические принципы классификации городских ландшафтов в известной степени сочетают все эти подходы и учитывают одну из важнейших сторон техногенного воздействия – факт загрязнения городской среды. Основания и критерии выделения таксонов на разных уровнях классификации отличаются: на верхних уровнях в качестве оснований используются антропогенные (социально-производственные) факторы, а на нижних - природно-обусловленные, частично измененные техногенезом (табл. 21.4).

Таблица 21.4

Основные таксономические единицы геохимической классификации городских элементарных ландшафтов [104]

Наименование единицы	Критерии выделения
Техногенные критерии
Порядок	принадлежность к функциональной зоне, загрязнение ландшафтов
Отдел	особенности воздушного привноса и выноса загрязняющих веществ, геохимическая специализация выбросов и отходов
Раздел	уровни и опасность загрязнения
Природные и природно-техногенные критерии
Группа и тип	особенности биологического круговорота веществ
Класс	класс водной миграции продуктов техногенеза
Род	особенности воздушной и водной миграций, положение в ландшафтно-геохимических катенах
Вид	геохимическая специализация литогенного субстрата

 

Крупные и средние города занимают значительную площадь, в пределах которой существуют территориальные комплексы различного ранга. Для характеристики природной составляющей городских элементарных ландшафтов в этой классификации используются принципы выделения, предложенные Б.Б. Полыновым и используемые в геохимии ландшафта. В качестве "техногенного" основания классификации используются сочетания характеристик техногенного воздействия и вида геохимической трансформации исходного ландшафта. Принципы геохимической классификации природных ландшафтов, в которой ландшафтные системы рассматриваются с позиций их сопряженного геохимического анализа, оказываются вполне адекватными задачам классификации городских элементарных ландшафтов.

В результате промышленного, транспортного и муниципального воздействия на городскую среду формируются техногенные геохимические аномалии в различных компонентах ландшафтов. Контрастность и пространственное положение этих аномалий зависит от сочетания функциональной структуры города, определяющей характер и уровень техногенного воздействия, и ландшафтно-геохимических условий, дифференцирующих это воздействие.

При определении порядка городских ландшафтов ведущим фактором выступают особенности техногенной миграции, во многом определяемые приуроченностью к той или иной функциональной зоне. С ними связаны многие количественные параметры техногенного загрязнения, а также характер трансформации и деградации биологического круговорота. Выделяются пять основных порядков городских ландшафтов: 1) парково-рекреационный; 2) агротехногенный; 3) селитебный; 4) селитебно-транспортный; 5) промышленный. В пределах этих порядков коэффициент контрастности поступления техногенных веществ из атмосферы по сравнению с фоном колеблется от менее 10 в парково-рекреационной зоне до более 30 в промышленной. Это соответственно ландшафты со слабой, умеренной, сильной и практически полной деградацией биологического круговорота.

Первые три порядка, представленные в табл. 21.5, представляют собой арены преимущественно привноса (имиссии) техногенных веществ. В их пределах геохимическая дифференциация ландшафтов во многом определяется особенностями местной миграцией элементов. Наименьшую атмотехногенную нагрузку испытывают обычно парково-рекреационные ландшафты. При этом значительная роль в перераспределении элементов принадлежит биогенной миграции. Агротехногенные – это городские ландшафты, используемые для производства сельскохозяйственной продукции (сады, огороды). Они находятся под двойным – атмотехногенным и агрогенным (удобрения, ядохимикаты) – прессом техногенных веществ.

В пределах селитебных ландшафтов контрастность техногенных аномалий существенно зависит от высоты и расположения зданий. Жилые здания и другие сооружения способствуют формированию вертикальных воздушных потоков, а также служат механическим барьером на их пути. Кроме того, с показателем этажности связаны такие характеристики, как плотность населения, тип водоснабжения, количество отходов. Поэтому порядок селитебных ландшафтов разделяют на отделы: с низким антропогенным рельефом и одно-, двухэтажной застройкой (слабая выраженность механических барьеров, преобладание латеральной воздушной миграции); со среднеэтажной застройкой; с высокоэтажной застройкой (контрастные механические барьеры, появление и даже преобладание восходящих воздушных потоков).

Следующие два порядка (табл. 21.5) объединяют ландшафты, для которых характерны присутствие источников техногенной эмиссии и интенсивная аккумуляция техногенных элементов в депонирующих средах. Порядок селитебно-транспортных ландшафтов делится на отделы по интенсивности движения и, следовательно, техногенной нагрузки (например, переулки, улицы, автострады, вокзалы). Порядок промышленных ландшафтов делят на отделы в зависимости от типа производства, добываемого сырья, источника энергии, характера отходов. Так, могут быть выделены ландшафты заводов и фабрик определенной специализации, электростанций (тепловых, атомных), отвалов и др.

Для выделения разделов городских ландшафтов интегральным критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для живых организмов в пределах порядков и отделов. Уровень и опасность загрязнения компонентов определяют по предложенной Ю. Е. Саетом и Б. А. Ревичем (1988) эмпирической шкале. Она содержит четыре ступени градации суммарных показателей пылевой нагрузки и загрязнения химическими элементами снега и почв. В результате предложено рассматривать 16 разделов городских ландшафтов, охватывающих основные комбинации зон, различающихся по функциональному использованию и уровню загрязнения. В таблице 21.5 приведены отдельные примеры таких разделов.

Таблица 21.5

Разделы городских ландшафтов [104]

Уровни и опасность загрязнения (Zc, P)	Порядки ландшафтов (функциональные зоны)
парково-рекреационный	агротехногенный	селитебный	селитебно-транспортный	промышленный
Низкий (Zc< 16; Р< 200)			селитебный с низким загрязнением
Средний, умеренно опасный (Zc почвы -16-32, снега - 64-128, P=250-450)	парково-рекреационный со средним загрязнением	агротехногенный со средним загрязнением
Высокий, опасный (Zc почвы - 32-128, снега - 128-256, Р = 450-800)				селитебно-транспортный с высоким уровнем загрязнения
Очень высокий, чрезвычайно опасный (Zc почвы > 128. снега > 256, Р> 800)			селитебный с очень высоким загрязнением		промышленный с очень высоким уровнем загрязнения

Z_с - суммарный показатель загрязнения, в условных единицах; Р - величина пылевой нагрузки, кг/км² в cутки; соответствующие семейства в клетках таблицы описаны выборочно

 

Особенности водной миграции химических элементов в городских ландшафтах учитываются на уровне классов. Классы выделяются по сочетанию окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, а также видам геохимических барьеров в профиле почв и между сопряженными элементарными ландшафтами. При этом сохраняются традиционные в геохимии ландшафта названия класса (кислый, кислый глеевый, нейтральный и др.). Однако для городских условий также имеет значение прогноз изменения условий миграции элементов под влиянием техногенеза, который может быть дан на соответствующем таксономическом уровне (подкласс) и отражен в фиксации той или иной тенденции изменения геохимических условий (кислый нейтрализующийся, щелочной, подкисляющийся и т.п.). Можно также указывать окислительно-восстановительные условия грунтовых вод, поскольку они тоже подвергаются изменениям в городской среде.

Определяя род ландшафтов, следует учитывать, что в городах интенсивное атмосферное поступление веществ нивелирует влияние рельефа на перераспределение элементов. Поэтому представления об автономности и подчиненности городских ландшафтов требуют пересмотра по сравнению с природными аналогами. В значительной степени теряет смысл постулат о предельно малой величине поступления вещества из атмосферы в элювиальные ландшафты, который используется обычно для характеристики фоновых условий. Рельеф города влияет не только на водную, но и на воздушную миграцию веществ, и наряду с традиционным выделением зон мобилизации, транзита и аккумуляции вещества (элювиальные, трансэлювиальные, элювиально-аккумулятивные, супераквальные элементарные ландшафты) требуется учет их положения относительно основных источников воздействия и преобладающих атмотехногенных потоков. Как правило, атмотехногенные аномалии приурочены к наветренным склонам и водораздельным поверхностям, а подветренные склоны испытывают менее интенсивную нагрузку. На этой основе конкретизируются названия рода городских ландшафтов (трансэлювиальные наветренные, трансэлювиальные подветренные и т.д.). При уточнении рода элементарных ландшафтов в городе важно также учитывать их принадлежность к природным (водно-эрозионным) или природно-техногенным (бассейнам концентрации ливневого стока) каскадным геохимическим системам определенного порядка, а также открытость или замкнутость этих систем, поскольку эти характеристики определяют особенности миграции и аккумуляции продуктов техногенеза.

Многие особенности водной миграции, а также уровни техногенной трансформации ландшафтов тесно связаны с гранулометрическим составом почв и грунтов, который учитывается при выделении вида городских ландшафтов. Например, песчаные почвы характеризуются значительно меньшими показателями сорбционной емкости, содержания химических элементов, чем суглинистые. Гранулометрические особенности почв и грунтов определяют их водопроницаемость, при этом важно отличать естественные почвы и грунты от техногенных почв, наносов и асфальтированных поверхностей.

Успешная реализация рассмотренной классификационной схемы при крупномасштабном ландшафтно-геохимическом картографировании городов зависит от полноты имеющейся геохимической информации, изменчивости динамичных показателей (касающихся, прежде всего, атмосферных выпадений), учета всех специфических факторов воздействия на территории города. Данная классификация в той или иной степени модификации была реализована при эколого-геохимическом картографировании ряда городов СНГ [94, 97, 107, 108 и др.].