Санкт-Петербург один из немногих крупнейших мегаполисов мира, имеющих точную дату основания. Несмотря на то, что возраст Санкт-Петербурга исчисляется только 312 годами, вся его градостроительная предыстория и хозяйственное использование территории началось многими столетиями раньше в пределах земель Восточной Ингерманландии.
При изучении многочисленных архивных источников: писцовых книг, документальных материалов шведского периода, отмечается многовековое освоение территории будущей столицы дореволюционной России, по типу других городов мира – Парижа, Лондона, Рима, Новгорода, Киева, Москвы.
Согласно картографическим данным по берегам Невы и других рек располагались поселения еще в VI-IX вв (рис.1). С IX в. до 1478 г. эти территории входили в состав Водской пятины Великого Новгорода, а с 1478 г. присоединены к Московскому княжеству. В 1470-е – 1490-е гг. здесь располагались 998 селений, в том числе, 8 крупных селений-погостов с церквями и монастырями [1].
Рис.1. Крупнейшие поселения допетровского времени в центре современного Петербурга [6].
В XVII в. на правом берегу р.Невы в устье Б.Охты существовал город Ниенштадт с обширными предместьями, двумя соборами, госпиталем. Все селения были расположены среди лесов и болот, однако значительную площадь уже занимали участки пахотных, пастбищных и охотничьих угодий, отмечены крестьянские дворы, рыбный ток, а также поместья крупных землевладельцев.
Таким образом, полученные сведения позволяют сделать вывод, что негативное воздействие хозяйственной деятельности на подземное пространство (ПП) началось уже в допетровскую эпоху и продолжается до сих пор. История формирования городской инфраструктуры Санкт-Петербурга позволяет выделить основные этапы контаминации подземного пространства (табл.1) [2].
Подземное пространство города следует рассматривать как многокомпонентную и динамичную систему, в состав которой входят песчано-глинистые грунты, содержащие подземные воды, микробиоту, биохимические и глубинные газы, подземные конструкции. Все эти компоненты находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. Негативное преобразование одного из них может привести к потере устойчивости всей системы. В условиях сложной геоэкологической обстановки анализ динамики изменения компонентов подземной среды необходимо проводить с учетом их контаминации [2].
Таблица 1
Этапы загрязнения подземного пространства (ПП) Санкт-Петербурга
| Этапы | Период | Особенности освоения территории | Характер и степень загрязнения территории | Природное и техногенное воздействие на грунтовые воды и грунты |
| I | XIV-XVII в.в. | Существование деревень, пахотных, охотничьих угодий, поместий землевладельцев. Неорганизованный сброс стоков различного происхождения. | Локальное приповерхностное загрязнение подземной среды.
«Земля, смешанная с навозом» – шведские данные. |
Воздействие болот за счет обогащения подземной среды органическими соединениями абиотического и биотического генезиса, а также привнос техногенной органики. Загрязнение грунтовых вод компонентами жизнедеятельности человека. |
| II | XVIII – начало XIX в. | Период интенсивного строительства и роста города. Система дворовых выгребных ям для нечистот. Первая ливнево-дренажная сеть — 95 км. | Переход к региональному загрязнению по площади и по глубине. Сброс сточных вод без очистки в водотоки города. Начало прогрессирующего загрязнения грунтовых вод и верхней толщи подземного пространства. | Хозяйственно-бытовое загрязнение, активизация микробиологической деятельности, формирование восстановительной обстановки подземной среде. |
II |
Середина XIX в. — начало XX в. | Интенсивное развитие городской инфраструктуры и промышленного производства широкого спектра. 1864-1917 г.г. – первые нереализованные проекты систем канализации. 1/3 территории города не имеет канализационной сети. | Хозяйственно-бытовое загрязнение, существование смешанных свалок. Усложнение состава загрязняющих компонентов. Инфильтрация нечистот из выгребных ям. Более 100 км городских водостоков – открытые канализационные коллекторы. | Повышение содержания органических и неорганических соединений, дополнительный привнос микрофлоры, формирование богатых биоценозов. Активная микробиологическая деятельность в ПП, развитие негативных экзогенных процессов, вызванных контаминацией подземной среды. Сохранение анаэробной обстановки в ПП. |
IV |
XX в. по настоящее время | Дальнейшее развитие города, промышленности, транспорта. 1925г. – начало строительства региональной канализационной системы города. | Интенсификация загрязнения подземной среды нефтепродуктами, промышленными стоками и канализационно-бытовыми утечками. Глубина зоны загрязнения — десятки метров. | Прогрессирующее загрязнение подземной среды утечками из систем водоотведения, канализационными стоками, нефтепродуктами, повышение содержания органических и неорганических соединений, привнос специфической микробиоты, сохранение анаэробной обстановки в ПП. |
Важное влияние на формирование состояния подземной среды оказывает высокая микробиологическая пораженность, которая может рассматриваться как с точки зрения природных условий, так и учитывая исторический аспект развития города и специфику его хозяйственного освоения.
К природным факторами, оказывающими влияние на численность и активность микроорганизмов в подземном пространстве относятся болотные отложения. Согласно многолетним исследованиям, проводимыми под руководством проф. Дашко Р.Э., негативное влияние болот на грунты и подземные воды прослеживается на глубину 50-70 метров, за счет их обогащения при нисходящем движении болотных вод. В зонах воздействия болот отмечается снижение окислительно-восстановительного потенциала (Eh ниже — 100 мв) при обогащении отложений органическими соединениями.
Следует отметить, что помимо погребенных болотных массивов, высокой степенью микробной пораженности характеризуются межморенные микулинские слои, обогащенные битуминозной органикой, которые прослеживаются в юго-восточной, восточной и северной частях Санкт-Петербурга (рис.2). Эти слои генерируют метан, азот и диоксид углерода, при загрязнении микулинских отложений – еще и сероводород.
Рис.2 Схематический геолого-литологический разрез в юго-восточной части Санкт-Петербурга [5]
К региональными источникам техногенного поступления микроорганизмов относятся канализационно-бытовые и промышленные стоки. С момента существования мегаполиса и до появления региональной сети водоотведения, строительство которой началось в Ленинграде только в 1935 году, речная система Невы и городские каналы служили местом сброса хозяйственно-бытовых стоков. Свыше 100 км городских водотоков были превращены в открытые канализационные коллекторы. Известно, что канализационные стоки содержат 58% органических веществ и 42% минеральных. В качестве примера следует привести изменение значений компонентов канализационных стоков (табл. 2). Следует отметить, что в 1 мл канализационных стоков присутствует 107-108 клеток микроорганизмов.
В настоящее время согласно официальным данным, протяженность систем водоотведения составляет 6782,5 км, из которых приблизительно 1200 км находятся в предаварийном состоянии.
Таблица 2.
Химический состав коммунально-бытовых стоков
| № п/п | Показатели | Численные значения | |
| 1 | рН, ед. рН | 6,7 | |
| 2 | БПК5 , мгО2/дм3 | 9012 | |
| 3 | ХПК, мгО2/дм3 | 18928 | |
| 4 | Перманганатная окисляемость, мгО2/дм3 | 11335 | |
| 5 | Взвешенные вещества, мг/дм3 | 5154 | |
| 6 | Гидрокарбонаты, мг/дм3 | 859,0 | |
| 5 | Азот аммонийный, мг/дм3 | 156,0 | |
| 7 | Нитраты, мг/дм3 | 1,3 | |
| 8 | Нитриты, мг/дм3 | <0,02 | |
| 9 | Сульфаты, мг/дм3 | <2,0 | |
| 10 | Хлориды, мг/дм3 | 251,0 | |
| 11 | Фосфаты, мг/дм3 | 35,4 | |
| 12 | Сероводород, мг/дм3 | 1,3 | |
| 13 | Железо общее, мг/дм3 | 18,5 | |
| 14 | Кальций, мг/дм3 | 117,9 | |
| 15 | Магний, мг/дм3 | 30,6 | |
| 16 | Натрий, мг/дм3 | 154,5 | |
| 17 | Калий, мг/дм3 | 8,4 | |
Влияние утечек из этой сети прослеживается на глубину 50 м и более, обогащая песчано-глинистые отложения в разрезе подземного пространства органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса.
Активное поступление региональных контаминантов в обводненную толщу грунтов фиксируется в местах хозяйственно-бытовых отходов. Согласно экологическим исследованиям, в центральных районах города на 1 км2 сконцентрировано от 2 до 3 тысяч тонн хозяйственно-бытовых отходов 18-19 в.
К локальным техногенным источникам принадлежат действующие и ликвидированные кладбища, уничтоженные грунтовые могильники XIII-XVI вв. в районе Шереметьевского дворца и в устье р. Охты, которые привносят в толщу грунтов белки, жиры, соединения азота, фосфора, сапрофитные и гетеротрофные микроорганизмы [1]. Согласно архивным данным, на территории мегаполиса зафиксировано 62 ликвидированных кладбища [3,4] (рис.3).
Рис. 3 Карта-схема действующих и ликвидированных кладбищ и могильников на территории Санкт-Петербурга
Кроме того, в качестве источника поступления микробиоты необходимо выделить районы засыпанной гидрографической сети (рис.4), составляющие примерно 3,7% территории города (5315 га). Большая часть объектов погребенной гидросети находится в центральных районах: на Василеостровском районе – 33% территории (555 га), в Центральном районе – 27% (475 га), в Адмиралтейском районе – 23% (310 га) и в Петроградском районе – 20% (402 га).
Рис. 4 Карта распространения погребенной гидросети на территории Санкт-Петербурга
На сегодняшний день деятельность микроорганизмов в подземной среде рассматривается со следующих позиций.
- Накопление микробной массы в виде живых и мертвых клеток микроорганизмов и продуктов их метаболизма в песчано-глинистых грунтах приводит к негативному изменению их состояния и физико-механических свойств: снижение водоотдачи и коэффициента фильтрации песков и их преобразование в состояние плывунов. Глинистые грунты трансформируются в квазипластичные разности.
- Микробная деятельность в подземной среде, в первую очередь гетеротрофных микроорганизмов в анаэробных условиях приводит к образованию органических кислот, а также к биохимическому газообразованию, в том числе метана, молекулярного азота, водорода – малорастворимых газов; диоксида углерода, сероводорода и аммиака – хорошо растворимых газов.
|
На рис. 5 показаны участки биохимической газогенерации в пределах территории Санкт-Петербурга.
Рис.5 Схематическая карта территории исторического центра Санкт-Петербурга с обозначением факторов преобразования физико-химических условий подземной среды
Накопление малорастворимых газов в водонасыщенной толще грунтов способствует появлению и развитию газодинамического давления и соответственно изменению напряженно-деформируемого состояния грунтов. Защемленные в порах мельчайшие пузырьки газа с высокой величиной поверхностного натяжения и большим внутренним давлением приводят к значительному разуплотнению песчано-глинистой толщи. В таких условиях существенно возрастает тиксотропность песчано-глинистых грунтов, что проявляется даже при незначительных динамических и вибрационных воздействиях.
Хорошо растворимые газы, такие как сероводород оказывают разрушительное воздействие на металлы и бетоны, подкисляя подземные воды.
Диоксид углерода предопределяет развитие углекислой агрессии по отношению к цементам бетонов и растворов.
Следует также отметить, что малорастворимый газ – молекулярный водород (Н2) повышает хрупкость металлов, что способствует преждевременному разрушению труб инженерных сетей, в том числе систем водоотведения.
В аэробных условиях тионовые бактерии вырабатывают серную кислоту, а нитрифицирующие микроорганизмы – азотную кислоту.
В качестве примера проявления и воздействия биохимической газогенерации в подземной среде служит перегонный тоннель Петербургского метрополитена «Обухово-Рыбацкое», расположенный в юго-восточной части города в зоне влияния микулинских газогенерирующих отложений.
Специальные исследования, направленные на оценку длительной устойчивости функционирующей трассы метрополитена, показали, что наибольшая концентрация газов приурочена к линзам водо-газонасыщенных песков, залегающих в микулинских отложениях. Модуль общей деформации этих грунтов в процессе их газонасыщения может снижаться до 5 МПа и ниже.
Следует отметить, что в пределах трассы «Обухово – Рыбацкое» активно протекают процессы биокоррозии чугунных тюбингов и цементных растворов, что подтверждается аномально высокими значениями БПК5 (до 2227,0 мгО2/дм3) и ХПК (2277,0 мгО2/дм3) в водных вытяжках, приготовленных из образцов расслоенного чугуна, тампонажных растворов и натечных форм а также данными исследования микробной массы в отобранных пробах (табл.3). Среди микроорганизмов, определенных в деградированных материалах, доминируют железобактерии, тионовые и нитрифицирующие бактерии.
Таблица 3.
Величина микробной массы (ММ) в деградированных материалах перегонных тоннелей «Обухово — Рыбацкое» [2]
| Место отбора пробы | ПК 321+35 | ПК 322+81 | ПК 324+87 | ПК 343+99 |
| Значение ММ мкг/г | 142 | 137,5 | 112,5 | 104,0 |
| Характеристика пробы конструкционного материала | Разрушенный чугун со слизью | Выщелоченный тампонажный раствор | Натечные формы на железобетонной обделке | Выщелоченный тампонажный раствор со слизью |
Кроме того, на локальных участках трассы наблюдались деформации подъёма тоннельных конструкци, выше первоначальной отметки, вызванные газодинамическим давлением в результате накопления малорастворимых газов (метана, азота) в грунтовой толще.
В современных нормативных документах проблемам биохимического газообразования и его влиянию на эксплуатационную надежность различных сооружений, а также развитию биокоррозионных процессов не уделяется внимания.
Устойчивое развитие анаэробных условий в подземной среде за счет ее обогащения органическими компонентами природного и техногенного характера создает условия для обогащения подземных вод и грунтов соединениями в восстановительной форме, прежде всего железа, серы и азота.
В анаэробной среде наблюдается развитие электрохимических процессов в металлических конструкциях, что снижает толщину стенок труб и уменьшает диаметр стальной арматуры.
В связи с этим геоэкологические исследования при оценке инженерно-геологических проблем освоения и использования ПП мегаполиса следует производить на основе его анализа как многокомпонентной системы, учитывая не только особенности природных условий, но и специфику исторического аспекта контаминации изучаемой территории, принимая во внимание ряд факторов.
- Влияние деятельности микроорганизмов на негативные изменения состояния и свойств грунтов и развитие экзогенных процессов, а также биокоррозии.
- Необходимость определения значений окислительно-восстановительного (Eh) и кислотно-щелочного (рН) параметров в полевых условиях для прогнозирования состояния водонасыщенной грунтовой толщи и развития электрохимических процессов.
- Воздействие биохимической генерации газов на напряженно-деформируемой состояние грунтовой толщи и развитие агрессивности подземной среды по отношению к конструкционным материалам.
Литература:
- Археологические исследования и проблемы сохранения культурного слоя на территории Санкт-Петербурга //Сорокин П.Е.// Археология Петербурга № 1, СПб, 1996.
- Дашко Р.Э., Власова Д.Ю., Шидловская А.В. Геотехника и подземная микробиота: Институт «ПИ Геореконструкция» — СПб. 2014.
- Исторические кладбища Петербурга. Справочник-путеводитель. Кобак А.В., Пирютко Ю.М., Санкт-Петербург, 1993.
- О кладбищах в Санкт-Петербурге, составлено членом Комиссии, учреждений для проведения в исполнении Высочайшего повеления по устройству столичных кладбищ, В. Беляевым, Санкт-Петербург. 1872 год.
- Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга// Дашко Р.Э., Александрова О.Ю., Котюков П.В. и др. Развитие городов и геотехническое строительство №13, СПб, 2011
- Сорокин П.Е. О системе расселения в Приневье в допетровское время //Сельская Русь в IX–XVI вв. – М. 2008.[schema type=»book» name=»Исторический аспект геоэкологических исследований при решении инженерно-геологических проблем освоения и использования подземного пространства мегаполисов (на примере Санкт-Петербурга)» description=»В статье рассмотрены основные источники поступления микробиоты в подземную среду. Перечислены и раскрыты основные решения инженерно-геологических проблем освоения и использования подземного пространства. » author=»Дашко Регина Эдуардовна, Горская Валентина Алексеевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-06″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]