Экология почв военных полигонов
Олег Владимирович Базарский
Жанна Юрьевна Кочетова
Перед авторами книги стояла довольно сложная задача – по возможности сжато и информативно охарактеризовать состояние проблемы экологической опасности военной деятельности в различных странах, оставаясь на уровне допустимого изложения, то есть, используя открытые источники информации.Приведены факты трансформации экологических функций литосферы на территориях военных баз, полигонов, ведения войн и вооруженных конфликтов. Приводятся закономерности трансформации и распределения в почвах на территориях объектов военной деятельности различных стран взрывчатых и отравляющих веществ, металлов. Предложена модель для оценки состояния и прогноза деградации рельефа полигона. Представлены алгоритмы для оценки медико-экологических рисков, вызванных военной деятельностью. Монография представляет интерес для широкого круга специалистов, интересующихся динамикой геоэкологических процессов: военным экологам, специалистам в области здравоохранения, аналитической химии, социологии, почвоведения
Жанна Кочетова, Олег Базарский
Экология почв военных полигонов
Введение
Человек совершил огромную ошибку, когда возомнил, что может отделить себя от природы и не считаться с ее законами.
В.И. Вернадский
Причина обострения военно-экологических проблем – создание оружия, способного причинять природе такой вред, который превышает ее возможности к самовосстановлению. XX и XXI века печально известны событиями, связанными с нанесением значительного экологического ущерба в ходе военных действий территориям многих государств. Достаточно вспомнить экологические последствия Великой Отечественной войны [13], бомбардировки Хиросимы и Нагасаки [64, 82], войны в Индокитае [4], Персидском заливе [46], бывшей Югославии [58], Афганистане [60], Ираке [69], Сирии [78]. Объединив потенциал науки, техники и экономики, современное общество направило огромную часть сил и средств на уничтожение противника и разрушение окружающей среды. В топке военных расходов России, США, Китая, стран ЕС сожжены десятки триллионов долларов. Даже части этой суммы хватило бы на обеспечение всех людей в мире качественной питьевой водой, достаточным количеством пищи, лекарствами.
Вместо этого активно разрабатывается более мощное оружие и средства воздействия человека на окружающую среду в военных целях. Известны ведущиеся разработки по искусственному разрушению слоя озона, рассеиванию и образованию облаков и туманов, инициированию землетрясений, созданию приливных волн типа цунами и зон возмущений в ионосфере, управлению тропическими циклонами, использованию атмосферных течений для переноса радиоактивных и токсичных веществ.
О последствиях воздействия экологического оружия на природу свидетельствуют расчеты, проведенные американскими учеными. Они установили, что снижение в США среднегодовой температуры всего на один градус, сопровождаемое увеличением осадков на 12, %, приведет к такому повышению количества заболеваний среди населения, что суммарные экономические потери могут составить более 100 млрд долларов в год. Аналогичные изменения приведут к снижению урожайности пшеницы в основных зернопроизводящих странах (США, Аргентина, Австралия, Канада, Франция) на 15–17 %. Для России эти цифры из-за своеобразных физико-географических и погодно-климатических условий в будущем могут составлять 20–37 % [77].
Перед авторами монографии стояла довольно сложная задача – по возможности сжато и информативно охарактеризовать состояние проблемы экологической опасности военной деятельности в различных странах, оставаясь на уровне допустимого изложения, то есть, используя открытые источники информации. В Российской Федерации отмечается повышение интереса со стороны специалистов и общественности к влиянию объектов военной деятельности на окружающую среду и качество жизни людей, однако никаких систематических исследований не проводится. Существуют разрозненные и часто противоречивые сведения о нанесенном ущербе в результате проведенных учений, утилизации боеприпасов, испытаний и эксплуатации военной техники. Министерством обороны РФ выделяются немалые средства на экологические мероприятия, но надо признать, что проблему, если ее не удается скрыть, решают постфактум и не всегда успешно.
Материалы I главы этой книги показывают, что военная деятельность в том виде и объемах, в каких она осуществляется в настоящее время, уже привела к нарушению природных характеристик огромных территорий. Очевидно, что последствия этих изменений для биосферы и человека будут катастрофическими, уже сейчас требуется вмешательство специалистов и огромные средства на восстановление разрушенных экосистем. Вследствие военных действий нарушены все экологические функции геосферных оболочек Земли, но наиболее интенсивному и длительному воздействию подвержены литосферные (изменение ландшафтов, деградация почв, химическое и физическое загрязнение). Для восстановления масштабных территорий необходимо знать взаимосвязанные процессы распространения и трансформации основных загрязнителей, к которым относятся энергетические соединения (взрывчатые вещества и некоторые топлива), боевые отравляющие вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы и различные продукты их преобразования. К наименее изученным химическим загрязнителям, несмотря на то, что экологический ущерб от них колоссален, относятся энергетические вещества и тяжелые металлы. Они десятилетиями накапливаются в почвах, фильтруются в нижние слои горизонта и заражают подземные воды. Эта проблема остро стоит на всех предприятиях мира по производству оружия, военных полигонах и полигонах для утилизации боеприпасов, местах хранения и испытания нового вида боеприпасов и ведения боевых действий.
Вторая глава посвящена анализу сведений о распространении и различных путях трансформации в почвах токсичных металлов, взрывчатых и отравляющих веществ. Представлены физико-химические свойства распространенных загрязнителей почв объектов военной деятельности; нормы содержания в почвах и грунтах основных загрязнителей, установленные в разных странах мира. Интерес представляют сведения о длительном химическом загрязнении почв и грунтов на различных полигонах мира, которые могут быть полезны для решения задач при восстановлении земель с целью их дальнейшего мирного использования.
В третьей главе авторами приведены известные ранее и полученные в результате собственных исследований данные по трансформации экологических функций литосферы на типичном военном полигоне общего назначения «Погоново» (г. Воронеж). Представлены геологические особенности расположения полигона; результаты исследований влияния утилизации боеприпасов и бомбардировок на сейсмологическую активность земли и деградацию рельефа; результаты развернутого геохимического анализа загрязнения почв полигона тяжелыми металлами. Построена математическая модель для оценки деградации почв полигона и прогноза их самовосстановления при различных уровнях энтропии в системе.
Заключительная глава посвящена известным подходам к оценке медико-экологических рисков и опасностей, вызванных военной деятельностью. Приведены результаты выявления эколого-обусловленных заболеваний населения территории типичного авиационно-ракетного кластера на территории РФ.
Глава I
ВЛИЯНИЕ ВОЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ
Литосфера – твердая оболочка планеты, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии. Этот слой является наиболее преобразованным под воздействием антропогенной деятельности, что влечет ряд негативных последствий для человечества и планеты. Еще в середине XX в. В.И. Вернадский назвал человечество крупнейшей геологической силой, изменившей весь облик Земли. Высокая степень воздействия на литосферу связана с тем, что на ее поверхности происходит жизнедеятельность человека, из литосферы он получает минеральное и энергетическое сырье, на ней осуществляется его хозяйственная и военная деятельность.
Важными экологическими проблемами воздействия человека на литосферную оболочку в мирное и военное время являются: истощение природных ресурсов, изменение поверхности литосферы, уплотнение почвы, снижение в ней содержания гумусовых веществ, эрозия, опустынивание, засоление, заболачивание, химическое и физическое загрязнение почв (и, как следствие, подземных вод). В мирное время военную деятельность можно рассматривать как сочетание промышленной, коммунальной и научной деятельности. Но даже в этом случае ущерб окружающей среде от военно-промышленного комплекса, военных баз, аэродромов, полигонов различного назначения сопоставим с воздействием на окружающую среду крупной промышленной отрасли (например, металлургической). В период активных боевых действий военная деятельность приобретает иные, свойственные только ей, черты [80].
1.1 Нарушение ресурсной экологической функции литосферы
Под ресурсной экологической функцией понимается роль минеральных, органических, органоминеральных ресурсов литосферы, а так же ее геологического пространства для жизни и деятельности биоты как в качестве биоценоза, так и человеческого сообщества как социальной структуры.
Военная деятельность существенным образом затрагивает ресурсы геологического пространства. Площадь территорий, принадлежащих военным ведомствам и не используемых для других целей в силу секретности и опасности объектов, по разным данным оценивается в 750 тыс.–1,5 млн км
. Под военные базы и формирования заняты значительные территории от общей площади различных стран (например, до 16, 75 % в Белоруссии) [42]. В Западной Европе в военных целях используют от 1 до 3 % территории, еще значительная часть ощущает на себе косвенное или временное воздействие со стороны вооруженных сил [16]. Во многих случаях это лесные массивы, плодородные земли и пастбища, изъятие которых из сферы промышленного и сельскохозяйственного производства отрицательно сказывается на общем экономическом потенциале государства и жизненном уровне населения.
Для расширения политического и экономического влияния ведущие страны мира размещают военные базы далеко за пределами своих границ. Так, китайские военные базы размещены в 4 странах мира, индийские – в 6, турецкие – в 10, российские и французские – в 13, британские – в 16, американские военные присутствуют в 51 стране мира. Кроме того, существуют сотни подземных военных баз, разбросанных по всему миру. Например, шведский подземный объект в Муско – большая военно-морская база, построенная под горой. Только больница в этом учреждении вмещает более 1000 коек. При строительстве базы было взорвано более 1500000 кубометров камня [248]. Другой пример – база подводных лодок в Балаклаве (Крым). Этот объект представляет собой сооружение противоатомной защиты первой категории (защита от прямого попадания атомной бомбы мощностью 100 кт), включающее в себя комбинированный подземный водный канал с сухим доком, цеха для ремонта, склады ГСМ, минно-торпедную часть. Располагается в горе Таврос, по обеим сторонам которой находятся два выхода. В канале (длина 602 метра) объекта могло разместиться 7 подлодок. Глубина канала достигает 8 м, ширина колеблется от 12 до 22 м. Общая площадь всех помещений и ходов завода 9600 м?, площадь подземной водной поверхности равна 5200 м?.
По данным Министерства обороны РФ на сентябрь 2016 г. Вооруженные силы России имели в своем распоряжении 135 военных полигона [50]. А на январь 2020 г. численность общевойсковых полигонов возросла до 143 [12].
На местности полигон чаще всего представляет собой многоугольник – ограниченную территорию (земельный и/или водный участок) и воздушное пространство над ней. Небольшие военные полигоны занимают площадь от нескольких десятков до нескольких сотен км?. Личный состав войсковых, флотских и авиационных подразделений, прибывающих на полигон для учений или испытаний, размещается во временных палаточных лагерях. Крупные полигоны, помимо участка площадью до нескольких тысяч км
, имеют стационарные военные городки с жилыми зданиями и административно-хозяйственными постройками. Их нередко размещают в регионах с суровыми климатическими и почвенно-растительными условиями (тундра, полупустыня, пустыня) для минимизации ущерба при выведении из хозяйственного оборота больших земельных площадей.
Из-за сложной политической обстановки и новой гонки вооружений география военных баз с каждым годом расширяется (рисунок 1). В шести часовых поясах к востоку от Москвы на замерзшем ландшафте Новосибирских островов построена новейшая военная база Российской Федерации «Северный Клевер».
Рис. 1. Российские военные базы в Арктике
Комплекс рассчитан на размещение до 250 военнослужащих, в нем достаточно припасов, чтобы они могли жить и работать более года без помощи внешнего мира. Российские военные заявляют, что «всего в Арктике на островах Котельный, Врангеля, Земля Александры и мысе Шмидта за шесть лет (с 2012 г., прим. авт.) возведено 475 объектов общей площадью 710 тыс. м
. В них размещены военнослужащие, специальное вооружение и техника» [51]. В ближайшее время Пентагон планирует резко нарастить силы за полярным кругом, чтобы оспорить право России на природные ресурсы до хребта Ломоносова и владение Северным морским путем.
В XXI веке войны и вооруженные конфликты происходили и происходят в большинстве регионов Восточного полушария (интервенция в Ирак, гражданские войны в Судане и Йемене, конфликты в Ливане, израильско-палестинский конфликт, война в Сирии, суданско-южносуданская война, война в Ираке, интервенция в Йемен, иракско-курдский конфликт). Всего за первые 23 года нового столетия насчитывается порядка 50 войн и вооруженных конфликтов, в том числе в Европе, Закавказье, Африке, Среднем и Ближнем Востоке, Южной и Юго-Восточной Азии. Во второй половине 20-го столетия более 90 % крупных вооруженных конфликтов произошли в странах, на территориях которых расположены так называемые «чувствительные зоны» биологического многообразия, и более 80 % конфликтов происходили именно в этих районах. Такие зоны занимают всего 2,3 % планеты и чрезвычайно восприимчивы к человеческому вмешательству [13].
Площади территорий, которые периодически подвергаются влиянию военной деятельности, еще обширнее. К ним относятся в первую очередь районы падения отработавших ступеней ракет, полигоны для маневров, учебных выходов на местность [14, 16]. Наличие в России и мире мощной наземной космической инфраструктуры и ее развитие усугубляют проблемы обеспечения экологической безопасности огромных районов. Эти проблемы имеют глобальное значение в контексте безопасности всей военно-космической деятельности.
В России для обеспечения запусков и испытаний ракет, работы техники государственной авиации используются более 200 земельных участков общей площадью около 20 млн га [38]. Существующие ракетно-космические системы характеризуются низким коэффициентом полезного действия (до 3 %). Они реализованы по многоступенчатой схеме: включают от 2 до 6 ступеней и множество других отделяемых элементов, каждый из которых отбрасывается после исполнения своей функции в процессе выведения в космос полезной нагрузки космического аппарата. Эти обстоятельства лежат в основе основных экологических проблем в районах падения, которые расположены вдоль трасс полетов запускаемых систем. С какой бы точки Земли (с суши, водной поверхности или из атмосферы) не производился запуск космического объекта, экологическая опасность от падения его отделяющихся частей существует и будет существовать, даже при полетах перспективных аэрокосмических самолетов (в случае их аварии).
Наименее опасны с точки зрения воздействия на окружающую среду представляются районы падения головных обтекателей. Их общая площадь на территории России составляет 5259000 га, то есть примерно 25 % от всей площади районов падений. Значительное загрязнение окружающей среды происходит в результате отделения вторых ступеней ракет типа «Союз» и «Молния», когда падают два крупных фрагмента. Суммарная площадь этих районов составляет 4662000 га (23 % от площади районов падения). Падение первых ступеней ракет «Зенит» и «Энергия» также сопровождалось засорением фрагментами, суммарная площадь районов их падения составляет 1428800 га. Примерно на половине территорий, загрязняемых в результате запусков ракет, основное вредное воздействие вызвано механическим мусором (рисунок 2) [14].
Рис. 2. Космическая помойка на Алтае (фотографии Алтайского В. [3])
Экологическую опасность представляет ракетное топливо НДМГ (несимметричный диметилгидразин), которым заправляют тяжелые российские ракеты-носители типа «Протон», стоящие на боевом дежурстве межконтинентальные ракеты типа 15А18, 15А35, а также конверсионные ракеты-носители «Рокот», «Стрела», «Днепр» [14, 15]. При падении на землю первые ступени ракет самопроизвольно взрываются, что вызывает рассеяние в атмосферу и разлив высокотоксичных компонентов. Общая площадь таких районов оценивается в 1 млн га.
В бывшем СССР и России в связи с внутриконтинентальным расположением космодромов проблема районов падения чрезвычайно остра. Преобладающая площадь районов падения приходится на внутреннюю часть Евразии. Ситуация усложнилась после распада СССР: значительные территории Казахстана, России (республики Алтай и Коми, Якутия, Архангельская область и др.), Туркменистана, Узбекистана поражены негативным воздействием запусков ракет-носителей, а ресурсов и реальных возможностей для нейтрализации вредных последствий космической деятельности явно недостаточно. На сегодняшний день подобные проблемы существуют и в Китае.
В западных ведущих космических державах (США, Франция) исторически сложилось так, что используются преимущественно районы падения, находящиеся в акваториях морей и океанов (мыс Канаверал, округ Ванденберг, европейский космодром Куру в Южной Америке и др.). Морские районы падения частей ракет-носителей, как правило, находятся за пределами национальной территории государства, осуществляющей запуск. Это снижает негативные последствия, так как, взаимодействуя с перемещающимися воздушными массами, отходы от запусков ракет-носителей пока растворяются и нейтрализуются, а не накапливаются в локальном месте.
К лидерам разрушения земной поверхности и ландшафтов относят сухопутные войска. Масштабные изменения рельефа происходят при проведении боевых учений на местности. Инженерная подготовка учебных театров военных действий требует возведения многочисленных фортификационных сооружений, протяженных траншей, окопов, ходов сообщения и противотанковых рвов. При этом перемещаются огромные массы грунтов, что создает искусственно расчлененный «военизированный» антропогенный рельеф. Большинство военных полигонов в Российской Федерации было построено в середине прошлого века. С ростом технической оснащенности армии потребность вооруженных сил в земельных угодьях постоянного и временного использования продолжает расти. Так, в период Великой отечественной войны мотопехотному батальону (600 человек) требовалось для маневров 16 км
, сейчас – в 20 раз больше. Если учесть, что современные военные учения проводятся на очень больших территориях, то площадь с измененным рельефом может достигать тысяч км
[82].
О возможных масштабах изменения ресурсной экологической функции литосферы можно судить по старейшему полигону на территории России. Это артиллерийский полигон, построенный в 1930 г. в Нижнем Тагиле. В годы Великой Отечественной войны на нем проводили испытания продукции 182 заводов, вели сборку боеприпасов для фронта. В послевоенные годы деятельность полигона была переориентирована на научно-практическую работу по совершенствованию боеприпасов, отработке новых высокоэффективных систем вооружений. Сегодня ФКП «НТИИМ», работающий в интересах более 100 предприятий России, является межотраслевым научно-исследовательским полигоном национальной значимости и головной организацией по полигонному приборостроению. Он занимает боевое поле площадью 78 км
[66]. Такие масштабные территории с вековой историей испытаний оружия и боеприпасов даже при проведении рекультивации еще долгое время будут характеризоваться пониженным качеством земель.
1.2 Нарушение геодинамической экологической функции литосферы
Геодинамические экологические функции литосферы отражают ее способность влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы и явления. Их развитие в природных условиях связано с внешними космическими факторами и со сбросом (разрядкой) напряжений в геофизических полях Земли, а воздействие геологических процессов на биоту – с перемещением вещества земной коры и преобразованием рельефа [81].
Военные действия включают передвижение войск, создание фортификационных сооружений (окопов, противотанковых рвов, блиндажей и т.д.), боевые действия по уничтожению противника (бомбардировки, запуски ракет, взрывы), испытания оружия. При этом активизируются геологические процессы, изменяется рельеф, состав и структура пород. В зависимости от длительности и мощности военных мероприятий изменяются интенсивные и экстенсивные геологические процессы, связанные с внутренними (эндогенные геологические процессы) и внешними (экзогенные процессы) силами Земли. Эти изменения негативно сказываются не только на безопасности проживания людей, но и на условиях существования всего живого.
Наибольший ущерб природе нанесен войнами XX-XXI вв., что вызвано разработкой мощнейших видов вооружения. Новые типы взрывчатых веществ дают взрывы огромной мощности, пушки стреляют под большим углом и с большей дальностью, снаряды падают на землю, глубоко проникали в почву. Дальнобойность орудий увеличилась настолько, что они стали стрелять по невидимой цели. Неминуемое увеличение рассеивания снарядов приводит к стрельбе не сообразно целям, а сообразно площадям. В связи с изменением боевых порядков войск на смену разрывным бомбам гладкоствольных орудий пришли шрапнель и гранаты (артиллерийские, ручные, винтовочные и др.). Обычные фугасы дают огромное количество осколков, что является дополнительным поражающим фактором, губящим не только врага, но и природу. Авиационные бомбы также имеют большое рассеивание и проникают в почву глубже, чем артиллерийские снаряды того же веса.
Каждый килограмм взрывчатого вещества обычной бомбы вызывает разрушение экосистемы на площади 12,5 м
. Размеры воронок, образуемых авиационными бомбами, зависят от глубины взрыва и состава пород в приповерхностной зоне. При взрыве бомбы мощностью 3 т в тротиловом эквиваленте размеры воронок в супесях и суглинках составляют 3 м в глубину и 25 м в диаметре, в вулканическом песке – 7 м в глубину и 20 м в диаметре, в торфах – 15 м в глубину и 5 м в диаметре.
Статистический анализ экспериментальных данных о размерах воронок химических и ядерных наземных взрывов с сопоставимыми высотами центра тяжести и тротиловыми эквивалентами (1?5000 и 300?14300 т соответственно) показал, что с уменьшением приведенной высоты ядерных взрывов приведенные размеры воронок возрастают и приближаются при заглублении заряда к характерным для взрывов взрывчатых веществ, оставаясь при этом значительно меньше. С увеличением глубины взрывов различия в механическом действии ядерных и химических взрывов уменьшаются. Зависимости параметров воронок от тротилового эквивалента при крупномасштабных наземных взрывах согласуются с принципами энергетического подобия и в пределах погрешности измерений не зависят от силы тяжести [2]. На рисунке 3 показаны фотография и характерный профиль воронки наземного взрыва взрывчатого вещества. В работах [1, 95] представлены некоторые результаты исследований параметров воронок при крупномасштабных наземных взрывах, проведенных на различных испытательных полигонах. Мощность взрывов (даже не ядерных) современных боеприпасов такова, что высокоточные удары по технической инфраструктуре приводят к значительным экологическим последствиям.
Рис. 3. Фотография наземного взрыва взрывчатого вещества с тротиловым эквивалентом 5 000 т и профиль воронки (радиус воронки по свободной поверхности 55 м, радиус воронки по навалу 70 м, радиус навала грунта 360 м, радиус разлета кусков породы 1 500 м, глубина воронки от свободной поверхности 21,4 м, объем воронки по свободной поверхности 120000 м
, штриховая линия – заряд)
Передвижение войск, осуществляемое часто вне дорог и на гусеничном транспорте, приводит к разрушению, а нередко и уничтожению почвенного и растительного покровов, возникновению очагов дефляции (выдувания почвенного горизонта), ускорению линейной и плоскостной эрозии. Особенно значим этот эффект в районах Крайнего Севера, пустынях и полупустынях с незначительным растительным покровом. Так, в Египте в начале 40-х гг. из-за боевых действий резко увеличилось число пылевых бурь. Передвижение войск привело к распылению маломощных почв, а переселившиеся из мест ведения боев жители способствовали этому процессу, вырубая на топливо кустарники [19, 85].
Нарушение или удаление почвенного покрова для предотвращения наступления противника является распространенным примером действий, которые изменяют его физические характеристики и гидрологический режим в районе боевых действий. Строительство подземных городов и туннелей, которые использовались для обороны и эвакуации мирного населения, связано с перемешиванием и изъятием десятков тонн ферралитной почвы. Военное туннелирование практиковалось во время гражданской войны в США, Второй мировой войны, войны во Вьетнаме [132, 210, 211].
Создание фортификационных сооружений приводит к изменению рельефа, образованию выемок и отвалов, погребению почвы и уничтожению растительности. Эти сооружения на сельскохозяйственных угодьях, особенно в равнинных условиях, усиливают процесс заболачивания и засоления, что негативно отражается на плодородии земель. В Европе во время Первой мировой войны на 1 км фронта в среднем приходилось от 15 до 30 км траншей, а протяженность оборонительных рубежей, построенных с июня 1941 по сентябрь 1942 г. на европейской части нашей страны, составила 25 тыс. км, то есть на 1 км фронта обороны или исходного положения приходилось 8–10 км траншей и ходов сообщения [82].
Движение колонн, маневры колесных и гусеничных тяжелых транспортных средств являются еще одним важным фактором, который влияет на почву. Уплотнение почвы является основным негативным последствием перемещений военных, при этом значительно изменяются ее гидравлические свойства, она становится более уязвима к эрозии. В насыщенных почвах избыточная нагрузка может привести к разжижению, что приведет к различным проблемам, включая образование грязи [263].
Бомбы и снаряды, противотанковые и противопехотные мины вызывают образование воронок (кратеров) и холмистости, при этом происходит перемешивание почвенных горизонтов, нарушается ландшафт, значительно меняется топография местности. Сама установка мины может вызвать значительное возмущение почвы. После активации мины почва, ее окружающая, загрязняется пластиковыми и металлическими фрагментами, а также остатками взрывчатых веществ.
