Полная версия

Главная arrow География arrow Гидрогеоэкология городов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГОРОДОВ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОНИТОРИНГА

Решение гидрогеоэкологических задач имеет целью прогноз изменений гидрогеологической обстановки на площадке, в районе, в окрестностях водозаборов и даже в обширном регионе или в пределах целой гидрогеологической структуры. Обычный порядок решения задач таков: вначале собирается исходная информация по фильтрационным свойствам водоносных и разделяющих пластов, оцениваются закономерности фильтрационной неоднородности в плане и разрезе: по распределению напоров; по местоположению и роду границ и граничных условий; по гидрогеохимическим особенностям и закономерностям. Затем обосновывается и строится гидродинамическая модель, на основе которой решаются обратные, эпигнозные задачи, позволяющие уточнить значения и пространственное распределение геофильтрационных параметров. Эти уточнения, калиброванная и верифицированная модель, нужны для решения прямых, прогнозных задач. В этой задаче по известным, заданным параметрам определяются значения и распределение элементов потока подземных вод: напоров, напорных градиентов, линий тока и линий равных напоров. В необходимых случаях для всей области моделирования или для ее наиболее значимой в практическом отношении части решаются и миграционные задачи, позволяющие прогнозировать продвижение жидкостей, загрязненных химическими веществами, радионуклидами, микрофлорой, теплом и т.п. [14].

При решении гидрогеологических задач следует исходить из двух, как минимум, принципов. Во-первых, в подавляющем большинстве случаев гидрогеологические задачи должны иметь практическую направленность. Прогнозы изменения обстановки нужны и важны для обоснования принятия управляющих решений в направлениях охраны, защиты и реабилитации подземных вод, а также для обоснования пространственно-временной структуры гидрогеологической части экомониторинга. Во-вторых, в процессе обоснования моделей проявляется известный (Бор, Гейзенберг), но немного адаптированный «принцип неопределенности», заставляющий исследователей применять несколько независимых методов для выявления истинных значений величин и закономерностей их изменчивости. В этом смысле оценка сложившейся гидрогеологической обстановки должна вестись как можно более комплексно, с рассмотрением материалов и с применением соответствующих методов: гидродинамических, гидрогеохимических, геофизических, гидрологических, почвенных и метеорологических исследований.

Из сказанного понятно, что, только имея определенную модель процессов изменения гидрогеологической обстановки, можно претендовать на обоснованное решение прогнозных задач.

В общем случае применяемые для решения прогнозных задач модели процессов можно объединить в следующие группы.

  • 1. Детерминистические, т.е. алгебраические и дифференциальные уравнения, используемые для описания относительно простых процессов фильтрации, массопереноса, турбулентного течения в руслах и т.п. Здесь гидрогеоэкология активно использует уже наработанный массив теоретических разработок и приемов практического применения уравнений гидродинамики и тепломассопереноса. Современная компьютерная техника позволяет решать достаточно сложные задачи.
  • 2. Стохастические, т.е. вероятностно-статистические, употребляемые для описания более сложных и менее изученных процессов, таких как формирование химического состава подземных вод, взаимозависимости фильтрационных параметров и др.
  • 3. Физические, используемые для лабораторного имитирования натурных процессов.
  • 4. Картографические и графические, в том числе для этого используются ГИС-технологий.
  • 5. Концептуальные, т.е. сугубо качественные, применяемые для описания наименее изученных и сложных взаимозависимостей (например: «Повышение влажности приземного слоя воздуха при подтоплении земель увеличивает вероятность заболеваний»).

Актуальная задача — объединение этих частных моделей в систему для комплексного описания изменчивости элементарных экосистем — биогеоценозов. В 1990 г. академик Н.Н. Моисеев построил глобальную модель экосистемы Земли, на которой проиграл сценарии «ядерной зимы». Однако для более низких уровней экосистем, в частности для биогеоценозов, такие работы еще не сделаны. Такого типа локальные модели представляются более сложными в обосновании и исполнении, чем глобальные. Вообще, обоснование тех или иных моделей естественных и природно-техногенных процессов — предмет научно-исследовательских работ. При этом реализуются оба подхода: от эксперимента и наблюдения — к теоретическому обобщению и от гипотезы — к проверке ее на практике.

В гидрогеоэкологическом обосновании проекта строительства — разделе ОВОС (оценка воздействия на окружающую среду) — основными процессами часто являются следующие: подпор и подтопление территории; иссушение; загрязнение. Рассмотрим эти ситуации применительно к строительству и эксплуатации различных сооружений.

К подъему уровня грунтовых вод ведет сооружение прудов, водохранилищ, полей фильтрации, поглощающих колодцев и тому подобных устройств. При этом развитие подпора может быть достаточно длительным процессом и захватывать обширные территории. Утечки из подземных водонесущих коммуникаций приводят к тем же последствиям. Например, для центра Москвы модуль утечек составляет величину более 4 дм3/с на каждый квадратный километр. Естественное же питание грунтовых вод характеризуется модулем 2 дм3/с/км2. Таким образом, грунтовые воды в Москве получают тройное питание и реагируют на это подъемом уровня. В результате половина территории города оказывается подтопленной грязными водами из канализационных труб. При прокладке трубопроводов, сооружении фундаментов, устройстве завес и стен в грунте зачастую часть поперечного сечения потока грунтовых вод перекрывается, в результате чего перед непроницаемой преградой уровни начинают повышаться, что приводит к подтоплению или даже к частичной разгрузке потока.

Подтопление территории имеет весьма негативные последствия, которые нуждаются в прогнозировании. Подтопленные территории характеризуются сейсмичностью на балл выше, т.е. в 10 раз. При развитии подтопления в местности, сложенной лессами, создается предпосылка для просадочных явлений. Подъем уровня меняет направленность и интенсивность почвенных процессов разложения «органики». Сравнительно быстрые и полно протекающие реакции аэробного разложения заменяются медленными — анаэробными. Окислительная обстановка почвенного раствора сменяется восстановительной. На поверхности земли появляются кочки, болотная растительность, начинается деятельность сульфатредуцирующих бактерий, образуется сероводород. Большая часть древесных и кустарниковых растений при подтоплении и заболачивании гибнет. В Москве при подтоплении сосны заболевают суховершинностью, а березы — серой гнилью. В подвалах появляется вода, и даже зимой дом заражается комарами. Покрытые сыростью стены — хорошая среда для плесневых грибов, выделения которых разлагают строительный раствор, негативно влияют на здоровье людей. Наконец, подтопление приводит к заметному увеличению влажности приземного слоя воздуха, а это, в свою очередь, вредно для человека (особенно для детей) и летом, и зимой.

Иссушение, т.е. понижение уровня грунтовых вод, сопровождает работу крупных водозаборов. Хорошая сводка по влиянию отбора подземных вод на ландшафты в европейских странах подготовлена А.А. Жо- ровым. Для России работы этого направления — в периоде становления. Развитие воронок и обширных областей депрессии приводит к смене растительности, ландшафтного облика территории, плодородия почв, взаимоотношений поверхностных и подземных вод. Большая часть Московской и запад Владимирской области объединены крупнейшей в России областью депрессии в эксплуатируемых водоносных горизонтах карбона. В центре этой области данные горизонты потеряли право называться артезианскими — избыточный напор над кровлей полностью сработан и кривая депрессии вошла в водоносные известняки. К сожалению, последствия воздействия такого мощного водоотбора на ландшафты не исследуются, натурные полигоны закрываются по организационно-экономическим причинам. Можно предполагать, что иссушение скажется на наиболее уязвимых, болотных ландшафтах. Для верховых болот падение уровня болотных вод чревато торфяными пожарами. Для низинных болот сокращение грунтового питания может привести и к росту пожароопасности, и к обеднению видового разнообразия — основного показателя устойчивости экосистем. Интересным в этом отношении является сопоставление скоростей естественного нарастания торфа в среднеевропейских болотах (1 мм/год) и сработки залежи при ее осушении (8—10 см/год). Иными словами, толща торфа, накопившаяся за 2000 лет нашей эры, может исчезнуть за 20 лет.

Инфильтрационные водозаборы, располагающиеся вдоль рек, большую часть своей производительности основывают на использовании привлекаемых запасов, т.е. на речной воде, фильтрующейся к водозаборному сооружению. При этом реке наносится ущерб в виде снижения ее уровня и расхода. Этот ущерб может быть весьма значительным, вплоть до полного осушения части русла даже нерестовых рек. Традиционно при оценке запасов для такого водозабора обращают внимание на минимальные, меженные расходы реки, чтобы определить, с одной стороны, максимальный ущерб стоку реки, а с другой — заданную обеспеченность (надежность) проектируемого водозабора. Для раздела ОВОС требуется и другая, нетрадиционная модель взаимодействия водозабора с рекой в период половодий. Весной, например, на Оке, Клязьме и других незарегулиро- ванных реках затапливаемая пойма превращается в мелководный, хорошо прогреваемый, освещаемый и аэрируемый водоем — своеобразный «родильный дом и ясли» реки, где быстро растут и крепнут мальки и личинки разнообразных гидробионтов. Даже при несущественном с позиций надежности водозабора ущербе реке в 15—30 см может осушиться значительная поверхность поймы, что отрицательно скажется на продуктивности и видовом разнообразии речных обитателей.

Процессы и модели загрязнения подземных вод хорошо изучены и обоснованы современной гидрогеологией. Имеются аналитические решения и компьютерные программы, позволяющие решать даже очень сложные задачи переноса загрязняющих веществ в потоке подземных вод. Как правило, для большинства задач экологического обоснования проектов строительства оказывается достаточным применение сравнительно простых математических описаний и схем такого переноса.

Главными из используемых в настоящее время схем являются четыре.

1. Самая простая и «жесткая» — схема поршневого вытеснения. Суть ее — в предположении о равенстве скоростей потока фильтрующейся в породе воды и частиц загрязняющих веществ в нем. При этом формируется резкий, контрастный фронт, по одну сторону которого — «грязная» жидкость, а по другую — «чистая». Этот фронт перемещается со скоростью, определяемой действительной скоростью движения потока:

где к — коэффициент фильтрации породы, м/сут; / — напорный градиент потока; п — пористость породы.

Эта схема обычно дает некий инженерный запас прочности в прогнозных оценках и может применяться в сравнительно несложных и часто встречающихся условиях: однородные песчаные водоносные породы; простая пространственная и близкая к стационарной временная структура потока; несущественная роль границ.

  • 2. Схема, учитывающая процессы молекулярной диффузии. Предполагается, что частицы загрязняющих веществ перемещаются конвективно, т.е. с потоком воды (как и в первой схеме), и, кроме того, под влиянием градиента концентраций. При этом частицы загрязняющего вещества опережают фронт конвективного переноса, а частицы воды стремятся сместиться в сторону более «грязной» жидкости, где их концентрация меньше. Четкого и контрастного фронта в потоке не формируется, он «размазывается». Чем меньше проницаемость породы (и скорости фильтрации потока), тем существеннее роль диффузионной составляющей в уравнении, описывающем такое движение. Поэтому на практике по этой модели оценивают перемещение загрязнения сквозь глинистые экраны или слабопроницаемые разделяющие толщи.
  • 3. Модель гидродисперсии применяется в случаях, когда водоносный горизонт представлен слоистыми отложениями или породами, имеющими и трещины, которыми определяется их проницаемость, и поры (или другие пустоты), определяющие емкость породы. Поток воды вместе с загрязняющими веществами относительно быстро фильтруется по трещинам или по самым проницаемым пропласткам, но в то же время постоянно теряет массу и концентрацию загрязнений, уходящих в емкостные элементы породы. Фронт загрязненной жидкости при этом еще более нечеток и прихотлив. Если порция загрязнения ограничена во времени и пространстве, то водоносный горизонт с подобными свойствами может ее полностью поглотить и далекого продвижения ее может не наблюдаться. Процессы механического поглощения, сорбции (в общем случае — заполнение емкостного пространства породы) иногда и нестрого отождествляются с «самоочищающей способностью породы». Изменение гидродинамических и физико-химических условий (откачки, нагнетания, рост или снижение величин pH и Eh) могут вновь вывести загрязняющие вещества в движущийся по проницаемым зонам поток. Промывка загрязненной части потока подземных вод часто оказывается неэффективной, так как чистая вода очень быстро будет проходить по трещинам и хорошо проницаемым частям горизонта, а емкостная часть породы очень медленно и «неохотно» станет отдавать накопленные запасы загрязняющих веществ.
  • 4. Схема, учитывающая плотностную конвекцию. Эффект перемещения более плотной жидкости в нижние части водоносного пласта с вытеснением более легкой наверх известен давно. Применять эту схему следует в случаях, когда плотность загрязненной жидкости на 10—15% превышает плотность пластовой воды.

Выбор той или иной схемы определяется, кроме естественных особенностей самого процесса, еще и такими характеристиками, как представительность, достоверность, требования к необходимой и достаточной точности.

Представительность используемых при прогнозе величин определяется естественной неоднородностью объекта и методологическим принципом, который можно назвать «тройным тождеством». Этот принцип, вероятно, пригоден для многих естественно-научных прикладных задач и направлений и заключается в единстве и необходимом соответствии трех ключевых понятий: ЦЕЛЬ, МАСШТАБ, МЕТОД. Можно пояснить это на примере выбора значений коэффициента фильтрации. Если требуется оценить продвижение загрязняющего вещества от источника к дренажной скважине, то объем охваченного таким потоком водоносного пласта может иметь малые размеры, единицы и десятки метров, что заставит изучать проницаемость пород соответствующими методами: лабораторными, расходометрией, боковым каротажным зондированием и т.п. Проницаемость в данном случае определяется отдельными, наиболее раскрытыми порами и трещинами, текстурными и структурными особенностями сложения весьма ограниченного объема пласта. В этом случае может не потребоваться понятие водоносного горизонта. Если же требуется дать прогнозную оценку развитию воронки депрессии от крупного водозабора на 25 лет его работы, то поле ее развития захватит значительные пространства: по вертикали — всю мощность горизонта и, чаще, даже сопредельные водоносные и разделяющие пласты; в плане — расстояния в километры и первые десятки километров со всеми речками, болотами, существующими водозаборами и т.п. Проницаемость в этом случае будет определяться региональными закономерностями изменений фильтрационных свойств, и оценка их должна вестись совершенно другим комплексом методов: длительными кустовыми откачками; режимными наблюдениями и их интерпретацией. Представительность часто используемых результатов лабораторного определения коэффициента фильтрации не очевидна, ее всегда нужно обстоятельно и специально обосновывать.

Достоверность принимаемых в расчеты величин также определяется соотношением естественных свойств объекта (потока подземных вод) и обоснованности метода исследования. В качестве примера можно привести проделанное лет 15 тому назад изучение явления подтопления главного здания МГУ с помощью биолокации. Оператор, неся в руках рамку, проходил по полу подвалов и затем отмечал особенности поведения этого «измерительного прибора». В результате была составлена карта направлений потока грунтовых вод, не выдерживающая никакой критики с позиций гидрогеологии. На этой карте линии тока выходили и входили в непроницаемые границы, пересекались и т.п. При этом результаты даже не обсуждались; теоретические основы такого, с позволения сказать, «метода» отсутствуют или совершенно невразумительны.

Точность входящих в расчеты величин очень важна в случае экологического обоснования проектов. При составлении раздела ОВОС разработчик сталкивается с величинами различного происхождения, измеренными с совершенно различной точностью. Например, при прогнозе притока вод в котлован строящегося здания геометрические его размеры даются с точностью чуть ли не до миллиметра, а проницаемость водоносных пород — до порядка величины с размерностью м/сут. В этих условиях часто появляется и нередко реализуется соблазн выдать результат — расход потока с точностью не менее четырех-пяти знаков после запятой, что является не только неграмотным, но и вредным.

Здесь, как представляется, уместно затронуть вопрос о профессиональной подготовке авторов — разработчиков разделов ОВОС в различных проектах. Помимо субъективных изъянов в подготовке, есть и объективные несоответствия. ОВОС — единственный раздел проекта, имеющий двойственный характер. С одной стороны, как часть проекта он представляет собой технический документ и должен готовиться в соответствии с требованиями действующих СНиП и ТУ. Но, с другой стороны, ОВОС — это прогнозная оценка, т.е. продукт научной работы. Паспорт специалистов инженерного профиля не предполагает обязательного умения прогнозировать сложные процессы воздействия сооружения на природную среду. Необходимо уметь ставить и решать прогнозные задачи. Эти несоответствия минимальны для специалистов-гидрогеологов, получающих разностороннее и комплексное образование.

Собственно оценка воздействия на окружающую среду проводится серией научных методов, дающих в лучшем случае количественную прогнозную оценку, а чаще — полуколичественную, в баллах. Последний способ удачен тем, что позволяет сравнить результаты для разных компонентов экосистемы в единой безразмерной оценке. Здесь используются наиболее абстрактные, математические модели для прогноза — детерминистические и стохастические, применяются картографические способы прогнозных оценок, а в самых трудных случаях — концептуальные модели и экспертные оценки.

Раздел ОВОС заканчивается предложениями по природоохранным мероприятиям. Здесь уместно сделать два замечания. Во- первых, все предложения должны хорошо обосновываться. Для этого проводится оценка эффективности предлагаемого на моделях с помощью расчетов или по аналогии. Возможность применения ссылок на полезный опыт применения мер в других местах нуждается в отдельном обосновании. Во-вторых, практика определяет необходимость проектирования не только охранных, но наряду с ними мер защиты и реабилитации компонентов природной среды. ОВОС должна определенно ответить на эти вопросы. При этом под охраной подземных вод понимается научно обоснованный регламент хозяйственной деятельности, включающий запретительные и разрешительные меры. Типичные примеры охранных мер — зоны санитарной охраны водозаборов с различными по жесткости ограничениями в трех концентрических округах. Продолжается работа по включению принципов охраны подземных вод в Положение о водоохранных зонах, которое пока формально нацелено только на сбережение поверхностных водотоков и водоемов. На очереди такое же по смыслу гидрогеологическое рассмотрение СанПиН, устанавливающих границы и регламент санитарно-защитных зон вокруг предприятий. Все водоохранные меры требуют специального инженерного и экологического обоснования, т.е. самостоятельного проектирования.

Под защитой понимается инженерное воздействие с целью изоляции загрязнения или локализации сформировавшегося пятна загрязненных вод. В случае истощения запасов подземных вод защита предполагает применение мер искусственного пополнения (ИППВ): инфильтрационных бассейнов, магазинирования и др. Распространенными средствами защиты являются экраны из естественных и искусственных материалов. Полимерные пленки, используемые для изготовления экранов, пока еще очень дороги сами по себе и за счет трудоемкой подготовки основания для их укладки, тщательной сварки рулонов и защиты от механических повреждений. Кроме того, большинство пленочных полимеров могут стареть, мономеризо- ваться и терять свои изолирующие свойства. Естественные экраны изготавливаются из глин и тяжелых суглинков. Они дешевле и проще в технологии укладки. Их недостатком является заметное (возможно, на два порядка) увеличение проницаемости при фильтрации минерализованных растворов. К защитным мерам относятся дренажи пластовые и контурные, горизонтальные дрены и дренажные канавы, вертикальный дренаж скважинами и отвлекающие водозаборы. Общим недостатком этого рода защитных мер является их низкая эффективность по отношению к исходной концентрации загрязнителя — поток подземных вод разбавляет его с внешней от источника стороны.

Реабилитация (ремедиация) подземных вод и зоны аэрации как комплекс мер, направленных на возвращение им экологически приемлемых свойств и качеств, проводится как на месте (in-situ), так и с извлечением (ex-situ). Для очистки загрязненных подземных вод используют закачку реагентов в пласт, инициирование деятельности бактериальной микрофлоры, разлагающей органические загрязнители, и другие методы. В окрестностях г. Вольфен (Германия) загрязненную подземную воду откачивают, аэрируют, отстаивают, фильтруют и снова закачивают в водоносный пласт. Успехи в реабилитации подземных вод пока весьма скромные, и в этом отношении хорошо следовать известному в медицине принципу — всякая профилактика в сто раз дешевле и эффективнее лечения.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>