Дисертацією є рукопис
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО
ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА
АБРАМОВ Ігор Борисович
УДК 502.7+556+504.054 (477)
ФОРМУВАННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД
ПРОМИСЛОВО-МІСЬКИХ АГЛОМЕРАЦІЙ
(науково-методичні аспекти екологічної безпеки)
21.06.01 Екологічна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Сімферополь – 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському державному відділенні комплексних досліджень і оцінки впливу на навколишнє середовище (ХДВ КДІОВНС) інституту “УкрНДІІНТВ” Мінбуду України.
Науковий консультант: доктор геолого-мінералогічних наук, професор
ЛУЩИК Анатолій Васильович, Український Державний геоло-горозвідувальний інститут, Кримське відділення, головний науко-вий співробітник відділу еколого-геологічних та геодинамічних досліджень (м. Сімферополь).
Офіційні опоненти доктор геолого-мінералогічних наук, доктор
географічних наук, доктор технічних наук, професор
РУДЬКО Георгій Ілліч, Державна комісія України по
запасам корисних копалин, голова (м. Київ);
доктор технічних наук, професор
тРофимчук Олександр Миколайович, Інститут телекому-нікацій і глобального інформаційного простору НАН України, заступник директора з наукової роботи (м. Київ);
доктор технічних наук, професор
Демчишин Михайло Гордійович, Інститут геологічних наук НАН України, завідуючий відділом інженерної геології, профе-сор кафедри геобудівництва і гірничих технологій Київського політехнічного інституту (м. Київ).
Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ).
Захист дисертації відбудеться “1” червня 2007 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 52.079.03 у Національній академії природоохоронного і курортного будівництва, за адресою:
95000, м. Сімферополь, вул. Київська, 181, корпус 2 (вул. Павленко, 5).
Із дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національної академії природоохоронного і курортного будівництва, за адресою:
95000, м. Сімферополь, вул. Київська, 181.
Автореферат розісланий “24” квітня 2007 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент О. І. Пашенцев
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Приблизно 70населення України проживає в містах і населених пунктах міського типу, де знаходяться основні промислові підпри-ємства країни. Ці населені пункти в своїй більшості є промислово-міськими агломераціями (ПМА), які з певними природними геологічними структурними комплексами складають єдині природно-техногенні системи (ПТС), і значною мірою впливають на їх розвиток у часі та просторі.
Під техногенним впливом змінюється стан геологічного середовища (ГС) і умови формування підземних вод. Техногенні та природні зміни стану й умов формування підземних вод обумовлює порушення екологічної безпеки.
Наприклад, за даними, наведеними в “Національній доповіді про стан нав-колишнього природного середовища в Україні у 2000 році”, зазначено, що під-топлення простежується на територіях понад 500 міст і селищ міського типу, де підтоплені площі складають 30від їх загальної площі.
Загострення проблеми екологічної безпеки внаслідок порушення природного водного балансу ГС викликало необхідність розробки науково-обґрунтованих підходів до оцінки впливу техногенних чинників на умови формування підземних вод на територіях ПМА.
За останні десятиліття в Україні й інших країнах світу накопичено значний досвід вивчення змін гідрогеологічних умов під впливом господарської діяльності. Однак і досі залишаються актуальними дослідження, спрямовані на оцінки впливу глибини освоєння підземного простору, додаткового техногенного живлення підземних вод, можливого проникнення техногенних фільтраційних втрат у підземний простір ГС; типізацію геофільтраційних схем, і на її основі – районування по ідентичності умов формування підземних вод на територіях ПМА. Вищезгадане необхідне для розробки охоронних і захисних заходів щодо забезпечення екологічної безпеки життєдіяльності у ПМА і залишається актуальним.
На актуальність цієї проблеми вказується в Постанові Кабінету Міністрів України від 15 лютого 2002 р. № 160 “Про затвердження Комплексної програми ліквідації наслідків підтоплення територій у містах і селищах України”.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах наукових програм, тем і для наукового обґрунтування нормативних документів всеукраїнського і міжнародного рівнів:
- “Наукової програми з проблем стандартизації, сертифікації та еталонної бази” і в її складі при розробці державного нормативного документу ДБН А.2.2-1-1995 “Склад і зміст матеріалів оцінки впливу на навколишнє середовище (ОВНС) при проектуванні і будівництві підпри-ємств, будинків і споруд. Основні положення проектування”, затверджених наказом Держкоммістобудування України від 28 лютого 1995 р. № і Мінекобезпеки України від 5 квітня 1995 р. № та введених в дію з 01 липня 1995р.
- “Наукової програми з проблем стандартизації, сертифікації та еталонної бази” (код 40205) відповідно листу Мінекономіки від 19.01.2001 р. № 12-31/19 і наказу Держбуду України від 2.04.2001р. №83 по розробці державного нормативного документа ДБН А.2.2-1-2003 “Склад і зміст матеріалів оцінки впливу на навколишнє середовище (ОВНС) при проекту-ванні і будівництві підприємств, будинків і споруд”, відповідно рішенню колегії та наказу Держбуду України від 15.12.2003р. № 214 введені в дію з 1.04.2004р.
- “Наукової програми з проблем стандартизації, сертифікації й еталонної бази” (код 40205), відповідно листу Мінекономіки від 19.01.2001 № 12-31/19 і наказу Держбуду України від 2.04.2001 №83 по розробці державного нормативного документа ДБН В.2.4-2-2005 “Полігони твердих побутових відходів. Основні положення проектування”, які за рішенням колегії та наказом Держбуду України від 17.06.2005р. № 101 введені в дію з 1.01.2006р.
- Програми ООН по навколишньому середовищу (ЮНЕП), 2001-2003р. при міжнародній розробці “Посібника з оцінки впливу на нав-колишнє середовище для держав-учасників СНД” у складі Центра між-народних проектів при участі експертів природоохоронних міністерств і ві-домств країн Співдружності в рамках реалізації проекту ЮНЕП-Росія “Розробка пропозицій по удосконалюванню процесу оцінки впливу на навколишнє середовище при прийнятті екологічно орієнтованих рішень стосовно до країн СНД”.
Робота також є результатом наукового узагальнення виконаних досліджень, де автор був науковим керівником або відповідальним виконавцем за темами:
- розробки схем захисту від підтоплення міст, розташованих у різних геологічних регіонах і кліматичних зонах України: м. Бердянськ Запорізької області “Обґрунтування схеми захисту від підтоплення” (1990, Арх. № 22668), м. Феодосія АР Крим “Обґрунтування методами математичного мо-делювання і складання робочого проекту системи захисних заходів від підтоплення території житлового масиву “Кримський” (1991, Арх. №23231, 32389), м. Севастополь (район Любимівки) АР Крим “Обґрунтування схеми захисту від підтоплення” (1992, Арх. № 23642, 23647), м. Миколаїв (1999, Арх. 23521);
- Мінхімпрому СРСР, із забезпеченню стійкості будинків і споруд та оцінці забруднення навколишнього середовища на РПО “Краситель”, м. Рубіжне Луганської області (1989-1992, Арх. № 23389 та 1997, Арх. 23928);
- оцінки впливу на навколишнє середовище об'єктів енергетики – Харківської ТЕЦ-5, м. Харків (1998, Арх. № ), Луганської ТЕС, м. Луганськ (1997, Арх. № ), Миронівської ТЕС, Донецької області (2000, Арх. № 23936), Кримської ТЕс-2, АР Крим (1997, Арх. № 23931) та інш.;
- відповідно до плану Кабінету Міністрів України виконання еколого-експертної оцінки впливу полігону твердих побутових відходів (ТПВ) м. Києва, полігон ТПВ № , “Великі Дмитровичі” (1998, Арх. № ) і Кабінету Міністрів АР Крим для полігону ТПВ “Гаспра”, Ялта (2001, Арх. № ).
Мета і завдання дослідження: Установити основні особливості змін умов формування підземних вод на територіях ПМА та їх впливу на навколишнє середовище і стан екологічної безпеки.
Відповідно до мети в дисертаційній роботі вирішуються такі завдання:
1. Виявлення особливостей сучасного формування гідрогеологічних умов на територіях ПМА й оцінки їх змін під впливом різних об'єктів ПМА.
2. Встановлення кількісних параметрів техногенних водних витрат у під-земний простір ПМА на територіях різного господарського використання та в різ-них кліматичних зонах України.
3. Наукове обґрунтування типізації геофільтраційних схем для районування забудовуваних територій за цими показниками і вирішення питань екологічної безпеки за оцінкою змін гідрогеологічних умов в їх межах.
4. Визначення складових водного балансу в техногенно порушених умовах ПМА й оцінка їх впливу на екологічну безпеку забудованих територій.
5. Науково-методологічне обґрунтування складу гідрогеологічних дослід-жень для оцінки впливу на навколишнє середовище ПМА, як обов'язкового еле-менту забезпечення екологічної безпеки.
Об'єктом дослідження є підземні води промислово-міських агломерацій.
Предметом наукового дослідження є особливості змін умов формування підземних вод під впливом техногенних чинників у межах ПМА й їх впливу на екологічну безпеку.
Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися такі методи: систематизації, аналізу, узагальнення фондових і виданих матеріалів щодо еколого-гідрогеологічних умов ПМА, гідродинамічні, гідрогеохімічні, аналіти-чно-розрахункові, картографічні, ГІС-технологій; математичного моделювання й аналітичного прогнозування.
На захист виносяться такі положення:
1. Закономірності порушень екологічної безпеки ПМА, обумовлені змінами формування підземних вод зони активного водообміну під впливом техногенних чинників у межах промислово-міських агломерацій як складових природно-техногенних систем.
2. Наукове обґрунтування та типізація геофільтраційних схем зони активного водообміну та виділення гідродинамічних, гідрогеохімічних, еколого-гідрогео-логічних критеріїв, необхідних для розроблення заходів додержання екологічної безпеки в умовах впливу різних видів господарської діяльності на підземні води.
3. Необхідні види гідрогеологічних досліджень у межах нового напряму – вивчення еколого-гідрогеологічних умов у промислово-міських агломераціях, як необхідної та нормативно регламентованої складової оцінки впливу об’єктів на стан навколишнього середовища ПМА, що обґрунтуванні встановленими зако-номірностями порушення екологічної безпеки ПМА, при змінах умов формування підземних вод.
Наукова новизна роботи. Наукова новизна отриманих результатів поля-гає в тому, що в дисертації:
1. Уперше для ПМА України визначені критерії оцінки техногенного формування гідрогеологічних умов на територіях промислово-міських агло-мерацій.
2. Науково обґрунтовано можливості кількісних оцінок техногенних фільтраційних витрат у підземний простір ПМА для різних видів господарсь-кої діяльності й їх вплив на екологічний стан ГС промислово-міських агломерацій.
3. Уперше розроблено і науково обґрунтовано схеми геофільтраційної типі-зації територій ПМА і методика районування на основі цієї типізації.
4. Науково обґрунтовано природні і техногенні чинники, що визначають вод-ний баланс зони активного водообміну територій ПМА та впливають на еко-логічну безпеку забудованих територій.
5. Виконана системна оцінка змін інженерно-геологічних показників лесових відкладів в умовах змінного зволоження та мергельно-крейдових порід під впли-вом техногенних агресивних речовин.
6. Уперше науково обґрунтовано і внесено до державних нормативних доку-ментів необхідний склад гідрогеологічних досліджень щодо оцінки впливу ПМА на підземні води як складову навколишнього середовища.
У дисертаційній роботі отримані такі результати:
1. Встановлено основні критерії оцінки змін формування гідрогеологічних умов на територіях промислово-міських агломерацій під впливом різних техно-генних чинників, що викликають порушення природного водного балансу ГС.
2. Розроблено наукові основи та виконана типізація геофільтраційних схем ПМА для районування за ідентичністю формування підземних вод і прийняття оптимальних рішень щодо забезпечення екологічної безпеки.
3. Розглянуто на прикладах особливості змін у просторі та часі гідроди-намічних і гідрогеохімічних параметрів водоносних горизонтів зони активного водообміну на територіях ПМА у межах різних функціональних зон (селітебна, промислова, полігони твердих побутових відходів) та для певних природно-кліматичних і геофільтраційних умов України.
4. Визначено основні методологічні принципи встановлення просторових меж еколого-гідрогеологічних досліджень підземних вод зони активного водообміну ПМА.
5. Обґрунтовано напрями гідрогеологічних досліджень та оптимальний їх склад і обсяг, необхідний для оцінки впливу на навколишнє середовище ПМА та розробки охоронних і захисних заходів, що забезпечують безпеку функціонування компонентів природного, техногенного середовищ та умов проживання населення.
Практичне значення одержаних результатів:
1. За результатами виконаних досліджень здобувачем, як керівником цих робіт, у співавторстві, уперше для України розроблені державні нормативні документи ДБН А.2.2-1-1995 “Склад і зміст матеріалів оцінки впливу на нав-колишнє середовище (ОВНС) при проектуванні та будівництві підприємств, будинків і споруд. Основні положення проектування” (введені в дію з 01. . р. наказом Держкоммістобудування України від 28 лютого 1995 р. № і Мін-екобезпеки України від 5 квітня 1995 р. № ), ДБН А.2.2-1-2003 “Склад і зміст матеріалів оцінки впливу на навколишнє середовище (ОВНС) при проектуванні і будівництві підприємств, будинків і споруд” (введені в дію з 1.04.2004 р. наказом Держбуду України від 15. . р. № ) і ДБН В.2.4-2-2005 “Полігони твердих побутових відходів. Основні положення проектування” (введені в дію з 1. . р. наказом Держбуду України від 17. . р. № 101).
2. Обґрунтовані у співавторстві науково-методологічні принципи виконання ОВНС і представлені в міжнародній розробці “Посібник з оцінки впливу на нав-колишнє середовище для держав-учасниць СНД” відповідно до програми ООН із навколишнього середовища (ЮНЕП), у 2001 – 2003 рр.
3. Результати наукових розробок щодо вивчення формування гідрогеологіч-них умов, які використані для: обґрунтування схем захисту від підтоплення міст Бердянська, Феодосії, Миколаєва, Севастополя (район Любимівки); виконання еколого-експертних оцінок впливу на навколишнє середовище великих полігонів твердих побутових відходів (№ м. Київ і “Гаспра”, м. Ялта АР Крим).
4. Науково обґрунтовані методичні основи гідрогеологічних досліджень, що використані для виконання оцінки впливу на навколишнє середовище об'єктів енергетики: Харківської ТЕЦ-5, Луганської ТЕС, Миронівської ТЕС, Кримської ТЕС-2, Південно-Української АЕС.
5. Результати виконаних наукових розробок за дисертацією використані на геолого-географічному факультеті Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна для викладання дисципліни “Оцінка впливу на навколишнє середовище”.
Фактичний матеріал, що покладений в основу дисертаційної роботи – це самостійно отримані за останні 22 роки (1985-2007 рр.) результати наукових уза-гальнень, методичних розробок, польових досліджень, що були виконані автором у різних техногенно-природних системах і типах геологічного і гідрогеологічного середовища України (Донецько-Дніпровська западина, Український кристалічний масив, Кримська гірська область, Причорноморська лесова рівнина та ін.), значна кількість лабораторних досліджень (більше 10 тис. різних аналізів), результати обробки фактичного матеріалу за допомогою сучасних електронних методів і програмних продуктів.
Особистий внесок здобувача. Формування наукових і методичних поло-жень, мети і завдань досліджень, а також розробка теоретичних положень здійс-нені здобувачем особисто. Експериментальні та прикладні дослідження, їх упро-вадження проводилися за особистої участі і наукового керівництва здобувача. Автору дисертації належать наукові обґрунтування щодо формування і виконання польових експериментальних і лабораторних гідрогеологічних досліджень, об-ґрунтування висновків, розробка охоронних і захисних заходів забезпечення нор-мативного стану підземних вод на територіях ПМА, для постійного підтримання екологічної безпеки в межах ПМА.
Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися більш ніж на 30-ти міжнародних і всеукраїнських наукових симпозіумах, семінарах, кон-ференціях. Основні з них: —
V всесоюзна нарада з меліоративної гідрогеології, інженерної геології і меліоративного ґрунтознавства, Москва, Росія, 1984 р.—
Науково-технічна конференція “Шляхи підвищення ефективності ін-женерних вишукувань на об'єктах газової промисловості в XII п'ятирічці”, Донецьк, 1985 рік.—
III Всесоюзна нарада “Сучасні проблеми інженерної геології і гідро-геології території міст і міських агломерацій”, Одеса, 1987 р.—
Міжрегіональна науково-практична конференція “Регіони в незалежній Україні: Пошук стратегії оптимального розвитку”, Харків, 1994 р. —
Міжнародна конференція “Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст”, Дніпропетровськ, 1996 р.—
IV Міжнародний симпозіум “Освоєння родовищ мінеральних ресурсів і підземне будівництво в складних гідрогеологічних умовах”, Бєлгород, Росія, 1997 р.—
Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми захисту при-бережних територій від зсувів і абразії, а також напрямів інженерних вишукувань для будівництва”, Ялта, 1997 р.—
Міжнародний семінар “Питання удосконалення законодавства в сфері оцінки впливу на навколишнє середовище й екологічну експертизу” за спе-ціальним проектом американської асоціації юристів, Львів, 1999 р.—
Міжнародний науково-практичний семінар “Екологічні проблеми обо-ронної діяльності в районах Чорного й Азовського морів”, Севастополь – Форос, АР Крим, 1999 р. —
Міжнародний конгрес “ЕТЕВК-2001”, Ялта, АР Крим, 2001р.—
Міжнародний проект “Розробка пропозицій із удосконалення процесу оцінки впливу на навколишнє середовище при прийнятті екологічно орієнтованих рішень стосовно країн СНД”, ЮНЕП, Москва, Росія, 2002 і 2003 р.
Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на семи щорічних науково-практичних конференціях “Оцінка впливу об'єктів господарської діяльності на навколишнє середовище (ОВНС). Безпека природного, соціального і техно-генного середовища”, Ялта 2000-2006р.; на десятьох науково-технічних кон-ференціях і семінарах, що проводилися товариством “Знання” України, та на робочих нарадах Міністерства будівництва України, Міністерства комунального господарства, в обласних і міських адміністраціях Бердянська, Феодосії, Миколаєва, Севастополя, Харкова та Києва.
Публікації. Результати досліджень, що наводяться в дисертації, опубліко-вані в 2-х монографіях і 32 статтях у наукових виданнях (8 одноосібних), 28 тезах (4 одноосібних). Усього за темою дисертації опубліковано 68 робіт, у тому числі 23 у виданнях ВАК.
Структура й обсяг роботи. Обсяг дисертації – 298 стор., із них 246 стор. тексту, 28 стор. списку літературних джерел, який включає в себе 277 назв; 35 рисунків; 37 таблиць i 6 додатків.
Дисертація виконана в інституті “УкрНДІІНТВ” Міністерства будівництва і житлово-комунального господарства України на базі науково-технічних досліджень, у яких брав участь автор, починаючи з 1985 року по 2007 рік.
Протягом усього періоду виконання досліджень за дисертаційною роботою автору сприяли колеги і провідні спеціалісти країни. Автор щиро вдячний усім співробітникам, які створювали творчу та дружню робочу атмосферу В. А. Соколову, Г. Г. Стріжельчику, Ю. Б. Лисиченко, А. І. Коломійці, А. В. Жи-рову, О. А. Крамаренко, Г. Ф. Машошину, Г. В. Карагодіну, Ю. С. Солодовникові, В. Н. Альохіну, Н. С. Ніколенко, В. В. Литвинову, А. О. Соловйову, Г. А. Кара-чевцевій, В. А. Єрмоловій і всім колегам, які допомагали в лабораторних та інших дослідженнях. Значна допомога була надана автору співробітниками кафедри гідрогеології Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, за що автор вважає своїм обов'язком виразити подяку д-ру геогр. н., проф. К. А. Німцю, д-ру геол.-мін. н., проф. І. К. Решетову, д-ру геол.-мін. н., проф. В. М. Воєводіну, доценту Ф. В. Чомко. За всебічне сприяння та підтримку автор щиро вдячний академіку НАН України В. М. Шестопалову, д-ру тех. н. Е. О. Яковлеву, д-ру геогр. н. О. К. Кузіну, співробітникам Мінприроди України С. В. Калиновському й І. В. Хоренжій, співробітникам Мінбуду України Г. В. Панчук і Г. А. Перекуті, директору ТОВ “Знання” України М. А. Коровінiй.
Особливу подяку автор виражає науковому консультанту, головному нау-ковому співробітнику Кримського відділення Українського Державного геолого-розвідувального інституту Мінприроди України, доктору геолого-мінералогічних наук, професору А. В. Лущику.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність теми, наведені мета і завдання до-слідження, наукова новизна, практична значимість, а також результати апробації та реалізації основних положень, що виносяться на захист.
Робота складається з п'яти розділів.
У першому розділі “Стан проблеми формування підземних вод ПМА як елемента екологічної безпеки” розглядаються розвиток наукових підходів і дос-ягнуті результати комплексних геолого-гідрогеологічних досліджень, необхідної складової забезпечення екологічної безпеки в ПМА.
Загальні науково-методичні основи вивчення умов формування підземних вод, в тому числі і в межах територій ПМА, розглядаються в роботах Є. М. Сергєєва, Б. Л. Личкова, Н. І. Толстихіна, Д. К. Зайцева, В. С. Самариної, Ф. М. Бочевера, М. М. Біндемана, М. І. Врублевського, Г. М. Каменського, А. О. Коноплянцева, К. І. Макова, І. С. Жернова, Ф. А. Руденко, В. Е. Анпілова, І. А. Скабаллановича, Л. С. Язвіна, А. Є. Бабінця, М. І. Дробнохода, В. І. Лялько, М. С. Огняника, Р. А. Смирнова, А. Б. Ситнікова та вчених інших країн D. L.А.W.L.S.J.E.b lh.
Основи загальної концепції техногенних впливів на підземні води забудо-вуваних територій і екологічну безпеку викладені в роботах О. М. Адаменко, В. О. Бокова, О. І. Бондаря, М. М. Биченка Є. С. Дзекцера, Б. М. Дегтярьова, В. Ф. Котлова, А. В. Лущика, М. І. Плотнікова, Г. І. Рудько, О. М. Трофімчука, В. М. Шестопалова, А. Г. Шапара, Ю. Г. Юровського, Є. О. Яковлєва й інших.
Наукові розробки щодо вивчення стану підземних вод у регіональному плані та на територіях ПМА за останні піввіку значно розвинулися, в тому числі з запобігання розвитку негативних процесів і явищ. У той же час попередніми дослідженнями повністю не вирішені та вимагають подальшого розвитку такі питання, як: особливості сучасної структури промислово-міських агломерацій та її значення в формуванні еколого-гідрогеологічних умов; вплив техногенної фільтрації на підземний простір територій різного господарського використання в певних кліматичних зонах України; наукові основи геофільтраційної типізації зони активного водообміну територій їх районування за ознаками цієї типізації; розвиток теорії і методології оцінки техногенного впливу на підземні води, у зв’язку з подальшим зростанням та ускладненням сучасного впливу на еко-логічну безпеку ПМА.
Із метою вирішення зазначених вище проблем, автором протягом 20 років виконувалися дослідження і наукові узагальнення, результати яких представлені в звітах та опублікованих роботах. За результатами цих робіт установлено, що порушення на забудованих територіях, існуючих раніше геологічних і гідро-геологічних умов, досягло практично критичного стану майже у всіх великих містах. Небезпечні інженерно-геологічні процеси, у зв'язку зі зміною природних показників режиму рівнів, хімічного складу та балансу живлення підземних вод, нерідко розвиваються вже в період будівництва – при інженерному освоєнні території. Прикладів сучасного порушення екологічного стану геологічного середовища ПМА і нанесення матеріального збитку від недостатності врахування таких змін дуже багато (міста Херсон, Запоріжжя, Бердянськ, Дніпропетровськ, Харків, Куп'янськ, Одеса, Черкаси та ін.).
Вищезгадане обумовило розробку науково-методичних основ досліджень особливостей формування підземних вод під впливом техногенних чинників у межах ПМА, спрямованих на вивчення змін гідрогеологічних умов територій ПМА й їх впливу на стан екологічної безпеки.
У другому розділі “Основні характеристики інженерно-господарської діяльності й її вплив на підземні води ПМА” відображена функціональна структура ПМА як природно-техногенна система (рис. ), розглянуті різні кіль-кісні характеристики додаткового техногенного живлення підземних вод, резуль-тати зонування геологічного середовища за характером господарського освоєння.
Промислово-міські агломерації характеризуються підвищеною щільністю населення (@ люд/км2, проти @ люд/км2 по Україні), особливостями забудови і використанням підземного простору, різноманітними умовами зем-
Рис. 1. Схема промислово-міської забудови з характеристикою
гідрогеологічних умов та використання підземного простору
Прийняті позначення: 1 – покривні суглинки, водопроникні; 2 – глини водотривкі; 3 – піски, що містять водоносні горизонти; 4 – скельові і напівскельові породи; 5 – елювіальний горизонт, обводнений; 6 – рівні порушеного і непорушеного водоносного горизонту; 7 – напір водоносного горизонту; 8 – підземні фундаменти, переходи, комунікації, паркінги та інше; 9 – тунелі метро та колектори глибокого закладення; 10 – водозабірні свердловини; 11 – джерела.
лекористування та наявністю багатокомпонентних функціональних зон (селі-тебна, промислова, паркова, складська, транспортних артерій, інженерних комунікацій, агропромислових комплексів, полігонів твердих побутових відходів та ін.). Типове співвідношення площ основних функціональних зон для різних ПМА наведено в таблиці 1.
Таблиця 1
Типове співвідношення площ основних функціональних зон ПМА
Назва території | м. Харків | м.Бердянськ
га | % | га | %
1. Селітебна | 7687 | 19,9 | 1578 | 17,6
2. Промислова | 4281 | 11,1 | 804,5 | 8,9
3. Слабозабудована і перспективної забудови | 14922 | 38,6 | 3929,5 | 43,7
4. Незабудована | 7527 | 19,5 | 496 | 5,5
5. Курортно-рекреаційна | 4231,6 | 10,9 | 2180,3 | 24,3
Усього | 38648,6 | 100 | 8988,3 | 100
Одним із важливих показників формування водообмінних процесів на місь-ких територіях є інтенсивність додаткового техногенного інфільтраційного жив-лення. За результатами досліджень, у центральній частині міст, що мають найвищу щільність житлової забудови, ця величина максимальна – (2-8)·10-4 м/добу, на територіях сучасних мікрорайонів і житлових зон окраїн відносно нижче – (0,5-3)·10-4 м/добу. Проммайдани, об'єднані в промислові вузли і зони, є провідним фактором у перебудові водообмінної системи. Інфільтраційні втрати на промислових площах коливаються в широких межах – 1·10-4 – 5·10-3 м/добу.
Залежно від виду господарської діяльності та зволоженості території, додаткове техногенне живлення ґрунтових вод може бути в 0,25 – 40 разів більше природного. У північній частині території України зазначене перевищення на промислових площах досягає 0,5-10, у центральній – 1-25 і в південній – 3-40 разів і більше.
Аналіз опублікованих матеріалів і проведені дослідження показують, що з 4,5 млрд. м3 води, яка подається по водогінній мережі в міста України, близько 30(1,3 млрд. м3) витрачається безповоротно, а техногенні витоки в підземний простір у різних групах населених пунктів складають від 0,05 до 5 млн. м3/рік (табл. 2), що є основаним чинником порушення екологічної безпеки.
Таблиця 2
Техногенні витоки
Групи населених пунктів | Техногенні витоки,
млн. мі/рік
Найбільші | 0,5-5
Значно великі | 0,3-1,0
Великі | 0,15-0,3
Середні | 0,05-0,15
Малі | до 0,05
Техногенні фільтраційні витрати через зношеність водонесучих комунікацій можуть бути вище. Наприклад, за даними А. А. Гризи й А. Г. Солдака, дося-гають 30-32і більше, крім того 15-17складають ще витоки з каналізації (м. Одеса).
Як показали дослідження, сучасні ПМА інтенсивно освоюють підземний простір до глибин 500 метрів і більше з метою розміщення об'єктів будівництва та видобування корисних копалин, у тому числі води. За видами господарської діяльності виділяються техногенні поверхи освоєння підземного простору. Кількість цих поверхів може бути різною, але частіше вона не перевищує трьох.
Перший поверх – простежується приблизно до 10 м. У його межах знаходять-ся підземні частини більшості будинків і споруд, об’єкти руху транспорту та пішоходів, водонесучі мережі й інше. Для нього характерні різноманіття підземної забудови й її активний вплив на формування підземних вод.
Другий поверх – це глибина освоєння від 10 м до 50 м, де в основному роз-міщуються підземні транспортні тунелі, колектори глибокого закладення, об'єкти складського господарства, водоприймальні частини свердловин водозаборів і вертикального дренажу й інше.
Третій поверх – глибина освоєння від 50 м до 100 м і глибше. У межах цього поверху, крім підроблення гірничими виробками, здійснюється, в основному, ек-сплуатаційний водовідбір, рідше укладаються глибокі колектори і тунелі метро.
Зазначене зонування за природними і техногенними чинниками дозволяє обґрунтувати напрями змін формування підземних вод, аналізувати і прогнозу-вати порушення екологічної безпеки та комплекс захисних заходів.
У третьому розділі “Теоретичне обґрунтування формування еколого-гідрогеологічних умов ПМА” наводяться нові результати досліджень техногенних і природних показників, що мають важливе значення для розкриття особливостей формування гідрогеологічних умов ПМА, які необхідно враховувати при прийнятті технічних рішень із захисту від розвитку екологічно небезпечних процесів і явищ. Основні з них наводяться нижче.
Промислово-міська агломерація розглядається як надзвичайно складний елемент природно-техногенної системи, в межах якої процеси техногенних впливів реалізуються, переважно, в зоні активного водообміну. Зміни стану під-земних вод у межах цієї зони обумовлюють виникнення екологічно небезпечних процесів і явищ.
На територіях складених пухкими та зв'язаними відкладами потужність зони активного водообміну визначається глибиною залягання водотривких порід. Найбільш характерні її значення змінюються від 5-30 м, у межах алювіальних терас і розвитку сучасних морських відкладів – до 15-30 м, у зоні поширення лесових ґрунтів і більше – до 100-150 м, у зоні розмиву древніми руслами рік.
Водотривкі місцеві і регіональні шари мають різне значення в збереженні екологічної безпеки. Наявність водотривких шарів уповільнює проникнення забруднювачів у ГС і підвищує природну захищеність водоносних горизонтів, що залягають під ними. В інших геолого-гідрогеологічних умовах вони сприя-ють формуванню техногенних водоносних горизонтів і підйому рівня вище припустимої межі.
Оцінка можливості перетоку забруднених вод і розвитку підтоплення вико-нується за інтенсивністю перетоку (Іп), в м/добу, який є відношенням коефіцієн-тів фільтрації (К) роздільних горизонтів водотривких порід до їх потужностей (m), при одиничному градієнті напору (табл. 3).
Таблиця 3
Умови проникнення забруднених вод у водоносні горизонти,
що залягають нижче по розрізу
№ п.п. | Інтенсивность
перетоку,
Іп, м/доб | Висота максимального
підйому рівня ґрунтових вод
над роздільним горизонтом
водотривких шарів, м | Умови можливого
перетоку забруднюючих
речовин у водоносний
горизонт, що залягає нижче
1 | 2 | 3 | 4
1 | більше 0,5 | 10 | Добрі
2 | 0,5-0,01 | 17 | Задовільні
3 | 0,01-0,005 | 24 | Незадовільні
За показниками, наведеними в таблиці 3, і глибиною залягання водотривкого шару виконується оцінка території щодо можливості розвитку підтоплення. Ко-ефіцієнт інтенсивності перетоку використовується і для оцінок можливого прони-кнення забруднених вод у суміжні водоносні горизонти (таблиця 3, графа 4).
Найбільш несприятливі гідрогеологічні умови, в зв’язку з розвитком про-цесів підтоплення, складаються на територіях ПМА при величині Іп < 0,001.
Для територій, де розвинуті лесові відклади і переважає вертикальна філь-трація установлено, що підйом рівня водоносного горизонту (ht) над водо-тривким шаром доцільно визначати за залежністю, визначеною М. М. Бін-деманом і Ф. М. Бочевером:
,
де
т — потужність,
К — коефіцієнт фільтрації водотривкого шару;
Но — початковий напір;
м — показник недонасичення ґрунтів зони аерації;
hост — потужність води над роздільним шаром до забудови;
t — розрахунковий час.
На територіях поширення скельових і напівскельових порід фільтрація техногенних вод у підземний простір обумовлена певними закономірностями розвитку вертикальної тріщинуватості у породному масиві (верхньої зони ГС). Встановлено, що вертикальна зональність тріщинуватості простежується досить чітко і характеризується наявністю трьох основних зон. Перша зона інтенсивної тріщинуватості виділяється на глибинах 5-20 м, друга зона (менш інтенсивної тріщинуватості) – 20-35м, третя (слабко вираженої тріщинуватості) – нижче 20-35 м до 50-70 м. Установлені закономірності розвитку тріщинуватості обумовлюють формування фільтраційної структури геологічного середовища, де виділяються три зони: у першій – підземні води циркулюють суцільним потоком, у другій – рухаються по окремих тріщинах, їх основні шляхи фільтрації проходять по простяганню шарів порід, у третій – по тріщинах розриву, утворених диз'юнктивною дислокацією. Для виявлення глибини ймовірного поширення забруднень і вирішення питань забезпечення екологічної безпеки можна керуватися глибиною загасання тріщинуватості до (50-70 метрів), а в окремих випадках для районів із розвитком потужної кори вивітрювання та тектонічних порушень – до 200 метрів і більше.
Геофільтраційні умови як складові геологічного середовища територій забудови є одним із провідних природних чинників при оцінках можливих змін гідрогеологічних умов під впливом господарської діяльності. Це дозволяє районувати території ПМА за схемами геофільтраційних умов (рис. 2) і сприяє підвищенню вірогідності прогнозів змін інженерно-геологічного стану і підзе-мних вод та ідентифікувати порушення екологічної безпеки.
Рис 2. Основні типи схем геофільтраційної будови
зони активного водообміну
Літологічні різниці порід: 1 – еолово-делювіальні відклади лесового комплексу; 2 – континентальні червонно-бурі плiоцен-нижньочетвертинні глини, або зелено-сірі морські глини неогенового віку; 3 – піщано-глинисті відклади річкових і морських терас; 4 – алювіальні суглинки і глини; 5 – алювіальні піски; сучасні морські відклади: 6 – піски, 7 – мули, 8 – глини; 9 – тріщинуваті скельові породи (граніти, сланці, вапняки, крейди, мергелі, пісковики); 10 – елювій, делювій, пролювій скельових і напівскельових порід. Області розвитку: I – еолово-делювіальних відкладів лесового комплексу; II – алювіальних відкладів річкових терас; III – сучасних морських відкладів; районів: а – із наявністю в основі покривних відкладів водотривкого шару; б – те ж, без наявності водотривких порід; IV – тріщинуватих скельових і напівскельових порід із наявністю: а – покривних еолово-делювіальних відкладів; б – пок-ривних алювіальних відкладів; в – елювіально-делювіальних відкладів зруйнованих скельових і напівскельових порід.
Фільтраційні показники: цифри на схемах – типові коефіцієнти фільтрації в м/добу.
Одним із необхідних елементів прогнозування можливих порушень еко-логічної безпеки є оцінка водного балансу території ПМА.
Водний баланс ПМА й окремих його складових описується рівнянням водообміну і може бути представлене у такий спосіб:
W.і.o + Qp + Q6 + WB + WB.K +WK + Wп.c + Wв.і + Wn + Wc =
= W?.в.т + Q'p + Q'6 +W'B + Q'Д + W'к + W'B3 .
де, W.і.o – інфільтрація атмосферних опадів; W?.в.т -випар і транспірація; Qp – живлення; Q'p – розвантаження; Q6 – бічний приплив; Q'6 – бічний відтік; WB – висхідний переток; W'B – спадний переток; WB,K – витрати води з водонесучих комунікацій; WK – конденсація вологи; Wп.c – інфільтраційні витрати вод поверхневого стоку; Wв.і – інфільтраційні витрати зі штучних водойм і водотоків; Wn – полив зелених насаджень; Wc – скидання виробничих і господарських вод; Q'Д – відведення підземних вод дренажем; W'к – відвід води каналізаційною та колекторною мережею; W'B3 – водозабір.
Оцінка змін балансу підземних вод ПМА необхідна і для прогнозування можливого погіршення інженерно-геологічних умов, особливо розвитку сучас-них небезпечних геологічних процесів (підтоплення, осідання та просідання, суфозії, зсувів та ін), а також зниження фільтраційної здатності внаслідок заміщення іонами натрію іонів кальцію в поглинаючому комплексі у лесових породах; зниження інженерно-сейсмогеологічної стійкості в зв’язку з утратою зчеплення і проявом пластичності при зволоженні; перехід у пливунно-тиксотропний стан при гідратації глинистих фракцій; формування умов неоднорідних деформацій; зміна показників інженерних властивостей таких, як пористість і щільність сухої породи; набухання-усадка глин; активізація зсувних, суфозійно-карстових процесів та інш. Встановлено, що в зоні періодичного замочування (сезонні зміни, при будівельних роботах, періодичні притоки техногенних вод, інфільтрація з іригаційних каналів сезонної дії) відбуваються зміни об'ємної ваги кістяка палевих лесів (блес) і більш щільних лесових суглинків (бпл) від вологості, що аналітично може бути виражено залежностями: блес = 1,92 – 0,015 W%; бпл = 2,031 – 0,017 W%. Рівняння регресії залежності пористості (п) від вологості (W) аналітично виражається: для палевих лесових суглинків плес = 27,6 + 0,6 W%, для щільних червонно-бурих суглинків ппл = 24,3 + 0,7 W% .
Оцінка впливу техногенних фільтраційних витрат на набухаючо-усадочні породи показала, що змінна інфільтрація техногенних витоків викликає зміну процесів набухання й усадки. При цьому амплітуда вертикальних переміщень складає 30-35 мм і більше. Знакозмінні коливання несучої поверхні гірських порід викликають значні деформації конструкцій споруд. У наслідок цих процесів понад 40споруд малоповерхового житлового фонду в багатьох населених пунктах були поруйновані настільки, що вони перестали задовольняти експлуатаційним вимогам (міста Керч, Дніпропетровськ, Черкаси, Дніпродзержинськ та інш.) і це явище обумовило порушення екологічної безпеки.
Під впливом техногенних чинників відбуваються зміни хімічного складу підземних вод і інженерно-геологічних властивостей крейдових порід, у зв’язку з формуванням агресивних середовищ.
Гідрогеохімічні зміни обумовлюються реакціями розчинення, вилуговування й обмінної адсорбції. При цьому динамічна рівновага розчину порушується у зв'язку з випаданням в осад гіпсу, розчиненням карбонатів. Якщо врахувати, що продукти розчинення і вилуговування виносяться циркулюючими підземними водами за межі зони взаємодії і цим створюються постійно ненасичені середо-вища, то активність руйнування карбонатних порід у цих умовах буде підсилю-ватися і викликати додаткове порушення міцності порід.
Окремо розглядаються особливості розвитку підтоплення промислово-місь-ких агломерацій і методи його прогнозування.
У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень геофіль-траційного режиму підземних вод на територіях ПМА” розглянуті особливості змін гідродинамічних, гідрогеохімічних показників у межах територій міської і промислової забудови, полігонів твердих побутових відходів, які перебувають у різних геофільтраційних умовах і кліматичних зонах природного зволоження. Основні природно-техногенні характеристики об’єктів дослідження наведені в таблиці 4.
Таблиця 4
Природно-техногенні характеристики об’єктів досліджень
№ п.п. | Об’єкт дослідження | Кліматичні показники* | Геофільтраційна будова
зони активного водообміну** | Тип фільтрації
Т,°С | Оп. мм | Кзв
1 | Міська забудова
1.1 | м. Харків, населення 1,46 млн., площа 306 м2 | 6,5 | 538 | 0,75 –
– 1,2 | Еолово-делювіальні відкла-ди лесового комплексу (I), і алювіальні відклади (II).
Абс.відм. землі 90–192 м | Поровий
1.2 | м. Бердянськ,
населення близько 250 тис., площа 83 км2 | 9,6 | 388 | <0,5 |
Еолово-делювіальні відкла-ди лесового комплексу (I ), і морські відклади (III).
Абс.відм. землі 0,5–50 м | Теж
2 | Промислова забудова
2.1 | Харківська ТЕЦ-5, площа 88,87 га, потужність 470 МВт, водопостачання 4,1–5,7 млн. м3/рік | 6,9 | 500––564 | 0,75 –
– 1,0 | Алювіальні відклади річкових терас (II).
Абс. відм. землі 101–106м | Теж
3 | Полігони твердих побутових відходів
3.1 | Полігон № 5, м. Київ,
площа 35,75 га,
об’єм 1,5–2 млн. м3 | 7,3 | 667 | 0,8 –
– 1,2 | Еолово-делювіальні відклади лесового комплексу (I ).
Абс.відм. землі 100–190м | Поровий
3.2 | Полігон “Гаспра”, м. Ялта, площа 4,61 га,
об’єм 0,21–0,25 млн. м3 | 13 | 647 | 0,8 ––
1,2 | Тріщинуваті скельові і напівскельові породи (IV). Абс.відм. землі 400–500м | Тріщинний, тріщинувато-жильний
Примітки:
* Т, °С – температура повітря, Оп – опади, Кзв – коефіцієнт зволоження зони розміщення об’єкта дослідження (по Бачинському), представляє відношення середньорічної величини опадів у даному районі до випару.
** У дужках зазначений тип геофільтраційної будови зони активного водообміну.
Слід розглянути декілька прикладів впливу порушення гідрогеологічних умов на екологічну безпеку.
Місто Харків. Максимальна глибина інженерного освоєння підземного простору становить 600–800 м і охоплює такі водоносні горизонти: сеномансько-нижньокрейдових, верхньокрейдових, канівсько-бучацьких, верхньокиївських відкладів і відкладів пліоценових та четвертинних терас. На глибинах 40-140 м і більше установлені фільтри водозабірних свердловин, в інтервалі 10-40 м проходять транспортні комунікації (тунелі метро, каналізаційні колектора глибокого закладення, насосні станції та інш.), в інтервалі 0-10 м знаходяться мережі водопроводу, каналізації, теплопостачання, а також фундаменти будинків і споруд. Техногенні фільтраційні витрати обумовили сучасний водообмін на території ПМА.
У процесі досліджень була вивчена геологічна структура та виконане районування території агломерації за геофільтраційних умов (рис. 3).
Рис. 3. Схема районування території м. Харкова за типами
геофільтраційних схем
Типи: 1 — піски алювіальні голоценової заплави, вітачевсько-бугські тераси, що залягають на нижньокиївських глинах, потужність товщі до 10 м, Кф = 5-15 м/доб, тип IIа; 2 — те ж і бучацької свити, що залягають на канівських глинах, потужність товщі 15-25 м; Кф = 1-0 м/доб, тип IIб; 3 — те ж і піщаники верхньокиївської підсвити, що залягають на нижньокиївських глинах, потужність товщі 10-25 м; Кф = 2-30 м/доб, місцями до 140 м/доб, тип IIв і IIг; 4 — суглинки лесоподібні, що залягають на червонно-бурих, зелено-сірих пліоцен-нижньочетвертинних глинах, потужність товщі 10-50 м; Кф = = ,01-0,001 м/доб, тип Iа; суглинки лесоподібні та піски алювіальні, що залягають на ніжньокиївських глинах, потужність суглинків 5-10 м; Кф = 0,01-0,001 м/доб;
