ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 6, с. 494-505
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
УДК 556.3+622.847: (470.54)
РОЛЬ ТЕХНОГЕНЕЗА В СТРУКТУРНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ
ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ
© 2007 г. С. Н. Елохина
Уральский государственный горный университет Поступила в редакцию 15.01.2007 г.
На основе анализа состояния подземной гидросферы на нарушенных техногенезом землях делается вывод об ее структурном преобразовании. Конкретизируются понятия "природная", "техногенная" и "природно-техногенная" гидрогеологические структуры. Сформулированы признаки, позволяющие определить различие между указанными структурами.
ВВЕДЕНИЕ
Техногенез на современном этапе представляет собой глобальную силу, которая преобразует физику Земли, в целом, и, в частности, подземную гидросферу. Традиционно принято, что техногенные преобразования подземной гидросферы укладываются в два направления [1]. Во-первых, это изменение гидрохимических условий и качества подземных вод, т.е. их загрязнение. Во-вторых, изменение гидродинамических условий водоносных горизонтов, которое может проявиться либо в сработке уровня подземных вод и истощении их запасов, либо в подъеме уровня за счет техногенных источников питания, подпора от водохранилищ и других антропогенных факторов. В обоих случаях техногенное воздействие связывается с проникновением (закачкой) техногенных вод в недра Земли или извлечением (откачкой) подземных вод [9].
Однако наблюдаемые в последнее время изменения гидрогеологических условий, особенно на урбанизированных территориях, демонстрируют преобразование подземной гидросферы, не укладывающееся в две вышеуказанные схемы. В его основе лежит техногенное воздействие не на подземные воды, а на геологическую среду. Последняя является вместилищем подземных вод, составляя в совокупности с ними "подземную водную систему" [9]. От свойств и параметров водовмещающих пород зависит структура фильтрационного потока, химический и газовый состав подземных вод и т.п. Единство геологической среды и подземных вод нашло свое отражение в гидрогеологической стратификации, разработанной в 1998 г. ВСЕГИНГЕО, в которой под "гидрогеологическим телом" понимается "геологическое тело" (его часть или совокупность), обособленное по гидрогеологическим признакам и занимающее определенное положение в геологическом пространстве". Следова-
тельно, техногенное преобразование природных геологических тел и, в первую очередь, их гидрогеологических свойств (например, водопроводи-мости), а также образование новых техногенных элементов разреза должно закономерно изменять гидрогеологическое расчленение разреза с выделением новых гидрогеологических тел. В гидрогеологической практике подобные новообразования получили название "техногенных водоносных горизонтов" [3].
С позиций теории подземных водоносных систем, разрабатываемой в России Пиннекером Е.В., Шварцевым С.Л., Писарским Б.И. и другими исследователями с начала 1980-х годов, техногенные водоносные горизонты представляют собой структурные элементы природно-техногенных гидрогеологических систем [9, 10].
ТЕХНОГЕННЫЕ ВОДОНОСНЫЕ ГОРИЗОНТЫ
Техногенный водоносный горизонт, по определению, должен обладать собственными путями транзита и участками разгрузки, отличными от других гидрогеологических тел источниками питания. Типичные примеры техногенных водоносных горизонтов - обводненные насыпные грунты, подстилаемые менее проницаемыми породами естественного сложения [3]. Источниками питания техногенных горизонтов, помимо природно-климатических, являются утечки из водо-несущих систем и коммуникаций, инфильтраци-онные потери из водохранилищ и накопителей отходов и т.п. Однако отличительные гидрогеологические признаки техногенных водоносных горизонтов определяются не столько техногенными источниками питания, которые могут обводнять и грунты естественного сложения, сколько особыми свойствами водовмещающих пород. Чаще всего насыпные грунты сложены строительным мусором, перемещенными естественны-
РОЛЬ ТЕХНОГЕНЕЗА В СТРУКТУРНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ Таблица 1. Типизация техногенных водоносных горизонтов
Тип
Номер Название
I Коммунальный
II Промышленный
III Гидротехнический
IV Отвальный
V Шахтный
Участки распространения
Территории населенных пунктов
Площадки промышленных предприятий
Акватория гидротехнических сооружений
Отвалы, свалки, накопители промышленных и иных отходов
Техногенные подземные полости (выработки) различного назначения
Основные факторы формирования
Утечки, насыпные грунты, барражирующий эффект от инженерных сооружений
Утечки и насыпные грунты
Подпор и насыпные грунты
Отличительные признаки от природных гидрогеологических тел
- водовмещающие породы;
- фильтрационные свойства (проницаемость);
- источники и интенсивность питания;
- степень взаимосвязи с поверхностными водами;
- состав и температура подземных вод
Техногенные грунты и отходы
Техногенная проницаемость массива
ми грунтами (обычно суглинками), реже - отходами производства (металлургическим шлаком, песком от переработки и обогащения и т.п.). Неоднородность насыпных грунтов определяет аномальные коэффициенты фильтрации и их пространственную изменчивость. Движение воды здесь происходит не только по порам, но и по отдельным элементам разреза. Например, по захороненным в насыпных грунтах трубам и прочим техногенным каналам. Подобный эффект был обнаружен на территории Чусовского узла железной дороги в Пермской обл. при исследовании причин нефтяного загрязнения р. Чусовой, где основная часть загрязненного инфильтрационного потока транспортировалась по старому захороненному канализационному коллектору.
Химический состав подземных вод в техногенных водоносных горизонтах также аномален из-за взаимодействия агрессивных атмосферных осадков с техногенными грунтами. Даже если насыпные отложения представляют собой перемещенные естественные горные породы, они могут включать разнообразные неутилизированные отходы. Последние будут разрушаться и посредством растворения, углекислотного выщелачивания и других процессов, обогащать подземные воды нетипичными ингредиентами.
Таким образом, обводненные техногенные геологические тела как по гидродинамическим, так и гидрохимическим признакам составляют обособленные гидрогеологические элементы разреза.
Основываясь на литературных данных и личном опыте, автором разработана типизация техногенных водоносных горизонтов, которая, очевидно, является неполной, но позволяет систематизировать наиболее часто встречаемые техногенные
гидрогеологические объекты (табл. 1). В ее основе заложен генетический принцип, учитывающий характер техногенного воздействия, обусловившего их появление. Выделено пять типов техногенных водоносных горизонтов.
1. Коммунальный тип техногенных водоносных горизонтов наиболее разнообразен по причинно-следственным связям с техногенными факторами. Он появляется в слое насыпных грунтов при выполнении планировочных мероприятий на селитебных территориях. Исходя из уральского опыта, мощность слоя насыпных отложений может составлять 2-3 м при глубине уровня подземных вод менее 1.0 м. На рис. 1а представлен пример техногенного водоносного горизонта коммунального типа, который сформирован в толще насыпных грунтов в пределах селитебной зоны г. Каменск-Уральский Свердловской обл. Питание горизонта осуществляется как за счет атмосферных осадков, так и различного рода коммунальных утечек, что обеспечивает постоянную обводненность его отложений. Разгрузка грунтового потока происходит в нижележащие водоносные слои на участках "гидрогеологических окон" в перекрывающем водоупоре. Отепляющее воздействие городской застройки приводит к тому, что температура воды в техногенном горизонте составляет 12-15°С, достигая 20 и более градусов при аварийных ситуациях на теплотрассах.
Специфика уровенного и температурного режима техногенного горизонта, вскрываемого наблюдательными скв. 12 и 71, фиксируется графиками режимных наблюдений (рис. 2). Естественный режим подземных вод водораздельного типа на территории г. Каменск-Уральский контролируется наблюдательной скв. 52.
179 175 171 167 163 159 155 151 147 143 139
iiii
&
rn
EZt
~i г
Ъ
Техногенный водораздел
Естественный водораздел
346 344 342 340 338 У ^ 336 334
Свалка промотходов
264 262 260 258 256 254 252 250 248 246 244
3
Г- 4
5
г м i < i 6
м 7
КУЧ
f Ч /> А 8
9
10
& 11
U— 12
Рис. 1. Техногенный водоносный горизонт I, II и III типов: а - в селитебной зоне города (тип I); б - в пределах пром-площадки металлургического завода (тип II); в - в зоне влияния водохранилища (тип III): 1 - техногенный водоносный горизонт; 2 - насыпной грунт; 3 - песок; 4 - гравийно-галечниковые отложения; 5 - глина; 6 - дресвяно-щебенистые отложения с суглинистым заполнителем; 7 - известняк; 8 - отложения коры выветривания; 9 - сланцы; 10 - уровень подземных вод: а - современный, • - естественный; 11 - коллектор и направление утечек; 12 - направление потока подземных вод.
а
1
2. Пример техногенного водоносного горизонта промышленного типа на территории одного из крупнейших промышленных предприятий
Среднего Урала иллюстрирует рис. 16. Мощность техногенных образований, представленных продуктами металлургического передела и зани-
Глубина уровня, м 1.0
Температура воды, °С 14
12
10
8
6
4
2
0
_|_I_I_I_I_1_
_|_I_I_I_I_1_
_|_I_I_I_I_1_
_|_I_I_I_I_1_
¿V ¿V (¿V ф ф ф ф ф ф ф ф ф ^ > ^ ^ ^ ^ Ф ф ф ф
^ С^ сЬ- С^"
Рис. 2. Графики колебания уровня (а) и температуры (•) подземных вод в наблюдательных скважинах на территории г. Каменск-Уральский: техногенный режим: 1 - скв. 12, 2 - скв. 71; 3 - естественный режим (скв. 52).
мающих приводораздельное положение, достигает 6 м. При этом морфометрия техногенных образований обеспечивает несовпадение техногенного подземного водораздела с естественно-природным.
Ресурсы техногенного водоносного горизонта формируются за счет утечек из канализационной системы предприятия (постоянная составляющая) и атмосферных осадков. Разгрузка осуществляется сосредоточенно в отрицательных м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.