5683

21

В общем плане, исходя из того, что действия одного и того же фактора в различных природных условиях могут привести к разным следствиям согласно характеру многообразного техногенного влияния на природную среду (Котлов, 1981, Гаев, 1989), автор посчитал целесообразным провести их типизацию независимо от условий, в которых они будут проявляться, а результаты влияния предлагает оценивать отдельно в каждом конкретном случае. Выделяются 4 типа воздействий: механическое, физическое, химическое и биологическое. По направленности техногенных воздействий на основные условия развития карста исходя из многолетних натурных наблюдений (Копосов, 1990), выделены следующие виды техногенных воздействий (табл. 1).

Наиболее чувствительны для динамики карста изменение напоров и уровней подземных вод, направление и интенсивность их движения, концентрированные утечки, изменяющие химический состав и агрессивность трещинокарстовых вод и ударно-взрывные воздействия на горные карстующиеся поро-

ды.

На основе анализа и математической обработки большого объема фактического материала натурных и экспериментальных исследований была разработана комплексная программа компьютерного моделирования изменений при- родно-техногенной среды, позволяющая качественно и количественно оценивать влияние техногенных нагрузок на активность карстового процесса. В основу модели заложен балансовый подход, заключающийся в выделении на модели элементарныхячеек.

Исследуемый участок территории разбивается программой на множество элементарных ячеек - дискретизируется. При этом горизонтальные размеры у всех ячеек имеют одинаковые значения, а вертикальные варьируются от ячейкик ячейке, формируя слои переменной толщины. Каждая ячейка имеет свой набор параметров: уровень воды, давление, пористость, вертикальный и горизонтальный коэффициент фильтрации, концентрации растворенных в воде веществ и коэффициент диффузии. Программа позволяет загружать с последующей интерполяцией данные, полученные путем мониторинга на исследуемой

рии и изменять их на любом этапе моделирования (рис. 7).

По каждой ячейке модели на заданный период времени определяются сле-

Рис. 7 Интерфейс комплексной программы динамики карста в природно-техногенных

условиях.

дующие параметры:

-баланс подземных вод;

-баланс катионов и анионов химических элементов,

-гидростатическое давление подземных вод;

-конвекционный массоперенос растворенных веществ;

-конвекционный массоперенос механических веществ,

-диффузионный массоперенос;

-минерализация и загрязненность подземных вод на заданный момент времени;

-агрессивность подземных, поверхностных и техногенных вод по отношению к карстующимся породам.

В общем случае при взаимодействии i - ой ячейки ("текущей") с одной из лести окружающих ее ячеек - i + i - ой ячейкой ("соседней") количество перегекаемой воды в единицу времени определяется по формуле:

соседней ячейке, рi- давление в текущей ячейке. Отрицательная величина q соответствует оттоку жидкости из ячейки, положительная - притоку. Давление в незаполненных ячейках определяется высотой столба жидкости в них, а в заполненных вычисляется в каждом цикле моделирования с помощью системы уравнений исходя из баланса совокупного для текущей ячейки притока - оттока

воды:

Σqi =0 ' ( 2 )

Конвективный массовый перенос растворённых в воде веществ из одной ячейки в другую рассчитывается следующим образом:

где п - количество растворенного вещества в ячейке. Диффузия определяется по формуле:

Δni /Δt = ƒi - ( i + 1 ) * (ci + 1 -ci ) (5)

где fi-(i+1) - средний для двух ячеек коэффициент диффузии, с — концентрация в соответствующих ячейках, определяемая как отношение количества растворенного вещества в ячейке к объему раствора в ячейке.

На ряду с построением комплекса карт, отражающих статическое состояние природно-техногенной среды (рис. 8 ) программа позволяет оценить динамику развивающихся процессов по заданным временным периодам. Задавая исходные параметры влияния техногенных нагрузок по конкретным участкам

25

определяется предельно-допустимая интенсивность тех или иных техногенных нагрузок, ожидаемые параметры проявления карста, что позволяет оценить естественную защищенность природной среды и регулировать уровень нагрузок,

Рис. 8 Эродированная поверхность массива сульфатных пород, осложненная

карстовыми провалами

не допуская активизации карстовых и карстово-суффозионных процессов (рис 9, 10, 11), кроме того, программа позволяет выполнить качественное и количественное моделирование развития таких опасных природно-техногенных

Рис. 9 Типизация среды развития карста.

1 - пески; 2 - глины, мергели; 3 - известняки, доломиты; 4 - гипсы, ангидриды; 5 - урове грунтовых вод; 6 - тип строения среды развития карста.

Рис. 10 Оценка влияния техногенных нагрузок на активность карстового процесса в условиях второго типа среды развития карста на участках утечек хозяйственно-питьевых вод и

сбросов промышленных агрессивных вод.

1, 2, 3 - этапы развития купола подземных вод; а, б, в - этапы формирования зон агрессивных по отношению к карстующимся породам вод.

процессов как подтопление, истощение и загрязнение подземных вод под воз-

действием техногенных факторов. При этом решаются следующие задачи:

-прогноз уровенного режима на участках строительства различных объектов;

Рис. 11 Оценка влияния техногенных нагрузок на активность карстового процесса в условиях второю типа среды развития карста на участках водозабора подземных вод.

1, 2, 3 -этапы развития депрессионной воронки на участке водозабора подземных вод; а, б, в - формирование зоны агрессивных по отношению к карстующимся породам вод.

-прогноз утечек вод из водохранилищ, в зоне сооружения плотины;

-разработка оптимальных вариантов дренажных систем в т.ч. шахтного водоотлива, осушение котлованов и т.д.;

-прогноз формирования депрессионных воронок в сложной много-

слойной среде на участках водозаборных сооружений;

29

- оценка поступления минерализованных вод (из нижележащих горизонтов) к водозаборным сооружениям;

- оценка развития очагов загрязнения подземных вод и вариантный выбор по перехвату загрязненных веществ, связанных с аварийными прорывами коммуникаций промстоками и другими аварийными ситуациями.

Четвертая глава посвящена методологическому обоснованию принципов и методов карстолого-экологического районирования территорий, на результатах которого базируется стратегия и тактика регулируемой и экологически безопасной технологии освоения природных ресурсов в карстовых районах. Не останавливаясь на общем анализе типов и видов районирования территорий (Арманд, 1975 , Трофимов, 1985, Голодковская , 1990, и др.) автором рассмотрены подходы и методики, применявшихся при районировании закарстованных территорий (Зубащенко, 1947, Макеев, 1948, Максимович, 1958, 1963, Родионов, 1963, Гвоздецкий, 1962, 1972, 1981, Ступишин, 1967, Лаптева, 1969, Чикишев, 1971, 1979, Саваренский, 1967, 1990, 1995, Ильин, 1978, Мартин, 1979, Костарев, 1979, Кожевникова, 1984, Печеркин, 1985, Хоменко. 1986, Копосов 1984, 1996, 1999, Кутепов, 1989, Тычина, 1990, Сафронова, 1990, Толмачев, 1986, 1999, Груздова, 1998, Кофф, Петренко, 1998, Toulemont M., 1974, Schmidt G., 1976, Reuter F., Stoyan D., Oleikeuit P., 1981 и др.).

Анализ материалов показал, что до конца 60-х годов 20 века, при районировании закарстованных территорий преобладал географический подход с использованием литолого-тектонической основы. С начала 70-х годов преобладающим становится инженерно-геологический подход со всем комплексом прикладных методов изучения геолсреды В начале 90-х годов стал формироваться новый инженерно-экологический и геоэкологический подход, со своими специфическими методами изучения измененийприродно-техногенной среды и оценке экологической безопасности объектов жизнеобитания, жизнедеятельности и жезнеобеспечения населения. В условиях постоянной опасности возникновения техногенных катастроф инженерно-экологический подход может быть

30

наиболее действенным для прогнозирования изменений природно-техногеннои среды, регулирования техногенных воздействий и карстопровоцирующих нагрузок при освоении ресурсной базы в карстовых районах и в связи с этим требует дальнейшего развития и совершенствования. Автором на примере Нижегородской области, республик Мордовии, Чувашии и Марий-Эл выполнена типизация инженерно-экологических и геоэкологических условий закарстованных территорий с зонированием каждого региона по функциональным особенностям. Разработана схема информационного обеспечения карстологоэкологического районирования территорий (рис. 12 ) и выполнена морфогене-

тическая классификация проявлений карста.

В результате типизации инженерно-экологических и геоэкологических условий выделены 4 основных типа среды развития карста и проведено компьютерное моделирование на основе многослойных объемных моделей вариантов динамики развития, карста в выделенных типах сред в зависимости от вида и уровня техногенных карстопровоцирующих нагрузок. Определены предельно допустимые техногенные нагрузки при эксплуатации подземных вод, утечках и прорывах промышленных вод в различных типах сред развития карста, варианты механизма карстовых деформаций и оценен возможный ущерб от них. Полученные прогнозные характеристики позволяют регулировать и в определен-

ной степени изменять направленность динамики развития карста.

При ранжировании состояния и типизации инженерно-экологических и геоэкологических условий закарстованных территорий весьма важным является оценочная структура природно-техногеннои среды. Интересны для практической реализации теоретические разработки Трофимова, Зилинга (1998) по ранжированию состояний компонентов литосферы, Виноградова (1996), по оценочной структуре состояния экосистем, Голодковской Г.А., Куринова МБ. (1998) по геоэкологическому картографированию территорий. Автором в результате карстолого-экологического районирования для целей рационального и безопасного использования водных, территориальных ресурсов и твердых полезных ископаемых карбонатно-сульфатного ряда выделены следующие типы