Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Эколого-гидрогеологические условия территории г. Тюмени и обоснование методов защиты ее от подтопления

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-гидрогеологические условия территории г. Тюмени и обоснование методов защиты ее от подтопления"

#

-ЭДУтниистерство общего и профессионального образования ^^ Российской Федерации

\ Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

Писарев Александр Евгеньевич

ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ Г.ТЮМЕНИ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ЕЁ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ

Специальность 04.00.06 - гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минсралогнческих наук

Тюмень 1998

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Тюменского государственного нефтегазового университета

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Матусевич В.М.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Рассказов Н.М. кандидат геолого-минералогических наук, до цент Шубенин Н.Г.

Ведущая организация:

Тюменское унитарное муниципальное предприятие водопроводно-канализационного хозяйства "Водоканал"

Защита диссертации состоится « 19 » ноября 1995г. на заседании диссертационного совета № Д.064.07.01 в Тюменском государственном нефтегазовом университете Адрес: 625000, Тюмень, Володарского, 38, ауд.219

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, в одном экземпляре просим направлять по адресу 625000, Тюмень, Володарского, 38, Тюменский государственный нефтегазовый университет, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Автореферат разослан » Ок^ЯР 1998г.

А.А.Дорошенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди множества экологических проблем г.Тюмени, подтопление городских земель, с учетом его масштабов и интенсивности развития, имеет приоритетное значение, так как создает не только дискомфорт в условиях проживания, но и угрожает здоровью людей и самой их жизни. Последствия подтопления настолько серьезны, что можно говорить о преценденте в городе чрезвычайной ситуации, для разрешения которой требуются неотложные специальные инженерные защитные мероприятия. Городской администрацией принимались многократные попытки решения рассматриваемой проблемы. По ее заданиям разработано, по крайней мере 5 схем инженерной подготовки и защиты территории г.Тюмени от подтопления (Ленгипрогор, 1985г.; Гипроком-мундортранс, 1990г.; Гипрокоммунстрой, 1992г.; НПО ВИОГЕМ, 1992г.; АООТ "Градъ" совместно с АОЗТ фирмой «УНИКОМ», 1996г.). Несмотря на затраченные силы и средства, острота проблемы защиты территории г.Тюмени от подтопления, даже при наличии обилия так называемых "проектных предложений", не снята. Причины такой ситуации - ошибочные в организационном плане представления о задачах разработки схем защиты территории от опасных геологических процессов, как о стандартных, которые могут быть решены по классической схеме, через систему проектно-изыскательских работ (ТЭО, «Схема защиты ...», РП и т.п.), минуя специальные научные исследования. Административные же способы принятия решений в этом сложном вопросе вообще не имеют права на существование, так как кроме убытков с их помощью ничего другого достигнуть не удалось. Отсутствие научного гидрогеологического обоснования "Схем защиты" городских земель от подтопления и предопределило необходимость постановки настоящих исследований, причем интерес к этой городской проблеме появился у автора еще в период учебы в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Цель работы. Научно-информационное гидрогеологическое обеспечение проектных работ по разработке схем защиты г.Тюмени от подтопления за счет подземных вод.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Выяснить основные причины подтопления городских земель.

2. Провести гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от подземных вод.

3. Разработать научные основы гидрогеологического обоснования рекомендаций по разработке мер инженерной защиты города от подтопления.

4. Предложить теоретическое обоснование последствий для инженерных сооружений при снижении уровня подземных вод в процессе осушения фунтового массива.

Используемые методологические принципы.

1. Если задано "следствие", то ищи "причины". Если установлены "причины", то ищи "способы борьбы".

2. "Причины" должны быть установлены на основе объективных процедур и на объективно полученном целевом эмпирическом материале,

3. "Способы борьбы" должны быть заданы из класса допустимых в многовариантной постановке.

4. Ищи "способ борьбы" в смысле заданных критериев.

5. Проблемы подтопления городских земель и развитие экзогенных геологических процессов взаимосвязаны; без решения первой проблемы -нет решения второй.

Исходные материалы. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором при проведении гидрогеологических и инженерно-геологических исследований в г.Тюмени с 1992 по 1998гг. Наряду с собственными разработками автора, обобщены имеющиеся публикации, материалы ГлавТюменьгеологии, (ЗапСибРГЦ), ЗапСибПНИИИС, Тюменьгипроводхоз, фирмы "Недра" (Тюмень), Гипрокоммунстроя (Москва), Гипрокоммундортранс (Москва), фирмы "Уником" (Санкт-Петербург), НПО ВИОГЕМ (Белгород), АООТ "Градъ" (Тюмень), МГУ, ПНИИИС, ВНИИ ВОДГЕО.

Диссертационная работа на первом этапе выполнялась в фирме "Прогноз", а в окончательном варианте завершена в Тюменском государственном нефтегазовом университете (ТюмГНГУ).

Научная новизна. Впервые для г.Тюмени выявлены основные причины подтопления городских земель, с учетом которых на основе анализа имеющейся гидрогеологической информации и особенностей города как природно-технической системы, разработана новая концепция осушения подтопленных территорий. Предложено теоретическое обоснование способа получения оценок осадок дневной поверхности, оснований зданий и сооружений в процессе осушения грунтового массива при работе дренажных систем.

Основные защищаемые положения:

1. На основе теоретического обобщения эмпирического материала по климату, особенностям рельефа, гидрологии реки Туры в черте города, геологии и гидрогеологии района, с учетом техногенных факторов, выявлено и доказано с применением прогнозных гидрогеологических расчетов, что главными причинами подтопления городских земель являются: неупорядоченная зарегулированность поверхностного стока; неблагоприятные климатические условия; техЕЮгенно-нарушенный гидрологический режим

реки Туры; барражный эффект от фундаментов глубокого заложения (свайные фундаменты).

2. На базе критического анализа существующих схем защиты г.Тюмени от неблагоприятных геологических процессов ( в т.ч. и подтопления) в концепцию осушения городских территорий, с гидрогеологических позиций, рекомендуется включить следующие защитные элементы:

- "отобранную" в процессе хозяйственного освоения пойму р.Туры "заменить" спрямляющим водопропускным каналом в Заречной части города;

- на участках сформированных техногенных водоносных горизонтов осушение следует вести с использованием традиционного гравитационного дренажа (береговой, систематический и т.п.);

- на подтопленных локальных участках, где в гидрогеологическом разрезе присутствуют коллекторы, рекомендуется применение вертикального систематического дренажа подземных вод;

- одновременная откачка из скважин (имеющийся в наличии фонд скважин для резервного водоснабжения), пройденных в водоносных горизонтах олнгоцен-четвертичного резервуара, для "мягкого" снижения уровня подземпых вод на подтопленных территориях;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плитные и ленточные.

Практическое значение работы н реализация результатов исследований. Диссертация составлена в результате проработки актуальных гидрогеологических проблем г.Тюмени. Реализация результатов исследований осуществлялась в виде докладов, публикаций, а также в подготовке информационной базы для составления экспертных заключений по линии Тюменьоблэкологии. Научные разработки автора использовались при выполнении в качестве ответственного исполнителя госбюджетной темы (шифр 2.8): "Гидрогеологическое обоснование инженерных решений по борьбе с подтопленном городских и промышленных агломераций юга Тюменской области".

Публикация и апробация работы. Основные положения диссертации освещались на XV Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (7-9 октября 1997г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, студентов и аспирантов ТюмГИГУ. Проблемы, затронутые в настоящей работе, неоднократно обсуждались в Тюменьоблэкологии, когда речь шла об экологической обстановке в городе, а также в администрации г.Тюмени. Защищаемые положения диссертации отражены в 5-ти опубликованных работах, а также в учебном пособии в соавторстве.

Структура н объем работы. Диссертационная работа общим объемом 201 страница состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, списка ли-

тературы из 78 наименований, включает 54 рисунка и 50 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М.Матусевичу за постоянную помощь на всем протяжении исследований и подготовки диссертационной работы. Автор благодарит за ценные советы и замечания всех сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ТюмГНГУ.

Глава 1. Характеристика Тюменской городской агломерации как природно-тсхнической системы

Впервые в контексте решения проблем подтопления городской территории получено генерализованное описание г.Тюмени как природно-технической системы. Рассмотрена структура города, застройка, инженерия. Показано, что подтопление городских земель не является плодом хозяйственной деятельности последних лет, а представляет собой результат многочисленных ошибок, допущенных в историческом плане при инженерном освоении территории города:

- стихийная, фрагментарная инженерная подготовка без соответствующих сооружений по сбору и отводу подземных и поверхностных вод;

- наличие ограждающих дамб, насыпей, авто- и ж.д. и т.п., способствующих формированию замкнутых пониженных зон интенсивного ин-фильтрационного питания;

- барражный эффект от многочисленных свайных фундаментов;

- утечки из водонесущих коммуникаций, которые по оценке автора составляют порядка 2,4* 10"4 м/сутки;

- уничтожение прудов и котлованов, ликвидация городских болот и старичных озер, засыпка и застройка гаражами логов и оврагов;

- устройство противопаводковых дамб в пойменной части р.Туры.

Все это происходит в условиях достаточно плоского, слаборасч- ле-

ненного техногенно нарушенного городского рельефа (абс.отм. 52-105 мБс).

В главе приводится нормативное описание континентально-циклонического климата района г.Тюмени. Учитывая влагообеспечен-ность территории, можно отметить, что она является избыточно увлажненной. Превышение количества осадков над испарением создает весьма специфические условия для потенциального подтопления городских земель, Показано, что в последнее десятилетие в районе сложилась достаточно неблагоприятная климатологическая обстановка, способствующая нарушению обычно "хрупкого равновесия", приводящего не только к дополнительному подтоплению, но и затоплению городских территорий. Сопоставление нормы основных климатических характеристик с парамет-

рами климата, зафиксированными в последнее десятилетие показало сле-' дующее. В температурном отношении оно оказалось более теплым; среднегодовая температура воздуха 1,23 °С при норме 0,7 °С. Общее количество атмосферных осадков на 40-50мм превышает норму (524мм); максимум жидких осадков приходится на июль-август. Испарение с водной поверхности и почвы ниже нормы и существенно меньше количества жидких атмосферных осадков. Эти данные подтверждают факт, что с учетом баланса поверхностной влаги, такие погодные условия способствуют накоплению поверхностных вод в пониженных местах территории и дополнительному насыщению водой зоны аэрации.

Приведенное в главе "нормативное" описание р.Туры как гидрологического объекта, в полной мере не отвечает реалиям, сложившимся за последние 8-10 лет. Пойма р.Туры, огороженная противопаводковыми дамбами, либо застроенная по гидронамыву, не выполняет своих естественных функций, что привело к стабильно высоким уровням в реке в течение теплого периода года в черте города и особенно в сочетании с неблагоприятными климатическими факторами.

Например, уровенный режим р.Туры резко отличается от режима уровней различных по водности прошлых лет. Фактически мы имеем дело с растянутым весенним половодьем (норма спада уровней 20 см в сутки), которое из-за большого количества осадков фактически имеет продолжение до октября, со средним превышением уровня, по сравнению с уровнем зимней межени на 564 см. Приведенные выше данные показывают, что в цепочке "причина - следствие" (подтопление) р.Тура имеет немаловажную роль. Поэтому, при выборе средств защиты города от подтопления - ключ решения проблемы, в первую очередь, рекомендуется искать в области построения регуляторов уровенного режима р.Туры. Экологически небезопасны воды р.Туры в пределах городской застройки. Суммарное содержание в них загрязняющих веществ (тяжелые металлы, фенолы, нефтепродукты, СПАВ) в 6,0-6,8 раза превышают допустимые по нормам для рек хозяйственно-бытового назначения.

Глава 2. Геологическое строение, гидрогеологические условия г.Тюмени, инженерно-геологические особенности поверхностных

отложении

С учетом задач, поставленных в диссертационной работе, геологическая информация ограничена снизу отложениями кайнозойской группы, палеогеновой системы, начиная с глин Тавдинской свиты морского происхождения - региональный водоупор. Выше залегают слои курта-мышской и туртасской свит и частично неогеновой системы, перекрытые чехлом осадочного происхождения четвертичного возраста, особенности

которого достаточно тесно увязываются с геоморфологическим строением территории - три надпойменных террасы, водораздел и пойма р.Туры. По генетическому типу осадки четвертичной системы относятся к аллювиальным, озерно-аллювиальным, аллювиально-делювиальным, субаэральным, озерно-болотным и техногенным отложениям. Отложения Искинской толщи (la I is) - пойма, II, III, IV террасы, абс. отметки кровли от 40 до 50-55м. Отложения Сузгунской толщи (la II sz ). Абсолютные отметки рельефа 85-105м. Отложения IV надпойменной террасы (la4II-III). Абсолютные отметки рельефа 70-85м. Отложения III надпойменной террасы (a3III). Абсолютные отметки рельефа 60-70м. Субаэральные покровные отложения (sa II-III); залегают на отложениях Сузгунской толщи. Субаэральные покровные отложения (sa III) распространены в пределах IV надпойменной террасы. Аллювиальные отложения пойменной террасы (а IV). Высокая пойма - абс. отметки рельефа 55-58м; низкая пойма - ее поверхность на 2.0-2.5м ниже и хорошо выражена в рельефе по уступам. Делювиально-аллювиальные отложения (da IV) - узкие ленты вдоль русел малых рек Тюменка и Бабарынка. Озерно-болотные отложения (lb IV) развиты в пределах поймы, II и III надпойменных террас. Техногенные отложения (th IV) прослеживаются в пределах всей территории города (намывные, насыпные с возрастом более 15 лет, насыпные с возрастом до 15 лет).

В главе показано, что пестрый состав отложений четвертичного возраста, отсутствие явно выраженных в разрезе слоев-коллекторов в пределах г.Тюмсни, наряду с климатическими факторами, обуславливают предрасположенность городских земель к подтоплению за счет подземных вод.

Тюменский район относится к Южной группе бассейнов стока /Смоленцев, 1989, 1991/ и расположен в пределах Тобольского бассейна стока, с основной дреной подземных вод - р.Тура. Гидрогеологические условия кайнозойско-меловой системы бассейнов стока в г.Тюмени представлены двумя самостоятельными гидрогеологическими комплексами: олигоцен-четвертичный и турон-олигоценовый. Для задач, поставленных в настоящей работе, наибольшее значение имеет самый молодой - олигоцен-четвертичный гидрогеологический комплекс, охватывающий зону активного водообмена и подстилаемый региональным водоупором - тавдински-ми глинами (олигоцен-четвертичный резервуар).

Подземные воды неглубокого залегания, существенно влияющие на строительство и эксплуатацию инженерных сооружений на территории города, приурочены к озерно-аллювиальным отложениям террасы, озерно-болотным, аллювиально-делювиальным отложениям, а также к олигоце-новым отложениям туртасской и куртамышской свит.

Среди них можно выделить:

- безнапорные или нанорно-безнапорные грунтовые воды в четвертичных отложениях, в том числе техногенные воды;

- напорные воды межпластового типа в нижнечетвертичных отложениях (Искинская свита);

- напорные воды межпластового типа олигоценовых отложений.

Преимущественно суглинисто-глинистый состав грунтов зоны аэрации практически исключает возможность формирования "верховодки" (в классическом понимании) в пределах городской черты.

Техногенные воды представлены:

- "техногенная верховодка" - развита на территориях города, застраиваемых на намывных и насыпных грунтах;

- реликтовые "техногенные" водоносные горизонты - имеют распространение на площадях гидронамыва;

- новообразованные техногенные водоносные горизонты на слабопроницаемом грунтовом основании (территории гидронамыва и сухой отсыпки минерального грунта).

В главе приводятся основные гидрогеологические параметры и сведения по химическому составу водоносных горизонтов, полученные в результате сбора и обобщения гидрогеологической информации по г.Тюмени.

Показано, что определение дополнительного инфильтрационного питания для застроенных территорий представляет собой достаточно сложную параметрическую проблему, которая не может быть решена по традиционной с схеме через систему плотной сети режимных наблюдений с последующим использованием известного уравнения Г.Н.Каменского в конечных разностях. Рекомендуется для городских территорий при оценке дополнительной инфильтрации применять метод аналогий, разработанный ВНИИ ВОДГЕО (Муфтахов, 1975), а также водно-балансовое уравнение (Смирнов, 1976; Кожинов, 1982; Пашковский, 1985; Аверьянов, 1978 и ДР.):

юдо„ = (1 - а)а,0. е аЬ - и + фв +рк) / Р.

где а = (О^ХаТ"',)/?, а, - коэффициент поверхностного стока для площади F¡ (зависит от типа застройки и характера покрытий) соао. - осадки; Рк - коэффициент благоустройства территории; Р„ - коэффициент водо-иотерь; \У - суточное водопотребление; и = и0 е"сЬ - испарение с поверхности грунтовых вод; и0 - испаряемость; Ь - глубина залегания УГВ; с - коэффициент, равный 1,3 (1/м);а = 22,1/ (4 + 1§Кф) - коэффициент учитывающий фильтрационные свойства фунтов зоны аэрации.

Для локальных участков (линейной, полосообразной и круглой в плане формы) предложено оценивать содо„ по данным краткосрочных режимных наблюдений, на основе решения обратных задач, с использованием набора прямых аналитических решений для типовых гидрогеологических схем, приведенного в работе Писарева и др. (1996).

9

Территория города относится к провинции сезонного питания грунтовых вод. Выделяются следующие типы режима грунтовых вод - пойменный, приречный, террасовый и междуречный. По данным режимных наблюдений автором выведена корреляционная зависимость экстремальных значений глубин залегания грунтовых вод, которые могут быть использованы при краткосрочных прогнозах в годовом цикле. Построена карта гидроизогипс по состоянию на декабрь 1991 года, с использованием материалов специально поставленных буровых работ, результаты наблюдений по скважинам ТКГРЭ, а также скважины изыскательских организаций, где уровни грунтовых вод замерены лишь на период их проходки. Привязка разовых наблюдений за УГВ к единой базе осуществлялась с использованием выведенных корреляционных зависимостей. Карта гидроизогипс - основа для задания начальных условий при выполнении прогнозных гидрогеологических расчетов.

Режим межпластовых напорных вод характеризуется незначительной по сравнению с грунтовыми водами амплитудой.колебаний пьезометрической поверхности уровней воды, не превышающей 1.0 м. Пьезометрические уровни практически совпадают с уровнем залегания грунтовых вод, что подтверждает наличие между ними гидравлической связи.

Для выделенных в пределах города региональных инженерно-геологических элементов в главе приводятся нормативные и расчетные значения физико-механических свойств грунтов.

Глава 3. Геоэкологическое состояние городской территории

Выявлены и систематизированы городские источники загрязнения природной среды, в том числе подземных вод. Подъем уровня грунтовых вод приводит к повышению минерализации до 2 г/л, к увеличению содержания в подземных водах токсических компонентов ( в т.ч. тяжелых металлов), ухудшает бактериальный состав, повышает агрессивность.

Впервые на основе исследования одномерного нестационарного процесса кондуктивной теплопроводности по глубине в однородной среде с наличием подвижной во времени границы фазовых переходов была поставлена и решена задача теплового техногенного загрязнения геологической среды (рис. 1). На конкретных примерах показано, что тепловыделяющие городские объекты экологически не безопасны, требуют соответствующего учета и мониторинга.

Глава 4. Гидрогеологическое обоснование методов инженерной защиты г.Тюмсии от подтопления

4.1. Гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от

подтопления

t„ > 100°C

Пар

Вода "<

' ¥ ¥ tJ ¥ f f

f.(x) ^-ь Ci, Ях

Граница фазового переходя «вола - пар»

х = Е, = a Vx

Ш ^•2) С2, Я2

х 1 f х = со t2(co) = to

, ^(z) < x < oo ;x=0,1, =t„ = i, =г2 = [ф;

Постановка задачи:

3t, £rti at,

--= a, • - , 0 < x < J; (r) ;- = a2 ■ -

Э т д x2 ¿51 5 x2

Э ti Э t3 d 4 (t)

x = ^(i), Xi--- A, • - = p - w - pj--(условие Стефана),

Эх Эх dT

где w - весовая влажность, р - удельная теплота парообразования, pd - плотность сухого грунта, х = <ю, t, = ¡0; т = 0, =

Решение задачи:

х х t, = Ci + С3 erf {-) ; t2 =С3 + С4 erf (-), С;, ¡=1,2,3,4 определяется из граничных условий.

а, х

ti = t „J

erf (-

2 Va21 ) ;t2 = t0 -

to -Ц x

- • erf с ( - )

erf с ( a/2V a,) 2Va2t

егГ(а/2^а,) 2 V а, т

а представляет корень трансцендентного уравнения, которое можно получить после подстановки гь (,, Ут) в условие Стефана.

Рис. 1 Расчетная схема для определения температуры грунта при наличии границы

фазовых переходов «вода - пар» - теплопроводность, ккал/м*ч*град; С, - объемная теплоемкость, ккал/м*град; а, - коэффициент температуропроводности, м /ч; т - время, час.; > 100°С - температура на поверхности грунта, град.; ^ - температура грунта ниже гранит,! годовых колебаний температур, град.; ц " 100°С - температура перехода воды в пар; а - параметр, связанный со скоростью движения границы фазовых переходов.

х

В главе с технико-экономических и гидрогеологических позиций рассмотрено пять схем защиты г.Тюмени от подтопления, разработаны в разное время различными организациями. Показано, что все схемы опираются на технократический подход, главное в котором, делаю что умею, разработаны на бедной информационной базе о компонентах природной среды без учета гидрогеологических особенностей и техногенной обстановки в городе.

В главе дан анализ результатов экспериментальной проверки с использованием наблюдательных скважин за работой уже построенного 8-ми лучевого дренажа (ЛД-1), на пересечении ул.Революции - Сибирская, который показал, что радиус действия ЛД-1 при заданной норме осушения 3,0м не превышает 60-70м (по проекту 160-200м), что совпало с расчетными данными автора. ЛД-1 работает неустойчиво и не вошел в стационарный режим эксплуатации. Из-за суффозионного выноса песчаного материала через дрены-лучи происходит оседание дневной поверхности и нарушение устойчивости фундаментов. Полученные расчетные и экспериментальные данные ставят под сомнение использование ЛД-1 для осушения подтопленных участков г. Тюмени.

4.2. Оценка состояния подтопленных городских территорий Путем сравнения карт гидроизогипс по состоянию на 1980 и 1991гг. произведено оконтуривание в пределах города участков повышения во времени уровней фунтовых вод (рис.2). Отображение этих участков, с учетом геолого-геоморфологического строения и гидрогеологических условий на городскую застройку позволило выделить 17 подтопленных районов и 4 района с потенциальным подтоплением (70% от площади города).

4.3. Факторы и причины подтопления г.Тюмени Как отмечалось выше, количество атмосферных осадков за последние 10 лет превышают норму на 30%. Испаряемость уменьшилась с 537мм до 250-230мм в год. Величина дополнительного инфильтрацион- ного питания подземных вод при коэффициенте поверхностного стока а=0,95 применительно к жилмассиву «Крестьянские места», только за счет климатических факторов оказалась равной 0.0013 м/сутки. В результате схематизации гидрогеологических условий, (жилмассив "Крестьянс-кие места") была построена 2-х слойная гидрогеологическая модель с неограниченным в плане грунтовым потоком. В результате проведенных прогнозных расчетов было получено

t, сут. 35 127 153 179 240 365 730

Ah, м 0,08 0,23 0,27 0,29 0,36 0,52 0,76

Приведенные расчетные данные показывают, что роль неблагопри-

со

Рис.2 Карта повышения уровней грунтовых вод за период с 1980г. по декабрь 1991г. 1 « повышение уровней грунтовых вод за период с 1930г. по 1991г.; 2 - контур зоны с нарушенным режимом грунтовых вод, бергштрихи направлены в сторону распространения этой зоны; 3 - существующие дамбы обвалования; 4 - глубина эрозионного вреза, м.

ятных климатических факторов в повышении уровней грунтовых вод является доказанной и поэтому данный фактор в целом для г.Тюмени можно перевести в разряд причины.

Подпор (барраж) в зонах, уплотненных свайными фундаментами, определен способом приведения уплотненной зоны грунтов к зонам макронеоднородности или к полосе условной противофильтрационной завесы, с коэффициентом фильтрации к':

- для свай круглого сечения

k' = к( 1 + (а In га) sh2(7t гс1 /а)"1;

для свай квадратного сечения

к' = к[(1 - 2гс / а)"1 - (а /к rc) In simi:/2(l - 2rc / а)]*1 ,

где rC| - радиус сваи; гс - половина размера стороны сечения сваи; а - расстояние между сваями. Формулы действительны для песчаных грунтов. Для пылевато-глинистых грунтов коэффициент фильтрации условной завесы к' определяется по этим же формулам, а гс находится по формуле гс = V2RC, где Rc - приведенный радиус сваи к кругу, равновеликому, поперечному сечению сваи.

С использованием к' выполненные расчеты по формулам Сологаева /1987/ показали, что на фронте единичных свайных полей повышение уровня грунтовых вод достигает величины 0,1-0,2м. С этими результатами модельных расчетов не считаться просто нельзя, имея в виду массовое применение свайных фундаментов в пределах г.Тюмени. Другими словами, барражный эффект от свайных фундаментов в отмеченных условиях безусловно является одной из причин подтопления городской территории за счет подземных вод.

При техногенных ограничениях на разгрузку подземных вод в единственную самую крупную дрену г.Тюмени - р.Туру, грунтовый поток в отмеченных выше условиях направлен в обход города, что приводит к повышению уровня грунтовых вод на прилегающих территориях и даже к их подтоплению.

С учетом рассмотренных неблагоприятных климатических и особенно техногенных факторов, уровенный режим р.Туры в значительной степени также способствует накоплению свободной влаги в грунтовой толще, и приводит к подпору подземных вод как поймы р.Туры, так и к изменению уровней подземных вод в отложениях террас.

С использованием прогнозной одномерной модели (в условиях отсутствия инфильтрационного питания) нестационарной плановой фильт-

рации, для полуограниченного однородного по вертикали потока с изменением напоров на границе в виде ломаной (аппроксимация изменений уровней р.Туры во времени) для правобережной поймы были получены следующие данные:

Месяцы IV V VI VII VIII IX

Дни, сутки 0 30 60 90 120 150

Абс.отм. уровня, м 54,64 54,84 55,15 55,46 55,71

Изменение напора,м 0 0,04 0,26 0,55 0,86 2,11

При абсолютной отметке поверхности земли 54,5м правобережная пойма, начиная с мая 1993 года, оказывается затопленной за счет подземных вод, даже без учета слоя стока весеннего половодья и выпавших жидких атмосферных осадков.

Аналогичные расчеты были выполнены для жилмассива "Крестьянские места" (IV терраса р.Туры), при условии, что расстояние от центра жилмассива до р.Туры составляет 3,5 км.

Месяцы 1У-У У-УШ УШ-1Х 1Х-Х X

Дни, сутки 35 127 153 179 240

Изменение напора от «подпора» р.Туры, м 0,0 0,16 0,20 0,23 0,29

Хотя полученные величины не превышают 0,3м, тем не менее все значения положительны, что подчеркивает существенную ограниченность р.Туры как дрены подземных вод олигоцен-четвертичного резервуара, в том числе и для террасовых комплексов и отложений водораздельных пространств.

4.4. Гидрогеологическое обоснование рекомендаций по методам инженерной защиты г. Тюмени от подтопления

С использованием математического гидрогеологического моделирования на ПЭВМ разработана концепция осушения городских земель, включающая следующие защитные и профилактические элементы:

- строительство спрямляющего водопропускного канала в Заречной части города;

- устройство гравитационного дренажа на пойменных участках, где сформированы техногенные водоносные горизонты;

- на подтопленных территориях, где в гидрогеологическом разрезе

присутствуют коллекторы, примененять вертикальный площадной систематический дренаж подземных вод;

- запуск в эксплуатацию имеющегося фонда скважин резервного водоснабжения, пройденных в водоносных горизонтах олигоцен-четвертичного комплекса;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плитные и ленточные.

В диссертации аргументированно "снимается" геоэкологический, гидрогеологический и технико-экономический "запрет", предложенный в в разработанных "Схемах защиты" на применение вертикального дренажа в условиях г.Тюмени. В альтернативном плане выполнен для 2-х пластового потока, на примере жилмассива "Крестьянские места", расчет систематического вертикального дренажа при равномерном площадном питании. При этом в качестве исходного принимается условие поддержания заданного уровня подземных вод в скважине при ограничении на контуре.

Рассмотрен одномерный в плане радиальный.поток, для которого выполняются предпосылки перетекания, т.е. в каждом водоносном пласте поток считается плановым, а в разделяющих и покровных пластах - вертикальным. Локальное сопротивление на несовершенство скважин-дрен учитывалось функцией скважины (по Ч.Тейсу). Наилучшие результаты расчетов получены для III варианта (откачка из верхнего и нижнего пластов): расстояние между скважинами-дренами 400м ( г«=224м), дебит дренажной скважины - 20м1/час; Нс=76,00м > Нсло„-:75,86м.

Экономический эффект налицо (для жилмассива "Крестьянские места"): вертикальный дренаж - 50 скважин (глубиной 25м) полной стоимостью в ценах 1991 года порядка 50 тыс. рублей, откорректированная стоимость одного шахтного колодца с 8-лучевыми дренами - 5.35 млн. рублей (цены 1991г.). Эффективность рекомендуемого комплекса защитных устройств подтверждена результатами математического гидрогеологического моделирования.

Строительство водопропускного канала рассматривается как мероприятие, позволяющее восстановить режим поверхности потока близкий к естественному для р.Туры. Канал должен пропустить через себя ту часть поверхностного стока, которая в естественных условиях проходила по пойме реки, в настоящее время застроенной, частично обвалованной и перегороженной насыпями автодорог. Для проведения прогнозных расчетов 'рассмотрен вариант водопропускного канала, спрямляющего реку на участке между 188 и 175 км судового хода. Общая длина канала 5,8 км, в том числе при прохождении трассы через озера 3,3км.

В контексте проблематики, поставленной в настоящей работе, интерес представляет гидрогеологическое обоснование его строительства -изменит ли и насколько, водопропускной канал снижение уровней под-

земных вод в пойменной затопляемой части города и на застроенных террасах р.Туры, за счет увеличения дренирующей способности системы "р.Тура - водопропускной канал".

Грунтовые условия пойменной территории весьма сложные. Особенностью их является изменчивость и невыдержанность литологических слоев, частое их переслаивание. В геологическом отношении это сложно построенный аллювиальный комплекс песчано-глинистых отложений современного возраста, залегающий на отложениях верхнего палеогена.

Полученные в процессе исследований данные показывают, что все многообразие распределения грунтовых толщ можно свести к двухслойному разрезу, в котором с поверхности залегают слабопроницаемые глинистые грунты (глины, суглинки), подстилаемые относительно хорошо проницаемыми грунтами (пески, супеси). Элементам гидрогеологической модели присвоены эмпирически полученные расчетные значения коэффициента фильтрации. Дополнительное инфильтрационное питание оценивалось водно-балансовым методом.

Модель охватывает территорию трассы проектируемого обводного канала с прилегающей поймой и II надпойменной террасой протяженностью 5800м и шириной 1200м. Граничные условия (I рода) были заданы в виде постоянных напоров в истоке и устье проектируемого водопропускного канала, а также в пределах границ озер Алебашево и Круглое. Прогноз выполнен на базе использования метода конечных разностей на основе программы разработанной Кинцельбахом ( Клпге1ЬасЬ, 1986,1987) и переработанной автором применительно к специфике решаемых задач.

Расчет водопритока в водопропускной канал производился при заданных уровнях воды в канале, обеспечивающих устойчивое понижение уровнен грунтовых вод на прилегающей территории. Водоприток рассчитывался на каждые 100м длины канала. Ожидаемый водоприток в канал при минимальных уровнях воды в нем (49,4-50,4м) составит 2425-2487 м3/сутки. По мере повышения уровня воды в канале водоприток уменьшается и составит соответственно: 51,7м, 52,9м, 54,5м, 55,5м - 2258 м3/сут., 2130 м3/сут., 2012 м3/сут. и 1983 м3/сут. Распределение водопритока по длине канала определяется литологическим составом грунтовых толщ и их проницаемостью, начальным уровнем грунтовых вод и напорным градиентом.

Основные выводы по результатам проведенных исследований сводятся к следующему. При уровнях воды в канале, не превышающих уровней грунтовых вод в естественных условиях, происходит устойчивое осушение прилегающей к каналу территории. При заданных отметках дна канала, равных 43-44м и минимальных уровнях воды в канале понижение грунтовых вод может достигнуть 1,9-4,7м. Зона влияния канала распространяется практически на всю рассматриваемую полосу шириной 1200м.

Таким образом, вариант строительства водопропускного канала (регулятор гидрологического режима р.Туры) с гидрогеологических позиций имеет явные перспективы в части снижения уровней грунтовых вод в целом на городской территории. Канал, проложенный по левобережной пойменной Заречной части г.Тюмени, усилит дренирование подземных вод как с пойменной части, так и с террасовых комплексов в пределах городской застройки. Другими словами, задуманный канал заменит отторженную в процессе хозяйственного освоения речную пойму, способен вернуть с точки зрения гидрогеологии город к исходному состоянию, безусловно при сочетании с профилактическими и активными средствами инженерной защиты от подтопления городских земель за счет подземных вод.

4.5. Прогноз дополнительных осадок сооружений от осушения с помощью дренажных устройств Понижение уровня грунтовых вод сопровождается изменением напряженного состояния обводненных грунтов вследствие уменьшения взвешивающего воздействия воды. В результате при осушении в грунтах возникают дополнительные напряжения, которые могут привести к неравномерным осадкам зданий и сооружений. Задача определения осадок грунтовых массивов при их осушении по своему содержанию близка к задаче теории фильтрационной консолидации грунтов, впервые сформулированной и развитой К.Терцаги (1961), Н.М.Герсевановым и Д.Е.Поль-шиным (1948), В.А.Флориным (1961), в дальнейшем более детально изученной рядом исследователей (Цытович, 1979; Зарецкий, 1967).

Первая модель прогнозирования предполагает процесс возникновения дополнительных осадок при понижении уровня фунтовых вод вследствие того, что из-за снятия взвешивающего действия воды в зоне между прежним и новым уровнем грунтовой воды природное давление на все нижележащие слои фунта возрастает на величину Др , определяемую в зависимости от высоты капиллярного поднятия , глубины расположения уровня грунтовых вод до его понижения Ьв, величины снижения уровня грунтовых вод ДЬВ _ и плотностей грунтов, расположенных ниже уровня грунтовых вод уш0> в зоне капиллярного поднятия 71 и выше этой зоны - уг-Для случая, когда Ьк = Ьв + АЬВ - Ьг , величина Ар можно найти но формуле

Ар = У»(Ьк - Ь„)+ угЬ2 - утпАЬв,

где Ь2 - толщина слоя грунта над зоной капиллярного поднятия воды, образовавшейся после снижения уровня грунтовых вод. Для случая, когда Ьк й АЬ„

Ар = (у2 - Уош) ЛИ, = (1/1+е2)( у^2 + у»') ЛИ,, = (1/1+е2)(1+02е2) у„ АИ„

где е2, \У2 и С2 - коэффициент пористости, влажность и степень влажности в слое грунта выше зоны капиллярного поднятия воды.

Для случая, когда ^ Ьв+ ДЬВ

Ар = (7. - У»з») АЬ. = (1/1-Н5,)(+ у„) АЬ, = (Ш+е.ХНС.е,)у„ ЛЬВ,

где еи - коэффициент пористости, влажность и степень влажности грунта в зоне капиллярного поднятия воды.

При С |=1

Ар = у„ ДЬ„

Дополнительная осадка Д8 от снижения уровня грунтовых вод определяется по формуле

Д8 = ДрН/Е,

где Е - модуль деформации грунта в пределах сжимаемой толщи Н.

Величина сжимаемой толщи Н определяется из условия Ар = т. е. она равна глубине, на которой раг- = 5Ар.

Вторая модель прогнозирования дополнительных осадок включает элементы первой, но дополнительно предполагает наличие работающего систематического дренажа и средней нагрузке на подошве существующего фундамента интенсивностью ц . /'

При условии, что функцию к(0) можно аппроксимировать линейной, т.е. к(б) = А1 - В[0/(1 + 4), было получено дифференциальное уравнение дШ = (А - ВБ^Б/дх2, где А = А,/п0; В = В,а/[п0(1 + %)), к(6) -коэффициент фильтрации; 9 = ах + а2 - сумма главных напряжений; Б - величина понижения; п0 - пористость; I - время; коэффициент бокового давления; а = ушч(1 + £)[1 - еср(1 - С)]/( 1 + еф); £ср - осредненное значение коэффициента пористости; С - степень влажности.

Полученное уравнение достаточно просто решается численно.

Зная значения Б для различных моментов времени, можно определить приток воды п дренаж и получить распределение значений в , что дает возможность прогнозировать осадку сооружений при дренаже водоносных грунтов.

Расчеты дополнительной осадки от снижения уровня грунтовых вод выполнены по вышеприведенным моделям применительно к различным

гидрогеологическим условиям застраиваемых массивов г.Тюмени.

Средняя осадка грунтов при понижении уровня грунтовых вод от изменения собственного веса грунтового массива (модель I) изменяется в зависимости от строения и деформационных характеристик грунтов от 0,4 до 12,6 см. Наибольшие дополнительные осадки в этом случае характерны для поймы и грунтовых толщ II надпойменной террасы.

На основе модельных расчетов при ц — 2 кгс/см2 (модель 11) и времени работы систематического дренажа, соответствующего достижению нормы осушения равной 3,0м были получены значения дополнительных осадок 2,2 - 31,6 см.

Заключение

В результате проведенных исследований автором получены следующие результаты, определяющие теоретическую, методическую и практическую значимость диссертационной работы.

1. Впервые, в контексте решения проблем подтопления, получено генерализованное описание г.Тюмени как природно-технической системы. В условиях все прогрессирующего антропогенного воздействия на природную среду, избыточное увлажнение территории, плоский слаборасчле-ненный техногенно нарушенный рельеф, неблагоприятное геологическое строение и соответственно гидрогеологические условия обуславливают предрасположенность городских земель к подтоплению за счет подземных вод.

2. На основе обобщения фактического материала выполнена схематизация гидрогеологических условий г.Тюмени на уровне водоносного комплекса олигоцен-четвертичных отложений и получены соответствующие расчетные геофильтрационные параметры. Рассмотрена проблема оценки дополнительного инфильтрационного питания для застроенных территорий. Рекомендовано для районов и города в целом получать величину дополнительной инфильтрации водно-балансовым методом. Для локальных участков (линейной, полосообразной и круглой в плане формы) предложено дополнительное иифильтрационное питание оценивать по данным краткосрочных режимных наблюдений на основе решения обратных гидрогеологических задач.

3. На основе разновременных наблюдений за уровнем подземных вод оконтурены в пределах города участки повышения во времени уровней грунтовых вод. Отображение этих участков, с учетом геолого-геоморфологического строения и гидрогеологических условий на городскую застройку позволило выделить 17 подтопленных районов и 4 района с потенциальным подтопленном (70% от площади города).

4. Выявлены и систематизированы городские источники загрязнения

природной среды, в том числе подземных и поверхностных вод. Показано, что экологически небезопасна и вода р.Туры в пределах городской застройки. В связи с этим при осушении грунтового массива, дренажные воды не должны сбрасываться в поверхностные водотоки, минуя предварительную очистку. На основе исследования одномерного нестационарного процесса кондуктивной теплопроводности по глубине в однородной среде с наличием подвижной во времени границы фазовых переходов была математически решена задача теплового техногенного загрязнения геологической среды. На основании модельных расчетов даны рекомендации по учету и мониторингу за тепловыделяющим городским объектом.

5. Выполнен гидрогеологический анализ существующих инженерных схем защиты Тюмени от подтопления, разработанных в разное время различными организациями. Показано, что все "Схемы" разработаны традиционно «чисто инженерно», на бедной информационной гидрогеологической основе.

Полученные расчетные и экспериментальные данные по работе уже построенного лучевого дренажа (ЛД) ставят под сомнение использование ЛД для осушения подтопленных участков г.Тюмени.

6. Среди множества факторов подтопления застроенных территорий, на основе выполненных прогнозных гидрогеологических расчетов доказано, что главными причинами подтопления г.Тюмени являются:

- неблагоприятные климатические факторы;

- техногенно-нарушенный гидрологический режим р.Туры;

- барражный эффект от фундаментов глубокого заложения.

Выявленные причины учитывались при выборе гидрогеологических

рекомендаций по инженерным мероприятиям по борьбе с подземными водами.

7. С использованием математического гидрогеологического моделирования на ПЭВМ разработана концепция осушения городских земель, включающая следующие защитные и профилактические элементы:

- "отобранную" в процессе хозяйственного освоения пойму р.Туры "заменить" спрямляющим водопропускным каналом в Заречной части города;

- на пойменных участках, где сформированы водоносные горизонты, осушение следует вести с использованием гравитационного дренажа;

- на подтопленных территориях, где в гидрогеологическом разрезе присутствуют породы - коллекторы, рекомендуется применение вертикального площадного систематического дренажа подземных вод;

- запуск п эксплуатацию имеющегося фонда скважин резервного водоснабжения, пройденных в водоносных горизонтах олигоиеп-четвергичного комплекса;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плит-

ные и ленточные.

8. Предложены методы и выполнены соответствующие расчеты по прогнозу осадок дневной поверхности и оснований фундаментов существующих зданий и сооружений в результате осушения массива грунтов дренажными системами. С полученными значениями осадок не считаться просто нельзя.

Список работ автора по теме диссертации

1. Вопросы осушения территории г.Тюмени на примере жилмассива "Крестьянские места" В кн.: "Проблемы нефтегазовой гидрогеологии Западной Сибири".Межвузовский сборник научных трудов. -Тюмень, изд. ТюмГНГУ, 1994,82-86 с. (Соавторы В.М.Матусевич, Е.А.Писарев)

2. Инженерно-геологические исследования для различных сооружений. Учебное пособие, часть II. - Тюмень, нзд.ТюмГНГУ, 1996, 112с. (Соавторы Е.А.Писарев, А.В.Матусевич)

3. Проблема борьбы с подтоплением г.Тюмени и других городов Тюменской области. В сб."Предложения ТюмГНГУ для Тюменской областной Администрации. -Тюмень, изд.ТюмГНГУ, 1996,5с.(Соавторы В.М.Матусевич, Ю.К.Смоленцев, Е.А.Писарев)

4. Проблема борьбы с подтоплением населенных пунктов Тюменской области. В материалах XV Всероссийского совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (7-9 октября 1997г.). -Тюмень, Тюм ГНГУ, 1997, 63с. (Соавторы В.М.Матусевич, Е.А.Писарев)

5. Результаты экспериментальных исследований 8-ми лучевого симметричного дренажа на территории жилмассива "Крестьянские места" в г.Тюмени. В межвузовском сборнике: "Научно-технические проблемы Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. -Изд. ТюмГНГУ, том 1,1997, 147-149.

6. Тепловое техногенное загрязнение геологической среды (ГС) на застроенных территориях. Там же, 150-154.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Писарев, Александр Евгеньевич, Тюмень



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи УДК 556.3:626.86

Писарев Александр Евгеньевич

ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ Г.ТЮМЕНИ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ЕЁ ОТ

ПОДТОПЛЕНИЯ

Специальность 04.00.06 - гидрогеология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических

наук

Тюмень 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Характеристика Тюменской городской агломерации

как природно-технической системы 8

1.1. Структура города, застройка, инженерия 8

1.2. Рельеф 10

1.3. Климат 10

1.4. Гидрография 18

Глава 2. Геологическое строение, гидрогеологические условия г.Тюмени, инженерно-геологические особенности поверхностных отложений 36

2.1. Геологическое строение 3 6

2.1.1. Стратиграфия 3 6

2.1.2. Геоморфология и геология четвертичных отложений 37

2.2. Гидрогеологические условия г.Тюмени 40

2.2.1. Основные водоносные горизонты 40

2.2.2. Гидрогеологические параметры водоносных горизонтов 45

2.2.3. Оценка величины дополнительного инфильтрацион-ного питания подземных вод на застроенных территориях

на основе водно-балансовых расчетов и методом аналогии 53

2.2.4. Определение величины дополнительной инфильтрации по данным режимных наблюдений (обратные расчеты) 64

2.2.4.1. Определение интенсивности утечек воды из линейно-вытянутых коммуникаций 65

2.2.4.2. Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении его из полосообразного источника 67

2.2.4.3. Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении его из круглого очага 69

2.2.5. Уровенный режим подземных вод 69

2.3. Инженерно-геологические особенности поверхностных отложений 78

Глава 3. Геоэкологическое состояние городской территории 83

3.1. Основные факторы и их роль в формировании качественного состава подземных вод 83

3.2. Оценка качественного состава подземных вод 89

3.3. Тепловое техногенное загрязнение геологической сре-

ды (ГС) на территории г.Тюмени 100

Глава 4. Гидрогеологическое обоснование методов инженерной защиты г.Тюмени от подтопления 106

4.1. Гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от подтопления 106

4.2. Оценка состояния подтопленных городских территорий 117

4.3. Факторы и причины подтопления г.Тюмени 126

4.3.1. Неблагоприятные климатические факторы 135

4.3.2. Барражный эффект от фундаментов глубокого заложения 137

4.3.3. Техногенно-нарушенный гидрологический режим

р.Туры 140

4.4. Гидрогеологическое обоснование рекомендаций по методам инженерной защиты г.Тюмени от подтопления 143

4.4.1. Анализ и гидрогеологическая оценка методов по предотвращению подтопления территории г.Тюмени 143

4.4.2. Расчёт вертикального площадного дренажа (на примере жилмассива "Крестьянские места") 150

4.4.3. Принципиальные гидрогеологические предложения к разработке схемы защиты г.Тюмени от подтопления 156

4.4.4. Гидрогеологическое обоснование инженерных решений по регулированию поверхностного стока р.Туры в пределах г.Тюмени 157

4.5. Прогноз дополнительных осадок сооружений от осушения с помощью дренажных устройств 184

Заключение 194

Литература 197

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Экологическая обстановка на урбанизированной территории города Тюмени доведена до кризисного состояния. Подтопление городской территории за счет подземных и канализационных вод, отравленные реки и водоемы, опасная к употреблению питьевая вода, загазованность и запыленность воздушной среды, все более угрожающее приближение разрушающихся склонов Городищенского лога и правого берега р.Туры к городской застройке, не только создали дискомфорт в условиях проживания, но и являются первоосновой непредсказуемых мрачных последствий, грозящих не только здоровью людей, но и самой их жизни.

Среди большого разнообразия экологических проблем города, с точки зрения гидрогеологии, несомненный приоритет имеют вопросы подтопления городских земель.

Экологическая драма, разыгравшаяся на территории г.Тюмени, создает наряду с другими известными факторами, тупиковую морально-психологическую обстановку, приводящую к равнодушию, в том числе и в отношении властных структур, которые наверняка, даже в условиях ограничений по времени и материально-финансовым ресурсам, знают в этом плане, чего хотят, но сделать ничего не могут, ибо не знают как. И в этой ситуации для администрации в «знатоках» отбоя нет, особенно со стороны. Есть такого рода «знатоки» и для решения проблем защиты города от подтопления. Эта проблема появилась не сегодня, а возникла в явном виде, начиная с 1965-90гг. Были по этой проблеме совещания и авторитетные комиссии при городской администрации. Были и схемы защиты территории г.Тюмени от неблагоприятных геологических процессов (институты Гипрокоммундортранс, Гипрокоммунстрой), а также ТЭО по отводу поверхностных и подземных вод открытыми канавами с территории п.Войновка (институт Тюменьгипроводхоз). Наконец, по рекомендации «авторитетной» московской комиссии к решению задач борьбы с подтоплением городских земель был привлечен институт ВИО-ГЕМ (г.Белгород), которым были разработаны, по заказу городской Администрации, схема защиты города от подтопления и рабочий проект по той же тематике, но конкретно для жилмассива «Крестьянские места».

Несмотря на затраченные огромные силы и средства, острота проблемы защиты территории города Тюмени от подтопления, даже при наличии обилия так называемых «проектных предложений», так и не снята.

Причины такой ситуации - ошибочные в организационном плане представления о задачах разработки схем защиты территории от опасных геологических процессов, как о стандартных, которые могут быть реше-

ны по классической схеме, через систему проектно-изыскательских работ (ТЭО, схема защиты...., РП и т.п.) , минуя специальные научные исследования. Административные же способы принятия решений в этом сложном вопросе вообще не имеют права на существование, так как кроме убытков, с их помощью, ничего другого достигнуть не удалось. Отсутствие научного гидрогеологического обоснования «Схем защиты...» городских земель от подтопления и предопределило необходимость постановки настоящих исследований, причем интерес к этой городской проблеме появился у автора ещё в период учебы в Тюменском государственном нефтегазовом университете.

Цель работы. Научно-информационное гидрогеологическое обеспечение проектных работ по разработке схем защиты г.Тюмени от подтопления за счет подземных вод.

Задачи исследований:

- выяснить основные причины подтопления городских земель;

- провести гидрогеологический анализ существующих схем защиты г.Тюмени от подземных вод;

- разработать научные основы гидрогеологического обоснования рекомендаций по разработке мер инженерной защиты города от подтопления;

- предложить теоретическое обоснование последствий для инженерных сооружений при снижении уровня подземных вод в процессе осушения грунтового массива.

Используемые методологические принципы.

A. Если задано «следствие», то ищи «причины». Если установлены «причины», то ищи «способы борьбы» ( в смысле целей, поставленных в настоящей работе).

Б. «Причины» должны быть установлены на основе объективных процедур и на объективно полученном целевом эмпирическом материале.

B. «Способы борьбы» должны быть заданы из класса допустимых в многовариантной постановке.

Г. Ищи «способ борьбы» в смысле заданных критериев.

Д. Проблемы подтопления городских земель и развитие экзогенных геологических процессов в городе взаимосвязаны; без решения первой проблемы - нет решения второй.

Исходные материалы. В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором при проведении гидрогеологических и инженерно-геологических исследований в г.Тюмени с 1992 по

1998 гг. Наряду с собственными разработками автора, обобщены имеющиеся публикации, материалы ГлавТюменьгеологии (ЗапСибРГЦ), Зап-СибПНИИИС, «Тюменьгипроводхоз», фирмы «Недра» (Тюмень), Гипро-коммунстроя (Москва), «Гипрокоммундортранс» (Москва), фирмы «Уником» (Санкт-Петербург), НПО ВИОГЕМ (Белгород) , АООТ «Градъ» (Тюмень) , МГУ, ПНИИИС, ВНИИ ВОДГЕО.

Диссертационная работа на первом этапе выполнялась в фирме «Прогноз» , а в окончательном варианте завершена в Тюменском нефтегазовом университете (ТюмГНГУ).

Научная новизна.

1. Впервые для г.Тюмени выявлены основные причины подтопления городских земель, с учетом которых на основе анализа имеющейся гидрогеологической информации и особенностей города как природно-технической системы, разработана новая концепция осушения подтопленных территорий. Предложено теоретическое обоснование способа получения оценок осадок дневной поверхности, оснований зданий и сооружений в процессе осушения грунтового массива при работе дренажных систем.

Основные защищаемые положнния

1. На основе теоретического обобщения эмпирического материала по климату, особенностям рельефа, гидрологии реки Туры в черте города, геологии и гидрогеологии района, с учетом техногенных факторов, выявлено и доказано с применением прогнозных гидрогеологических расчетов, что главными причинами подтопления являются :

- неупорядоченная зарегулированность поверхностного стока;

- неблагоприятные климатические условия;

- техногенно нарушенный гидрологический режим р.Туры;

- барражный эффект от фундаментов глубокого заложения (свайные фундаменты).

2. На базе критического анализа существующих схем защиты - г.Тюмени от подтопления в концепцию осушения городских территорий с

гидрогеологических позиций, рекомендуется включить следующие защитные элементы :

- «отобранную» в процессе хозяйственного освоения пойму р.Туры, «заменить» спрямляющим водопропускным каналом в Заречной части города;

- на участках сформированных техногенных водоносных горизонтов осушение следует вести с использованием традиционного гравитационного дренажа (береговой, систематический и т.п.);

- на подтопленных локальных участках, где в гидрогеологическом

разрезе присутствуют коллектора, рекомендуется применение вертикального систематического дренажа подземных вод;

- одновременная откачка из скважин (имеющийся в наличии фонд скважин для резервного водоснабжения) , пройденных в водоносных горизонтах олигоцен-четвертичного резервуара, для «мягкого» снижения уровня подземных вод на подтопленных территориях;

- отказ от применения свайных фундаментов с переходом на плитные и ленточные.

Практическое значение работы иреализац ия результатов исследований.

Диссертация составлена в результате проработки актуальных гидрогеологических проблем г.Тюмени. Реализация результатов исследований осуществлялась в виде докладов, публикаций, а также в подготовке информационной базы для составления экспертных заключений по линии Тюменьоблэкологии. Научные разработки автора использовались при выполнении в качестве ответственного исполнителя госбюджетной темы (шифр 2.8): «Гидрогеологическое обоснование инженерных решений по борьбе с подтоплением городских и промышленных агломераций юга Тюменской области».

Публикация и апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на XV Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (7-9 октября 1997г.), а также на ежегодных (1995-1997 гг.) научно-технических конференциях преподавателей, студентов и аспирантов ТюмГНГУ. Проблемы, затронутые в настоящей работе, неоднократно обсуждались в Тюменьоблэкологии, когда речь шла об экологической обстановке в г.Тюмени.

Защищаемые положения диссертации отражены в 5-и опубликованных работах, а также в учебном пособии в соавторстве.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объемом 202 страницы состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, списка литературы из 78 наименований, включает 54 рисунка и 50 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М.Матусевичу за постоянную помощь на всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор благодарит за ценные советы и замечания всех сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ТюмГНГУ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЮМЕНСКОЙ ГОРОДСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ, КАК ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1.1. Структура города, застройка, инженерия

Город Тюмень расположен на реке Туре, по обоим ее берегам на 57°15' северной широты и 65°35' восточной долготы .

Правый берег реки высокий (30-40 метров, обрывистый, непрерывно разрушаемый и требующий укрепления). Левый берег низкий, пойменный, застроенный, главным образом, деревянными домами, защищенными от паводков дамбой. Берега реки неблагоустроены.

В административном отношении город Тюмень разделен на три административных округа - Центральный, Ленинский и Калининский.

Центр города с северо-запада на юго-восток пересекается системой больших и глубоких оврагов с крутыми, местами обрывистыми склонами. Система оврагов занимает значительную территорию и образует своеобразный ландшафт местности.

Застройка современной центральной части города представлена большим количеством общественных зданий областного и общегородского значения, перемежающихся с жилыми кварталами и отдельными домами.

Южная и западная части городского центра застроены малоценными о дно-двухэтажными домами.

Застройка центральной части города широким фронтом выходит на высокий правый берег реки Туры. Центральная часть города имеет мало садов, скверов, парков и бульваров. Деревянные одно-двухэтажные здания расположены по всей территории в мелких кварталах площадью от 0,5 до 3,0 га.

Многоэтажная застройка относится к послевоенному периоду строительства. Дома каменной жилой застройки центра города составляют 72,6% жилого фонда. На территории Центрального округа города расположен ряд промышленных и коммунально-складских объектов. В настоящее время территория, занятая промышленными предприятиями центральной части города составляет свыше 40 га. Некоторые из них планируется вынести за городскую черту.

Вдоль южной границы Центрального округа проходит железнодорожная магистраль Свердловск-Омск, где размещены также предприятия железнодорожного транспорта.

С юга и запада к Центральному примыкает Калининский административный округ. Значительное количество жилого фонда составляют одно-двухэтажные дома. В последние 10-15 лет интенсивно растет IV - VI и Южный микрорайоны. На юго-востоке за промышленной зоной возник

Ленинский, самый крупный округ города.

Развитие города идет и в западном направлении, где в перспективе должен вырасти второй по значению промышленный район. Заречная, (за Турой) часть города долго ограничивалась промышленной зоной, примыкающей к Туре. Застройка этой части затруднялась ежегодными паводками. Однако, в настоящее время здесь идет развитие застройки на намывных грунтах. В Восточной части возникает большой жилой массив с крупными современными зданиями.

Сложившаяся улично-дорожная сеть в центральной части города и на её окраинах представляет собой в основном прямоугольную систему с мелкой нарезкой кварталов. Существенными недостатками сети являются незначительная ширина улиц (20-25 м ), излишняя частота широтных направлений, отсутствие ливневой канализации на большинстве улиц с твердым покрытием. Часть улиц не имеет твердого покрытия и надлежащего благоустройства. В целом, существующая застройка города характеризуется слабой организацией поверхностного стока.

Источником централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения города служат поверхностные воды реки Туры и подземные воды. Суммарная производительность действующих водозаборов 215 тыс.м3/сутки.

Головной водозабор по реке Туре расположен в черте города в Центральном округе. Проектная производительность водозабора - 45

3 3

тыс.м /сутки, фактически - 20 тыс.м /сутки.

Метелевский водозабор на реке Туре расположен в п.Метелево Тюменского района в 8 км выше по течению от головного водозабора. Проектная производительность водозабора 150 тыс.м3/сутки, фактическая -112-115 тыс.м3/сутки.

Велижанский и Тавдинский скважинные водозаборы расположены

в Нижне-Тавдинском районе в 35-60 км севернее города. Фактически ото

бирается здесь до 80 тыс.м /сутки.

Водоводы и магистральные трубопроводы города уложены из стальных и чугунных труб диаметром 1000-800 мм, общая протяженность водоводов составляет 265 км, водопроводных сетей - 211 км.

По отчетным данным по системе горводопровода было отпущено

около 200 тыс.м3/сутки воды, в том числе на нужды коммунальных и обо

щественных зданий - 48 тыс.м /сутки (24%), на нужды промышленных предприятий и строительных организаций 58,4 тыс.м3/сутки (29.2%).

Производственное водоснабжение ряда промышле�